TRABALHO - AUTOMAÇÃO DE UMA SUBESTAÇÃO ELÉTRICAABORDAGEM: PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO

EQUIPE: André Brandão (andrebrandaoreis@hotmail.com), Sandro Acácio, Naldo(naldopsilva2@yahoo.com.br), Astlan (astlan@terra.com.br) e Péricles (pudrum@ibest.com.br)LÍDER DE EQUIPE: Sandro Acácio Oliveira (acacio@rocketmail.com)

PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO EM SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO DE SUBESTAÇÕES

ÍNDICE:

1- Apresentação do Trabalho2- Arquitetura/Rede e modelo de referência OSI3- Objetivo Específico4- Protocolos de Comunicação para Sistemas de Automação de Subestações

4.1 – O que é um protocolo e o que ele faz?4.2 – Protocolo DNP 3.04.3 – Protocolo IEC 618504.4 - Análise comparativa

5- Conclusão6- Figura de uma subestação digitalizada 7- Pesquisa

1) APRESENTAÇÃO

O presente trabalho tem por escopo a apresentação de protocolos de comunicação utilizados na automação de uma subestação de energia elétrica, tendo como referência, para análise dos mesmos, o modelo OSI de comunicação inter-computacional, para melhor compreensão dos protocolos utilizados nas subestações. Abordar-se-á, também, estruturas das camadas de comunicação e comparando com os utilizados nas subestações, e em seguida, uma avaliação de desempenho e aplicabilidade nos sistemas modernos de automação de subestações de energia.

2) ARQUITETURA, REDE E MODELO DE REFERÊNCIA OSI

No início do surgimento das redes, apenas hardwares computacionais de um mesmo fabricante conseguiam comunicar-se entre si. A ISO então criou um padrão internacional, chamado modelo OSI, na qual quebraram-se as barreiras envolvidas no processo de comunicação. O modelo OSI, e suas camadas, serão nossa referência para o entendimento do funcionamento dos protocolos DNP 3.0 e o IEC 61850, que também trabalham com camadas, mas não todas as que o modelo OSI trabalha.

Os protocolos de comunicação, que tem como referência de funcionamento as mesmas camadas que o modelo OSI utiliza, seguem o princípio de “dividir e conquistar”. Dividem tarefas maiores em menores para facilitar tanto a comunicação quanto a gerenciabilidade. Estudaremos o DNP 3.0 e o IEC 61850, também dividido em camadas, como estuda-se aqui, e isso acarreta algumas vantagens, dentre elas:

-Dividir a complexidade de uma rede em subcamadas mais gerenciáveis-Esclarecer funções gerais de uma certa camada sem entrar em detalhes- Facilita a resolução de problemas- Permite uso de interfaces padronizadas para facilitar a interoperabilidade- Permite especialização, o que também o processo da indústria tecnológica- Os desenvolvedores podem trocar características de uma camada sem alterar todo o código.

Uma vez entendido estas vantagens da divisão em camadas, vamos ao estudo delas, envolvidas numa rede de comunicação automatizada de uma subestação elétrica, tendo como referência o modelo OSI completo de 07 (sete) camadas.

Descrição das camadas e suas funcionalidades:

É a “pilha de protocolos”, contida nas camadas do protocolo de comunicação geral, quem recebe as informações e realiza a comunicação entre camadas. Cada camada é responsável por um tipo de processamento e se comunica apenas com a camada imediatamente superior e inferior. Na “envio” dos dados, cada camada recebe os dados da camada superior, insere o controle da camada e envia para a camada inferior. No “recebimento” dos dados, cada camada recebe dados da camada inferior, verifica e remove os controles e envia para a camada superior.

(Mod. Ref. OSI de 07 camadas)

I. O Nível Físico transmite uma sequência de bits através de um canal de comunicação. Faz com que um bit “1” seja lido como “1” e não como “0” no receptor. Trabalha com as características mecânicas e elétricas do meio físico como: número de volts que devem representar os níveis lógicos “1” e “0”; velocidade máxima da transmissão; número de pinos do conector e a funcionalidade de cada um.

II. Na camada de Enlace, o principal objetivo é receber/transmitir uma sequência de bits do/para o nível físico e transformar numa linha livre de erros, para passar e ser utilizado no nível da rede.

III. Na Camada Rede há a execução do roteamento dos pacotes entre fonte e destino.

Em redes de longa distância se verifica importância disso, pois escolhe o melhor caminho.

IV. Na Camada de Transporte inclui funções relacionadas com máquina fonte e de destino, segmentando os dados em unidades de tamanho apropriado para utilização no nível da rede. Se necessário alta taxa de transmissão de dados, este nível pode criar múltiplas conexões de rede, dividindo os dados para aumentar a velocidade de transmissão. Da família TCP/IP temos como exemplo de protocolo o TCP (Transfer Control Protocol).

V. Nível de Seção administra e sincroniza diálogos entre dois processos de aplicação, podendo ser half-duplex ou full-duplex. Permite transmissão de dados de maneira mais refinada que do transporte em determinadas aplicações. Uma seção pode ser aberta entre 2 estações e o usuário se logo a um sistema remoto ou transfere arquivos entre estações.

VI. Nível de Apresentação assegura que a informação seja transmitida de tal forma a ser entendida pelo receptor. Por Exemplo, uma aplicação pode gerar uma mensagem em ASCII , mesmo que a estação interlocutora utilize outra forma de codificação como o EBCDIC. A tradução entre os dois formatos é feita neste

nível. É responsável por criptografia e compressão de dados.

VII. Na camada de Aplicação se fornece ao usuário uma interface que permite acesso a diversos tipos de aplicação,

convertendo as diferenças entre diferentes fabricantes para um denominador comum.

3) OBJETIVO ESPECÍFICO

Atualmente tem surgido novas técnicas de comunicação, utilizadas no controle e supervisão de subestações, para poder garantir mais confiabilidade e qualidade no fornecimento de energia elétrica ao consumidor. Trata-se este trabalho de uma abordagem comparativa entre os protocolos de comunicação DNP 3.0 e IEC 61850. Este último foi utilizado para integração dos sistemas de supervisão e proteção de uma subestação de energia elétrica, analisando também as vantagens e desvantagens do uso deste protocolo IEC 61850. Então o objetivo mais específico seria demonstrar como a aplicação da norma IEC 61850 traz vantagens operacionais ao Centro de Operação do Sistema de Automação de uma subestação.

4) Protocolos de Comunicação para Sistemas de Automação de Subestações

A evolução dos relés de proteção microprocessados para os chamados Dispositivos Inteligentes Eletrônicos (IED – Intelligent Eletronic Devices) que, comparados aos antigos equipamentos de proteção eletromecânicos e estáticos, além de possuírem as funções de proteção, também adquiriram as capacidades de comunicação e integração das funções de controle. Os sistemas atuais de automação de subestações de energia elétrica normalmente consistem de equipamentos de diferentes fabricantes e de diferentes gerações. A comunicação entre eles é difícil e a maioria usa protocolos específicos, ou adaptadores para a conversão destes protocolos. Surge então a necessidade de tornar possível a maior interoperabilidade entre eles, modernizar as subestações e tornar disponíveis para os centros de operações todas as informações presentes dentro do ambiente das subestações. A digitalização total de uma subestação pode ser melhor implementada adotando a norma IEC 61850, fazendo-se para isso, no campo dos equipamentos, a substituição dos relés eletromecâninos por IEDs de proteção (ou relés digitais), e, também, pode-se trocar a UTR por um concentrador de dados.Protolocos de comunicação de uma subestação

4.1 – Protolocos – O que são e como agem?

Protocolos são conjuntos de regras que definem o tipo de mensagem e a ordem que elas devem ser trocadas a fim de realizar a comunicação entre dois sistemas ou mais. Quando a comunicação exige um grande número de protocolos, como vimos, estes são agrupados em funcionalidades formando uma camada, e o conjunto de camadas define-se como a “pilha de protocolos”. Seu objetivo central é

fazer com que sistemas (dispositivos) que tenham estruturas internas próprias falem a mesma linguagem e possam trocar informações com sucesso.

Existem muitos protocolos para comunicação utilizados em subestações, sendo que alguns são desenvolvidos para aplicações específicas ou para configurações de instalações únicas. Outros, porém, são estruturados baseados em normas e padrões internacionais, mas sofrem ajustes para atenderem necessidades de um projeto específico por exemplo. Abaixo, temos alguns protocolos de comunicação utilizados atualmente.

Protocolos utilizados em sistemas de automação de Subestações

4.2 – DNP 3.0:

O DNP (Distributed Network Protocol) foi desenvolvido nos EUA em ambiente fechado , mas sendo hoje um protocolo aberto e estruturado conforme as especificações da Norma IEC-870-5 para transmissão de dados entre estações mestres e UTRs (Unidades Terminais Remotas) ou IEDs (Dispositivos Eletrônicos Inteligentes). Não comunica entre estações mestre. Como vimos, como referência, no cap. 2 deste trabalho o modelo OSI, este protocolo DNP utiliza apenas 03 dessas camadas: Aplicação, Enlace de Dados e Física. Sua arquitetura simplificada é denominada EPA (Enhanced Performance Architecture). Esta arquitetura de performance melharada está na figura abaixo, onde também podemos ver a pseudo camada de transporte, que junto com a da Aplicação faz a separação de mensagens superiores a 249 octetos.

Este protocolo possui uma série de características aplicáveis a arquiteturas abertas de sistemas distribuídos destinados á área de energia elétrica, como por exemplo:

4.2.1 - Transferência de blocos de dados – Possui camada de transporte com capacidade para transferir blocos de dados com até 2 kbytes, permitindo assim a transferência de tabelas de configuração, informação de prioridades e algoritmos de controle entre mestre e escravos, ela também segmenta mensagens da camada de aplicação em múltiplos pacotes da camada de enlace. Para cada pacote, insere um único byteFunction Code que indica se o pacote da camada de enlace é o primeiro damensagem, o último, ou ambos (no caso em que não há fragmentação da mensagem);4.2.2 - Tipos de Mensagens – Utiliza dois tipos de mensagens: Com ou Sem Confirmação. Com confirmação, quando a prioridade é a confiabilidade. E mensagens sem confirmação, quando a prioridade é o desempenho;4.2.3 - Arquitetura mestre-escravo – Oferta relacionamento síncrono através de operação por varredura e relacionamento assíncrono através de respostas não solicitadas, por iniciativa das estações escravas;4.2.4 - Modos de endereçamento – Permitem três modos de endereçamento, sendo:i). independentes para mestre–escravos, permitindo a operação seletiva de vários mestres e escravos;ii). de grupo, permitindo a seleção de lista de pontos;iii). broadcasting, permitindo a difusão dos dados.4.2.5 - Protocolo CSMA - Utiliza o protocolo CSMA (Carrier Sense Multiple Access) para controlar o acesso ao meio físico, possibilitando desta forma seu compartilhamento;4.2.6 - Tempo de propagação das mensagens – Estabelece um método para o cálculo do tempo de propagação das mensagens, com o objetivo de sincronizar os relógios dos vários equipamentos do sistema.O protocolo DNP 3.0 especifica todos os procedimentos para transmissão e recepção no meio físico, como utilizar modens, rádios-modens, fibras ópticas, etc. Sua camada de enlace (Data Link Layer) tem dois propósitos: 1) prover a transferência de informação (quadro de dados) através da

conexão física, isto é, os quadros de dados do usuário são transformados em quadros de enlace acrescidos de um cabeçalho e de CRC (Cicle Redundancy Code); 2) fornecer indicação de outros eventos, como o estado de enlace. (Olhe a figura abaixo):

A camada de aplicação do protocolo possui vários objetos de dados que podem sermapeados nos pontos de leitura (entrada) e comando (saída) de uma UTR típica de automação do sistema elétrico. Estes objetos podem representar entradas digitais, entradas analógicas, contadores, eventos com estampa de tempo (time-stamped), saídas digitais e analógicas, seqüência de octetos (string), 16 dentre outros. Existem objetos estáticos, exemplo objeto 01 (Binary Input), que representam os dados no instante da varredura. Já os objetos de eventos representam apenas os pontos quemudaram de valor até a ultima varredura do mestre, exemplo objeto 02 (Binary Input Change). O DNP 3.0 é implementado em 3 níveis nos equipamentos e cada nível possui diferentes quantidades de objetos de dados disponibilizados. Tal característica deve ser observada durante o processo de aquisição de dispositivos que utilizam o protocolo DNP 3.0. Os equipamentos que utilizam o protocolo DNP 3.0 possuem um documento de perfil do dispositivo, chamado Device Profile, este contém informações que permitem a integração entre diferentes dispositivos mestres e escravos.

4.3 – IEC 61850:

A IEC 61850 é uma norma internacional destinada a redes de comunicação e sistemas em subestações de energia elétrica que viabiliza o desenvolvimento de aplicações baseadas em comunicação ponto a ponto de alta velocidade, com medidas distribuídas, controle, proteção e soluções baseadas em amostras de valores analógicos. Tem como objetivo, facilitar a integração dos Sistemas de Automação de Subestações (SAS) e melhorar as funcionalidades existentes, além de reduzir o custo total do sistema e garantir a interoperabilidade dos IED’s. Ou seja, faz comunicações entre os relés digitais dentro de uma subestação automatizada.

Todos os maiores fabricantes de equipamentos de controle e proteção de subestações têm produtos que implementam as comunicações via IEC 61850, para simplificar a integração dos sistemas, melhorarem as funcionalidades e ao mesmo tempo, reduzir os custos das instalações. Este protocolo surgiu de um trabalho da IEC para fazer um padrão de comunicação em subestações. Ela foi dividida em 10 partes conforme podemos ver na figura abaixo.

A norma define e padroniza o modelo de dados que representam todos os atributos e funções dos equipamentos e dispositivos físicos de uma subestação ou usina do sistema elétrico. O modelo de dados é orientado a objetos e o conjunto de dados que são trocados entre funções e sub-funções que estão nos IED’s, formam um LN (Logical Node) e o conjunto de LN formam um LD (Logical Device). O Logical Device está residente no dispositivo físico (IED). Na figura abaixo, é demonstrada a estrutura hierárquica do modelo de dados interno ao dispositivo físico

Os LN’s (Logical Node) possuem uma lista de dados baseada em sua funcionalidade e com os respectivos atributos. Os dados contêm um detalhamento bem definido dentro do contexto de sistema de automação de subestação . O XCBR é um Logical Node que foi determinado para representar as funções de um disjuntor , nele estão os dados associados e vários atributos, como por exemplo, POS (posição) que é um dado do LN e Controle que pode ser um atributo de estado, medida ou configuração. Esta norma padronizou um conjunto de 13 grupos de nós lógicos (LogicalNode) com o objetivo de reunir funções semelhantes do tipo proteção, controle, automação, dentre outros.

GRUPO DE NÓS LÓGICOS

Na IEC 61850-6, está definida a linguagem de configuração para sistemas de automação de subestações (SAS). Esta linguagem recebeu o nome de SCL (Substation Configuration Language) e é baseado em XML (Extender Mark up Language), seu objetivo é padronizar os atributos de configuração de IED’s de forma segura e confiável. A linguagem SCL é composta por arquivos que contêm os dados da subestação, das relações dos equipamentos de manobras, das funções dos IED’s e de todos os serviços de comunicação. São vários os arquivos utilizados para a descrição formal dos modelos, entre eles estão:

• SSD – System Specification Description (Descrição dos Dados do Sistema);• SCD – Substation Configuration Description (Descrição dos Dados da

Subestação);• ICD – IED Capability Description (Descrição dos itens aplicados em um IED);• CID – Configurated IED Description (Configuração de um IED específico).

A norma prevê ainda uma pilha de protocolos composta por camadas de transporte, rede, enlace e um serviço de mensagens. A camada de enlace é comum à todos os serviços de mensagens e utiliza o protocolo Ethernet como prioridade. As mensagens denominadas cliente-servidor são 20 aquelas que não apresentam restrição de tempo e por isso apresentam um atraso devido ao processamento em cada camada. Abaixo, a representação da pilha de protocolos IEC 61850.

As mensagens que contenham restrições críticas a atraso, como bloqueios, são chamadas de transferência de objetos genéricos de eventos do sistema (GOOSE, do inglês generic object oriented system events) (tipos 1 e 1A) e transferência de valores amostrados – SV (sampled (analog) values) (tipo 4). Essas mensagens além de não utilizam todas as camadas da pilha de protocolos têm prioridade mais alta.

4.4 – COMPARAÇÃO DNP E 61850:

Tendo abordado os protocolos DNP 3.0 e IEC 61850, vamos as comparações entre eles de desempenho e funcionalidade no sistema de automação, e tb proteção, de uma subestação.

- CARACTERÍSTICAS DNP IEC

CaracterísticasGerais

Domínio de Aplicação

Telecontrole (SCADA) – dentro da

subestação e do Centro de Operação para a Subestação

Subestação e alimentadores

(aberto para outros domínios)

Principal coberturaCamada de aplicação, protocolo e serviços

Semântica de aplicação (modelos

de dispositivos e aplicações),

linguagem de configuração de subestações e

camada de aplicação, serviços e protocolos.

Modelos de informação

específicos da aplicação

Permite ao fabricante criar extensões de

aplicações específicas

Permite ao fabricante criar extensões de

aplicações específicas; possui

mais de 100 classes lógicas com mais de

200 classes de dados.

Serviços Operacionais

Transmissão Cíclica sim simTransmissão Espontânea

sim flexível

Substituição Remota não simControle de Parâmetros

alguns Flexível, define, muda e edita.

Descrição dos Processos

Tipos de dados suportados

flexível Flexível e facilmente extendido

Semântica dos dados não Mais de 2000 classes

Aberta para novos modelos adicionais

nãoFlexível – qualquer

novo tipo de dado ou classe podem ser

definidosQualidade, Estampa de tempo, Causa de

Transmissãosim sim

Serviços de auto-descrição

Obter diretório de todos os objetos

(nomes e tipos de dados de nós

lógicos)

NãoSim, com completa

informação hierárquica

Obter definições de objetos operacionais

(nome, tipo, faixa, unidade, banda

morta para envio, escala, descrição de processo de dados)

Somente banda morta

Muitas informações disponíveis

Camadas 04 camadas (serial) e 07 camadas (TCP/IP e

Arquuitetura

07 camadas (TCP/IP ou UDP/IP)

OSI)

Modo de Transmissão

Balanceado Full-Duplex

Protocolo de passaporte

Pseudo camada de transporte serial, TCP

ou UDP sobre IPTCP, OSI TP

Configuração online Offline

Definir grupo de dados

Sim Sim

Selecionar dados para envio

Alguns Muitos

Localização das configurações

UTR´s e IED´s, nos bancos de dados e

aplicativos

A configuração completa do modelo

pode ser lida e automaticamente comparada com o

arquivo de configuração XML.

5) Conclusão

Ambos os protocolos dispõem de serviços para trocas de informações básicas detempo real para os requisitos relacionados ao sistema SCADA, como por exemplo,controle e estados de pontos simples, envio de informação cíclica e espontânea,sincronização de relógio;• O DNP 3.0 possui muitas funcionalidades fixas, enquanto que o IEC 61850apresenta uma extensa gama de aplicações, como modelagem de dados, serviços deconfiguração, dentre outros;• O DNP 3.0 cumpre os requisitos de tempo com baixas velocidades de comunicação,enquanto que o IEC 61850 necessita de uma banda de comunicação maior (rede),pois suas mensagens são maiores quando comparadas ao DNP 3.0Uma das grandes vantagens na implementação da norma IEC 61850 neste trabalho de análise foi o uso do protocolo IEC 61850 GOOSE via sistema de comunicação peer-to-peer para troca de mensagens entre diferentes IEDs. O DNP 3.0 é um dos protocolos de comunicação utilizado no setor elétrico que apresenta resultados positivos quando é usado na interface entre UTR’s e relés de proteção de um mesmo fabricante. Contudo não atende aos requisitos de tempo de resposta, que é uma característica muito importante em sistemas de proteção. Além disso, sua performance é insatisfatória quando usado para integrar dispositivos de diferentes fornecedores.

Para uma comunicação mais eficiente, e interoperabilidade do sistema de uma subestação automatizada, melhor é o protocolo IEC 61850, apresentando ainda melhor cobertura de modelos de dispositivos e aplicações, com camadas completas em relação ao modelo OSI, apresentando e disponibilizando ao operador completa informação hierárquica, além de estar aberto a novos modelos adicionais.

5.1 -Digitalização de uma subestação, com referência aos protocolos utilizados.

Numa subestação digitalizada podemos instalar um sistema digital constituído de uma rede de supervisão e controle, uma rede de comunicação para proteção entre os relés e uma rede de ajustes. Tendo, pois, a funcionalidade destas redes descritas estando num mesmo meio físico (rede ethernet), a topologia desta sistema deve seguir, melhor, as recomendações da IEC 61850. A comunicação entre os relés e entre os mesmos e as unidades concentradoras de dados deve utilizar, também, protocolo IEC-61850, o que garante uma comunicação extremamente veloz e coerente entre os equipamentos. Para a transferência de dados para o COS (Centro de Operação dos Sistemas) podemos instalar um modem de forma serial, e o protocolo utilizado aqui pode ser o DNP3.0. Para aquisição dos pontos refentes ao trafo e comutador, também de forma serial, porém através de fibra óptica, é podemos empregar um outro protocolo não abordado aqui, que é o protocolo MODBUS.

6) Figura de uma subestação digitalizada

7) Pesquisa

VII.1. Norma IEC-870-5VII.2. Norma IEC 61850VII.3. “Integração de Sistemas de Supervisão, Proteção e Automação de

Subestações de Energia Elétrica” (Paredes AERO)VII.4. ” Automação de subestações e usinas – Estado da arte e tendências utilizando

aVII.5. norma IEC 61850.” (Pereira, AC).