* uacarmo@chesf.gov.br

IMPACTO DA NORMA IEC-61850 NA PADRONIZAÇÃO DOS DADOS DOS SISTEMAS

DE SUPERVISÃO E CONTROLE DA CHESF

G.P.A. FREITAS U.A. CARMO*

CHESF CHESF BRASIL BRASIL

Resumo – O modelo de dados da norma IEC-61850 apresenta um dicionário de nomes padrão e uma

estrutura hierárquica de objeto baseado nas funções de automação e controle existentes nas subestações e

usinas do sistema elétrico. Apesar do esforço de definir um conjunto de nós lógicos que contenha funções e

objeto de dados suficiente para representar as funções existentes nas subestações e usinas, ainda se faz

necessário a criação de extensões de objetos no protocolo IEC-61850. O volume IEC61850-7-4 prevê a

possibilidade de criação de novos objetos de dados e/ou novos nós lógicos. Este fato produz a eliminação

da intercambiabilidade de dispositivos decorrente a uma nova classe de nós lógicos. Atualmente os sistemas

de aquisição de dados de subestações e usinas já utilizam esquemas de padronização de rótulos e de

descrição dos alarmes e eventos. Aplicativos já implantados utilizam estes rótulos como base para

identificador dos dados que serão trocados entre as diferentes instancia dos sistemas de aquisição de dados.

A migração para o protocolo IEC-61850 impõe a necessidade das empresas elaborarem um conversor do

padrão nomes dos objetos propostos pela norma IEC-61850 para o padrão de tag e descrição dos pontos

dos sistemas existentes. Este trabalho tem como objetivo mostrar uma proposta de um modelo de referência

para elaboração de um dicionário de tradução dos nomes do IEC-61850 para os tag e descrição do padrão

existente.

Palavras chave: Modelo de dados, padrão de dados, mnemônicos, extensão do modelo, protocolo IEC-61850. 1 INTRODUÇÃO

O protocolo IEC-61850 difere dos outros protocolos de automação pelo fato de além de tratar o modelo de comunicações de dados, trata o modelo de dados e serviços. O modelo de dados apresenta um dicionário de nomes padrão e uma estrutura hierárquica de objeto baseado nas funcionalidades existentes nas subestações e usinas do sistema elétrico. Apesar do esforço de definir um conjunto de nós lógicos e objeto de dados que apresente todas as funções existentes nas subestações e usinas ainda é observado no protocolo IEC61850 a necessidade da criação de extensões de objeto de dados que não estão padronizados pela norma. O volume IEC61850-7-4 prevê a possibilidade de criação de novos objetos de dados ou de novos nós lógicos. Esta possibilidade permite que os fabricantes de dispositivos eletrônicos inteligentes – IED implementem novos nós lógicos e/ou objetos de dados proprietário prejudicando o princípio de padronização do modelo de dados. Outro problema gerado pela criação de novos nós lógicos e/ou objeto de dados é a eliminação da intercambiabilidade de dispositivos decorrente a diferença de classe de nós lógicos. Os sistemas de aquisição de dados de subestações e usinas existentes já utilizam esquemas de padronização de rótulos e de descrição dos alarmes e eventos associados aos sistemas elétricos. A padronização do modelo de dados que é utilizado em tempo real ao nível de centro de controle de sistema e pelo centro de controle da instalação contribui de forma simples e barata para uma perfeita identificação e manipulação destes dados. Vários aplicativos implantados utilizam estes rótulos como identificador dos dados que serão aquisitados dos sistemas de controle e aquisição de dados. A formação dos rótulos é realizada através de mnemônicos que traduzem o

XIII ERIAC DÉCIMO TERCER ENCUENTRO

REGIONAL IBEROAMERICANO DE CIGRÉ

24 al 28 de mayo de 2009

Comité de Estudio B5 - Protecciones de Sistemas y Automatización de Subestaciones

XIII/PI-B5 -18 Puerto Iguazú

Argentina

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significado dos dados atribuídos pela função controle e proteção primária. Esta padronização garante que as informações em diferentes bays tenham rótulos e descrição apresentada de forma padronizada tanto no centro de controle da instalação quanto nos centros de controle de sistema. Uma nova subestação ou um novo bay que utiliza IEDs baseado na norma IEC61850 introduz um novo padrão de nomes que tem quer conviver com a descrição dos tags e descrição de pontos do padrão existente. Este fato caracteriza a necessidade das empresas criarem um modelo de conversão dos nomes dos objetos proposto pela norma IEC61850 para o padrão de tag e descrição dos pontos dos sistemas existentes. Iniciamos a apresentação deste assunto realizando uma rápida introdução do modelo de dados do protocolo IEC-61850 com o intuito de apresentar aos iniciantes neste protocolo a forma como é construída a sua representação de dados. Em seguida abordaremos o modelo de dados utilizado na Companhia Hidro Elétrica do São Francisco - CHESF como um exemplo de modelo de dados de sistema legado e posteriormente apresentaremos uma proposta de conversão do modelo de dados do IEC-61850 para o modelo de dados existente e finalmente as conclusões. 2 MODELO DE DADOS DO IEC 61850

O modelo de dados do protocolo IEC-61850 é baseado no modelo de dado orientado a objeto e diferente dos protocolos IEC- 51870-5-101/104, DNP e modbus, é um modelo baseado em nomes. Na norma IEC-61850 as funções ou partes de funções de proteção e controle existente nas subestações é identificada como nós lógicos. Os nós lógicos interagem entre si e trocam dados que serão transformados em informações. Os dispositivos eletrônicos inteligentes – IEDs que são os dispositivos físicos que são responsáveis pela implementação dos nós lógicos. Observamos que um IED pode abrigar mais de um nó lógico. Um conjunto de nós lógicos dentro de um mesmo IED constitui um dispositivo lógico. A norma IEC-61850 define que o modelo de dados estruturado em forma hierárquica constituída pelos seguintes elementos: dispositivo físico (IED ou servidor), dispositivo lógico (logic device), objeto de dados (data object) e atributos de dados (data attributes). O dispositivo físico IED é o hardware que suporta as implementações das funções (nós lógicos) de proteção e controle de um sistema elétrico. O objeto de dados é uma instância de objeto que representa um dado de uma função de automação e controle. Por exemplo, à posição de um disjunto ou chave secionadora é um objeto de dados. O atributo de dados é o valor ou a magnitude de um objeto de dados. Por exemplo, o estado aberto ou fechado é um atributo do objeto de dados posição de disjuntor. A norma IEC-61850 padroniza um conjunto de 13 grupos da entidade nó lógico. Estes grupos de nós lógicos são formados por 86 classes de nós lógicos e estas classes são compostas de objetos de dados e atributos. Cada grupo é identificado por uma letra que representa a função que o grupo desempenha [01]. Por exemplo, o grupo X representa a classe de equipamentos de chaveamento e XCBR é uma instância desta classe que representa o estado da funcionalidade do equipamento disjuntor. O objeto de dados do nó lógico XCBR é formado pelos seguintes atributos de dados: Mod, Beh, healf que são atributos que representa o estado do ponto propriamente dito e dos atributos de dados do tipo Loc, OpCnt, BlkOpn, BlkCls, SumSwArs e CBOpCap representa informações associadas ao estado do disjuntor. A figura 01 ilusta um fragmento de arquivo de configuração IED Capability Description – ICD ilustrando o modelo hierárquico do modelo de dados da norma IEC-61850.

Os dados são referenciados segundo o modelo de orientação objeto mantendo a sua hierarquia iniciada pelo dispositivo físico em um nível superior até alcançar o nível inferior de atributo de dados. A seguinte sintaxe pode referenciar de forma genérica um determinado dado de um nó lógico: DispositivoFísico.NóLógico.ObjetodeDados.AtributodeDados Como exemplo real podemos considerar que a topologia de uma determinada subestação SBa que tem um nível de tensão E1 que é composta por um bay Q1 em que possui um disjuntor QA1 para realizar as operações de manobra de um trafo TF1. Neste caso a representação das instâncias de dados para o nó lógico XCBR (que representa o disjunto) e para o nó lógico MMXU (nó lógico de medição do bay) é realizada pelos seguintes formatos: SBaE1Q1Control.QA1XCBR.Pos.stVal

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SBaE1Q1Measurements. TF1MMXU.PhaV.phsB.insCval.ang.f O primeiro caso ilustra o estado de posição do disjuntor QA1. O termo SBaE1Q1Control representa o dispositivo físico, o termo QA1XCBR representa o nó lógico (o prefixo QA1 associa o nó lógico XCBR ao disjuntor QA1), o termo Pos representa o objeto de dados e finalmente o termo stVal representa ao atributo de dados. O segundo caso é uma representação da instancia do valor da medida do ângulo da tensão da fase B do trafo TF1.

Fig. 1. Hierarquia do modelo de dados do IEC-61850

O protocolo IEC-61850 da camada de aplicação utiliza o protocolo Maufacturing Message Service – MMS como suporte de transporte para as camadas inferiores da pilha de protocolo do modelo OSI. Este mapeamento transforma a referência a um objeto de dados do modelo de dados do IEC-61850 para uma variável do modelo de dados do MMS. Neste caso o ponto que separa os níveis de aninhamento do modelo orientado a objeto é substituído pelo caractere “$”. A representação dos dados nos casos mostrados acima é formada para o modelo de dados do MMS que é ilustrada a seguir: SBaE1Q1Control$QA1XCBR$Pos$stVal SBaE1Q1Measurements$TF1MMXU$PhaV$phsB$insCval$ang.f

3 MODELO DE DADOS ATUAL DA CHESF

Os sistemas supervisório dos Centros de Controle da CHESF são constituídos pelo Sistema Aberto de gerenciamento de Energia – SAGE operando no modelo SCADA e EMS. A representação atual do modelo de dados deste sistema foi adaptada de uma versão herdada do antigo sistema Guld da Leeds Northrup. A lei de formação desta representação de dados define um campo de até 15 caracteres para representa um rótulo (tag) que identifica o dado em si e um campo de 42 caracteres que apresenta a descrição deste ponto. A formação da tag e a descrição são baseadas na funcionalidade dos dispositivos de proteção e automação e no tipo de informação (digitais, medidas e comandos) e na codificação operacional dos equipamentos e subestações definida pela CHESF. Na Codificação Operacional dos Equipamentos e Linhas de Transmissão da CHESF Cada equipamento é identificado por um código alfanumérico de 4 a 6 dígitos [02]. 1° dígito define o tipo de equipamento; 2° dígito define a tensão de operação do equipamento; 3° e 4° dígitos definem a função e a seqüência do equipamento ou linha; 5° dígito define a posição do equipamento. 6° dígito utilizado apenas nós casos de necessidade de diferenciar dois ou mais equipamentos da mesma posição vinculados a um mesmo equipamento principal. Exemplo chave secionadora 34T1-4 1° dígito “3” Chave Seccionadora /Chave de aterramento rápido;

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2° dígito “4” 151 a 250 KV (neste intervalo a CHESF só utiliza 230KV); 3° e 4° “T1” Transformador 1 ; 5° dígito “4” Seccionadora de disjuntor, lado do barramento.

3.1 Formação dos Campos de Tag

Para os sinais digitais o campo de tag é implementado com a seguinte formação: CCCC-ZZZ-MMMM [03]. O sub-campo CCCC possui tamanho fixo de quatro caracteres e seu conteúdo são os quatros primeiros dígitos do código operacional dos equipamentos ou linha de transmissão. O sub-campo ZZZ precedido pelo caractere “-“ tem tamanho fixo de três caracteres e o seu conteúdo é o código da subestação. O sub-campo MMMM, precedido pelo caráter “-“, tem tamanho fixo de quatro caracteres e seu conteúdo é um mnemônico baseado na funcionalidade do ponto que esta sendo supervisionado. Nos sinais analógicos a lei de formação dos tags difere ligeiramente da formação dos tags dos sinais digitais. Estas modificações são decorrentes da necessidade de se identificar o sentido do fluxo para as linhas de transmissão e do enrolamento dos transformadores em que as medidas estão sendo supervisionadas. Para as linhas de transmissão o campo de tag é implementado seguindo a seguinte regra de formação: CCCC-XXX/ZZZ-SS-MMM.... O sub-campo CCCC é o código operacional da LT e segue a formação similar ao dos sinais digitais. O sub-campo XXX/ZZZ precedido pelo caractere “-“ tem o tamanho fixo de sete caracteres e identifica a subestação de origem e a subestação de destino da LT. O sub-campo SS tem tamanho fixo de dois caracteres e informa o sentido do fluxo de potencia ativa da LT no terminal em que a subestação esta sendo supervisionado, no caso deste campo ser preenchido com a palavra “DE” o fluxo esta chegando à subestação e no caso da palavra “PA” o fluxo esta saindo da subestação. O sub-campo MMM.... tem tamanho variável e depende do tipo de medida que esta sendo implementada (MW, AMPA, KVAB...etc) Para os transformadores a tag é implementada com a seguinte formação: CCCC-XXX-E- MMM.... O sub-campo CCCC informa o código operacional do transformador e têm formação semelhante aos sub-campos CCCC anteriores. O sub-campo XXX tem tamanho fixo de três caracteres e indica o código operacional da subestação. O sub-campo E tem tamanho fixo de 01 caractere e indica o enrolamento do transformador que esta sendo medido (P de primário, S de secundário e T de terciário). O sub-campo MMM.... é implementado de forma semelhante a este sub-campo para linha de transmissão.

Para os sinais de controle a lei de formação do tag segue o mesmo principio dos sinais digitais e analógicos sendo implementada pela seguinte formação CCC... – XXX -MMM..... O sub-campo CCC.. tem tamanho variável limitado a 4 caracteres e informa o código operacional do equipamento ou dipositivo que esta sendo manobrado. O sub-campo XXX tem tamanho fixo de três caracteres e informa o código da subestação em que o equipamento esta sendo manobrado. O sub-campo MMM... é um campo opcional, tem tamanho variável limitado até 4 caractere, e indica um mnemônico baseado na função que esta sendo comandada. Excepcionalmente para os comandos de ativar e desativar religamento a regra de formação da tag muda para a seguinte sintaxe: 79TT-XXX/ZZZ-SS onde o subcampo 79TT indica o tipo de religamento monopolar ou tripolar ou ambos. Os demais sub-campos são idênticos aos sub-campos de linha de transmissão, que informa a subestação de origem e de destino e o sentido do fluxo de potência ativa. A tabela 01 ilustra um fragmento do padrão de codificação de sinais digitais utilizado pela CHESF.

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TABELA I. FRAGMENTO DE PADRÃO DE CODIFICAÇÃO DE SINAIS DIGITAIS DA CHESF

4 IMPACTO DO PROTOCOLO IEC 61850

As empresas de energia elétrica do Brasil têm um grande parque instalado de subestações digitalizadas que utilizam protocolos como: IEC-750-5-101/104, DNP e protocolos proprietários. A migração para o protocolo IEC-61850 será realizada de uma forma lenta e gradual através de retrofit das proteções de bays no caso de subestações convencionais ou da construção de uma nova subestação. Durante o período de migração existirá um período de convivência de um novo padrão de nomes proporcionado pelo protocolo IEC-61850 e o padrão de nomes proporcionado pelos sistemas existentes atualmente nas empresas.

Fig. 2. Detalhe da associação entre padrão de nomes do IEC-61850 e padrão de nomes existentes

ID SOE SINALIZAÇÕES COMENTARIOS OCR 0YYY-XXX/ZZZ-DE(PA)-PPSP(PSSP)(DSSP)

PP(PS)-TRIP SUBALCANCE SEQUENCIA POSITIVA

NOR01

0YYY-XXX/ZZZ-DE(PA)-PPSN(PSSN)(DSSN)

PP(PS)-TRIP SUBALCANCE SEQUENCIA NEGATIVA

NOR01

0YYY-XXX/ZZZ-DE(PA)-PPSZ(PSSZ)(DSSZ)

PP(PS)-TRIP SUBALCANCE SEQUENCIA ZERO

NOR01

0YYY-XXX/ZZZ-DE(PA)-PPFA(PSFA)(DTFA)

PP(PS)-TRIP FASE A

NOR01

0YYY-XXX/ZZZ-DE(PA)-PPFB(PSFB)(DTFB)

PP(PS)-TRIP FASE B

NOR01

0YYY-XXX/ZZZ-DE(PA)-PPFC(PSFC)(DTFC)

PP(PS)-TRIP FASE C

NOR01

0YYY-XXX/ZZZ-DE(PA)-PPTR(PSTR)(DTTR)

PP(PS)-TRIP TRIPOLAR

Apenas para 69KV. NOR01

0YYY-XXX/ZZZ-DE(PA)-PPHA(PSHA)(DTHA)

PP(PS)-TRIP POR HS FASE A

NOR01

0YYY-XXX/ZZZ-DE(PA)-PPHB(PSHB)(DTHB)

PP(PS)-TRIP POR HS FASE B

NOR01

0YYY-XXX/ZZZ-DE(PA)-PPHC(PSHC)(DTHC)

PP(PS)-TRIP POR HS FASE C

NOR01

0YYY-XXX/ZZZ-DE(PA)-PPTO(PSTO)(DTOP)

PP(PS)-TRIP OSCILAÇÃO DE POTÊNCIA

NOR01

0YYY-XXX/ZZZ-DE(PA)-PPLC(PSLC)(PDLC)

PP(PS)-TRIP LINE CHECK

PP(PS)-TRIP PROTEÇÃO DISTÂNCIA ID=0YYY-XXX/ZZZ-DE(PA)-PTPD(STPD)(TRPD)

NOR01

PDF ID = siC-DisjXCBR1$ST$BlkCls KCONV = SPC0 PNT = 14M2-TSA-FEBL NV2 = siC_ADAQ TPPNT = PDS DESC1 = Block closin CMT = Gerado automaticamente pelo xml61850

PDS ALRIN=SIM CDINIC=NORMAL ID = 14M2-TSA-FEBL OCR=OCR_FDBT01 STINI=F STNOR=A TPEQP= TPFIL=NLFL EQP= TAC = ELM_TAC TIPO=DISJ TCL=NLCL NOME = FECHAMENTO BLOQUEADO CL=

Padrão de nomes do IEC-61850 Ponto Lógico

Ponto Físico

Padrão de nomes existente

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A CHESF decidiu adotar o protocolo IEC-61850 para os novos empreendimentos e já incorporou ao seu parque a subestação de Tauá que é a primeira subestação que utiliza o protocolo IEC-61850 para comunicação ao nível de rede de subestação. Nesta subestação a Chesf adotou o SAGE como centro de controle ao nível de subestação (nível 2). O SAGE tem a facilidade de tratar os pontos físicos com o padrão de nomes do IEC-61850 (SBaE1Q1Control.QA1XCBR.Pos.stVal) e associar estes pontos a pontos lógicos com o padrão de nomes existentes na CHESF (CCCC-XXX/ZZZ-SS-MMM) [05]. A figura 02 ilustra a associação entre padrão de nome do IEC-61850 e padrão de nome existente.

Todas as operações lógicas e de distribuição de dados são realizadas com os pontos lógicos. Adotando esta arquitetura ficou garantido todo investimento realizado em aplicações tais como: tratamento de alarme, estimador de estado, simulador de operadores que utilizam o padrão de nomes existentes. Apesar de ser uma solução que resolve esta divergência de padrão de nomes, continuamos com um problema de que a associação entre pontos físicos e pontos lógicos não é automatizada. Este fato mostra a necessidade da elaboração de um dicionário de conversão de nomes entre o protocolo IEC-61850 e o padrão de nomes existentes. A implementação desta conversão pode ser de forma manual ou automatizada. A tabela 02 mostra um fragmento de dicionário de conversão de nome do protocolo IEC-61850 e o padrão existente.

TABELA 2. FRAGMENTO DE UM DICIONÁRIO DE CONVERSÃO NOME DO PROTOCOLO IEC-61850 E PADRÃOEXISTENTE

ID SOE SINALIZAÇÕES OCR Protocolo 61850 0XTY-ZZZ-TOTS

TRIP TEMPERATURA OLEO 2.GRAU

NOR01 0XTY-SIML$ST$InsTrip$stVal

0XTY-ZZZ-TEQS

TRIP TEMPERAURA ENROL 500KV 2.GRAU

TRIP TEMPERATURA OLEO/ENROL 2.GRAU ID = 0XTY-ZZZ-TROE

NOR01 0XTY-YPTR$ST$HPTmpTr$stVal

0XTY-ZZZ-RGFS

TRIP RELE DE GAS TRAFO 2.GRAU

NOR01 0XTY-SIML$ST$GASFlwTr$stVal

0XTY-ZZZ-TRGS

TRIP RELE DE GAS COMUTADOR 2.GRAU)

NOR01

0XTY-SIML$ST$GASFlwTr$stVal

0XTY-ZZZ-PDFA

TRIP RELE DIFERENCIAL 87 FASE A

TRIP PROTEÇÕES INTRÍNSECAS ID = 0XTY-ZZZ-TPIT

NOR01 0XTY-PDIF$ST$Op$stVal

0XTY-ZZZ-SCQA

TRIP SOBRECORRENTE 50/51 500KV FASE A

TRIP SOBRECORRENTE 50/51 FASES 500KV NOR01

0XTY-PTOC$ST$Op$stVal

0XTY-ZZZ-SCQN

TRIP SOBRECORRENTE 50/51 500KV NEUTRO

TRIP SOBRECORRENTE 50/51 500KV NEUTRO

NOR01

0XTY-PTOC$ST$Op$stVal

0XTY-ZZZ-TRCA

TRIP RELE DE CARCAÇA

NOR01 0XTY-PHIZ$ST$Op$stVal

Outro fator preocupante é a questão que os nós lógicos não apresentam todas as necessidades de

informações do padrão existente de projeto de supervisão da subestação. Por exemplo, o nó lógico XCBR não apresenta dentro do seu conjunto de objeto de dados a informação de falha de disjuntor. Na subestação de Tauá (CHESF) esta questão foi resolvida utilizando o nó lógico Generic Proccess I/O Name - GGIO. Para reforçar nosso exemplo podemos citar o ponto “trip segundo grau de gás de um transformador” pode ser tratado com o nó lógico Isolation Médium Supervision - SIML [04] ou pelo próprio nó lógico GGIO. Alem destas questões à parte 7.4 da norma através do anexo “A” permite a criação de extensão de nós lógicos o que possibilita aos fabricantes a criação de soluções proprietárias dificultando a manutenção do princípio da intercambiabilidade e interoperabilidade. Esta questão se torna mais crítica nas empresas estatais que são obrigadas a realizar concorrências públicas permitindo a aquisição de fabricantes diferentes para cada novo empreendimento ou ampliação. Este fato permite a implantação de diferentes soluções dentro de uma mesma subestação mesmo utilizando o protocolo IEC-61850. Há uma necessidade da elaboração por parte de cada empresa que deseje realizar a migração para o protocolo IEC-61850 de um padrão lógico de dados que resolva como serão tratados estes tipos de pontos que não são cobertos pela norma IEC-61850.

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Fig. 3. Detalhe do uso do nó lógico GGIO para representar o ponto discordância de pólos

5 CONCLUSOES

Durante o processo de planejamento de migração para o protocolo IEC-61850 de um novo empreendimento ou de retrofit de bay de subestações e usinas as empresas devem ter uma preocupação de como tratar o modelo de nomes atualmente existente diante do impacto do modelo proposto pelo protocolo IEC -61850. Também deve se realizar uma analise criteriosa da proposta das extensões de objeto de dados e nós lógicos proposto pelo fabricante. O ideal e que as empresas definam na fase de concepção de projeto um modelo definitivo que atenderá os próximos empreendimentos. No Brasil no ultimo encontro dos usuários do SAGE realizado em setembro de 2006 as empresas federais brasileiras, Eletronorte, Furnas, Eletrosul e Chesf em conjunto com o Cepel propuseram a criação de um grupo de estudo para analisar e buscar uma padronização ao nível nacional das extensões de objeto de dados e nós lógica do IEC-61850.

6 REFERENCIAS

[1] IEC-61850, part 7-1: Basic communication structure for substation and feed equipments- principle and

models, First edition 2003-7. [2] CHESF, IN-IOP.01.004: Codificação operacional de instalações e equipamentos em diagrama unifilar,

Primeira edição 31.03.2005. [3] CHESF, Padrão de Supervisão dos Sistemas de Controle e Automação Nível III. Primeira edição março

de 2003. [4] IEC-61850, part 7-4: Basic communication structure for substation and feed equipments- Compatible

logical node classes and data classes, First edition 2003-5. [5] CEPEL, Anexo de configuração do protocolo IEC/61850 no SAGE. Rio de Janeiro. Maio de 2006