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TCC SE Digital Joao Gabriel Vieira
TCC SE Digital Joao Gabriel Vieira
TCC SE Digital Joao Gabriel Vieira
SUBESTAÇÕES DIGITAIS:
TECNOLOGIAS PARA IMPLEMENTAÇÃO DE UMA SUBESTAÇÃO DIGITAL
Palhoça
2017
JOÃO GABRIEL VIEIRA
SUBESTAÇÕES DIGITAIS:
TECNOLOGIAS PARA IMPLEMENTAÇÃO DE UMA SUBESTAÇÃO DIGITAL
Palhoça
2017
Dedico este trabalho a toda a minha família que
sempre me apoio nos momentos necessários e
em especial ao meu pai e minha mãe que me
proporcionaram a oportunidade de estudar
neste curso.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, no qual sempre me apoiei nos momentos que tive
dificuldade e nos momentos que tive vitória.
À minha família, que sempre me apoiou nas decisões que tomei com relação ao
meu curso e minha vida.
Aos meus pais que proporcionaram o estudo e me apoiaram sempre quando
precisei.
“A única história que vale alguma coisa é a história que fazemos hoje” (Henry Ford,
1940).
RESUMO
Com a vinda de novas tecnologias o setor elétrico assim como outros setores que receberam
muitas novidades ficaram sem orientações com relação as normas de comunicação entre
equipamentos. Com isso a norma IEC 61580 veio para facilitar e resolver alguns problemas que
por diversos anos foi muito debatido em grandes obras como, sistema de comunicações
(protocolos) e meios físicos de comunicações (cabos). Com a aplicação da norma em
subestações, houve-se a necessidade dos fabricantes de aperfeiçoarem os equipamentos já
existentes em mercado para atendimento a norma, não somente a aplicação de comunicação,
mas também no que se diz a aquisição de dados advindos do pátio. Tendo uma norma tão nova
e revolucionaria, grandes concessionárias de energia não acreditam que a mesma possa resolver
grandes problemas como o custo de instalação de uma subestação. Com isso projetos pilotos
como os que serão apresentados neste trabalho são necessários para a verificação da
confiabilidade e robustez do sistema que utiliza a norma IEC 61850. Com esses projetos em
andamento, pode-se verificar a confiabilidade da norma e a robustez dos equipamentos já
desenvolvidos pelos fabricantes, atestando o crescimento do uso do protocolo em uma
subestação.
With the coming of new technologies, the electric sector as well as other sectors that received
many innovations were left without guidelines regarding the standards communication between
equipment. With this, the IEC 61580 standard came to facilitate and solve some problems that
for many years was much debated in major works such as communications system (protocols)
and physical communications (cables). With the application of the standard in substations, it
was necessary the manufacturers to improve the equipments that already exist in the market to
meet the norm, not only the application of communication but also in the acquisition of data
coming from the field. With such a new and revolutionary standard, large energy utilities do
not believe that it can solve major problems such as the cost of installing a substation. So, pilot
projects such as those presented in this paper are necessary to verify the reliability and
robustness of the system using the IEC 61850 standard. With these projects in progress, it is
possible to verify the reliability of the standard and the robustness of the equipment already
developed by the manufacturers attesting the growth of the use of the protocol in a substation.
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 12
1.1 JUSTIFICATIVA ...................................................................................................... 12
1.2 OBJETIVO ................................................................................................................ 12
1.2.1 Objetivo geral .......................................................................................................... 12
1.2.2 Objetivo especifico .................................................................................................. 13
1.3 METODOLOGIA DO TRABALHO ........................................................................ 13
1.4 DELIMITAÇÃO DO TRABALHO .......................................................................... 13
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO............................................................................... 14
2 FUNDAMENTAÇÃO TEORICA ............................................................................... 15
2.1 SUBESTAÇÃO ........................................................................................................... 15
2.1.1 Níveis de Comunicação entre equipamentos dentro de subestações ..................... 16
2.2 IEC 61850 ................................................................................................................... 20
2.2.1 IEC 61850 -Histórico............................................................................................... 20
2.2.2 IEC 61850 - Funcionalidade ................................................................................... 20
2.2.3 IEC 61850 – Vantagens ao utilizar a norma .......................................................... 24
2.2.3.1 IEC 61850 – Vantagens ao utilizar a norma - Interoperabilidade............................. 24
2.2.3.2 IEC 61850 – Papel da norma junto aos fabricantes de equipamentos ...................... 24
2.2.3.3 Guia para engenheiros norma IEC 61850................................................................ 25
2.3 EQUIPAMENTOS QUE UTILIZAM A NORMA 61850 ............................................ 25
2.3.1 Equipamentos de proteção...................................................................................... 25
2.3.2 Equipamentos de sincronismo ................................................................................ 27
2.3.3 Registrador Digital de perturbações ...................................................................... 28
2.3.4 Merging Unit ........................................................................................................... 29
2.3.5 TC – Transformador de corrente óptico ................................................................ 30
2.4 MIGRAR UMA SUBESTAÇÃO PARA IEC 61850.................................................... 31
2.5 IMPLEMENTAÇÃO DE UMA NOVA SUBESTAÇÃO DIGITAL ............................ 32
3 ESTUDO DE CASO ..................................................................................................... 34
3.1 SUBESTAÇÃO DE GAUVILLE ................................................................................ 34
3.2 SUBESTAÇÃO DE UBERABA ................................................................................. 40
3.3 SUBESTAÇÃO DE EMBU-GUAÇU .......................................................................... 43
4 RESULTADOS OBTIDOS .......................................................................................... 45
5 DISCUSSÕES E CONCLUSÕES ................................................................................ 47
6 CONCLUSÃO .............................................................................................................. 48
REFERÊNCIAS ................................................................................................................. 49
ANEXOS ............................................................................................................................ 50
ANEXO A – TÍTULO ........................................................................................................ 51
ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
12
1 INTRODUÇÃO
Nos dias de hoje somos cada vez mais afetados por tecnologias, muitas que
beneficiam a vida das pessoas e outras nem tanto. Na área de transmissão e distribuição de
energia elétrica não é diferente, principalmente nas subestações, locais onde o quantitativo de
tecnologia é grande.
Com isso tem-se a iniciação da subestação digital, subestação que possui o mesmo
funcionamento de uma subestação tradicional porem utiliza-se de alta tecnologia para o seu
funcionamento.
A subestação digital tem como principal norma a IEC 61850, norma que foi criada
para resolver o conglomerado de normas que existiam e ainda existem e são utilizados em uma
subestação de energia e usinas. De acordo com (Vasquez, Bruno. 2007), em 1995 a IEC
verificou que era necessário normatizar as interfaces e dispositivos eletrônicos inteligentes e
seus protocolos de comunicação. Com isso um comitê técnico foi criado para elaboração desta
norma que será apresentada.
Esse trabalho apresentará não somente as normas que regem a utilização e a
construção de subestações digitais, mas também apontará equipamentos e tecnologias
desenvolvidas a partir destas normas para aplicações nesse tipo de subestação.
1.1 JUSTIFICATIVA
Este trabalho foi elaborado para verificação da norma IEC 61850 no que diz
respeito aos equipamentos instalados em subestações digital, preparação dos equipamentos para
receber esta norma e interoperabilidade entre eles.
1.2 OBJETIVO
2 FUNDAMENTAÇÃO TEORICA
2.1 SUBESTAÇÃO
Figura 1 – Subestação
Conforme Nogueira, Bruno Vasquez (2007), uma subestação possui diversos níveis
de comunicação conforme conseguimos verificar na figura 2.
Conforme Almeida, Ezequiel (2011), não podemos dizer que a norma IEC 61850
veio para resolver todos os problemas de confiabilidade e disponibilidade do sistema de
proteção e controle. Porem em uma subestação comum sem a utilização desta norma em 100%
de sua infraestrutura, temos uma dificuldade de configuração dos sistemas de comunicação
como o sistema SCADA, programa base para um sistema supervisório de uma subestação, com
demais equipamentos de diversos fabricantes.
Desta forma como a norma IEC 61850 utiliza das redes Ethernet para sua
comunicação de dados, temos uma comunicação muito mais fácil de ser implantada e também
muito mais confiável, pois utiliza um número reduzido de cabos e conversores.
21
O sistema de automação pode ser configurado e projetado muito mais rápido pois
todas as informações de campo são enviadas normatizadas, figura 7.
Conforme Vicente, Décio (2011), a norma IEC61850 é uma norma recente, que
ainda está em grande evolução. Para que essa evolução ocorra de forma correta e de acordo
com as necessidades do mercado, os fabricantes devem estar sempre em contato com os órgãos
normativos para que essa norma seja sempre atualizada.
25
Conforme GE grid solutions (2017), a norma IEC 61850 possui guia para ajudar na
aplicação da norma em uma subestação digital.
Neste guia pode-se verificar os seguintes tópicos:
- Meios físicos para serem utilizados;
- Segregação de mensagens por aplicação;
- Prioridade de mensagens;
- Redundância de redes;
- Sincronismo temporal;
Temos hoje diversos fabricantes de relés de proteção normatizados pela IEC 61850,
fabricantes como GE, Alstom, Siemens, Schneider e SEL já possuem e comercializam esses
equipamentos.
Figura 8 – Relé de proteção de motor SEL710
Conforme exemplo da figura 8, pode-se citar um relé de proteção de motor que tem
a possibilidade de operar com o protocolo IEC 61850, porem como ainda não temos 100% das
subestações digitalizadas e este é um projeto futuro, esta funcionalidade neste equipamento é
opcional, podendo ser adquirida ou não. Nessa aquisição devem ser levado em conta todos os
custos de implantação da norma por completa ou somente uma parte como é geralmente visto.
Basicamente este relé utiliza da norma para receber e enviar mensagens GOOSE indicando
status de disjuntores e demais equipamentos via sinais digitais.
27
Fonte:Poweropticks (2017)
Este mesmo caso ocorre com todos os equipamentos dentro de uma subestação
exceto equipamentos exclusivos para atendimento a norma IEC 61850, como a merging unit.
Conforme Nogueira, Bruno Vasquez (2007), uma subestação convencional pode
ser alterada para digital de gradativamente, através dessas trocas de equipamentos decorrentes
de manutenções necessárias. Isso só será possível se os equipamentos adquiridos já possuam o
atendimento da norma.
A norma IEC 61850 foi elaborada para que a haja uma maior integridade nos dados
de uma subestação. A utilização de conversores de protocolo faz que essa integridade de dados
seja menor do que a prevista em norma, porem isso é um dos pontos que deve ser levado em
consideração na hora da conversão para subestação digital.
Outro ponto importante é o investimento na reconfiguração e parametrização dos
equipamentos desta subestação, levando-se em consideração que os mesmos já estão
configurados e operantes.
Deve ser levado em consideração também o atraso implementado por estes
conversores, sendo que alguns pontos da norma não poderão ser 100% utilizados, como por
exemplo sincronismo via PTP, a não ser que toda a estrutura seja trocada.
Todos esses pontos acima informados devem ser levados em consideração antes da
implementação da norma, na subestação.
A implementação de uma subestação nova 100% digital é muito mais fácil do que
o remanejamento de uma existente.
Os equipamentos mostrados nos capítulos anteriores mostram que tem-se 100% dos
equipamentos necessários para implementação desta subestação.
De acordo com Almeida, Ezequiel Mendes (2011), a implementação de uma
subestação que atendente a norma IEC 61850 tem um custo menor do que a convencional, pois
utilizada um número menor de cabos e equipamentos como conversores de média e protocolo.
Todos estes custos reduzidos tem um grande impacto no número de subestações em
construção, pois tendo um custo menor pode-se ter um número maior de subestações.
Um ponto bem importante e deve ser levado em consideração é a manutenção
dessas subestações digitais, como é utilizado um único protocolo principal e todos os
33
equipamentos são capazes de se comunicar, a manutenção dos mesmos torna-se mais fácil e
rápida.
Porém se para uma subestação mista, que utiliza o protocolo em partes, a
manutenção torna-se muito mais elevada, pois tem-se diversos fatores que podem ocasionar
problemas. Sendo assim essa implantação deve ser muito bem pensada e estudada.
De acordo com Alstom (2015), pode-se verificar no mercado, um grande numero
de empresas que possuem experiência na elaboração do projeto e execução, de acordo com a
norma IEC61850.
Grande parte dessas empresas, fabricantes de equipamentos, já possuem em seu
portfólio todos os equipamentos necessários para aplicação da norma em 100% da subestação.
Tem-se hoje como referencias de mercado as empresas: GE, Alstom, ABB, Siemens entre
outras do ramo.
34
3 ESTUDO DE CASO
Como parte integrante desse trabalho será apresentado um estudo de caso sobre
subestações digitais, onde será apresentado um caso onde tem-se uma aplicação de uma
subestação 100% digital, onde todos os equipamentos trabalham com o protocolo IEC61850, e
também casos aonde apenas um bay da subestação está com essa tecnologia aplicada.
recebidos podendo realizar a comparação com os equipamentos que são utilizados hoje,
menores e com a necessidade reduzida de cabos.
61850 encarrega-se de requisitar dados e demonstrar que também pode ser confiavel. Conforme
diagrama unifilar, figura 20,
Figura 20 – Unifilar o bay IEC 61850
Como podemos verificar na figura 21, neste bay IEC 61850 foi utilizado uma
Merging Unit para aquisição de dados de corrente e tensão pois esta subestação não possui TCs
ópticos.
Com esses dados de corrente e tensão já disponíveis na rede Sampled Values, foi
possível implementar os equipamentos de medição e de proteção sem entradas analógicas
físicas, pois os dados necessários para cálculos já estão disponíveis via rede ethernet.
Para redução dos cabos advindos do pátio da subestação, a merging unit foi
instalada ao lado dos TCs e TPs necessários para medição deste bay. Sendo assim somente uma
fibra óptica ethernet foi necessária para levar os dados de pátio até a sala de controle, conforme
figura 22.
42
Pode-se ver através da figura 24, que mostra a arquitetura, e da figura 25 que traz o
painel de instalação em sua visão real, que os sinais são colhidos em campo e levados até a sala
de controle através de um cabo óptico, não havendo a necessidade de passagem de diversos
cabos até a sala de controle.
Como resultados deste trabalho, pode-se observar que a tecnologia IEC 61850 está
em crescimento todos os dias, tanto em tecnologias necessárias para sua implementação quanto
ao número de pessoas aptas ao uso desta nova tecnologia.
Pode-se verificar que um sistema IEC 61850 possui a mesma confiabilidade que
um sistema convencional, porem como toda tecnologia possui alguns pontos que ainda
precisam ser melhorados, como a fragilidade dos equipamentos.
Um ponto bem importante e muito mencionado em trabalhos acadêmicos e artigos
de grandes empresas, e a falta de pessoas adequadas para o trabalho junto a norma.
Como tem-se uma norma que abrange um grande número de protocolos, sistemas
de comunicações ethernet, VLANS e demais assuntos antes relacionados somente a sistemas
de computadores, existe a necessidade de pessoas mais qualificadas para a elaboração dos
projetos e também a execução dos projetos, esta última parte é quase mais importante do que a
parte de projeto, pois é aonde verifica-se os problemas e informa-se soluções.
Temos também como resultado obtido neste estudo o custo de instalação e de
manutenção de uma subestação IEC 61850.
46
Pode-se verificar que o custo de uma instalação IEC 61850 é menor que de uma
subestação convencional, com o numero de cabos metálicos reduzidos tem-se uma redução no
custo de material e também infraestrutura necessária para passagem de todos esses cabos.
Como esta tecnologia está tornando-se cada dia mais comum em grandes projetos
o valor dos equipamentos necessários para instalação também reduziu, pois como já abordado
grandes empresas já possuem toda a gama de produtos necessários para uma subestação digital,
com isso temos uma concorrência que favorece ao consumidor final, no caso as concessionárias
que pagam um valor menor nos equipamentos.
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4 DISCUSSÕES E CONCLUSÕES
O mundo está cada vez mais tecnológico, logo a inclusão de sistemas de geração,
transmissão e distribuição de energia neste meio é mais do que necessária.
A elaboração da norma IEC 61850 veio para facilitar essa transição do antigo para
com o novo, não alterando alguns sistemas já existentes e confiáveis aos olhos de
concessionarias e usuários, mas atualizando o sistema para um futuro próximo.
Pode-se verificar em trabalhos acadêmicos, site de empresas e artigos do ramo, que
estamos convergindo para um sistema computacional, onde um único computador receberá
informações advindas do pátio e neste mesmo computador podemos ter todo o sistema de
proteção, medição e controle de uma subestação.
A norma IEC 61850 já aplica em grande parte dela o mesmo padrão utilizado em
sistemas computacionais, onde temos uma rede ethernet aonde se trafega diversas informações
e o equipamento que a necessita vai adquiri-la.
Com os estudos de casos demonstrados neste trabalho pode-se verificar que o
assunto IEC 61850 vem sido testado e aprovado em grande parte de seus experimentos.
Conseguiu-se verificar como na subestação da França, onde foi trocado todo o
sistema convencional para um sistema digital que é possível e confiável o uso da norma para
aplicação real.
Um grande ponto e principal motivo deste trabalho, são os equipamentos hoje
existentes para aplicação da norma, como conseguimos verificar os grandes fabricantes de
equipamentos para o setor tem cada dia mais se especializado nesta norma para que seus
equipamentos sejam utilizados em grandes projetos.
Conseguiu-se verificar que também projetos pilotos, como os apresentados nas
subestações de Uberaba e Embu-Guaçu são necessários para que o setor veja que os
equipamentos realizam o mesmo trabalho do que equipamentos convencionais.
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Conclui-se que temos uma gama de fabricantes muito grande e bem especializada
na norma IEC 61850, os equipamentos estão mais robustos e confiáveis, as pessoas que estão
trabalhando com a norma estão mais bem preparadas em sistemas de comunicações, fator
importante nesta norma.
Conclui-se também que a norma, assim como as empresas do setor estão a cada dia
buscando novas tecnologias e tecnologias mais confiáveis para o setor elétrico.
A norma está a cada dia se renovando, verificando problemas hoje existentes em
subestações convencionais e descobrindo soluções para este novo mundo digital.
REFERÊNCIAS
Siemens. IEC 61850 communication solutions for SIMATIC. Disponível em: <
https://www.industry.siemens.com/.../IEC_61850_for_SIMATIC>. Acesso em: 03 set. 2017.
GE Grid Solutions. IEC 61850. Florianópolis, 2016. Apresentação interna GE Grid Solutions
sobre IEC 61850
ANEXOS
51