IEC 61850-9-2 Avaliação e testes de um barramento de processos

Edição 63 – Abril 2011
Por Paulo Sergio Pereira Junior, Rodrigo Ramos, Cristiano Moreira Martins, Paulo Sergio Pereira,Gustavo Espinha Lourenço e Gustavo Silva Salge*

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Com a evolução crescente da tecnologia no século XXI e a convergência da comunicação, principalmente empregada pela norma mundial IEC 61850, é cada vez mais comum o debate sobre as vantagens, as possibilidades, os riscos e as técnicas envolvidas sob seu prisma.

A norma IEC 61850 traz vários benefícios por meio da padronização da comunicação entre IEDs (interoperabilidade). Entre as trocas de mensagem há comunicação de alta velocidade (comunicação em “tempo critico”) e um exemplo de aplicação é a substituição das lógicas de comunicação binária, por meio de fiação rígida, por msg GOOSE. Outra utilização de comunicação com tempo crítico é a implantação de TCs e TPs óticos ou com digitalizadores de sinais para o envio do sinal do secundário não mais da forma tradicional, analógica, mas sim via rede ethernet (Sampled Measurement Values – SMV) e este trabalho trata desta segunda forma.

Há três grandes formas de troca de dados estabelecida pela IEC 61850: o cliente-servidor, GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) e SMV (Sampled Measured Values). A primeira forma não possui tempo crítico, não garantindo velocidade; já a segunda e a terceira, ao contrário, são baseadas na troca de informações com tempos críticos.

É um fato que a IEC 61850 veio para ficar, isso é inegável, e que o barramento da estação com suas mensagens GOOSE para troca de informações, com alta velocidade entre os IEDs, já é uma realidade concreta. O próximo grande passo será implementar o barramento de processo com suas mensagens SMV digitalizando os valores de tensão e de corrente.

Hoje no Brasil já existem várias subestações com o barramento de estação (IEC 61850-8-1/GOOSE) em plena operação, porém, não possuímos nenhuma subestação (SE) plenamente operacional com barramento de processos (IEC 61850-9-2/SMV).

O barramento de processos é um dos tópicos mais fascinantes da norma. Ele trata de como trabalhar com o sinal de tensão e corrente digitalizado, sendo abordado na parte 9-2. Este envio ocorre a partir das MUs (Merging Units) ou TCs/TPs Óticos para os IEDs (Inteligent Eletronic Device) por meio das mensagens SMV.

A implementação do barramento de processos é um tema novo e carente de informações técnicas por ser um assunto ainda pouco explorado em seus detalhes.

Desenvolvimento

A IEC 61850 é pautada na interoperabilidade entre os dispositivos e abrange os três níveis do SAS: da Estação, do Bay e do Processo, pelos dois barramentos: o barramento da estação e o barramento de processos; com requisitos diferentes para cada tipo de comunicação.

Um dos maiores benefícios é quanto ao cabeamento, em que as informações de status e valores de secundários dos transformadores de instrumentação passam a circular em cabos de rede (fibra ótica ou UTP), criando uma facilidade para aplicar redundância de caminho.

A norma aborda três formas diferentes de troca de informações:

A comunicação vertical com destino ao supervisório, que era feita por protocolos anteriores à norma IEC 61850, pode ser realizada com o serviço cliente-servidor.

As trocas de status entre relés em que se usava fiação de cobre para interligar as binárias (digital I/O) passaram a ter a opção da troca de MSG GOOSE. Muito utilizado para lógica e intertravamentos que exijam alta velocidade.

E o circuito dos secundários dos transformadores de instrumentação que chega aos medidores/relés (IEDs em geral) pode ser substituído pelas mensagens de Sampled Value, com o envio dos valores já digitalizados.

Há vários níveis de implementação da norma, desde a comunicação cliente-servidor, passando pela troca de mensagens GOOSE até a implementação do sinal analógico digitalizado (SV). Constata-se que, no atual estágio da tecnologia que está sendo ofertada pelos fabricantes de IEDs, a norma está sendo integrada apenas parcialmente aos produtos.

No Brasil, possuímos várias subestações que já utilizam o protocolo da IEC 61850 com implementação de mensagens GOOSE e cliente-servidor, mas até a data de hoje não existe nenhuma subestação totalmente operacional com a implementação do barramento de processos (IEC 61850-9-2) em nosso país.

A implantação do barramento de processos traz vários impactos positivos, como redução do custo de implantação e de manutenção (tanto em equipamentos quanto na mão de obra, totalizando de 25% a 50% a menos nos custos), possibilidade de comunicação redundante, simplicidade obtida para o cabeamento ethernet, entre outras.

Com o emprego do barramento de processos, já não se trabalha mais com potência/energia do secundário de TCs e TPs, mas somente com a sua informação na forma digital.

Acompanhando a nova tecnologia, surgem dúvidas quanto aos possíveis pontos fracos. Para garantir a disponibilidade do serviço, pode-se trabalhar com a redundância dos switches e do cabeamento ethernet elevando e muito o MTBF do sistema.

Na norma IEC 61850, o capítulo 9º trata sobre os valores analógicos digitalizados e é dividido em duas partes. Uma das principais diferenças de abordagem é que a parte 9-1 trabalha de acordo com o Dataset da IEC 60044-8, já a segunda parte (9-2) trabalha com a flexibilidade do Abstract Model. Além disso, a parte 9-1 não contempla os serviços de acesso ao Control Block MSVCB, já a 9-2 trabalha com estes serviços. É importante observar que a norma IEC 60044-8 trata dos Transformadores de Instrumentação Eletrônicos (ECT e EVT).

Há, na literatura, várias nomenclaturas para designar as mensagens dos valores de corrente e tensão do barramento de processos valendo destacar: Sampled Value (SV), Sampled Mensured Value (SMV) e Sampled Analog Value (SAV).

A IEC 61850 define as várias interfaces lógicas de comunicação, com requisitos diferentes para cada uma das mensagens que trafegam nessas interfaces. Nesse sentido, a IEC 61850-5 define tipos de mensagens e classes de performance, sendo as mensagens Sampled Values definidas como Type 4, típicas da interface lógica IF4.

São, portanto, “streams” contínuas de dados sincronizados, sendo tais dados oriundos da saída de transdutores digitalizados e transformadores de instrumento (ópticos ou magnéticos).

De acordo com a função (proteção e controle ou medição e qualidade) e da classe de performance (P1/P2/P3 ou M1/M2/M3), a norma define os requisitos de tempo de transmissão, a resolução do conversor A/D e a taxa de amostragem.

O Frame SV roda sobre a 2ª Camada OSI de Rede (Camada de Enlace/Ethernet) para conseguir os requisitos de tempo e possuir alta velocidade. A mensagem SV é multicast e trabalha com Priority Tag e V-LAN. Vale ressaltar que nos pacotes SMV não há repetições de envio, diferentemente do GOOSE.

Os quadros ethernet das mensagens de SV utilizam o código Ethertype 88BA e faixa de endereço de multicast de 01-0C-CD-04-00-00 até 01-0C-CD-04-01-FF.

A IEC 61850-7-2 define o modelo de transmissão do Sampled Value. O modelo definido possibilita a transmissão de Sampled Values de forma organizada e com tempo controlado, dessa forma, os atrasos de amostragem e transmissão são minimizados. É aplicado nas transmissões de valores contidos em um DataSet, cujos dados devem ser do tipo definido na classe de dados comum SAV (Sampled Analogue Value). Ainda é importante ressaltar que a informação deve ser transferida baseada no mecanismo publisher/subscriber, sendo necessária a utilização de um Controlador Sampled Value (SVC), no publisher, para controlar o procedimento de comunicação.

A classe SAV é definida na IEC 61850-7-3 [7.4.4] e traz como atributos de medição obrigatórios “mandatory” o “DataAttribute” instMag (representa a magnitude do valor instantâneo de uma medição) do tipo AnalogValue e o “DataAttribute” (fornece informações de qualidade do dado) do tipo Quality.

A implementação do barramento de processos pode ser realizada basicamente de duas formas: a primeira seria com a adoção de TCs e TPs ópticos que já possuem uma saída digitalizada, enviando “bits”, e a outra forma seria pela implantação de conversores A/D na saída de cada TC/TP convencionais, digitalizando e enviando o sinal (MUs). Sendo assim, com esta segunda maneira não seria necessária a troca dos TCs e TPs já instalados.

O cabeamento entre os equipamentos do nível de processo que estão no pátio e a casa de comando/controle pode ser feito via fibra óptica, criando, assim, uma grande facilidade e economia, visto que existem custos altos somando projeto, material e mão de obra.

Pelo fato de a norma ser escrita de forma muito aberta, sua implantação está sendo feita de acordo com interpretações, criando condições diferentes de acordo com cada fabricante que a implementa.

A IEC 61850 define os requisitos para a comunicação na subestação, bem como os modelos de interface (ACSI), de classe de dados e classe de nós lógicos, além de definir o mapeamento (MMI ou SCSM) da comunicação. No entanto, essas definições não ficam claras em alguns pontos, como quanto à taxa de amostragem, não há informação se os valores definidos são mínimos ou absolutos, além de não fazer relação com a frequência (50 Hz ou 60 Hz) do sinal amostrado.

Outro ponto que não está totalmente especificado na norma é o sincronismo. Existe a definição de requisitos para precisão da fonte de tempo para o sincronismo, mas não há definição do mecanismo que deve ser adotado.

A norma permite a concatenação de ASDUs em um APDU, contudo, não define claramente o número de ASDUs que deve ser utilizado, ou seja, não existe a definição, por exemplo, de que em uma mensagem sampled value para proteção o Data Set deva conter 1 ASDU ou 8 ASDUs.

Quanto à camada física, existe apenas a recomendação do uso da 100 Base-FX com conector ST, mas deixa livre a utilização de tecnologias futuras. Este fato poderá causar a necessidade de utilização de conversores de mídia no SAS para interconexões.

Sendo assim, foram criadas, basicamente, duas vertentes diferentes de implementação. Uma vertente é chamada 9-2 LE (Light Edition), tratada pelo documento da UCA International Users Group: “Implementation guideline for digital interface to intrument transformers using IEC 61850-9-2” escrito no ano de 2004. E outra vertente é a metodologia do Process Bus HardFiber, que foi lançada em 2009 e já se encontra em produção.

Quanto aos fabricantes de IEDs, de um lado estão Siemens, Areva e ABB com o 9-2 LE e, de outro, a GE com o HardFiber Process Bus. A GE é a única (do circuito ocidental) que já possui produto com o 9-2 disponível para a comercialização. Existe uma empresa chinesa chamada Nari que possui uma Merging Unit, modelo PCS-221, porém, não há disponíveis informações técnicas suficientes a seu respeito.

O modelo HardFiber da GE é usado nos Estados Unidos, Nova Zelândia, Canadá, México e na Espanha (Iberdrola 132 KV); subestações em testes com o barramento de processos.

As duas formas de implementação do Sampled Value possuem várias diferenças, tais como dataset, sincronismo, taxas de amostragem, quality bits, entre outros. O quadro a seguir contém o resumo das diferenças.

Tabela 1 – Comparativo entre as metodologias e a norma

	Norma IEC 61850	Guia de implementação UCA	Hard Fiber Brick
Taxa de amostragem (60 Hz)	P3: 1920 samples/s 32ppc M3: 12000 samples/s 200ppc	Prot.: 4800 samples/s 80ppc Med.: 15360 samples/s 256ppc	Sem distinção de Qualid e Prot 7680 samples/s 128ppc
	Não define a quantidade de frames por segundo	Prot 1ASDU -> 4800 frames/s Med 8ASDU ->1920 frames/s	8ASDU -> 960 frames/s
Sample count (SmpCnt)	Incrementar a cada amostra; zerar a cada pulso de sincronismo	Incrementar a cada amostra; zerar a cada pulso de sincronismo	Não usa sempre zero. Utiliza em seu lugar o smpNum
Mecanismo de sincronismo	Não define	1PPS transmitido por fibra óptica	Msg GOOSE enviadas pelo IED
Precisão da fonte do sinal de sincronismo	P3/M2/M3: ±1us	±1us	IRIG-B ou outra
Serviço	Cliente/servidor (MMS) SV service (SCSM)	SV service (SCSM)	Próprio Brick
Multicast SV Service	SendMSVMessage	SendMSVMessage	Próprio Brick
Capacidade de concatenar ASDUs em um APDU	Sim	Sim	Sim
Número de ASDUs por APDU	Depende do sample rate, porém não especifica	smpRate = 80 à1 ASDU smpRate = 256 à 8 ASDU’s	8 ASDUs “F” + 1 ASDU “S”
Quality	Quality Bits	Quality Bits + Derived	Diagnosticts (ASDU “S”)
Codificação do APDU (tags)	ASN.1	ASN.1	ASN.1
Priority tagging/VLAN	SIM	SIM	SIM
APPID	De 0x4000 até 0x7FFF	0x4000	0x0000
Camada física	Recomenda 100 Base-FX com conector ST. Permite o uso de novas tecnologias	Recomenda 100 Base-FX com conector ST. Alternativa 100 Base-FX (MT-RJ) ou 100 Base-TX (RJ-45)	100 Base-BX Com conector LC
Rede	Com chaveamento, atraso não determinístico	Com chaveamento, atraso não determinístico	Direta, sem chaveamento, atraso determinístico

Nota: PPC = Pontos Por Ciclo = Amostras Por Ciclo

Para obter as informações foi analisado um tráfego de valores de tensão e corrente digitalizados (SV), capturados por um software analisador de protocolo (WireShark). Foi estudada a composição do SMV detalhadamente e como a metodologia é empregada no barramento de processo, entendendo como são estruturados os pacotes.

Foram analisados tanto pacotes do 9-2 Light Edition quanto do HardFiber, verificando suas semelhanças e diferenças. Uma das diferenças é que o 9-2LE trabalha com o DataSet com 8 sinais analógicos, 6 de fases e mais 2 de neutros, já o HardFiber trabalha com estes 8 sinais e mais 3 DCs além de enviar 8 ASDUs de amostras mais 1 adicional de controle, totalizando 9 ASDUs, enquanto o 9-2LE para proteção envia 1 ASDU em cada frame.

O guia 9-2 LE define como mecanismo de sincronismo o uso de um pulso de sincronismo 1PPS transmitido para a “Merging Unit” por fibra ótica. A fonte do sinal de sincronismo deve ter precisão de ±1us.

O Brick, Merging Unit produzida pela GE, tem como mecanismo de sincronismo o uso de mensagens GOOSE enviadas pelo IED que comanda a amostragem do Brick. As mensagens GOOSE são enviadas pela mesma fibra ótica por onde trafegam as mensagens Sampled Value, porém com outro comprimento de onda.

A fonte de sinal de sincronismo, é, portanto, o IED, este por sua vez deve estar sincronizado com uma fonte de tempo externa que envie um sinal de sincronismo como IRIG-B.

Quanto ao Quality, o 9-2LE apresenta informações de qualidade do valor amostrado por meio do DataAttributre “q” do tipo Quality da mesma forma que define a norma. Contudo, além destes dados foi adicionado um novo atributo chamado, pelo guia de implementação, de “Derived”; utilizado para definir se a amostra é medida ou calculada.

O Brick apresenta as informações de qualidade no “Diagnostic Common Data Attribute Type”. Este “Composite Component” criado pela GE é enviado no frame Sampled Value no DataSet “S” com informações que possibilitam confirmar o correto funcionamento do Brick.

O HardFiber trabalha com 128 PPC e não distingue taxas diferentes para proteção e medição, ao contrário, o 9-2 LE que trabalha com duas taxas diferentes, uma para Medição (256PPC) e outra para a Proteção (80PPC).

Limites quanto à largura de banda

A norma, em sua parte 9-1, aborda os limites da largura de banda, de acordo com a taxa de envio das amostras e pela quantidade de Merging Units na mesma rede.

Tabela 2 – Relação taxa, quantidade de merging units e largura de banda

Análogo a estes cálculos foi feita toda a verificação quanto à quantidade de merging units, a taxa de amostragem e a largura de banda. Observa-se que em nenhum momento a norma trata especificamente de 1Gbps.

Testes

Na data de elaboração deste artigo, até onde se tem conhecimento, não havia disponível comercialmente nenhuma Merging Unit que utilize a metodologia 9-2LE, por isso apenas o sistema HardFiber Brick da GE foi testado.

Este item resume as experiências de resultados práticos, alcançados em testes reais realizados em laboratório utilizando simuladores de faltas e IEDs comerciais, avaliando a performance do sistema com o barramento de processos e com o sinal “tradicional” analógico.

As provas foram realizadas utilizando-se dos seguintes equipamentos: uma mala de testes modelo CE6006 Conprove (para injetar as correntes e simular as faltas), um HardFiber Brick, um Cross Connect Panel e um IED GE D60. Cabe ressaltar que os equipamentos de testes, tanto o software quanto o hardware, são de origem nacional.

O sistema HardFiber funciona da seguinte maneira: no pátio se instala o Brick onde se encontra os conversores A/Ds que possuem em sua saída quatro fibras óticas, cada uma controlada por um núcleo diferente para garantir redundância. Este cabo ótico chega ao Cross Conect Panel que distribui o sinal para cada um dos IEDs que devem receber o sinal. Esta interligação é feita manualmente de modo a conectar os dois pontos. Uma vez conectado o sinal chega na entrada do IED chamada de módulo Process Card, que possui possibilidade de até 8 entradas de fibra ótica com conector LC, podendo ser de até 8 Bricks diferentes ou 2 Bricks com 4 redundâncias cada.

Para r

ealizar esta avaliação, os testes foram feitos da seguinte forma: um IED foi submetido a testes, medindo o sinal de I e V pelo método tradicional (por sinal analógico das entradas de tensão e corrente) e, posteriormente, foi testado com sinal digitalizado por meio de mensagens SMV (entrada de fibra óptica). Os resultados foram comparados visando verificar se existem diferenças e quantificá-las. Uma função de proteção de sobrecorrente com os mesmos ajustes foi testada das duas formas (medindo o sinal de duas maneiras) e os resultados serão apresentados neste tópico.

Para avaliar o sistema, foram feitos dois testes diferentes e os seus resultados comparados. Em um mesmo IED selecionado (modelo GE D60), foi realizado um teste injetando valores analógicos tradicionais de corrente/tensão, posteriormente foi injetado os mesmos valores de tensão e corrente na MU que enviou o sinal digitalizado (via F.O.) para o relé sob mesmo ajuste. Enfatizando que foi utilizado o mesmo IED alterando-se apenas o módulo de entrada dos sinais para uma análise mais precisa das diferenças de concepção.

Foi utilizada a função de sobrecorrente para a análise, outras funções de proteção poderiam ser testadas da mesma forma. Cada amplitude de injeção de falta foi repetida dez vezes e trabalhou-se com a média dessas dez medidas.

Essas duas metodologias de testes foram conseguidas por meio da modularidade do IED, que possui um módulo de entrada de dados que pode ser trocado. No 1º Teste foi realizado com o módulo CT/VT (8L), que lê sinais analógicos, já o 2º Teste foi realizado com o módulo 61850 Process Card (81), que permite ler os valores já digitalizados.

O IED se encontrava parametrizado com o seguinte ajuste:

 

• Unidade temporizada (51/PTOC): Dial de tempo = 0,5; Pick up = 5A; Curva: IEC Normal Inversa (IEC curva A)
• Unidade Instantânea 1 (50-1/PIOC): 30 A; 500 ms
• Unidade Instantânea 2 (50-2/PIOC): 35 A; 50 ms

O IED se encontrava parametrizado com o seguinte ajuste:

 

• Unidade temporizada (51/PTOC): Dial de tempo = 0,5; Pick up = 5A; Curva: IEC Normal Inversa (IEC curva A)
• Unidade Instantânea 1 (50-1/PIOC): 30 A; 500 ms
• Unidade Instantânea 2 (50-2/PIOC): 35 A; 50 ms

Conclusão

Com os testes realizados, o sistema de envio digital dos valores de tensão e corrente mostrou-se eficaz, proporcionando simplicidade à estrutura física do cabeamento do sistema de proteção, fácil expansão e economia.

Em relação ao desempenho, a unidade temporizada apresentou atraso médio de cerca de 10 ms, já na unidade instantânea o atraso médio foi de aproximadamente 1 ms. Observa-se que a diferença do primeiro ponto testado, 10 A (adiantado) em relação aos demais (atrasado) possivelmente ocorre devido à arquitetura do Brick que possui dois ranges para o conversor A/D, enquanto o módulo tradicional possui apenas um range para o A/D.

Conclui-se que estas diferenças são pouco significativas, menores que um ciclo, visto que o sistema se comportou muito bem durante os testes e simulações de faltas. Portanto, a metodologia se encontra satisfatória, ficando em aberto a questão da interoperabilidade entre diferentes fabricantes de IEDs e Merging Units.

A ideia deste artigo era ser uma fonte de informações definitiva em relação ao barramento de processo, porém, como foi visto muitos aspectos ainda estão por ser definidos e padronizados, criando margens para outros trabalhos que explorem o tema.

A falta de padronização é maléfica e vai totalmente contra a intenção da norma IEC 61850. Por exemplo, uma Merging Unit do fabricante X não é compatível com o IED do fabricante Y e a Merging Unit do fabricante Y também não é compatível com o IED do X, criando, assim, uma condição prejudicial para o usuário.

Neste caso, se o consumidor fizer uma análise, certamente adiará seus investimentos, visto que não há um consenso quanto ao formato e metodologia de implementação.

Há pouco tempo houve um caso análogo: instalou-se uma guerra entre duas tecnologias de armazenamento ótico que disputavam a sucessão do DVD, o HD-DVD contra o Blu-Ray. Apenas quando os fabricantes começaram a trabalhar em conjunto por um único padrão foi que o mercado passou a confiar e a investir na nova tecnologia. Isso poderá se repetir no barramento de processos se não houver consenso.

Referências

• Norma IEC 61850 – Communication networks and systems in substation – Todas as Partes – Primeira Edição.

• Pereira Junior, P. S.; Martins, C. M.; Pereira, P. S.; Lourenço, G. E. Experimento de sobrecarga com 15.000 mensagens GOOSE por segundo em uma rede IEC 61850 e a investigação de suas consequências. Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica, XX SNPTEE, 2009.

• Pereira Junior, P. S.; Martins, C. M.; Pereira, P. S.; Lourenço, G. E. Testes de performance em IED’s através de ensaios utilizando mensagens GOOSE (IEC 61850). Seminário Técnico de Proteção e Controle, IX SPTC, 2008.

• HardFiber: Process Bus System Reference Manual – GE Publication Code: GEK-113500B, 2009.

• Implementation Guideline for Digital Interface to Instrument Transformers Using IEC 61850-9-2 – UCA International Users Group, 01 Mar. 2004.

• Castellanos, J.; Ojanguren, I.; Garces, I.; Hunt, R.; Cardenas, J.; Zamalloa, M.; Garcia, J.; GALLASTEGUI, A.; Yubero, M.; Otaola, E. IEC61850 9-2 Process Bus: application in a real multivendor substation. Bienal Cigre, 2010.

* PAULO SERGIO PEREIRA JUNIOR é engenheiro eletricista, administrador de empresa, especialista em gerenciamento de projetos e, atualmente, é diretor técnico da Conprove Indústria e Comércio Ltda. É consultor, pesquisador e instrutor na área de proteção de sistema elétrico de potência e automação de subestações.

RODRIGO RAMOS ROSA é engenheiro eletricista da área de proteção de sistemas elétricos e compõe o grupo técnico da Conprove Engenharia Ltda.

CRISTIANO MOREIRA MARTINS é engenheiro eletricista da área de proteção de sistemas elétricos e compõe o grupo técnico da Conprove Engenharia Ltda.

PAULO SERGIO PEREIRA é engenheiro eletricista, mestre e doutor. Foi professor titular dos cursos de graduação e pós

-graduação da UNIFEI e da UFU. Atualmente, é diretor técnico da Conprove Engenharia Ltda.

GUSTAVO ESPINHA LOURENÇO é engenheiro eletricista da área de proteção de sistemas elétricos e compõe o grupo técnico da Conprove Engenharia Ltda.

GUSTAVO SILVA SALGE é engenheiro eletricista da área de proteção de sistemas elétricos e compõe o corpo técnico da Conprove Engenharia Ltda.