Automação Elétrica com IEC 61850

Foi o tempo em que a área de elétrica e área de automação industrial eram tratadas de forma separada na indústria, com a evolução dos dispositivos de comando e controle, as redes industriais e seus protocolos, somado à busca pela simplificação de operação, temos um cenário de convergência de sistemas, automação e elétrica fazendo parte de um mesmo projeto.

Automação Elétrica com IEC 61850

O Padrão IEC 61850 na Visão da Automação Industrial para Sistemas Elétricos

Afim de demonstrar uma visão da Automação Industrial, utilizando-se o Estado da Arte na área de elétrica, especificamente o Padrão IEC 61850, que é o responsável pela simplificação e potencialização dos controles nos sistemas eletricidade de potência atualmente.

Nosso objetivo aqui não é esgotar o assunto, mas sim colocar foco em como a área de automação deve entender o Padrão IEC 61850, vendo principalmente, a convergência dos dois setores, entendendo principais conceitos de funcionamento desta rede de comunicação para área de elétrica.

Não faz parte do escopo de nosso texto, demonstrar os sistemas de proteção e controle para elétrica e também detalhar Padrão IEC 61850 no aspecto programação dos sistemas.

Especificamente, vamos focar e dirigir o assunto baseado na rede de dispositivos, entendendo que os sistemas elétricos são compostos por IED (Intelligent Electronic Device) ou Dispositivo Eletrônico Inteligente, com o uso e a evolução das redes, eles se tornaram os controladores dos sistemas elétricos, vamos entender o Padrão IEC 61850, que permite a troca de informações entre eles e com o sistema de comando, podendo efetuar qualquer operação no sistema elétrico.

O que é então do Padrão IEC 61850?

É um Padrão de Comunicação entre dispositivos de um Sistema Elétrico, que suporta diversos protocolos e podem ser executados em redes TCP/IP (Ethernet), trabalham com mapeamentos padrões MMS (Manufacturing Message Specification), GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event), SV (Sampled Variables) e WebSevices.

Podemos descrever as principais vantagens no uso deste padrão:

  • Interoperabilidade entre diversos fabricantes de dispositivos;
  • Facilidade configuração, os blocos são padrões de informações e endereçamentos;
  • Infraestrutura padrão, utiliza-se principalmente o Padrão Ethernet;
  • Redução de custos engenharia, comissionamento e partida são mais rápidos.

O Padrão ou Norma (muito conhecido assim também) IEC 61850, tem uma estrutura composta de 10 partes, cujo objetivo principal é traçar os caminhos da funcionalidade básica até os testes de sistemas, passando por todos os requisitos:

  1. Introdução e visão geral
  2. Glossário
  3. Requisitos gerais
  4. Administração do projeto e sistemas
  5. Requisitos de comunicação
  6. Linguagem de Configuração
  7. Modelo de Comunicação
  8. Mapeamento MMS / TCP/IP
  9. Mapeamento Ponto a Ponto/Barramento
  10. Testes de conformidade

O formato Lógico da Informação do Padrão é de Nível de Tensão, Endereço do Bay, Endereço do IED, Log do Dispositivo, Log do Nó, Dados e Atributos, com isso, independente da rede, fabricante ou local, a informação é igual em todo sistema.

Um sistema elétrico é responsável por uma série de eventos dentro de uma planta, vamos tratar como uma indústria, mas vale para qualquer estrutura de eletricidade.

As principais funções, mas não somente estas, podemos listar abaixo, perfazendo um sistema elétrico:

  • Supervisão, Operação e Proteção dos circuitos elétricos de potência;
  • Comando de despachos de carga;
  • Controle de demanda;
  • Operação de importação e exportação de energia elétrica;
  • Análise de transiente, falhas, distúrbios e desligamentos.

O objeto de nosso estudo é o Padrão IEC 61850, todavia não há somente este, mesmo porque as normas evoluem de acordo com as demandas e tecnologias existentes do seu tempo.

Normas, Padrões e Protocolos…

As Normas e Padrões, definem os protocolos de telecomando, tais como, interfaces entre equipamentos, padrão de camadas, entre outros.

A Norma IEC 60870-5 é aplicada a sistemas de Telecomando, temos abaixo suas principais divisões ou grupos:

  • 101 – Telecomando básico – supervisão
  • 103 – Padrão para proteção de equipamentos
  • 104 – Suporta TCP/IP

Também temos o DNP 3.0 (orientado a eventos) e chegamos ao IEC 61850 – padrão (orientado a objetos), que é foco de nosso texto.

A visão acima é muito simples, apenas para referência de estudo e continuidade de pesquisa, como dissemos anteriormente, visto não ser tema do conjunto aqui tratado.

Nesta mesma linha, podemos listar a evolução dos padrões em função das necessidades e tecnologias da época, é apenas uma visão geral e não contempla todos existentes, mas as principais linhas de aplicação de mercado.

  1. Cabeamento – não havia rede
  2. Norma IEC 60870-5-101
  3. Norma IEC 60870-5-103
  4. Norma IEC 60870-5-104
  5. DNP 3.0
  6. IEC 61850
  7. SMART GRID – Padrões de Integração de Produtor/Consumidor
  8. IoT – Integração Total de Dispositivos, Produtor, Consumidor e Controles

Observem que até agora somente tratamos dos Padrões ou Normas, nestas redes de informações temos os Protocolos de comunicação, que são as regras que governam a sintaxe, semântica e sincronização da comunicação em uma rede, este controla e possibilita uma conexão, comunicação, transferência de dados entre dois sistemas computacionais.

Alguns tipos de protocolos que são usados na elétrica, importante não confundir Protocolo com Padrão Elétrico:

  • PROTOCOLOS
    • PROPRIETÁRIOS
    • MODBUS
    • PROFIBUS
    • TCP/IP
    • PROFINET
  • PADRÕES
    • RS-232
    • RS-485
    • ETHERNET

São esperados alguns principais benefícios no uso do Padrão IEC 61850, uma vez que este padrão possibilita a integração e padronização dos sistemas, tanto de supervisão, quanto de controle, podemos ver abaixo os principais:

  • Usar o Padrão de Rede Ethernet em todo sistema Elétrico;
  • Comando, Controle e Supervisão na Própria Rede;
  • Análise de Alarmes e Oscilografia em Tempo Real;
  • Operação Remota e Integração com Processo;
  • Diagnósticos Avançados de Sistema e Dispositivos;
  • Padronização para Integração, Comissionamento e Partida.

O Padrão IEC 61850 permite comando, controle, supervisão, compartilhamento de dados em toda a rede, é uma grande evolução, utilizando-se por exemplo, do padrão Ethernet, para que isto ocorra, a Norma prevê alguns tipos de Mensagem, que são trafegadas dentro da rede, através do protocolo, abaixo listamos o tipo e seu principal uso:

  • MMS – (Manufacturing Message Specification) Informações Unicast – o objetivo é somente informação, na estação supervisora;
  • GOOSE – (Generic Object Oriented Substation Event) – Informações Multicast – responsável pelo comando entre IEDs;
  • SV – (Sampled Variables) – responsável pelo tráfego de valores analógicos entre os IEDs, utilizado para proteção;
  • XML – (eXtensible Markup Language) padrão de comunicação para WebServices, responsável pelo compartilhamento de informações entre todo o sistema conectado na rede.

Com a integração de todas estas mensagens e suas funções, é esperado funcionalidades nos sistemas, que apoiarão a operação e gestão da planta elétrica, podemos listar abaixo alguns tipos, lembrando que depende da ferramenta a ser implantada:

  • Supervisão do sistema e equipamentos;
  • Medições de grandezas em tempo real;
  • Alarmes e sequência de eventos;
  • Operação segura por simulação;
  • Parametrização de IEDs;
  • Análise de Oscilografia;
  • Rejeição de Carga;
  • Relatórios e Histórico geral.

Para construir uma automação de um sistema elétrico, baseado na Norma IEC 61850, vamos dirigir a aplicação a uma rede Ethernet, portando há de se observar os principais componentes e suas principais características:

Redes compostas por:

  • Switches Ethernet IEC 61850;
  • Firewall e VPN para Cibersegurança;
  • Terminal Service;
  • I/O Remoto e Tele proteção;
  • UTR Unidade Terminal Remota;
  • Computadores para Missão Crítica

Alguns requisitos essenciais:

  • Quality of Service (QoS): Priority Tagging
  • Protocolo de Recuperação de Rede: Rapid Spanning Tree (RST)
  • Gerenciamento de VLAN (para GOOSE)
  • Robustez de ambiente, suportar grandes faixas de temperaturas
  • Não haver partes móveis
  • Recuperação de anel RST (<50 a 100ms)

Quanto aos aspectos integração, podemos ter três cenários dentro da indústria, como ocorre de forma mais comum:

  • Um cenário onde a automação e a elétrica não se comunicam, isto é, há uma barreira na integração, são sistemas separados;
  • Um outro cenário onde se tem a convergência, este é mais comum, pois todas as redes são tratadas de forma separada e depois são unidas, por um gateway, por exemplo, ou um sistema OPC para troca de dados e informações;
  • E temos um cenário mais atual (graças a evolução da tecnologia), que é a integração total, o projeto quando “nasce” não tem separação de infraestrutura, toda a parte de comando e controle de processo e elétrica estão em uma única rede (há requisitos para isso), mas todo o sistema já é horizontal e vertical do ponto de vista da informação.

As arquiteturas de sistemas elétricos, seguem o mesmo conceito da automação, uma vez que utilizam a tecnologia Ethernet, o Padrão IEC 61850, já trata os blocos dentro da automação e elétrica para troca de informações e controle, portanto podemos concluir que já há uma convergência tecnológica.

O que observar na elaboração de um projeto de sistema de automação elétrica?

Listamos abaixo alguns passos importantes para elaboração de um projeto e integração do sistema de automação elétrica, é apenas uma visão geral, deve-se aprofundar em detalhes, visto ser um projeto complexo:

  • Crie o projeto utilizando todos os dispositivos em Ethernet e IEC 61850 (use protocolo aberto);
  • Faça um projeto de Infraestrutura único, faça a convergência com o sistema de automação;
  • Projeto a rede Ethernet com conceito de VLAN, acesso externo com Firewall (Cibersegurança), foque no GOOSE (Multcast);
  • Crie as estações de operações exclusivas e integre informações importantes para todos operadores;
  • Crie as estações de engenharia separadas (automação e elétrica, mas em único ambiente e rede;
  • Treine a equipe, operação e manutenção.

Conclusão

Para finalizar e concluir, passamos algumas informações que não podem passar desapercebidas neste assunto:

  • A Norma IEC 61850 possibilitou Padronização e Facilidade de Engenharia;
  • Os principais Protocolos Industriais, suportam a Norma, exemplo Profinet (facilitando Integração);
  • Reformas e projetos Novos, devem suportar integração (Convergência) de Controle do Processo e Automação Elétrica;
  • Integração com Cloud, uso de WebServices, complementam a solução para os Desafios da Indústria 4.0, suportadas pela Norma.