Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de

Computadores

Optimização de processos e ferramentas de

Controlo e Gestão em Sistemas de Protecção,

Comando e Controlo

PDI – Preparação para Dissertação

Orientador: Professor Doutor Armando Jorge Sousa

Supervisor Externo: Engenheiro David Lima

Tiago Manuel Pinto Salazar Costa Reis - 090503124

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© Tiago Reis, 2014

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Resumo

Este relatório tem por base a preparação para o estágio que se irá realizar no 2º

semestre do ano letivo de 2013/2014 na EDP Distribuição Energia, SA, localizada em

Vila Noava de Gaia.

Uma vez que o controlo e a gestão de equipas e de sistemas é uma das

actividades que mais influencia o desempenho operacional das organizações, pretende-

se avaliar os processos e as ferramentas utilizadas pelo departamento

comparativamente às melhores práticas da área. Neste sentido, será necessário estudar

as actividades associadas à Operação e Manutenção de Sistemas de Protecção,

Comando e Controlo e definir e implementar as potenciais melhorias identificadas.

Durante este relatório está feita uma feita uma pequena descrição da arquitetura

do Sistema de Proteção, enumerando as desvantagens da utilização da prática

atualmente utilizada.

No segundo ponto vai estar um resumo da norma IEC 61850 que é a melhor

prática nesta área, indicando os pontos principais desta. Também estão indicadas as

vantagens da implementação da norma IEC 61850 no SPCC.

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Índice

Resumo ........................................................................................................................ iii

Índice ............................................................................................................................ v

Índice de Figuras ......................................................................................................... vi

Introdução ..................................................................................................................... 1

Sistema de Proteção, Comando e Controlo .................................................................. 2

Arquitetura ................................................................................................................ 2

Norma IEC 61850 ......................................................................................................... 5

Porquê mudar? ............................................................................................................. 7

Planeamento ................................................................................................................ 8

Conclusão ..................................................................................................................... 9

Bibliografia .................................................................................................................. 10

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Índice de Figuras

Figura 1 - Arquitetura e organização do SPCC [2] ........................................................ 3

Figura 2 - Integração de Dispositivos [4] ....................................................................... 4

Figura 3 - Vários tipos de ficheiros e suas funcionalidades [2] ...................................... 6

Figura 4 - Diagrama de Gantt com planeamento geral da dissertação .......................... 8

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Abreviaturas e Símbolos

Lista de abreviaturas (ordenadas por ordem alfabética)

AT Alta Tensão

CID Configured IED Description

EDP Energias de Portugal

GOOSE Generic Object Oriented Substation Event

ICD IED Configuration Description

IEC International Electrotechnical Commission

IED Intelligent Electronic Device

IP Internet Protocol

MMS Manufacturing Message Specification

MT Média Tensão

RND Rede Nacional de Distribuição

SCD Substation Configuration Description

SCL Substation Configuration Language

SPCC Sistema de Proteção, Comando e Controlo

SSD System Specification Description

TCP Transmission Control Protocol

XML eXtensible Markup Language

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Introdução

A EDP está entre os grandes operadores europeus no sector da energia, sendo

o maior a nível nacional, sendo a EDP Distribuição responsável pela exploração da

Rede Nacional de Distribuição (RND) de distribuição de energia eléctrica em Média

Tensão (MT) e Alta Tensão (AT).

Quando se trabalha com tensões muito elevadas, como é o caso, é necessário

assegurar que tudo corre dentro do normal e que não haja falhas nos sistemas ou

atrasos nas respostas do sistema. É necessário que caso haja alguma falha no sistema,

o SPCC responda de forma correta e rápida, diminuindo assim a probabilidade de

ocorrerem acidentes de alguma gravidade. Por esta razão é que existem os Sistemas

de Proteção, Comando e Controlo, responsáveis pela proteção, comado e controlo da

subestação de AT/MT.

Com a dissertação a realizar, pretende-se testar de forma exaustiva a introdução

da utilização da norma IEC 61850 no SPCC.

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Sistema de Proteção, Comando e Controlo

O SPCC é, tal como o nome indica, o sistema responsável pela supervisão,

comando, controlo e proteção de todos os órgãos de uma subestação AT/MT.

Um Sistemas de Proteção, Comando e Controlo está expostos a inúmeros

eventos que podem causar sérios problemas em todo o funcionamento do sistema.

Estes eventos podem ser devido a erros humanos, falhas de dispositivos, entre outras

fatores. Visto que as falhas irão sempre acontecer, é necessário cumprir sempre os 5

fundamentos do sistema de proteção. Esses fundamentos são os seguintes [4]:

Confiabilidade: é sempre necessário que o sistema de proteção funcione

corretamente sempre que houver ocorrência de uma falha;

Seletividade: selecionar os equipamentos que podem continuar em

funcionamento sempre que ocorrer uma falha, de modo a que a falha

tenho o menor impacto possível no funcionamento do sistema;

Velocidade: responder o mais rápido possivel quando houver uma falha;

Simplicidade: o sistema de proteção ser o mais simples possível, pois se

algo não ocorrer como o esperado poderá haver consequências

desastrosas;

Economia: Máxima proteção a um custo mínimo possível. Gastar o

necessário a curto prazo para que a longo prazo esse investimento inicial

seja compensado.

É portanto, essencial perceber como funciona e qual a constituição de um SPCC,

pois quando os seus constituintes estão devidamente interligados a probabilidade de

falhas é menor, o que permite o bom funcionamento do mesmo.

Arquitetura

Um SPCC é constituído por diversos módulos de processamento de informação,

que devidamente interligados, lhes permite desempenhar funções inerentes à

subestação.

A arquitetura de uma subestação está divida em três níveis hierárquicos

interligados entre si [1] [2]:

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Nível 0 – Processo (constituído pelos equipamentos AT/MT da

subestação com os quais o SPCC interage: equipamentos primários da

SE);

Nível 1 – Unidade de painel / dispositivo eletrónico inteligente (IED)

(constituído por várias unidades de painel, responsáveis pelo comando e

controlo do processo);

Nível 2 – Unidade Central de Processamento (desempenha as funções

relacionadas com o comando e controlo de toda a instalação no local e à

distância).

Figura 1 - Arquitetura e organização do SPCC [2]

Os IEDs são ligados ao processo de forma a ser possível proteger elemenos do

sistema, fornecer dados de medição de grandezas elétricas, fornecer dados de medição

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do estado dos equipamentos e dispositivos da subestação, fornecer informações sobre

eventos e alarmes no sistema elétrico e no sistema digital, efetuar monitoração de

equipamentos e circuitos (transformadores, geradores, linhas de transmissão etc.) entre

outras funcionalidades.

À medida que os IEDs vão captando a informação do processo, como por

exemplo a aquisição e registo das correntes, tensões, temperatura, ocorrência de

alarmes, etc, vão guardando esses valores numa memória provisório de forma a ser

possível a Unidade Central de Processamento fazer solicitações dessas informações,

de forma a ser possível executar as funções de proteção, comando e controlo da

subestação, de forma atualizada.

Para haver comunicação entre os IEDs, existe uma grande disponibilidade de

protocolos de comunicação, como pode ser visto na Figura 2.

Figura 2 - Integração de Dispositivos [4]

Apesar dessa quantidade de protocolos existentes, a comunicação é difícil de

ser feita uma vez que nas subestações os sistemas de proteção e sistemas de controlo

são de diferentes fabricantes. Quando existem situações deste tipo, que são muito

frequentes, e quando é necessário trocar informação entre IEDs de diferentes

fabricantes, é necessário investir em desenvolvimento, com alto custo, como cabos e

conversores de protocolos [4].

Devido a essa dificuldade de comunicação, e por forma a reduzir os custos das

empresas, a IEC, empresa líder no desenvolvimento de padrões internacionais para o

setor elétrico, decidiu lançar a norma IEC 61850.

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Norma IEC 61850

A norma IEC 61850 surgiu como solução para a dificuldade existente em

conseguir combinar IEDs de diferentes fabricantes, devido à falta de um padrão.

Assim, a norma IEC 61850 tem como principal função fazer com que seja

possível haver interoperabilidade entre os IEDs, isto é, haver uma comunicação entre

IEDs de diferentes fabricantes ou de fabricantes iguais, transmitindo a informação de

forma rápida e segura.

A norma está dividida em 10 partes que são indicadas a seguir, onde estão

definidas as características necessárias para que as implementações realizadas

estejam conforme a norma:

Parte 1: Introdução;

Parte 2: Glossário;

Parte 3: Requisitos Gerais;

Parte 4: Planeamento do sistema e do Projeto;

Parte 5: Requisitos de Comunicação;

Parte 6: Configuração do sistema de automação e automação da

subestação;

Parte 7: Estrutura básica de comunicação, que está dividida em 4 partes;

Parte 8: Mapeamento para MMS e Ethernet;

Parte 9: Valores amostrados e mapeamento para Ethernet;

Parte 10: Teste de conformidade.

O modelo de dados é orientado a objetos e os dados são trocados entre funções

e sub-funções que estão nos IEDs. Essas funções são divididas em nós lógicos, que

compartilham dados.

A comunicação os vários IEDs é feita através da camada Ethernet e TCP/IP, o

que permite uma comunicação mais rápida e mais segura.

Por outro lado, caso a comunicação seja realizada horizontalmente, são

utilizadas mensagens GOOSE, de forma a que apenas os dispositivos interessados

recebem determinada comunicação. A introdução da norma IEC 61850 permitiu com

que não fosse necessário a programação para cada um dos casos.

A linguagem de configuração dos IEDs é realizada através da linguagem SCL,

que tem como base a linguagem XML. É através desta linguagem que é possível haver

a já anteriormente falada comunicação entre IEDs de diferentes fabricantes. Existem

6

também 4 tipos de ficheiros, como se pode ver na figura seguinte. Também irá ser

possível na figura qual a função de cada um dos ficheiros, segundo a norma em questão.

Figura 3 - Vários tipos de ficheiros e suas funcionalidades [2]

A linguagem SCL define ainda três tipos de modelos. Os modelos da subestação,

IEDs e sistema de comunicação. Estes modelos encontram-se especificados na parte

61850-6 da norma IEC 61850 ou então de uma forma mais resumida em [2].

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Porquê mudar?

Antes de mais, como já foi referido anteriormente, com a utilização da norma IEC

61850, é possível haver comunicação entre IEDs de diferentes de uma forma mais

rápida e mais fácil. Consequentemente, a comunicação entre eles irá fazer com que a

informação se transmita mais rapidamente e nos casos de serem de diferentes

fabricantes, um IED pode consultar as informações de outro IED, independente do seu

fabricante.

Para além disso, com o SPCC atual, os custos de projeto são elevados devido à

sua complexidade e os custos de manutenção são também elevados devido ao elevado

número de cabos e de equipamentos de diferentes fabricantes.

Caso seja necessário fazer alguma alteração no sistema, esta também terá um

elevado custo, uma vez que as interligações existentes é feita maioritariamente feita

através de cabos e fios.

Para além disso, também não há redundância para as funções de proteção,

comando e controlo, diminuindo assim a confiabilidade nos sistemas [5].

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Planeamento

O trabalho nesta dissertação será realizado ao longo de 4 meses e terá o sei

início dia 24 de Fevereiro. O trabalho a realizar estará dividido essencialmente em 6

fases principais, que saão as seguintes:

Conhecimento dos Sistemas e Estrutura do Departamento, Direcção e

EDP Distribuição, compreendendo a interacção entre as várias

entidades.

Levantamento dos actuais sistemas de informação e dos processos

envolvidos.

Estudo das melhores práticas da área e identificação de potenciais

optimizações.

Implementação e avaliação das melhorias tendo em vista a optimização

dos Sistemas de Informação e/ou dos Processos de Controlo e Gestão

em Sistemas de Protecção, Comando e Controlo.

Conclusões a tirar.

Escrita da dissertação.

Através do diagrama de Gantt que se segue, é possível observar de forma

temporal o trabalho a ser feito durante a Dissertação.

Figura 4 - Diagrama de Gantt com planeamento geral da dissertação

No diagrama de Gantt acima está apenas representado, de uma forma geral, o

trabalho a realizar ao longo da dissertação que ainda poderá sofrer alterações, uma vez

que ainda é um planeamento provisório. Este foi realizado através do Microsoft Project.

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Conclusão

Após a realização deste relatório é possível concluir que a utilização da norma

IEC 61850 é muito mais vantajosa que a solução que neste momento está

implementada na EDP.

Com utilização desta norma, é possível aumentar as funções de automação e

monotorização com redução de custo, o que é essencial no ambiente competitivo entre

empresas. Irá também permitir uma redução da cablagem e do hardware de interface

com o processo e haver possibilidade de compartilhamento de informação entre IEDs

de diferentes fabricantes [3].

Apesar das vantagens enumeradas, é necessário fazer uma injeção de testes de

tal forma que se consiga fazer o funcionamento fictício do que se pretende testar. Isto é

necessário, pois caso haja alguma falha aquando a introdução desta, haverá más

consequências tanto para a EDP, como para as pessoas.

10

Bibliografia

[1] – Eduarda Sousa, “Aplicação da Metodologia de RCM II ao Sistema de Proteção,

Comando e Controlo de uma Subestação Numérica AT/MT”, Faculdade de Engenharia

da Universidade do Porto, Junho 2013;

[2] – Pedro Silva, “Projecto estruturado de Sistemas de Automação em Subestações

segundo a norma 61850”, Universidade Técnica de Lisboa, 2009;

[3] – A. Cascais Pereira, D. Cáceres, J.M. Ordacgi Filho, J.R.G. Correia, R. Pellizzoni,

“AUTOMAÇÃO DE SUBESTAÇÕES E USINAS – ESTADO DA ARTE E TENDÊNCIAS

UTILIZANDO A NORMA IEC 61850”, Brasil – EUA – Argentina, Universidade do Estado

do Rio de Janeiro/ONS ONS –Operador Nacional do Sistema Elétrico KEMA;

[4] – Alana Araujo, “Aplicação da norma IEC61850-8-1 nas redes de proteção do

sistema elétrico”, Universidade de Pernambuco, Maio 2011;

[5] – Allan Pereira, “INTEGRAÇÃO DOS SISTEMAS DE PROTEÇÃO, CONTROLE E

AUTOMAÇÃO DE SUBESTAÇÕES E USINAS - ESTADO DA ARTE E TENDÊNCIAS”,

Rio de Janeiro – RJ – Brasil, Abril 2005

[6] – Sítio http://www.ebah.com.br/content/ABAAAemyAAF/norma-iec-61850

[7] – André Morais, “Arquitectura de comunicações de Sistemas de Protecção, Comando

e Controlo da EDP Distribuição”, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto,

Julho 2009