Aula 01 - Visão Geral IEC 61850 (3)

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Proteção de Sistemas 
Elétricos de Potência
Disciplina: Tópicos Especiais I – Norma IEC 
61850
Prof. Vinícius G. R. Gomes
• Formação Acadêmica:
– Mestre em Engenharia de Controle e Automação pela UFOP;
– Graduado em Engenharia de Controle e Automação pela UFMG;
– Técnico em Eletrônica pelo SENAI;
• Perfil Profissional
– Atua há mais de 16 anos na concepção, desenvolvimento e implantação de
projetos de automação para as indústrias de mineração, siderúrgica
biocombustíveis;
– Atua desde 2010 com projetos envolvendo automação de subestações com a
norma IEC 61850;
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Agenda
• Visão geral sobre a norma IEC 61850;
• Redes de computadores;
• Arquitetura de rede segundo a IEC 61850;
• Modelagem de dados: organização dos dados nos IEDs;
• Protocolos de Comunicação: GOOSE, MMS e SV;
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Agenda
• Linguagem de programação: XML e os arquivos ICD, CID e SCD;
• Protocolo de sincronismo de tempo: SNTP;
• Projetos de automação para subestações;
• Segurança de rede nas subestações;
• Prova
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Avaliação
• Trabalho prático: 60 (sessenta) pontos;
– Implementação prática dos principais fundamentos aprendidos na disciplina;
• Prova final: 40 (quarenta) pontos;
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Softwares
• Neste curso faremos uso
de 02 softwares:
– SEL AcSELerator Architect
• Download:
https://selinc.com/products/5032/
– SEL AcSELerator Quickset
• Download:
https://selinc.com/products/5030/
• Downloads são gratuitos,
mas precisa fazer conta;
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https://selinc.com/products/5032/
https://selinc.com/products/5030/
Norma IEC 61850
Visão Geral
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Norma IEC 61850
• IEC 61850: Redes de
comunicação e sistemas em
subestações de energia
elétrica;
• International Electrotechnical
Comission;
• Versão 1 – 2003;
• Versão 2 – 2011;
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Norma IEC 61850
• Aplicável aos sistemas de
automação das subestações (SAS);
– SAS pode ser definido com um
conjunto de dispositivos interligados
que monitoram, protegem e operam
as subestações e a rede elétrica;
– SAS fornece automação dentro de
uma subestação e inclui os IEDs e a
infraestrutura de rede de
comunicação;
• Define a comunicação entre os IEDs
(Intelligent Electronic Devices) na
subestação e os requisitos de
sistema relacionados;
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Norma IEC 61850
• Organização da norma:
– Parte 01: Princípios básicos,
organização da norma, histórico,
etc.;
– Descreve a premissa de
interoperabilidade na troca de
informações entre IEDs de
fabricantes distintos e o suporte
às funções de operação.
– Suporte a futuros
desenvolvimentos tecnológicos;
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Norma IEC 61850
• Organização da norma:
– Parte 02: Glossário;
– Terminologias e definições
utilizadas em várias partes da
norma;
– Ótimo ponto de consulta a
siglas e nomes específicos da
área;
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Norma IEC 61850
• Organização da norma:
– Parte 03: Requisitos: gerais,
confiabilidade, disponibilidade,
manutenibilidade, segurança,
integridade de dados, rede;
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Norma IEC 61850
• Organização da norma:
– Parte 04: Gerenciamento do
sistema e do projeto; requisitos
de engenharia (hardware,
parametrização, flexibilidade,
escalabilidade); ciclo de vida do
sistema e seus IEDs; garantia
de qualidade do projeto até o
descomissionamento;
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Norma IEC 61850
• Organização da norma:
– Parte 05: Definição das
funções e modelagem em nós
lógicos. Requisitos de
comunicação para funções e
modelos de dispositivos;;
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Norma IEC 61850
• Organização da norma:
– Parte 06: Linguagem de
configuração para IEDs; SCL
(Substation Configuration
Language);
• Subestação;
• IEDs e LNs;
• Comuniação.
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Norma IEC 61850
• Organização da norma:
– Parte 07: Estrutura de
comunicação básica; Arquitetura
de comunicação em camadas;
Dispositivos lógicos; Nós
lógicos; Classe de dados; Troca
de informações;
– São 04 partes;
– Conceito de definição abstrata
de dados e serviços. A criação
de objetos, dados e serviços é
feita independente de protocolo.
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Norma IEC 61850
• Organização da norma:
– Parte 08: Protocolos para
subestações: GOOSE, MMS,
SNTP; Operação entre
dispositivos;
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Norma IEC 61850
• Organização da norma:
– Parte 09: Protocolo Sampled
Values (SV);
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Norma IEC 61850
• Organização da norma:
– Parte 10: Teste de
Conformidade; Procedimentos
(testes de latência na
comunicação, sincronismo de
tempo); Garantia de qualidade;
Documentação;
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Norma IEC 61850
• Organização da norma:
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Norma IEC 61850
• A evolução dos sistemas eletromecânicos
para digitais, com poderosos
microprocessadores, permitiu o
desenvolvimento do sistema de automação
das subestações;
• IEDs desempenham funções diversas
como proteção, controle local e remoto,
monitoramento, etc;
• Como consequência, a necessidade de
uma comunicação eficiente entre os IEDs
e também de um protocolo padrão;
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Histórico: Pré IEC 61850
• Evolui-se de um sistema totalmente fiado para um sistema de comunicação em rede
para supervisão e, posteriormente, para controle e proteção.
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Histórico: Pré IEC 61850
• Evolução da Automação nas Subestações
– Entre meados de 1970 e 1980 os sistemas era em sua totalidade fiados
(interligados por cabo de cobre);
– Troca de informações via contato. Cada entrada e cada saída
representava um sinal apenas;
– Grandes quantidade de cabos e chicotes para trocar poucas informações;
– A partir dos anos 90, com novas tecnologias como os relés inteligente já
foi possível realizar a comunicação entre os dispositivos e com o sistema
de supervisão.
– Porém, começa a se inserir complexidade. Como os dados são
modelados? Quais protocolos devo usar?
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Histórico: Pré IEC 61850
• Evolução da Automação nas Subestações
– A partir dos anos 2000 já veio a necessidade de criar padronização. Criar
uma metodologia, uma suíte de protocolos e um modelo de dados para
os dispositivos;
– Surge também a rede de comunicação ligando os dispositivos de campo
aos IEDs. Cria-se um novo barramento de comunicação.
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Histórico: Pré IEC 61850
• Comunicação nas subestações
Comunicação
Links Físicos Protocolos
Proprietários: geralmente 
fechados
Abertos: Modbus, 
Devicenet, Profibus, IEC 
60870, DNP3, etc.
EIA-232 Metálico/Óptico
EIA-485 Metálico
Ethernet Metálico
Ethernet Óptico 27
Histórico: Pré IEC 61850
• Comunicação nas Subestações
– Antigamente muitos equipamentos trocavam informações por
comunicação serial;
• Uma comunicação lenta e com baixo fluxo de dados;
• Redes com poucos dispositivos. Redes maiores não são suportadas;
• Redundância e supervisão são muito difíceis;
– Os protocolos de comunicação eram muito variados e específicos de
cada fornecedor (protocolos fechados);
– Começaram a surgir uma variedade enorme de protocolos abertos, o que
tornava muito difícil a comunicação e interoperabilidade entre os
dispositivos.
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Histórico: Pré IEC 61850
• Protocolo Modbus
– Protocolo dos anos 70;
– Utilizado associado aos CLPs;
– Extremamente simples;
– Baseado em registros de memória;
– Toda informação é mapeada da mesma
forma (mesmo registro em bits);
– Faixas de endereço reservados para tipo de
dados: saídas discretas, entradas discretas;
saídas analógicas, entradas analógicas, etc.
– Problema: confiabilidade da transmissão de
dados (timestamp);
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Histórico: Pré IEC 61850
• Protocolo DNP3
– Protocolo dos anos 90;
– Padrão em sistema de energia, água, óleo e
gás principalmente nos EUA;
– Consolidado no Brasil como um dos padrões
do setor elétrico;
– Protocolo orientado a objetos;
• Classificação da informação, como por
exemplo: tensão de determinada fase seria
um tipo “entrada analógica” e estado do
disjuntor seria um tipo “entrada digital”;
– Possibilidade de utilização de Timestamp e
flags;
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Histórico: Pré IEC 61850
• Consequências: diversos protocolos e padrões!
MODBUS
DNP3
DEVICENET
PROFIBUS
IEC 60870 Outros ...
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FIELDBUS
Histórico: Pré IEC 61850
• Desafios:
– Muitos protocolos diferentes;
– Um único protocolo não atende todas as necessidades;
• Ex: alta velocidade,confiabilidade, organização dos dados;
– Diferentes funcionalidades;
– Interoperabilidade é um problema grande;
– Custos de engenharia elevados;
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Histórico: Pré IEC 61850
• Necessidades:
– Operação em Tempo Real
• Manobras, medições, monitoramento de estado do sistema,
localização de falta, alarmes, sinalização, etc.
– Proteção
• Análise de atuação, seletividade, oscilografias, SOE (sequence of
events), ajustes dos IEDs, etc.
– Medição de faturamento
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Histórico: Pré IEC 61850
• Necessidades:
– Planejamento
• Previsão de longo prazo, análise de estabilidade e fluxo de carga,
relatórios de tendências, etc.
– Manutenção
• Desgaste dos equipamentos, análise de tempos de operação,
monitoramento de baterias, relatórios de partida de motores,
estatísticas, etc.
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Histórico: Pré IEC 61850
• Necessidades:
– Padronização
– Protocolo “Global”
– “Língua” única entre todos os
dispositivos independente de seu
fabricante ou da função que exerça na
subestação.
– NORMA IEC 61850!
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Norma IEC 61850
• Principais objetivos da norma:
– Desenvolver um padrão de comunicação que atenderá aos requisitos
funcionais e de desempenho, ao mesmo tempo que oferece suporte a
futuros desenvolvimentos tecnológicos.
– O padrão de comunicação deverá suportar as funções de operação
da subestação.
– Cada função pode requerer uma comunicação diferente. Por
exemplo: quantidade de dados a serem trocados, restrições de tempo
na comunicação, etc.
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Norma IEC 61850
• Principais objetivos da norma:
– A norma deverá garantir os seguintes aspectos:
• Que o perfil de comunicação completo é baseado nos padrões de
comunicação IEC / IEEE / ISO / OSI existentes, se disponíveis.
• Que os protocolos usados serão abertos e oferecerão suporte a
dispositivos auto descritivos.
• Que a norma é baseada em objetos de dados relacionados às necessidades
da indústria de energia elétrica.
• Que a sintaxe de comunicação e semântica são baseadas no uso de dados
comuns relacionados ao sistema de potência.
• Que o padrão de comunicação considere as implicações de a subestação ser
um nó na rede elétrica, ou seja, do SAS ser um elemento no sistema de
controle de energia geral. 37
Norma IEC 61850
• Principais objetivos da norma:
– Garantir interoperabilidade e intercambialidade entre dispositivos de
diferentes fabricantes;
– Interoperabilidade:
• Capacidade de dois ou mais IEDs de diferentes fabricantes trocar
informações e posterior uso em funções específicas (IEC 61850-1);
• Capacidade de operar na mesma rede ou caminho de comunicação
compartilhando informações e comandos;
• A troca de dados entre os dispositivos possibilita várias vantagens
como a realização de proteção através da rede de comunicação
e a flexibilidade de implementação de funções de
intertravamento, inclusive fisicamente distantes;
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Norma IEC 61850
• Principais objetivos da norma:
– Garantir intercambialidade entre dispositivos de diferentes fabricantes;
• Intercambialidade: capacidade de substituir um dispositivo
fornecido por um fabricante por um dispositivo de outro fabricante,
sem a necessidade de alterações nos outros elementos do sistema;
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Norma IEC 61850
• Principais objetivos da norma:
– Garantir interoperabilidade entre dispositivos de diferentes
fabricantes;
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Norma IEC 61850
• Principais objetivos da norma:
– Padronizar os métodos de comunicação entre os dispositivos;
– Suportar a evolução de tecnologias;
– Possibilitar a comunicação em alta velocidade e com alta
confiabilidade;
– Definir os padrões e protocolos de comunicação que podem ser
utilizados nas subestações.
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Norma IEC 61850
• Não é um protocolo!
• Define um modelo de informação;
• Padroniza a comunicação e o sistema de automação de energia;
• Não se limita a uma subestação e sim a todo o sistema
– IEC TR 61850-90-1 – modela a comunicação entre subestações;
– IEC TR 61850-90-8 – modelo para veículos elétricos;
• Todo fabricante utiliza o mesmo “dialeto” para comunicação;
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Norma IEC 61850
• O que esse modelo propõe?
– Modelagem dos dispositivos de automação da
subestação;
• Orientação a objetos;
– Modelagem dos mecanismos de comunicação;
• Troca de mensagens e básico de redes;
• Protocolos são usados para atender diferentes
necessidades;
– Linguagem de configuração padronizada; 44
Norma IEC 61850
• Requisitos Gerais (61850-3):
– Confiabilidade: exige-se que a falha de um dispositivo de
comunicação não influencie na operação do sistema e que o
monitoramento e controle local sejam mantidos;
– Falhas: a falha em um componente do sistema não pode desativar
funções críticas, sendo assim as funções de proteção devem atuar de
maneira autônoma.
– Integridade dos dados: Deve-se garantir a integridade dos dados
transmitidos, o sistema deve considerar detecção de erros de
transmissão e recuperação frente ao congestionamento
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IEDs
• IED – Intelligent Electronic Device:
– Qualquer dispositivo que incorpore um ou mais processadores, com a capacidade
de receber ou enviar dados de, ou para, uma fonte externa. Exemplos: medidores
multifuncionais, relés digitais, controladores; (IEC 61850-2)
– Telecomunicações:
• Gateways, conversores, RTUs;
– Interface Homem-Máquina:
• Gateways, computadores, servidores; IEDs com HMIs integradas;
– Processo:
• Relés de proteção, unidades de controle de bay, RTUs, medidores,
controladores autônomos, transdutores. 46
IEDs
• UTR – Unidade Terminal Remota
– Possuem basicamente:
• UCP: Unidade Central de Processamento
• Cartões de E/S digitais e analógicas;
• Canais de comunicação com protocolos
diversos;
– Podem ou não ter capacidade de programação
de lógica;
– Podem ser distribuídas por bays com
interligação através de rede;
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IEDs
• CLP - Controlador Lógico Programável
– Possuem basicamente:
• Uma ou mais UCP;
• Cartões de E/S digitais e analógicas;
• Canais de comunicação com protocolos diversos;
– São programáveis com linguagem do tipo Ladder, Texto estruturado, Diagrama
de Blocos;
SEL-2440
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IEDs
• Concentrador de Dados (Gateway)
– Convertem protocolos de diferentes camadas;
– Pode possuir um software embarcado ou não;
– Sua principal função é coletar informações de outros equipamentos através dos
canais de comunicação;
– É conhecido também como Gateways de Comunicação.
SEL-3573 SEL-3530 49
IEDs
• Merging Units
– Permitem a interligação de
transformadores de
instrumentos (TCs e TPs);
– Realizam a amostragem dos
sinais de tensão e corrente a
uma taxa de amostragem
configurada e disponibiliza a
informação na rede
(protocolo SV);
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IEDs
• Merging Units
– Permitem a interligação de transformadores de instrumentos (TCs e TPs);
– Realizam a amostragem dos sinais de tensão e corrente a uma taxa de
amostragem configurada e disponibiliza a informação na rede (protocolo SV);
SEL-401
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IEDs
• Medidores de Qualidade de Energia e Medidores de Faturamento
– Medição precisa de grandezas analógicas como corrente, tensão, harmônicas, etc;
– Ligados a TC´s de proteção;
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IEDs
• Relés de Proteção Digital
– São dispositivos de proteção dedicados ou multifunção;
– Além da função primária de proteção pode acumular também as funções de:
• Controlador de Bay;
• Automatizador de processos;
• Medidor de variáveis analógicas
– Devem prover sincronismo de seus relógios internos para geração de
oscilografias e sequenciais de eventos precisos;
– Permitem adição de lógica: booleana, aritmética, temporizadores, contadores,
etc;
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IEDs
• Relés de Proteção Digital
IHM no painel frontal
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Dispositivos de Rede
– Vão permitir a comunicação entre os dispositivos com o encaminhamento dos
pacotes de dados;
– Hubs;
– Switches e roteadores;
– Firewalls;
Switches e Roteadores
Firewalls
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Referências Bibliográficas
• IEC61850, Communication networks and systems in substations. 2003.
• Universidade SEL, Introdução à automação de subestações. 2017.
Contato
• Prof. ViníciusGomes
• Email: viniciusrgr@gmail.com
• Telefone: (31) 99743-2202
56
mailto:viniciusrgr@gmail.com