FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

Definio de Requisitos Necessrios Interoperabilidade entre IEDs na Rede

Eltrica de Distribuio

Gonalo Cruz Marques da Silva

PARA APRECIAO POR JRI

Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotcnica e de Computadores

Orientador: Professor Doutor Hlder Leite

Co-orientador: Engenheiro David Lima

29 de Junho de 2015

Gonalo Cruz Marques da Silva, 2015

Resumo

Com a evoluo dos Sistemas de Automao de Subestaes, tm surgido novas tecnologiasde comunicao que asseguram uma maior fiabilidade do Sistema Eltrico de Energia e, conse-quentemente, qualidade no fornecimento de energia aos consumidores finais. A norma IEC 61850 exemplo dessa evoluo, em que o seu grande objetivo consiste na garantia de interoperabilidadeentre dispositivos de diferentes fabricantes numa Subestao, essencialmente, pela normalizaodas redes de comunicao e respetivos equipamentos. Sendo que ainda no foi plenamente obtidaa interoperabilidade, mbito desta dissertao a definio de requisitos necessrios interopera-bilidade entre IEDs na rede Eltrica de Distribuio portuguesa.

Esta dissertao apresenta os ensaios de funcionamento e conformidade com norma IEC61850, especificados na mesma. Alguns destes ensaios eram j realizados antes da aplicaoda norma IEC 61850, sendo agora adaptados s novas necessidades. So ainda apresentados pos-siveis testes de interoperabilidade a realizar. Estes ltimos no so especificados na norma, masrevelam-se de grande importncia na obteno da interoperabilidade entre equipamentos de dife-rentes fabricantes, dado que os testes de conformidade definidos apenas testam um equipamentode forma singular e no o sistema global. Isto significa que um equipamento aprovado em tes-tes de conformidade, pode no estar apto a operar com outros equipamentos. So apresentadasferramentas de teste norma IEC 61850, como OMICRON e RTDS technologies.

Com a identificao de alguns entraves interoperabilidade entre IEDs de diferentes fabrican-tes, pela anlise da implementao feita pelos diferentes fornecedores das Subestaes do Ope-rador da Rede de Distribuio portuguesa (EDP Distribuio), apresentada uma soluo paranormalizao dos descritivos de sinais, segundo a norma IEC 61850, utilizados para efeitos decomunicao vertical e horizontal nas Subestaes.

A dissertao contempla tambm a realizao de ensais s sinalizaes de um painel tipo deMdia Tenso, em que os IEDs associados aos painis comunicam por IEC 61850. Estes foramrealizados atravs da ferramenta da OMICRON, IEDScout, que permite simulao das comunica-es e sinais.

Neste trabalho ainda explorada a possibilidade da aplicao da norma IEC 61850 em Sis-temas de Alimentao, realizando uma normalizao semelhante para os sinais utilizados nestessistemas. descrita a necessidade desta aplicao, bem como os possveis benefcios da mesma.

Palavras-chave: Interoperabilidade; Norma IEC 61850; Rede de Comunicao em Subesta-es; Sistemas de Alimentao de Corrente Contnua; Sistemas de proteo, Comando e Controlo;Testes de Funcionamento e Conformidade; Testes de Interoperabilidade.

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Abstract

The evolution of Substation Automation Systems brought new communication technologiesthat ensure greater reliability of the Electric Power System and, consequently, quality of energysupply to final consumers. The standard IEC 61850 is an example of it, as its main goal is to gua-rantee interoperability between devices from different manufacturers in a Substation, essentially,by the normalization of communication networks and respective equipment. Since interoperabi-lity has not been obtained, the definition of requirements for interoperability between IEDs inPortuguese Electrical Distribution Network is a primary object of this dissertation.

This document presents the operating tests and conformance tests according with the standardIEC 61850. Some of these tests were already performed before the application of IEC 61850,being now adapted to its needs. It also features possible interoperability tests to be performed.These are not specified in the standard, however, they have revealed to be an important asset toachieve the interoperability between equipment from different sellers, as specified, conformancetests only test a unique equipment and not the overall system. A device approved in conformancetesting can not be able to operate with other equipment. It also presents IEC 61850 testing tools,as OMICRON and RTDS technologies.

The identification of some barriers to the interoperability between IEDs from different sellers,made by the analysis of the implementation made by different suppliers of Portuguese DistributionSystem Operator (EDP Distribuio), presents a solution to the normalization of descriptive sig-nals in accordance with the standard IEC 61850, used for vertical and horizontal communicationpurposes in Substations.

This document also includes performance signal tests of a typical Medium Voltage Panel,which communicates by IEC 61850. These were performed by OMICRONs software, IEDScout,which allows the simulation of communications and signals.

It also explores the possibility of the application of IEC 618550 in Power Systems by per-forming a similar normalization of signal used in these systems. The need for this application isdescribed, as well as its possible benefits.

Keywords: Communication Network in Substations; Direct Current Power Systems; IEC61850 Standard; Interoperability; Interoperability tests; Operation and Conformance Testing; Pro-tection System, Command and Control.

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Agradecimentos

Agradeo aos meus orientadores, o Professor Doutor Helder Leite e o Engenheiro David Limapela disponibiliade e confiana depositada, bem como ao Engenheiro Alberto Pinto. A orientaorecebida foi uma grande ajuda na concretizao do trabalho. Agradeo pela oportunidade que mederam em trabalhar com eles e na EDP Distribuio.

Agradeo tambm a todas as pessoas do Departamento de Manuteno de Subestaes da EDPDistribuio pela forma como me acolheram nestes meses, em especial ao pessoal de Sistemas peladisponibiliade e ajuda no esclarecimento de dvidas. Contribuiram em muito para este trabalho epara a minha formao.

minha famlia, em especial aos meus pais e irm por me terem apoiado e proporcionado ascondies necessrias para o sucesso na vida acadmica.

Por ltmo, agradeo a todos os meus amigos que me tm acompanhado em todos os momentose que pelo companheirismo demonstrado se tornaram de grande importncia na concretizaodesta etapa.

Gonalo Cruz Marques da Silva

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Great men are not born great,they grow great . . .

Mario Puzo

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Contedo

Resumo i

Abstract iii

Lista de Figuras xi

Lista de Tabelas xiv

Abreviaturas xv

1 Introduo 11.1 Estrutura da Dissertao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 As comunicaes numa Subestao de Distribuio: a atualidade em 2015 52.1 Rede de comunicao horizontal e vertical nas Subestaes: Subestao de Dis-

tribuio em Portugal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 A necessidade da interoperabilidade entre IEDs numa Subestao: estado da arte

em 2015 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3 Linguagem de Configurao de Subestaes (SCL, Substation Configuration Lan-

guage) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.4 A comunicao Horizontal - Mensagens GOOSE . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.5 Modelo de Dados de um Dispositivo Fsico, IED . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.5.1 Ns Lgicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.6 Os benefcios da norma IEC 61850 para o Operador da Rede de Distribuio . . . 222.7 Consideraes Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3 Ensaios e testes de funcionamento numa Subestao com protocolo IEC 61850 253.1 Introduo aos testes de funcionamento numa Subestao do Operador da Rede

de Distribuio EDP Distribuio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2 Testes de Garantia e Qualidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.2.1 Classificao de Testes de Qualidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.3 Testes de Conformidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.4 Testes Funcionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.5 Testes de Interoperabilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.5.1 Tipos de Testes de Interoperabilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.5.2 A importncia dos Testes de Interoperabilidade . . . . . . . . . . . . . . 40

3.6 Testes de Desempenho do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.7 Dispositivo de Teste Universal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.8 Ferramentas OMICRON para testes da Norma IEC 61850 . . . . . . . . . . . . 44

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x CONTEDO

3.9 Ferramentas RTDS Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.9.1 Vantagens da utilizao de um RTDS em sistemas com a norma IEC 61850 51

3.10 Consideraes finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4 Normalizao dos Ns Lgicos para desenvolvimento de IEDs segundo a norma IEC61850 534.1 Comparao dos Ns Lgicos utilizados atualmente pelos fabricantes Efacec, Si-

emens, ABB e GE nos IEDs utilizados nas Subestaes da EDP Distribuio SA 534.2 Ns Lgicos segundo a Norma IEC 61850 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.2.1 Ns Lgicos para Funes de Proteo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.2.2 Ns Lgicos para Controlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.2.3 Ns Lgicos para Dispositivos Fsicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.2.4 Ns Lgicos para Sistema e Segurana do Dispositivo . . . . . . . . . . 594.2.5 Ns Lgicos relacionados com os equipamentos primrios . . . . . . . . 594.2.6 Ns Lgicos relacionados com Servios de Sistema . . . . . . . . . . . . 61

4.3 Normalizao de Ns Lgicos segundo a norma IEC 61850 . . . . . . . . . . . . 614.4 Consideraes Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5 Ensaios norma IEC 61850 com recurso ferramenta IEDScout 675.1 Nota introdutria ao IEDScout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.2 Funcionalidade do IEDScout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.3 Procedimento e equipamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685.4 Resultados obtidos nos ensaios s sinalizaes dos IEDs da Efacec e GE . . . . 715.5 Consideraes finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

6 Aplicao da norma IEC 61850 em Sistemas de Alimentao nas Subestaes da Redede Distribuio 756.1 Introduo aos Sistemas de Alimentao de Corrente Continua . . . . . . . . . . 756.2 As vantagens da aplicao da norma IEC 61850 nos Sistemas de Alimentao . . 786.3 Normalizao das Sinalizaes e Medidas, segundo a norma IEC 61850 . . . . . 796.4 Consideraes finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

7 Concluses e Trabalhos Futuros 817.1 Concluses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 817.2 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

A Ns Lgicos para funes de IEDs 85A.1 Ns Lgicos para Sinalizaes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85A.2 Ns Lgicos para Medidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94A.3 Ns Lgicos para Comandos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

B Resultados dos ensaios com IEDScout 101B.1 Ensaios s sinalizaes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

Referncias 107

Lista de Figuras

2.1 Arquitetura e organizao funcional de alto nvel do SPCC . . . . . . . . . . . . 72.2 Comunicao Vertical (a vermelho) e Horizontal (a azul) . . . . . . . . . . . . . 72.3 Arquitetura atual da Rede de comunicao numa Subestao da Rede de Distri-

buio Portuguesa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.4 Nveis funcionais numa Subestao, segundo a norma IEC 61850 . . . . . . . . . 102.5 Arquitetura de uma Subestao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.6 Painis traseiros de IEDSs,respetivamente, fabricante ABB e Efacec . . . . . . . 132.7 Painel traseiro de IED, do fabricante Siemens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.8 Relao entre ficheiros SCL e ferramentas de engenharia . . . . . . . . . . . . . 162.9 Modelo GSE (Generic Substation Event) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.10 Modelo de dados, segundo IEC 61850 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.11 Interao de Ns Lgicos, segundoa parte 5 da norma IEC 61850 . . . . . . . . . 202.12 Exemplo de uma referenciao pela parte 7-1 da norma IEC 61850 . . . . . . . . 21

3.1 Etapas para Garantia de Qualidade, segundo IEC 61850-4 . . . . . . . . . . . . . 273.2 Processo de Avaliao de Conformidade, parte 10 da norma IEC 61850 . . . . . 323.3 Esquema de teste funcional a um IED baseado na norma IEC 61850 . . . . . . . 343.4 Ligaes fsicas em ensaios funcionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.5 Sistema para teste de interoperabilidade com vrios IEDs . . . . . . . . . . . . . 373.6 Tempo de transferncia de mensagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.7 Teste de desempenho do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.8 Modelo geral de teste segundo a IEC 61850 com as ferramentas OMICRON . . . 443.9 Ambiente grfico do mdulo IEDScout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.10 Mdulo de configurao SV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.11 Esquema de teste de valores amostrados numa MU . . . . . . . . . . . . . . . . 473.12 Interface da aplicao SVScout, com valores amostrados de tenso e corrente . . 483.13 Equipamento CMC 850 da OMICRON e caixa de interface CMIRIG-B . . . . . 493.14 Esquema de ensaio de conformidade com a IEC 61850, utilizando o simulador

RTDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.1 Interface grfica da ferramenta IEDScout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685.2 Ambiente de ensaio com IED da Efacec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695.3 Esquema de montagem do ensaio realizado ao IED da Efacec . . . . . . . . . . . 705.4 Ambiente de ensaio com IED da GE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715.5 Sinalizaes (em %) aprovadas, no aprovadas e no implementadas em IEC

61850, nos IEDs da Efacec e GE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

6.1 Diagrama genrico da constituio do SACC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

xi

xii LISTA DE FIGURAS

Lista de Tabelas

4.1 Exemplo de Descritivos na Base de Dados de uma Subestao . . . . . . . . . . 544.2 Descritivos utilizados para a funo de Disjuntor . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.3 Descritivos utilizados para as funes de Mximo de Intensidade, para caracters-

tica instantnea e de tempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.4 Descritivos SCADA e soluo para LNs de cada Sinalizao, relacionada com

funes de disjuntor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.5 Descritivos SCADA e soluo para LNs de cada Sinalizao, relacionada com

funes de mximo de intensidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.6 Descritivos SCADA e soluo para LNs de cada Sinalizao, relacionada com

funes de religao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.7 Descritivos SCADA e soluo para LNs de cada Sinalizao, relacionada com

outras funes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.8 Descritivos SCADA e soluo para LNs de cada funo de Medida . . . . . . . 644.9 Descritivos SCADA e soluo para LNs de cada funo de Comando . . . . . . 65

5.1 Resultado do teste s sinalizaes relacionadas com funes do disjuntor, ao IEDda Efacec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6.1 Descritivos SCADA e da norma IEC 61850 para Sinalizaes . . . . . . . . . . . 796.2 Descritivos SCADA e da norma IEC 61850 para Medidas . . . . . . . . . . . . . 79

A.1 Ns Lgicos utilizados pela Siemens para Sinalizaes relacionadas com funesde disjuntor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

A.2 Ns Lgicos utilizados pela Siemens para Sinalizaes relacionadas com funesde mximo de intensidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

A.3 Ns Lgicos utilizados pela Siemens para Sinalizaes relacionadas com funesde religao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

A.4 Ns Lgicos utilizados pela Siemens para Sinalizaes relacionadas com outrasfunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

A.5 Ns Lgicos utilizados pela Efacec para Sinalizaes relacionadas com funesde disjuntor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

A.6 Ns Lgicos utilizados pela Efacec para Sinalizaes relacionadas com funesde mximo de intensidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

A.7 Ns Lgicos utilizados pela Efacec para Sinalizaes relacionadas com funesde religao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

A.8 Ns Lgicos utilizados pela Efacec para Sinalizaes relacionadas com outras fun-es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

A.9 Ns Lgicos utilizados pela ABB para Sinalizaes relacionadas com funes dedisjuntor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

xiii

xiv LISTA DE TABELAS

A.10 Ns Lgicos utilizados pela ABB para Sinalizaes relacionadas com funes demximo de intensidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

A.11 Ns Lgicos utilizados pela ABB para Sinalizaes relacionadas com funes dereligao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

A.12 Ns Lgicos utilizados pela ABB para Sinalizaes relacionadas com outras funes 91A.13 Ns Lgicos utilizados pela GE para Sinalizaes relacionadas com funes de

disjuntor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92A.14 Ns Lgicos utilizados pela GE para Sinalizaes relacionadas com funes de

mximo de intensidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93A.15 Ns Lgicos utilizados pela GE para Sinalizaes relacionadas com funes de

religao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93A.16 Ns Lgicos utilizados pela GE para Sinalizaes relacionadas com outras funes 94A.17 Ns Lgicos utilizados pela Siemens para funes de Medida . . . . . . . . . . . 95A.18 Ns Lgicos utilizados pela Efacec para funes de Medida . . . . . . . . . . . . 95A.19 Ns Lgicos utilizados pela ABB para funes de Medida . . . . . . . . . . . . 96A.20 Ns Lgicos utilizados pela GE para funes de Medida . . . . . . . . . . . . . 96A.21 Ns Lgicos utilizados pela Siemens para funes de Comando . . . . . . . . . . 97A.22 Ns Lgicos utilizados pela Efacec para funes de Comando . . . . . . . . . . 98A.23 Ns Lgicos utilizados pela ABB para funes de Comando . . . . . . . . . . . 99A.24 Ns Lgicos utilizados pela GE para funes de Comando . . . . . . . . . . . . 100

B.1 Resultado do teste s sinalizaes relacionadas com funes do disjuntor, ao IEDda Efacec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

B.2 Resultado do teste s sinalizaes relacionadas com funes do disjuntor, ao IEDda GE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

B.3 Resultado do teste s sinalizaes relacionadas com funes de mximo de inten-sidade, ao IED da Efacec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

B.4 Resultado do teste s sinalizaes relacionadas com funes de mximo de inten-sidade, ao IED da GE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

B.5 Resultado do teste s sinalizaes relacionadas com funes de religao, ao IEDda Efacec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

B.6 Resultado do teste s sinalizaes relacionadas com funes de religao, ao IEDda GE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

B.7 Resultado do teste s sinalizaes relacionadas com outras funes, ao IED daEfacec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

B.8 Resultado do teste s sinalizaes relacionadas com outras funes, ao IED da GE 105

Abreviaturas

ACSI Abstract Communication Service InterfaceAT Alta TensoCID Configured IED DescriptionDEF Documento Normativo de Especificao Funcional de Materiais e Aparelhos

da EDP Distribuio EnergiaDMA Documento Normativo de Caractersticas e Ensaios de Materiais e Aparelhos

da EDP Distribuio EnergiaDUT Device Under testEDP Energias de portugalFAT Factory Acceptance TestGbps Gigabit por segundoGOOSE Generic Object Oriented Substation EventGPS Global Positioning SystemGSE Generic Substation EventGSSE Generic Substation Status EventICD IED Configuration DescriptionIEC The International Electrotechnical CommissionIED Intelligent Electronic DeviceIHM Interface Homem-MquinaIP Interet ProtocolLAN Local Area NetworkLC Logical ConnectionLD Logical DeviceLN Logical NodeMbps Megabit por segundoMICS Model Implementation Conformance StatementMT Mdia TensoMU Merging UnitPCL Posto de Comando LocalPD Physical DevicePICS Protocol Implementation Conformance StatementPIXIT Protocol Implementation eXtra Information for TestingRLC Rede Local de ComunicaoRMS Valor eficazRTU Remote Terminal UnitSACC Sistema de Alimentao de Corrente ContinuaSAS Sistema de Automao de SubestaesSAT Site Acceptance TestSCADA Supervisory Control and Data Acquisition

xv

xvi ABREVIATURAS E SMBOLOS

SCC Sistema de Comando e ControloSCD Substation Configuration DescriptionSCL Substation Configuration LanguageSE SubestaoSEE Sistema Eltrico de EnergiaSMV Sampled Measured ValueSP Sistema de ProteoSPCC Sistema de Proteo, Comando e ControloSSD System Specification DescriptionSV Sampled ValueSW SwitchTCP Transmission Control ProtocolTI Transformador de CorrenteTT Transformador de TensoUC Unidade CentralURTA Unidade Remota de Teleao e AutomaoVca Tenso em Corrente AlternadaVcc Tenso em Corrente ContnuaVLAN Virtual Local Area NetworkXML eXtensible Markup Language

Captulo 1

Introduo

Em busca por um compromisso entre qualidade de servio, fiabilidade, flexibilidade, economia

e capacidade de comando e controlo dos equipamentos primrios de uma Subestao na Rede de

Distribuio, cabe ao Operador aplicar medidas no sentido de atingir estes objetivos.

Recentemente, houve uma grande melhoria ao nvel da tecnologia em redes de comunicao

que torna possvel a ao dos Sistemas de Automao numa Subestao. Recorrendo a tecno-

logias como Ethernet, TCP/IP, redes de alta velocidade e computadores de alto desempenho a

baixo custo, garantem novas capacidades que no existiam aquando da criao dos protocolos de

automao em Subestaes. Por forma a tirar proveito da modernizao tecnolgica a Comis-

so Eletrotcnica Internacional (IEC, da literatura anglo-saxnica: International Electrotechnical

Commission) projetou um novo standard no mbito da automao em Subestaes, denominado

IEC 61850.

O Operador da Rede de Distribuio portuguesa, EDP Distribuio SA, procura atingir a in-

teroperabilidade entre IEDs de diferentes fabricantes com a norma IEC 61850, cujo estado de

desenvolvimento ainda no se encontra plenamente finalizado/alcanado. Assim, espera-se uma

expanso dos Sistemas de Automao de Subestaes com base na norma IEC 61850 por forma a

padronizar as comunicaes ao nvel das Subestaes. Com a aplicao da norma, pretende-se que

a arquitetura da rede de comunicao se torne semelhante entre diferentes Subestaes, estando

assim aptas a responder a incompatibilidades entre equipamentos de diferentes fabricantes.

Com a no verificao da plena interoperabilidade em Subestaes da responsabilidade do

Operador da Rede de Distribuio portuguesa, torna-se necessrio especificar, junto dos fabri-

cantes, o que desejado ao nvel de implementao segundo a norma IEC 61850, para que se

verifique coerncia entre os diferentes IEDs. O facto de a norma IEC 61850 no definir testes de

interoperabilidade deixa ao Operador a necessidade de explorar possveis solues que permitam

a verificao da mesma.

A par dos Sistemas de Proteo, Comando e Controlo existem os Sistemas de Alimentao,

responsveis por fornecer os diferentes nveis de tenso necessrios operao de todos os equi-

pamentos do sistema, bem como assegurar o pleno funcionamento da Subestao em caso de falha

na rede eltrica ou avaria de equipamentos.

1

2 Introduo

Assim, objetivo desta dissertao, intitulada Definio de requisitos necessrios intero-

perabilidade entre IEDs na rede Eltrica de Distribuio, juntamente com a norma IEC 61850,

definir requisitos necessrios interoperabilidade entre IEDs dentro do que a realidade da EDP

Distribuio. Os requisitos definidos podero vir a fazer parte de uma lista com especificaes a

ser entregue aos fabricantes, no momento da aquisio de SPCCs.

1.1 Estrutura da Dissertao

A dissertao est dividida emsete captulos. O primeiro apresenta uma introduo do tema em

estudo, bem como a motivao e objetivos do trabalho desenvolvido. ainda descrita a estrutura

da dissertao, resumindo cada um dos captulos.

O captulo dois consiste na reviso de literatura sobre as comunicaes numa Subestao de

Distribuio. descrita a rede de comunicao horizontal e vertical na Subestao e apresentada

a necessidade de interoperabilidade entre IEDs de diferentes fabricantes. ainda apresentada a

Linguagem de Configurao de Subestaes, bem como a comunicao horizontal por mensagens

GOOSE e o modelo de dados de um IED. O captulo finalizado com a apresentao de possveis

benefcios com a aplicao da norma IEC 61850 por parte do Operador da Rede de Distribuio.

O captulo trs consiste na reviso de literatura relativa a ensaios e teste de funcionamento

numa Subestao com protocolo IEC 61850. apresentada uma introduo aos testes de funci-

onamento numa Subestao do Operador da Rede de Distribuio. Seguidamente, so descritos

os ensaios e testes propostos na norma, como Testes de Garantia de Qualidade, Testes de Confor-

midade, Testes Funcionais e Testes de Desempenho do Sistema. Os Testes de Interoperabilidade,

no definidos na norma, so tambm apresentados. Por fim, descreve-se um Dispositivo de Teste

Universal, bem como ferramentas de teste norma IEC 61850, da OMICRON e da RTDS techno-

logies.

O captulo quatro consiste na Normalizao dos Ns Lgicos para desenvolvimento de IEDs

segundo a norma IEC 61850. apresentada uma comparao dos Ns Lgicos utilizados atu-

almente pelos fornecedores Efacec, Siemens, ABB e GE, que fornecem os SPCCs do Operador

da Rede de Distribuio, EDP Distribuio SA. So apresentados os Ns Lgicos especificados

na norma IEC 61850 para funes de Proteo, Controlo, Dispositivos Fsicos, Sistema e Segu-

rana do Dispositivo, equipamentos primrios e Servios de Sistema. Nesse mesmo captulo,

apresentada uma possvel soluo para a normalizao dos Ns Lgicos segundo a norma IEC

61850.

O Capitulo cinco aborda o software IEDScout da OMICRON para ensaios norma IEC 61850.

apresentada uma introduo ao software, seguida do procedimento e equipamentos utilizados

em ensaios.

O captulo seis aborda os Sistemas de Alimentao nas Subestaes da Rede de Distribuio e

a possvel aplicao da norma IEC 61850 na comunicao de sinalizaes e medidas. apresen-

tada uma introduo sobre os Sistemas de Alimentao e as vantagens da aplicao da norma IEC

61850, bem como proposta a normalizao das sinalizaes e medidas utilizadas atualmente.

1.1 Estrutura da Dissertao 3

O captulo sete, e ltimo, apresenta as principais concluses, limitaes e contribuies deste

trabalho de dissertao. So tambm apresentadas sugestes de possveis trabalhos futuros.

4 Introduo

Captulo 2

As comunicaes numa Subestao deDistribuio: a atualidade em 2015

Neste Captulo ser descrita a rede de comunicao horizontal e vertical nas Subestaes da

Rede de Distribuio em Portugal (60/30kV ou 60/15kV), respetiva estrutura e arquitetura, bem

como os nveis funcionais da subestao. Apresenta-se a necessidade e os requisitos da inte-

roperabilidade entre Dispositivos Eletrnicos Inteligentes (IEDs, da literatura anglo-saxnica:

Intelligent electronic devices) numa Subestao: estado da arte em 2015. Por ltimo, so apre-

sentados: Linguagem de Configurao de Subestaes (SCL, do ingls: Substation Configuration

Language), Comunicao Horizontal por mensagens GOOSE (da literatura anglo-saxnica: Ge-

neric Object Oriented Substation Event) e o modelo de dados de um IED.

2.1 Rede de comunicao horizontal e vertical nas Subestaes: Su-bestao de Distribuio em Portugal

Os Sistemas de Automao de Subestaes (SAS) so sistemas de superviso, de gesto e

controlo de sistemas de distribuio de energia eltrica, compostos por IEDs interligados de forma

a partilharem informao, atravs da Rede Local de Comunicao (RLC), de alta velocidade.

Os sistemas automatizados mais evoludos utilizados nas SEs AT/MT passam pela utilizao de

Sistemas de Proteo, Comando e Controlo (SPCC).

Os SPCCs tm vindo a sofrer alteraes constantes com o decorrer dos tempos [1] [2]. Nos

sistemas clssicos, o hardware responsvel pelas funes de proteco era fisicamente distinto

do responsvel pelas funcionalidades de comando e controlo, em que estes recorrem a um aut-

mato, designado por Unidade Remota de Teleao e Automao (URTA). Com o desenvolvimento

tecnolgico, as protees passaram a ser microprocessadas, permitindo a que estes dois sistemas

fossem incorporadas num mesmo dispositivo (IED), originando os SPCCs. Assim as Subestaes

da Rede de Distribuio em Portugal (60/30kV ou 60/15kV) dividem-se segundo o tipo de SPCC,

respetivamente, Clssicas ou Numricas [3].

5

6 As comunicaes numa Subestao de Distribuio: a atualidade em 2015

No Sistema Eltrico de Energia (SEE), os SPCCs so responsveis por monitorizar e garantir

uma explorao segura, com elevados ndices de continuidade e qualidade de servio [4]. Um

SPCC, representado na Figura 2.1, constitudo por diversas unidades/equipamentos, tal como

a Unidade Central (UC), IEDs, Posto de Comando Local (PCL) e Rede Local de Comunicao

(RLC), as quais permitem a execuo de automatismos, a superviso e o comando da SE, local

ou remotamente ( distncia) [1]. O Operador da Rede de Distribuio define, segundo [1], nveis

hierrquicos na subestao: nvel 0 ou de processo (constitudo pelos equipamentos AT/MT da

subestao com os quais o SPCC interage), nvel 1 constitudo por unidades de painel/IED e nvel

2 constitudo pela UC/PCL.

A UC responsvel pela comunicao com o Centro de Conduo e com todos os IEDs,

atravs de protocolos normalizados. Permite a execuo de funes de comando e controlo da

instalao, tanto localmente como distncia. A UC tambm responsvel por assegurar o envio

de informao, via rede ethernet para o PCL, permitindo desta forma a animao em tempo real

dos diversos Quadros Grficos da Interface Homem-Mquina (IHM) disponveis no PCL, bem

como o arquivo no disco do PCL de registos de eventos do SPCC e de Osciloperturbografia,

descarregados automaticamente dos IEDs. A UC deve ser sincronizada atravs de um protocolo

de comunicao ou via GPS (da literatura anglo-saxnica: Global Positioning System), tambm

ele instalado na SE [2].

O PCL um computador industrial responsvel pelo arquivo e registo do SPCC e por fun-

es de interface e visualizao para o utilizador. O PCL permite a configurao e parametrizao

dos IEDs e registo de eventos. Atravs do PCL possvel supervisionar a SE, bem como efe-

tuar comandos. O PCL permite ainda a realizao das seguintes aes: Visualizar os esquemas

sinticos da instalao (estado atual de rgos e aparelhagem), visualizar medidas, efetuar coman-

dos, visualizar as ocorrncias verificadas na instalao e visualizar o estado de autodiagnostico do

SPCC [2].

A RLC assegura a comunicao entre UC, os IEDs e o PCL. Esta rede constituda por uma

infraestrutura fisica e, essencialmente, pelos seguintes equipamentos: routers, switches, hubs

e modems [2].

2.1 Rede de comunicao horizontal e vertical nas Subestaes: Subestao de Distribuio emPortugal 7

Figura 2.1: Arquitetura e organizao funcional de alto nvel do SPCC [2]

Ao nvel de comunicao interna da Subestao, surgem, consoante a hierarquia dos equipa-

mentos em questo, dois tipos: Vertical e Horizontal. A comunicao Vertical consiste na ligao

estabelecida entre cada um dos IEDs e a Unidade Central (UC) da Subestao, por outro lado, a

comunicao Horizontal define-se como a ligao entre os diferentes IEDs, pode ser verificado na

Figura 2.2, a seguir apresentada.

Figura 2.2: Comunicao Vertical (a vermelho) e Horizontal (a azul) [5]

A comunicao dentro da Subestao, Vertical e Horizontal, funciona segundo protocolos, que

definem a utilizao da Rede Local de Comunicao (RLC), denominados Protocolos Down [6].

8 As comunicaes numa Subestao de Distribuio: a atualidade em 2015

No caso de ser uma Subestao Clssica, no recorre a nenhum protocolo de comunicao por

rede, dado no possurem comunicao. Por outro lado, nas Subestaes Numricas do Operador

da Rede de Distribuio em Portugal (EDP Distribuio SA), encontram-se vrios protocolos nas

diversas Subestaes. Analisando a zona Norte e Porto, segundo informao obtida no departa-

mento de manuteno de SEs, verificam-se, num universo de 109 instalaes, 32% Numricas

e 68% Clssicas. Nas SEs numricas os protocolos de comunicao presentes nas instalaes e

respetiva percentagem so: IEC 61850 (34%), IEC 60870-5-104 (37%) e LonWorks (29%).

A comunicao da Subestao para o Centro de Conduo [6] rege-se segundo um Proto-

colo para Centro de Conduo. Os protocolos atualmente utilizados nas Subestaes da Rede

de Distribuio nacional e respetiva percentagem so: protocolo EDP (56%), CETT (7%), IEC

60970-5-101 (23%), IEC 60970-5-104 (12%) e PUR (2%).

A diversidade de protocolos de comunicao em uso nas Subestaes da Rede de Distribuio

deve-se, inicialmente, diferena de idades dos equipamentos, isto porque, tem vindo a ser feita

uma renovao destas, mas por motivos econmicos uma renovao gradual em funo das exi-

gncias de cada uma. Traduzindo-se assim numa poca em que se encontram dentro do mesmo

Operador da Rede vrias geraes de Subestaes, como referido anteriormente, Clssicas e Nu-

mricas. Por outro lado, existe ainda a diversidade de protocolos utilizados por cada fabricante de

equipamentos para SPCCs, nomeadamente de IEDs.

Com o objetivo da normalizao das Subestaes, surgiu um novo desafio. A ideia passa pela

utilizao de um protocolo de comunicao nico e universal, permitindo a interoperabilidade en-

tre diferentes fabricantes. A norma IEC 61850 trouxe este novo paradigma comunicao nas

Subestaes da Rede de Distribuio, sendo que define Ethernet e TCP/IP como arquitetura e

protocolos a serem utilizados na rede de comunicao de uma Subestao. Atualmente, os IEDs

mais recentes incorporam uma carta Etehrnet a 100Mbps, com opo de redundncia, para suporte

dos protocolos IEC 61850 e IEC 60970-5-104, disponibilizam ainda o protocolo de comunicao

TCP/IP, para ligao direta ferramenta de configurao da proteo. Por aqui se v que a veloci-

dade nas comunicaes no representa qualquer tipo de entrave ou dificuldade ao funcionamento

da Subestao.

A arquitetura utilizada pelo operador da Rede de Distribuio consiste numa rede em anel entre

os Ethernet switches, em que cada um destes tem uma rede radial de IEDs, todas estas ligaes

feitas por cabos de fibra tica, representado na figura 2.3.

2.1 Rede de comunicao horizontal e vertical nas Subestaes: Subestao de Distribuio emPortugal 9

Figura 2.3: Arquitetura atual da Rede de comunicao numa Subestao da Rede de DistribuioPortuguesa [7]

Tendo como objetivo a normalizao da arquitetura da rede de comunicao entre diferentes

subestaes e sendo uma das grandes vantagens desta mudana, definiram-se dois barramentos

de comunicao: barramento de subestao e barramento processo [7]. O barramento de subes-

tao comporta as funcionalidades para acesso remoto e assegura a ligao a equipamentos de

Interface Homem-mquina (IHM) e a Unidade Central (UC) e ligao entre IEDs. O barramento

de processo assegura as ligaes entre os equipamentos primrios da subestao e os IEDs, por

meio da rede de comunicao, este ainda no se encontra implementado na Rede de Distribuio

Portuguesa. Os dispositivos de uma Subestao devem ser instalados em diferentes nveis funcio-

nais, estes so nvel de Subestao (Station), nvel de unidades de painel, IEDs (Bay) e nvel de

Processo (Process), que por sua vez so separados pelos barramentos antes descritos (Subestao

e Processo), como apresentado na Figura 2.4.

10 As comunicaes numa Subestao de Distribuio: a atualidade em 2015

Figura 2.4: Nveis funcionais numa Subestao, segundo a norma IEC 61850 [8]

No nvel de processo, os valores de tenso e corrente so recolhidos por sensores e digitali-

zados por Merging Units (MUs), atravs de ligaes Ethernet redundantes de fibra tica a 100

Mbps. Os pontos de recolha so Ethernet Switches com barramentos de dados internos de 1 Gbps

e Uplinks que suportam a prioridade Ethernet e Ethernet Virtual LAN (VLAN). VLAN permite

que um Ethernet Switch entregue conjunto de dados apenas aos IEDs que subscrevem esses dados.

Com vista na implementao do Barramento de Processo, os fabricantes tero de providenciar a

capacidade de integrar os dados provenientes dos Transformadores de Corrente e Transformadores

de Potncia com os dados recolhidos pelos sensores ticos/eletrnicos [9].

Ao nvel da Subestao, o barramento de subestao ou station bus formado por uma

rede ethernet de 10/100 Mbps. Este barramento assegura a comunicao primria entre os vrios

Ns Lgicos, responsveis pelas vrias funes de proteo, controlo, monitorizao e registo

[9]. A comunicao ser baseada em mensagens GOOSE (da literatura anglo-saxnica, Generic

Object Oriented Substation Event), desenvolvido na seco 2.4. A arquitetura atual da rede de

comunicao, Figura 2.3, suporta acesso remoto.

Na Figura 2.5, representada, resumidamente, a rede de comunicao da Subestao, com

base nos nveis funcionais, especificados pela norma IEC 61850.

2.2 A necessidade da interoperabilidade entre IEDs numa Subestao: estado da arte em 2015 11

Figura 2.5: Arquitetura de uma Subestao [9]

A arquitetura da Subestaes e respetiva rede de comunicao, adotada pelo Operador da

Rede de Distribuio segue uma estrutura normalizada, na norma IEC 61850, possibilitando s

Subestaes funcionarem sob o protocolo de comunicaes IEC 61850. Protocolo este que tem

como grande foco a interoperabilidade entre IEDs de fabricantes diferentes numa Subestao. A

seco 2.2 abordar o estado da interoperabilidade na atualidade.

2.2 A necessidade da interoperabilidade entre IEDs numa Subesta-o: estado da arte em 2015

Atualmente na Rede de Distribuio verificam-se limitaes ao nvel da implementao da

interoperabilidade entre IEDs de diferentes fabricantes, por meio da norma IEC 61850. Nenhuma

das instalaes com protocolo IEC 61850 para efeitos de comunicao interna, Vertical e Hori-

zontal, incorpora equipamentos de fabricantes diferentes.

Numa Subestao, a interoperabilidade traria diversas vantagens a nvel econmico, vantagens

tais como a de gesto de recursos por parte do Operador da Rede de Distribuio, sobretudo de

ativos. Esta permitiria a reduo do nmero de unidades de IEDs de reserva, pois seria possvel

numa Subestao substituir um IED por outro, independentemente do fabricante ou mesmo do

modelo do equipamento. Esta caracterstica garantiria ao departamento de manuteno de SEs

uma capacidade de gesto de recursos, quer fsicos quer financeiros, ao nvel da reparao de

equipamentos avariados. Na realidade atual, avariando um equipamento, pode ser necessrio o

envio da unidade para reparao, obrigando existncia de stocks dos vrios modelos especficos

em operao nas diversas SEs, representando custos acrescidos.

Apesar de a norma IEC 61850 [10] definir requisitos e metodologias para a comunicao entre

12 As comunicaes numa Subestao de Distribuio: a atualidade em 2015

IEDs dentro de uma Subestao, recorrendo Rede de rea Local (LAN, da literatura anglo-

saxnica Local Area Network), ainda no foi atingida uma interoperabilidade entre IEDs de dife-

rentes fabricantes, isto , estes equipamentos ainda no apresentam a capacidade de comunicarem

e partilharem informao entre si em pleno funcionamento [11]. A norma IEC 61850 no de-

fine testes de interoperabilidade, afirmando que testes de interoperabilidade global para todos os

equipamentos no vivel [12]. Esto definidos apenas testes de conformidade, que no so

suficientes para a verificao da interoperabilidade, apenas passam ao utilizador algum grau de

confiana de que os dispositivos podero operar juntos.

A implementao da interoperabilidade entre IEDs dentro de uma Subestao uma tarefa

difcil de concluir atualmente, segundo [12], verifica-se uma ambiguidade presente na norma IEC

61850, que se define como um protocolo para redes de comunicao em Subestaes. A forma

como est escrita permite muita liberdade aos diferentes fabricantes na maneira como desenvolvem

os seus produtos. As vrias formas de implementao ao nvel dos Ns Lgicos e respetivos

atributos, as possveis diferentes interpretaes por parte de cada fabricante, os diferentes perfis de

comunicao e ainda a influncia da arquitetura da rede de comunicao, so razes que dificultam

a interoperabilidade [12].

Os Ns Lgicos (LNs, da literatura anglo-saxnica Logical Nodes), apresentados na seco

2.5.1, esto bem definidos na norma bem como os dados e respetivos atributos, sendo necessrio

para a interoperabilidade esta permite a opo por LNs privados, dados e GGIOs (Ns Lgicos

Genricos, da literatura anglo-saxnica: Generic Input and Output) de forma a fazer frente a

situaes difceis de definir com os modelos j padronizados [13]. Esta utilizao mais genrica

obriga a um menor esforo ao nvel de implementao aos fabricantes, mas em contrapartida

cria problemas de interoperabilidade, fazendo com que os equipamentos passem pelos testes de

conformidade mas no tendo a capacidade de interagirem entre eles. Ao nvel dos Dispositivos

Lgicos (LDs, da literatura anglo-saxnica Logical Devices) no h qualquer tipo de definio

normalizada, ou seja, os fabricantes e utilizadores dos equipamentos tm total liberdade neste

aspeto construtivo, o que, por sua vez, faz com que apaream no mercado alguns IEDs com apenas

um LD e outros com vrios LDs implementados. Um IED ou Dispositivo fsico (PD, da literatura

anglo-saxnica Physical Device) tipicamente comporta vrios LDs, como o de Proteo, Controlo,

Medio e Registo. Por vezes, ainda definido um LD genrico, estas indefinies acarretam

problemas de interoperabilidade [12].

A ambiguidade na interpretao da norma pelos fabricantes um ponto crtico interoperabili-

dade. Apresenta-se como exemplo [12] os ficheiros CID (da literatura anglo-saxnica: Configured

IED Description) ou ICD (da literatura anglo-saxnica: IED Configuratio Description), especifi-

cados na parte 6 da norma IEC 61850 [14]. usados para troca de informao com o configurador

do sistema que tem sido um indicador de ambiguidade, originando variadas implementaes em

ferramentas de configurao do sistema. Um ficheiro ICD, segundo a definio presente na norma,

um ficheiro modelo de um IED contendo seces para comunicao opcional, capacidades do

IED, nome do IED, tipos de LNs e nome da subestao. Assim no dever conter qualquer tipo de

informao especfica necessria para aplicao. Um ficheiro CID vem definido como um ficheiro

2.2 A necessidade da interoperabilidade entre IEDs numa Subestao: estado da arte em 2015 13

que descreve um IED instanciado (inserido) num projeto especfico com todas as mensagens pu-

blicadas e subscritas e respetivas informaes especficas de configurao como o endereo do

IED. A transferncia de dados associada comunicao por mensagens GOOSE entre IEDs pre-

cisa de ficheiros SCL (do ingles: Substation Configuration Language), seco 2.3, com endereos

especficos de comunicao e mensagens publicadas. Aparecendo a dvida sobre qual o tipo de

ficheiro que deve ser utilizado nesse caso. Atualmente aparecem ferramentas que apenas aceitam

um tipo de ficheiro e outras que at geram os dois tipos, criando mais um problema interopera-

bilidade entre equipamentos de diferentes fabricantes. Este problema pode ser resolvido alterando

a extenso do arquivo para permitir aceitao por parte do configurador.

A norma IEC 61850 define um perfil de comunicao necessrio interoperabilidade, mais

uma vez, com atributos obrigatrios mas com outros opcionais. Permitindo perfis de comunicao

implementados segundo a mesma, diferentes entre fabricantes, pode levar a que no sejam ope-

rveis equipamentos entre si, em pleno. A interoperabilidade dos IEDs numa Subestao ainda

afetada pela arquitetura da rede de comunicao [12].

Outra dificuldade interoperabilidade a ligao fsica, a fio de cobre, dos IEDs. Dado que

cada fabricante tem um mdulo de ligaes do painel traseiro de entradas e sadas diferente. Seria

benfico para o Operador da Rede de Distribuio a normalizao do aspeto construtivo destes

painis de I/Os (input/output) de forma a permitir a fcil substituio da ficha de ligaes, evitando

a necessidade fazer a religao fio a fio e, por vezes, a reconfigurao das posies de entradas e

sadas. Nas Figura 2.6 e Figura 2.7 verifica-se as diferenas entre os diversos fabricantes, enquanto

os fabricantes ABB e Efacec apresentam fichas facilmente amovveis, a Siemens no.

Figura 2.6: Painis traseiros de IEDSs,respetivamente, fabricante ABB e Efacec

14 As comunicaes numa Subestao de Distribuio: a atualidade em 2015

Figura 2.7: Painel traseiro de IED, do fabricante Siemens

As diferentes interpretaes da Norma IEC 61850, por parte dos diferentes fabricantes e o facto

de o Operador da Rede de Distribuio no especificar requisitos ao nvel de solues da norma

leva a que, na grande maioria dos casos, os equipamentos tenham implementaes prprias de cada

fabricante, mesmo que desenvolvidos com base na norma. Assim, no tem sido tirado o mximo

benefcio da utilizao do protocolo, quer ao nvel da interoperabilidade, quer na possibilidade de

reutilizao de projetos de engenharia em diferentes instalaes.

Desta forma, surge a necessidade da Operadora da Rede de Distribuio especificar ao nvel

da norma IEC 61850 junto dos fornecedores. Definir concretamente o que quer de cada fabricante

em cada parmetro do equipamento, melhorando assim a capacidade de melhor avaliar as funci-

onalidades implementadas. Este processo dever ser aplicado passo a passo, demorando o tempo

necessrio, pois est limitado pela experiencia na aplicao da norma, tecnologia disponvel, custo

de investimento e complexidade dos sistemas. A aplicao da interoperabilidade seria facilitada

se os diferentes fabricantes se unissem na busca de uma soluo uniforme na utilizao da norma

IEC 61850. Nesta fase, para que se consiga um maior aproveitamento da norma essencial a rea-

lizao de ensaios laboratoriais que permitam a definio de metodologias de ensaio, permitindo

efetuar testes de interoperabilidade.

Finalizando, os testes de conformidade, definidos na norma IEC 61850 parte 10 [15] no

conseguem por si s garantir uma interoperabilidade, pelo simples facto de que consistem no

teste de um nico dispositivo contra o sistema de testes e procedimentos pr-configurados. Pela

importncia e necessidade dos testes de interoperabilidade sero descritos na seco 3.5.

2.3 Linguagem de Configurao de Subestaes (SCL, Substation Configuration Language) 15

2.3 Linguagem de Configurao de Subestaes (SCL, SubstationConfiguration Language)

A Linguagem de Configurao de Subestaes (SCL, da literatura anglo-saxnica: Substa-

tion Configuration Language) est definida na norma IEC 61850 parte 6 [14] com o objetivo de

padronizar os dados relativos aos IEDs, com o objetivo de atingir a interoperabilidade entre os

equipamentos e respetivas ferramentas de configurao. uma linguagem considerada de alto

nvel, baseada em XML (da literatura anglo-saxnica: eXtensible Markup Language). Possibilita

a descrio do esquema unifilar da Subestao, bem como a rede de comunicaes, as instncias

dos LNs e as relaes entre os equipamentos da Subestao.

A norma sugere a utilizao de regras na formatao dos ficheiros e criao de estruturas,

por forma a garantir uma maior fiabilidade na troca de descries das funcionalidades dos IEDs

e da descrio do Sistema de Automao de Subestaes (SAS). Permitindo assim a execuo

de comunicao bidirecional entre as ferramentas de configurao dos IEDs e as ferramentas de

configurao do Sistema [11]. Esta comunicao possibilita uma configurao da Subestao

independente da configurao dos IEDs. Progredindo assim, no sentido da interoperabilidade

entre os vrios fabricantes, no que diz respeito s respetivas ferramentas de configurao.

A linguagem SCL constituda por vrios tipos de ficheiros de dados relativos s funes do

SAS [14]. O SSD (da literatura anglo-saxnica: System Specificacion Description) contm infor-

mao sobre a configurao e caractersticas da rede de comunicao, como o diagrama unifilar,

as funes alocadas ao diagrama e os dados suportados. O ICD (da literatura anglo-saxnica: IED

Capability Description) apresenta as caractersticas e funcionalidades de cada IED, fornecidas

pelo fabricante. Quando definido para um projeto especfico de uma Subestao o ficheiro passa a

CID (da literatura anglo-saxnica: Configured IED Description), incluindo informaes do IED,

como endereo e informao sobre os LNs, e ainda configuraes para troca de mensagens GO-

OSE. Por fim, o SCD (da literatura anglo-saxnica: Substation Configuration Description) junta

os ficheiros ICD ou CID com os SSD, definindo assim a configurao completa da Subestao,

incluindo a rede de comunicao e informao sobre a troca de dados.

O mtodo simples de implementao desta linguagem SCL descreve-se na Figura 2.8, com os

vrios tipos de ficheiros e ferramentas de configurao do Sistema e IEDs.

16 As comunicaes numa Subestao de Distribuio: a atualidade em 2015

Figura 2.8: Relao entre ficheiros SCL e ferramentas de engenharia [2]

A SCL portadora de algumas vantagens [9], como a capacidade de permitir que atravs de

ferramentas de desenvolvimento off-line sejam gerados ficheiros necessrios configurao auto-

mtica de IEDs a partir do projeto do sistema, reduzindo o esforo e custo de na configurao.

Permite ainda a partilha de configuraes de IEDs entre diferentes fornecedores, de forma a eli-

minar eventuais equvocos e incoerncias. O cliente pode entregar os prprios arquivos SCL aos

fabricantes, garantindo assim a correta configurao dos equipamentos. ainda possvel, sem

qualquer ligao rede, a configurao de aplicaes IEC 61850.

2.4 A comunicao Horizontal - Mensagens GOOSE

A comunicao horizontal processada no bay level da Subestao, consistindo no modo

editor/subscritor (da literatura anglo-saxnica: Publisher/subscriber) de mensagens. Estas podem

ser distribudas pela rede de forma unicast, multicast ou broadcast, ou seja, podem ser recebidas

por um, vrios ou todos os IEDs [2]. A comunicao a este nvel no utiliza sinalizaes de

2.4 A comunicao Horizontal - Mensagens GOOSE 17

confirmao de entrega das mensagens, dado que estas so repetidas sucessivamente, por forma a

garantir redundncia.

Neste sentido a parte 8 da norma IEC 61850 prope mensagens GOOSE (da literatura anglo-

saxnica: Generic Object Oriented Substation Event) caracterizadas pelo modo editor/subscritor.

So mensagens compostas pela informao que permite conhecer um estado foi modificado e o

instante em que ocorreu a modificao. As mensagens GOOSE podem se aplicadas em vrias

situaes de lgica, como exemplo: (i) funo de falha de disjuntor, (ii) seletividade lgica, (iii)

transferncia automtica de linhas, (iv) transferncia de carga entre transformadores no caso de

falha num deles, (v) auxlio manobra de paralelismo de transformadores, entre outros [11].

As mensagens GOOSE caracterizam-se por efetuarem um mapeamento diretamente na ca-

mada ethernet, permitindo uma otimizao na descodificao de mensagens, o que leva a menores

tempos de tratamento e transferncia. Como referido anteriormente, para garantir a entrega das

mensagens, estas so reenviadas entre intervalos de tempo na casa dos milissegundos. Recorrem

ainda ao protocolo VLAN (da literatura anglo-saxnica: Virtual Local Area Network), sobre redes

ethernet, por forma a melhorar a segurana e o desempenho dos esquemas de proteo.

O modelo GSE (da literatura anglo-saxnica: Generic Sustation Event Model) [16], represen-

tado na Figura 2.9, definido na norma IEC 61850, exemplifica a comunicao horizontal atravs

da troca de mensagens GOOSE.

Figura 2.9: Modelo GSE (Generic Substation Event) [16]

1. O LN PDIS deteta uma falha, o que resulta na deciso de enviar uma mensagem GOOSE.

18 As comunicaes numa Subestao de Distribuio: a atualidade em 2015

2. O LN PTRC envia a mensagem GOOSE que recebida pelo disjuntor XCBR0. Aps a

anlise da mensagem, o disjuntor abre o Interruptor (SW, da literatura anglo-saxnica: Switch).

3. A informao da mudana de estado do SW do disjuntor de ON para OFF atualizada e

enviada para os rels.

4. O LN RREC recebe a mensagem GOOSE enviada pelo XCBR0. De acordo com a sua

configurao, o RREC decide pelo fecho do SW e envia a mensagem para o XCBR0.

5. O XCBR0 recebe a mensagem GOOSE vinda do RREC e aps anlise, resulta a deciso

de fechar o SW do disjuntor. O XCBR0 atualiza a informao da mudana do SW do disjuntor de

OFF para ON.

2.5 Modelo de Dados de um Dispositivo Fsico, IED

Os modelos de dados representam as funes e atributos dos dispositivos fsicos de uma SE.

A norma IEC 61850 define e normaliza um modelo de dados orientado a objetos, onde os dados

so trocados entre funes e subfunes presentes nos IEDs [2].

Os IEDs ou Dispositivos Fsicos (PD, da literatura anglo-saxnica: Physical Device) so com-

postos por hardware e software, este ltimo corresponde ao conjunto de funes que caraterizam

o seu funcionamento. As funes recorrem a classes de dados e respetivas instncias de dados.

Num conjunto de funes internas de um IED em que ocorra troca de informao, designa-se por

N Lgico (LN, da literatura anglo-saxnica: Logical Node). Por sua vez, um conjunto de LNs

origina um Dispositivo Lgico (LD, da literatura anglo-saxnica: Logical Device), contendo or-

ganizadamente todos os dados necessrios ao cumprimento das funcionalidades designadas. No

Dispositivo Fsico ou IED encontra-se o LD, responsvel por guardar todos os dados indispens-

veis ligao do IED com a rede existente. As instncias do IED so responsveis por arquivar

toda a informao, da qual dependem as funcionalidades inerentes ao dispositivo. Na Figura 2.10,

apresenta-se o modelo de um IED segundo a norma IEC 61850. O modelo segue uma estrutura

hierrquica.

2.5 Modelo de Dados de um Dispositivo Fsico, IED 19

Figura 2.10: Modelo de dados, segundo IEC 61850 [11]

2.5.1 Ns Lgicos

As funes de um SAS devem ser constitudas por LNs com um nico nome, especificado na

norma IEC 61850. Os LNs podem ser utilizados por mais do que um LD. Os LDs so compostos

por LNs que podem interagir internamente e externamente, isto , pode interagir tambm com

LNs de outros PDs. Esta interao feita por Ligaes Lgicas (LC, da literatura anglo-saxnica:

Logical Connection) alocadas por Ligaes Fsicas (PC, da literatura anglo-saxnica: Physical

Connection), permitindo a troca de dados [8]. Esta interao pode ser vista na Figura 2.11.

20 As comunicaes numa Subestao de Distribuio: a atualidade em 2015

Figura 2.11: Interao de Ns Lgicos, segundoa parte 5 da norma IEC 61850 [8]

O N Lgico Zero (LLN0, da literatura anglo-saxnica: Logical Node Zero), representado

na Figura 2.11, representa os dados comuns do LD. atravs do LLN0 que so estabelecidos

todos os servios previstos pela Norma CEI 61850, como por exemplo as mensagens GOOSE

[8]. Estes servios so responsveis pela comunicao entre LNs e, como tal, assumem um

papel central na configurao da SE. Cada fabricante tem vindo a atribuir uma noo diferente

a este LLN0. Diferenas estas que originam problemas de comunicao e configurao dos IEDs,

principalmente quando se pretende estabelecer comunicao entre IEDs de fabricantes diferentes.

Ao nvel da organizao funcional dos Ns Lgicos, a norma permite a alocao de funes de

forma livre, suportando diferentes filosofias, isto permite que os LNs sejam alocados em vrios

dispositivos ou simplesmente num nico, deixando esta deciso nas mos dos utilizadores [11].

A norma IEC 61850 especifica uma nomenclatura a ser apresentada para os atributos da cada

instncia de um LN, quando se explora o contedo de um IED. Essa especificao feita como

descrito na Figura 2.12.

2.5 Modelo de Dados de um Dispositivo Fsico, IED 21

Figura 2.12: Exemplo de uma referenciao pela parte 7-1 da norma IEC 61850 [16]

Esta normalizao de nomenclatura torna-se essencial quando se procura por uma interope-

rabilidade entre IEDs, sobretudo nos casos em que se verificam IEDs de diferentes fabrican-

tes. Verifica-se atualmente algumas diferenas nesta nomenclatura entre fabricantes, o que pode

originar incompatibilidades na comunicao, pela no interpretao de mensagens GOOSE por

exemplo.

Na parte 5 da norma IEC 61850 [8], esto definidas referncias para LNs, dependendo da

funo correspondente. apresentada uma lista de LNs, dividida nas seces: LNs para funes

de proteo, LNs para controlo, Dispositivos Fsicos, Segurana do Sistema e Dispositivo, LNs

relacionados com equipamentos primrios e LNs relacionados com Servios de Sistema. Algu-

mas informaes no so referidas nessa listagem como um LN especfico, sendo assim necessrio

defini-las como LNs genricos, GGIO, como sugere a norma.

Verifica-se que os fabricantes recorrem em demasia a estes LNs GGIO para implementao

de funes, mesmo em casos em que a norma j especifica um determinado LN. Esta forma de

implementao dos fabricantes deve-se simplificao do processo de desenvolvimento de um

equipamento. Por outro lado, no caso de reconfigurao ou manuteno, dificulta o trabalho de in-

terpretao ao utilizador, neste caso Operador da Rede de Distribuio. Elimina tambm qualquer

capacidade de configurao automtica.

O cliente, Operador da Rede de Distribuio, responsvel pela manuteno das SEs, pode

apresentar, junto dos fabricantes, restries e especificaes no desenvolvimento dos dispositivos,

com o objetivo de garantir um maior cumprimento da norma. Surge aqui a necessidade da defini-

o de uma lista de requisitos e exigncias a apresentar ao fabricante, de modo a que os parmetros

e configuraes da norma sejam garantidos com maior rigor e eficincia.

22 As comunicaes numa Subestao de Distribuio: a atualidade em 2015

2.6 Os benefcios da norma IEC 61850 para o Operador da Rede deDistribuio

Os recursos e caractersticas da norma IEC 61850 capacitam os utilizadores, neste caso, o

Operador da Rede de Distribuio, responsvel pelas SEs, de muitas vantagens. Por exemplo, o

uso de VLANs e a prioridade para mensagens GOOSE e SMV (Valores Medidos Amostrados, da

literatura anglo-saxnica: Sampled Measured Values), parte 9-2 da norma IEC 61850, permitem

o uso mais inteligente de ethernet switches, o que no aproveitado por outras abordagens an-

teriores norma. So apresentadas algumas das caractersticas que proporcionam benefcios aos

utilizadores [9]:

Uso de um modelo virtual. Os LDs e os LNs permitem a definio dos dados, servios e

comportamentos dos dispositivos a serem definidos;

Uso de nomes para todos os dados. Cada elemento de informao da norma IEC 61850 tem

um descritivo que o descreve. Facilitando a identificao de cada elemento, face a outros

protocolos que recorrem a nmeros e ndices identificativos;

Todos os nomes de dados so padronizados. Os nomes de dados dos dispositivos no so

definidos pelos fabricantes ou configurados pelos utilizadores, mas sim especificados na

norma, com o objetivo de ser simples para o engenheiro identificar o significado da infor-

mao pelo descritivo.

Servios de alto-nvel. ACSI (da literatura anglo-saxnica: Abstract Communication Ser-

vice Interface), parte 7-2 da norma IEC 61850, suporta uma grande variedade de servios,

como GOOSE, GSSE, SMV e registos, que no eram suportados em protocolos anteriores.

Normalizao da Linguagem de Configurao. A SCL permite a configurao de um dispo-

sitivo e o seu papel no Sistema de Energia, utilizando ficheiros XML.

Eliminar a ambiguidade. A SCL para alm de ser usada para configurar os IEDs, pode ser

usada para definir as necessidades dos equipamentos e da SE. Utilizando a SCL o utilizador

pode especificar exatamente o que pretende para cada dispositivo sem ambiguidades na

interpretao por parte dos fabricantes.

Reduzido custo de instalao. A norma IEC 61850 capacita os dispositivos para uma rpida

transferncia de informao, usando mensagens GOOSE atravs da rede LAN sem ter de

instalar ligaes separadas para cada rel. Reduz os custos ao nvel de cabelagem usada e

na construo (abertura de valas, canais, entre outros).

Custos reduzidos em transdutores. Utilizando SMV um nico transdutor pode servir v-

rios dispositivos, reduzindo os custos em transdutores e respetiva cabelagem, calibrao e

manuteno.

2.7 Consideraes Finais 23

Custos reduzidos de comissionamento. A configurao dos dispositivos com a norma IEC

61850 no tem de ser manual. Pode ser feita uma importao da configurao atravs de um

ficheiro SCL.

Custos de integrao reduzidos. Utilizando a mesma tecnologia de rede que a instalao

est a utilizar, o custo de integrao de uma nova unidade reduzido. Em vez de instalar

RTUs (da literatura anglo-saxnica: Remote Terminal Unit) que necessitam de configurao

e manuteno manual, com a IEC 61850 possvel transmitir a informao sem front-ends

ou reconfigurao de dispositivos.

2.7 Consideraes Finais

A interoperabilidade entre IEDs tem sido uma tarefa difcil de implementar, principalmente,

pela ambiguidade na definio da norma IEC 61850, levando a que diferentes fabricantes de dispo-

sitivos de SEs tenham diferentes interpretaes. A inexistncia de equipamentos e ferramentas de

engenharia transversais aos diversos fabricantes, no permite a configurao de mensagens GO-

OSE de modo a alcanar um funcionamento adequado entre IEDs de fabricantes distintos. Razes

como as vrias formas de implementao ao nvel dos Ns Lgicos e respetivos atributos, as pos-

sveis diferentes interpretaes por parte de cada fabricante, os diferentes perfis de comunicao e

ainda a influncia da arquitetura da rede de comunicao, dificultam a obteno de interoperabili-

dade.

Com o objetivo de maximizar os benefcios da Norma IEC 61850, uma possvel soluo a ado-

tar pelas Operadoras da Rede de Distribuio, ser a definio de requisitos interoperabilidade

entre IEDs, a apresentar aos fabricantes, especificando exatamente aquilo que pretendem ao nvel

da norma IEC 61850.

24 As comunicaes numa Subestao de Distribuio: a atualidade em 2015

Captulo 3

Ensaios e testes de funcionamento numaSubestao com protocolo IEC 61850

Neste Capitulo so apresentados os diferentes tipos de ensaios a serem realizados com a intro-

duo da Norma IEC 61850. O objetivo dos ensaios verificar que uma determinada soluo de

Sistema de Proteo, Comando e Controlo (SPCC) e respetivos dispositivos esto de acordo com

os requisitos da norma IEC 61850. Inicialmente, dada uma descrio da atualidade em 2015, no

que respeita aos ensaios a Sistemas de Automao de Subestaes (SAS), por parte do Operador

da Rede de Distribuio, a EDP Distribuio SA. Os ensaios a efetuar a um SAS so: Testes de

garantia de qualidade, Testes de Conformidade, Testes Funcionais, Testes de Interoperabilidade

e Testes de Desempenho de Sistema. So ainda descritas as caractersticas que um Dispositivo

Universal de Teste norma IEC 61850 deve conter. Por ltimo so apresentadas duas solues de

ferramentas de teste norma IEC 61850 existentes no mercado: OMICRON e RTDS technologies.

3.1 Introduo aos testes de funcionamento numa Subestao do Ope-rador da Rede de Distribuio EDP Distribuio

Com a evoluo tecnolgica em Sistemas de Automao de Subestaes e o novo paradigma

de comunicao, segundo a norma IEC 61850, para alm dos desafios que aparecem no desenvol-

vimento dos novos sistemas, surge a necessidade de adaptar nova realidade ensaios de comissi-

onamento, funcionamento e manuteno. A ideia de se avaliar apenas a funo principal de um

componente de uma Subestao, deixa de fazer sentido e junta-se a tal, funes de comando e con-

trolo e a capacidade de comunicao entre equipamentos. objetivo que estes ensaios verifiquem

o cumprimento de todos os requisitos definidos no novo protocolo de comunicao, especialmente

na questo da interoperabilidade entre equipamentos dentro da Subestao, sendo este o grande

propsito da normalizao.

Para realizao dos ensaios de funcionamento necessrio recorrer a ferramentas, desenvol-

vidas para o propsito. Estas ferramentas devem possuir a capacidade de avaliar os componentes

25

26 Ensaios e testes de funcionamento numa Subestao com protocolo IEC 61850

individualmente e o respetivo funcionamento deles em conjunto, bem como utilizar uma lingua-

gem padronizada na Configurao de Subestaes, a SCL, como descrita na seco 2.3. O objetivo

desta normalizao automatizar e facilitar a realizao dos ensaios. S com estes ensaios se po-

der validar o pleno funcionamento de uma Subestao segundo a norma IEC 61850 e perceber as

verdadeiras vantagens no trabalho do Operador da Rede de Distribuio.

Embora seja requisito que os equipamentos integrantes de um SPCC comuniquem de acordo

com o estabelecido na norma IEC 61850, no esto definidos quaisquer protocolos de ensaios a

realizar, bem como tambm no esto especificados ensaios a realizar por parte dos fabricantes.

No entanto, no processo de qualificao os fabricantes apresentam certificaes da realizao de

ensaios de conformidade feitos aos equipamentos, segundo o definido na norma IEC 61850 parte

10 [15]. Com esses ensaios so testados alguns requisitos de comunicaes, mas nunca sendo

testada a soluo integral do SPCC. Os ensaios so realizados de acordo com os requisitos defi-

nidos na norma, mas sem qualquer interveno por parte do Operador, normalmente na KEMA

Laboratories (Testes acreditados e certificao de equipamentos para transmisso e distribuio

de energia eltrica).

Atualmente, no processo de aquisio de equipamentos de proteo responsabilidade do

fornecedor garantir a interoperabilidade entre equipamentos, mesmo em situaes que interagem

equipamentos de diferentes fabricantes (verifica-se normalmente nos IEDs de proteo diferencial

de linha). O que apenas acontece quando o sistema projetado inicialmente com essa integrao.

Sem ser o objetivo direto validar as comunicaes segundo o protocolo IEC 61850, so efe-

tuados ensaios de validao das funes de automatismos que permitem avaliar o desempenho

adequado da interoperabilidade e interao entre IEDs. Esses so: ensaios FAT (da literatura

anglo-saxnica: Factory Acceptance Tests) e SAT (da literatura anglo-saxnica: Site Acceptance

Tests).

3.2 Testes de Garantia e Qualidade

Os testes de Garantia de Qualidade (da literatura anglo-saxnica: Quality Assurance) so reali-

zados de forma comum entre fabricante e cliente do SAS, com diferentes reas de responsabilidade

definidas no momento da aquisio [2]. Por forma a assegurar a qualidade do servio, o fabricante

submete o sistema a um conjunto de etapas de verificao, seguindo uma sequncia delineada,

segundo IEC 61850 parte 4 [17], como apresentado na Figura 3.1. A norma acrescenta ainda a

necessidade de equipamentos de teste adequados a cada uma das diferentes etapas, com o objetivo

de comprovar o comportamento e desempenho do sistema, segundo o especificado na mesma [17].

3.2 Testes de Garantia e Qualidade 27

Figura 3.1: Etapas para Garantia de Qualidade, segundo IEC 61850-4 [17]

Do ponto de vista do cliente, de sua responsabilidade garantir as condies ambientais e

operacionais do SAS, isto , as condies descritas na documentao tcnica relativa ao sistema

e aos equipamentos individualmente. Tem ainda a obrigao de assegurar aes de manuteno,

quer preventivas, de acordo com as instrues do fabricante, quer corretivas, aquando a ocorrncia

de uma avaria.

3.2.1 Classificao de Testes de Qualidade

Todos os testes devem ser efetuados internamente ao nvel do fabricante, com a capacidade

de documentar a validao ou no dos equipamentos testados, aps realizao dos mesmos. Os

ensaios so focados e especializados, cada um verifica determinado ponto do SAS. Esses testes

encontra-se classificados e divididos nos seguintes:

(i) Teste de Sistema

O teste de sistema permite validar o correto funcionamento de cada um dos IEDs sob dife-

rentes condies de aplicao, isto , diferentes parmetros e configuraes. Bem como verificar

a operabilidade com outros IEDs da mesma famlia de equipamentos do SAS e respetivas ferra-

mentas de configurao [2]. Os testes de sistema consistem na validao de trs pontos [17], (i)

funo de cada IED com diferentes parametrizaes; (ii) compatibilidade entre IEDs, utilizando

varias configuraes e parametrizaes; (iii) desempenho do IED individualmente e integrado no

sistema. A finalizao dos testes de sistema com sucesso permite a iniciao dos Ensaios de Tipo.

28 Ensaios e testes de funcionamento numa Subestao com protocolo IEC 61850

(ii) Ensaios de TipoOs Ensaios Tipo, apesar de virem definidos na norma IEC 61850, j eram antes utilizados pelo

Operador da Rede de Distribuio nos SPCCs [18]. Tm o objetivo de verificar a aptido de um

produto, tendo em conta as aplicaes previstas para o mesmo. Estes ensaios devem ser realizados

em equipamentos retirados do processo de fabrico e consistem na verificao do produto contra

os dados tcnicos, como capacidade de resistncia mecnico, compatibilidade eletromagntica,

influncias climticas, correo funcional e completude [18]. Aps uma primeira realizao, no

necessitam de ser repetidos, a menos que ocorram mudanas na conceo ou no processo de

fabrico, que possam alterar as caratersticas dos equipamentos.

Os Ensaios de Tipo incluem a realizao dos seguintes ensaios [18]:

Ensaio Visual, que permite a identificao de eventuais defeitos de fabrico, disposio dos

equipamentos e verificao da marcao;

Verificao da indelebilidade da marcao, segundo o especificado na norma EN 50298;

Ensaios climticos: Calor seco, Frio e Calor Hmido;

Ensaios Mecnicos: Resistncia vibrao e ao choque;

Verificao dos graus de proteo: ndices IP (invlucros eltricos) e IK (impactos mecni-

cos);

Ensaios dieltricos: Ensaios onda de choque e frequncia industrial;

Ensaios de imunidade.

(iii) Testes de ConformidadeOs testes de Conformidade so comunicao entre IEDs na Subestao e incluem a verifica-

o do procedimento de comunicao segundo a norma IEC 61850 [17]. Estes testes sero alvos

de anlise na seco 3.3, seguindo o descrito e especificado na parte 10 da norma.

(iv) Ensaios Srie ou de Rotina (da literatura anglo-saxnica: Routine test)Os Ensaios de Srie realizados para teste aos SPCCs, so tambm solicitados e especificados

na norma IEC 61850 e so da responsabilidade do fornecedor do SPCC. Estes ensaios so efetu-

ados de maneira repetitiva sobre produtos fabricados em srie com vista a verificar que uma dada

fabricao satisfaz os critrios definidos.

Para realizao de Ensaios de Srie, deve dispor-se da UC, do PCL, dos IEDs, dos perifricos

e da rede de comunicao local. Os ensaios de srie consistem na realizao dos seguintes ensaios

de funcionamento [18]:

ensaio funcional dos SPCCs, no que respeita ao software instalado;

ensaio funcional de todos os perifricos;

ensaio do processamento das comunicaes;

3.2 Testes de Garantia e Qualidade 29

verificao das caratersticas estticas das entradas logicas e analgicas, bem como sadas

logicas, na UC e nos IEDs. esperado ainda que seja ensaiada a comunicao entre a UC

e o Centro de Conduo.

(v) Ensaios em FbricaOs ensaios em fbrica, denominados FAT (da literatura anglo-saxnica: Factory Acceptance

Test), so da responsabilidade dos fabricantes dos equipamentos e so realizados antes da instala-

o na Subestao e respetiva colocao em servio. Nos ensaios FAT so testadas e verificadas as

vrias funes de um SPCC. Assim, so realizados em laboratrio testes a todos os equipamentos

a instalar, juntamente com elementos simulados, nomeadamente rgos de Alta Tenso, compo-

nentes do parque da instalao [11]. Segundo a parte 4 da norma IEC 61850, estes ensaios so

opcionais [17]. Nos ensaios FAT so testadas e verificadas as vrias funes de um SPCC.

Os ensaios FAT podem ser divididos em dois tipos, os que verificam os parmetros dos SPCCs

e os que envolvem a simulao de condies de funcionamento, como diferentes temperaturas,

choque, vibraes mecnicas ou impulsos eltricos, que prejudicam o correto funcionamento dos

equipamentos [19].

Aps a concluso dos ensaios FAT a todos os painis da Subestao, os mesmos devem ser

ligados rede de fibra tica para proceder aos seguintes ensaios, mediante o protocolo adotado

pelo fabricante [2]:

Acesso s protees e simulao de acesso remoto;

Registo, armazenamento e acesso ao sistema de Osciloperturbografia e localizao de de-

feitos;

Sistemas de Proteo (proteo de barramento e falha de disjuntor);

Sinalizaes para o Registador Cronolgico de Acontecimentos;

Alarmes.

(vi) Ensaios no Local de InstalaoOs ensaios no Local de Instalao, SAT (da literatura anglo-saxnica: Site Acceptance Test),

diferem-se dos ensaios FAT por serem executados no local da instalao do SPCC, na Subestao.

Estes ensaios seguem trs fases de ensaios [2]:

Ensaios de comissionamento, desenvolvidos pelo fabricante, consistem na injeo prim-

ria de correntes e tenses, essencialmente para verificao de continuidade dos circuitos e

robustez;

Ensaios SAT, propriamente ditos, realizados pelos fabricantes com presena da entidade

requerente;

Ensaios de colocao em servio do painel, que devero ter um protocolo especfico de

acordo com a entidade requerente. Comtemplam as verificaes e aes antes da efetiva

30 Ensaios e testes de funcionamento numa Subestao com protocolo IEC 61850

colocao em tenso do painel e verificaes e aes a tomar aps a colocao em carga do

painel.

Os ensaios de garantia de qualidade, definidos na parte 4 da norma IEC61850 [17], eram j

realizados, em testes aos SPCCs, antes da criao desta norma. Significa que mesmo com a

introduo de um novo paradigma nas SEs, muitos aspetos se mantm, ao nvel de ensaios a

realizar. No entanto, para alm dos ensaios j realizados, a norma sugere ensaios especficos, que

no eram realizados at ao seu aparecimento. Estes sero abordados nos pontos seguintes.

3.3 Testes de Conformidade

Com o objetivo de verificar a conformidade de um determinado IED, ao nvel da comunicao,

com as especificaes e restries impostas pela norma IEC 61850, na parte 10 da mesma [15]

est definida uma metodologia de testes de conformidade e respetivos requisitos. Esses testes

inserem-se nos Testes de Qualidade, seco 3.2.1, os quais so da responsabilidade do fabricante

do equipamento.

Sendo uma verificao e validao especfica dos requisitos de comunicao, os testes de

conformidade so certificados por uma entidade independente com laboratrios externos especia-

lizados, tal como a KEMA. O certificado de conformidade dever ser entregue com o IED [20].

Os testes de conformidade demonstram a capacidade do Dispositivo Sob Teste (DUT, da lite-

ratura anglo-saxnica: Device Under Test) operar de acordo com o definido na norma IEC 61850,

exigindo a considerao das seguintes problemticas [15]:

O problema de um teste completo a quantidade de cenrios possveis, pode cobrir-se todos

os casos normais de funcionamento, mas isso pode no ser verdade para todos os casos de

falha.

No possvel testar todas as configuraes do sistema utilizando IEDs de diferentes fabri-

cantes, devendo recorrer-se a um modelo normalizado de testes atravs de simulao. O que

implica um acordo sobre a configurao e procedimentos de ensaio, para que os resultados

sejam compatveis e reprodutveis.

A norma no padroniza as funes dos equipamentos de comunicao, no abordando os

modos de falha das funes. No entanto, a existncia de funes distribudas e o impacto da

resposta das funes no fluxo de dados no dispositivo, cria alguma interdependncia.

Dependendo das definies apresentadas na norma, algumas propriedades do equipamento

devero ser comprovadas por informao e documentos fornecidos com o equipamento.

O teste de conformidade deve ser personalizado para cada DUT, segundo as capacidades iden-

tificadas em documentos fornecidos pelos fabricantes. Ao serem submetidos equipamentos para

teste devem ser, juntamente, fornecidos os seguintes elementos [12] [15]:

3.3 Testes de Conformidade 31

PICS (da literatura anglo-saxnica: Protocol Implementation Conformance Statement), que

corresponde ao resumo das possibilidades de comunicao do IED ou SAS a ser testado

(IEC 61850-7-2);

MICS (da literatura anglo-saxnica: Model Implementation Conformance Statement), que

detalha o padro dos elementos do objeto de dados suportado pelo IED ou SAS a ser testado;

PIXIT (da literatura anglo-saxnica: Protocol Implementation eXtra Information for Tes-

ting), que contm informaes especficas relativas ao IED ou SAS a ser testado e que esto

fora do mbito da Norma;

Documentao e controlo de verso conforme especificado em IEC 61850-4.

Os testes de conformidade devem cumprir determinados requisitos, que se dividem em duas

categorias: Requisitos estticos, os quais contemplam a verificao da documentao que apre-

senta os recursos obrigatrios exigidos pela Norma IEC 61850 e especificados pelo fabricante e

requisitos dinmicos, que representam o real estmulo-resposta do DUT, sendo verificado se o

dispositivo implementa corretamente todas as caractersticas reivindicadas na sua documentao.

Estes devem ser definidos no PICS, servindo os propsitos de seleo do conjunto de testes apro-

priado, garantir que tais ensaios so realizados e fornecer a base para a reviso da conformidade.

Deve ser fornecido um MICS detalhando os elementos do modelo de objetos de dados supor-

tados pelo sistema ou dispositivo. O MICS implementado no arquivo SCD, de acordo com a

parte 6 da norma IEC 61850.

O processo de avaliao da conformidade, segundo a norma IEC 61850 mostrado na Figura

3.2.

32 Ensaios e testes de funcionamento numa Subestao com protocolo IEC 61850

Figura 3.2: Processo de Avaliao de Conformidade, parte 10 da norma IEC 61850 [15]

No teste de conformidade, apenas um dispositivo dever ser submetido contra um nico dis-

positivo de teste. O teste de conformidade especfico do dispositivo, para alm de verificar os

elementos fornecidos juntamente com a o dispositivo a testar, PICS, MICS e PIXIT, consiste na

verificao dos seguintes pontos:

Arquivo de configurao da SE, SCD, e dos IEDs, ICD ou CID, em Linguagem de Confi-

gurao de Subestaes, SCL, conforme a Parte 6 da Norma IEC 61850 e referido na seco

3.6;

Modelo de dados, fornecido pelo fabricante, conforme as Partes 7-3 e 7-4 da Norma IEC

61850;

Mapeamento dos modelos e interface de servios de comunicao abstrata (ACSI) forneci-

dos pelo fabricante, conforme as partes 7-2, 8-1, 9-1 e 9-2 da IEC 61850.

3.4 Testes Funcionais 33

A verificao da conformidade de um dispositivo transmite uma maior confiabilidade no

mesmo para a obteno da interoperabilidade quando integrado num SAS. No entanto os testes

de conformidade no garantem que os equipamentos certificados realizem todas a funes e servi-

os quando em operao com outros equipamentos, da mesma forma que no substitui a realizao

dos ensaios FAT e SAT [12].

A Parte 10 da IEC 61850 [15] inclu tambm as verificaes a efetuar s ferramentas de con-

figurao dos IEDs de cada fabricante e s ferramentas de configurao do sistema. Estes testes

so dedicados verificao de leitura, importao e exportao dos ficheiros em SCL.

Na norma tambm especificado o critrio de aprovao de cada teste, classificando-se da

seguinte forma [15]:

Passed (Aprovado): quando o DUT cumpre claramente o especificado, no sendo detetados

quaisquer resultados invlidos;

Failed (Reprovado): quando o DUT no cumpre pelo menos uma das especificaes, ha-

vendo pelo menos um resultado invlido;

Inconclusive (Inconclusivo): quando no possvel classificar de nenhuma das duas formas

anteriores, devendo determinar-se se a incerteza proveniente da Norma IEC 61850, da

implementao ou dos procedimentos de testes utilizados.

A norma IEC 61850, sugere ainda que os testes de conformidade devem ser realizados antes

da integrao do SAS no local definitivo de operao, possibilitando assim a deteo de diferen-

as de interpretao, erros de software ou o indevido funcionamento de alguma funcionalidade

implementada, atempadamente [15].

S aps aprovao nos testes de conformidade, os IEDs estaro aptos a serem submetidos aos

testes funcionais e de interoperabilidade, seces 3.4 e 3.5.

3.4 Testes Funcionais

Os testes de conformidade verificam a conformidade de um equipamento com a norma IEC

61850, mas no avaliam a conformidade com os requisitos funcionais que o utilizador pretende

para o equipamento inserido num determinado SPCC. Os testes funcionais permitem verificar

essa conformidade com os requisitos funcionais, isto , avaliar se um equipamento desempenha as

funes pretendidas, neste caso pelo Operador da Rede de Distribuio, a EDP Distribuio SA,

sob diferentes condies de ensaio reais [2] [21].

A realizao dos testes funcionais necessita de um conjunto de teste adequado, representado

na Figura 3.3. Este deve possuir a capacidade de simular condies correspondentes aos dados

tcnicos de operao do sistema sob teste [2]. As ferramentas de teste devem ser certificadas

no envio de mensagens, garantindo uma conformidade com a norma IEC 61850. Assim, tais

ferramentas devem ser portadoras das seguintes caractersticas:

34 Ensaios e testes de funcionamento numa Subestao com protocolo IEC 61850

Implementao de todos os servios e protocolos IEC 61850 para os quais o DUT dever

ser verificado, alm de extenses de testes especiais, tais como, a capacidade de enviar

mensagens corrompidas, de forma intencional;

Funo de registo para reconhecer, armazenar e fazer playback de todas as respostas do

DUT;

Capacidade de script para configurar uma execuo automtica da transmisso de mensa-

gens de estimulao de teste e verificao das respostas. Os scripts devem incluir testes

positivos (comportamento correto de mensagens e respetivas respostas) e testes negativos

(comportamento no esperado causado por mensagens erradas);

Capacidade de anlise para mostrar os resultados corretos e os inesperados, facilitando a

verificao de problemas ou respostas incorretas;

Capacidade de simular, interpretar, enviar e receber mensagens GOOSE entre o equipa-

mento de teste e o DUT.

Figura 3.3: Esquema de teste funcional a um IED baseado na norma IEC 61850

Na Figura 3.4 mostrada a configurao de teste para os ensaios funcionais segundo a norma

IEC 61850. A ligao do IED com o processo feita atravs de ligaes fsicas, condutores, entre

o DUT e o equipamento de teste. Uma ligao de rede utilizada para transferncia de mensagens

do protocolo, como sinais entre o IED e os disjuntores ou outros dispositivos [22].

3.5 Testes de Interoperabilidade 35

Figura 3.4: Ligaes fsicas em ensaios funcionais [22]

No sendo prtico nem possvel testar todas as variaes de cada tipo de mensagem que po-

deria ser trocada com todos os demais IEDs de um SAS para os servios e DUTs, uma vez que

o nmero de possibilidades muito grande e cresce exponencialmente com o nmero de IEDs.

O que pode ser uma boa situao de compromisso estabelecer scripts de cenrios de teste que

possuam uma alta probabilidade de apresentar algum problema e que representem as condies

mais desfavorveis [22].

3.5 Testes de Interoperabilidade

Os testes de interoperabilidade devem ser efetuados aps a realizao dos testes de conformi-

dade e dos testes funcionais. So necessrios quando se pretende atingir a interoperabilidade entre

IEDs numa SE, pois os testes de conformidade, definidos na norma IEC 61850, no verificam

nem garantem a comunicao entre equipamentos de diferentes fabricantes. Enquanto os testes

de conformidade consistem no teste de um nico equipamento, os testes de interoperabilidade

so realizados com o objetivo de avaliar a comunicao entre vrios equipamentos, podendo estes

ser de diferentes fabricantes. Assim, os testes de conformidade e de interoperabilidade devem

complementar-se e ser realizados pela ordem apresentada [23].

Atualmente, a norma IEC 61850 define e especifica, de forma a normalizar, os LNs, dados e

atributos de dados. Define ainda testes de conformidade e de desempenho do sistema, no entanto,

no especifica que tipos de ensaios devem ser realizados para verificar a interoperabilidade entre

os dispositivos, sendo um dos fatores que tem dificultado a migrao