Análise de sinais híbridos em sistemas de proteção e automação

jan, 2015

Edição 107 – Dezembro de 2014
Por Fred Steinhauser*

Sistemas modernos de proteção e automação no sistema elétrico de potência estão utilizando cada vez mais protocolos de comunicação para transferência de informações. A médio prazo, mais e mais sistemas híbridos e sistemas distribuídos ao longo de largas distâncias serão implementados.

Neste contexto, híbrido significa que sistemas de proteção e automação operarão simultaneamente com os sinais análogos do secundário e sinais de estado binário cabeados de forma convencional, bem como com os protocolos de comunicação tais como os definidos pela IEC 61850. Medir e avaliar todos esses diferentes sinais em sistemas híbridos requer sistemas de medição que são distribuídos e que também operam de forma híbrida. Esse artigo apresenta uma visão geral do estado atual de desenvolvimento desses sistemas, discute os desafios encontrados e apresenta possíveis soluções.

Sistemas híbridos

Além das grandezas clássicas de secundário e sinais binários convencionalmente cabeados, mais e mais informações críticas do sistema de automação são transportadas por meio de redes de comunicação. Em sistemas que utilizam a IEC 61850, a transmissão de estados binários por mensagens GOOSE já é uma prática bem estabelecida. O próximo passo será a substituição dos sinais secundários analógicos por Sampled Values, que irão transmitir valores digitalizados de corrente e tensão por meio da rede de comunicação. Mas mesmo que a transmissão de dados em sistemas de automação seja realizada no futuro primordialmente via protocolos de comunicação, as atuações e grandezas clássicas no nível de processo ainda terão de ser adquiridos de forma convencional.

Sistemas distribuídos

Uma vez digitalizado e colocado em pacotes de dados, a transmissão de informação por meio de longas distâncias é essencialmente simplificada. Enquanto a instalação de fios e cabos entre saídas e entradas digitais pode rapidamente tornar-se de elevado custo ou suscetível a interferências, a transmissão por meio de conexões de rede imunes a ruídos é comparativamente mais fácil e permite a transmissão de um grande volume de informação.

Isso permite a implementação de aplicações que previamente não podiam ser utilizadas de forma efetiva sem a tecnologia digital de comunicação. Isso inclui a interligação de sinais por longas distâncias em uma subestação através de redes locais (LAN), bem como entre subestações por meio de redes de área ampla (WAN). Dependendo da largura de banda e tempo de propagação de mensagens (latência) das conexões de rede, aplicações adicionais tornam-se possíveis. Enquanto antigamente somente era possível a transmissão de alguns bits usando moduladores e fios piloto, e mesmo assim com atrasos significativos, canais com largura de banda de múltiplos Mbit/s e baixa latência estão agora frequentemente disponíveis. Conceitos como o intertravamento remoto ou trip remoto de disjuntores estão cada vez mais sendo utilizados.

Sistema de medição híbrido e distribuído

A supervisão e avaliação de funções nos sistemas distribuídos requer uma solução de medição capaz de registrar dados e sinais em todos os pontos relevantes de medição do sistema distribuído. O sistema de medição também deve ser híbrido de forma a gravar simultaneamente os sinais clássicos e a comunicação de rede. O analisador de sinais Daneo 400 da Omicron oferece essas opções. O seu software central gerencia todos os dispositivos de aquisição, instalados em vários pontos de medição, e os disponibiliza como um sistema de medição único. Uma precondição para esse sistema é que todos os dispositivos de medição possam ser acessados através de uma conexão de rede. Então, não é mais necessário transferir manualmente arquivos individuais de cada um dos dispositivos de aquisição, bem como compilar posteriormente todos os dados. Os dados medidos são compilados para o usuário de uma forma transparente e refere-se ao evento observado – a análise subsequente é então baseada diretamente nos dados relacionados. É também possível exportar os dados medidos em formatos genéricos (COMTRADE, PCAP) para que se possa realizar análise adicional com outras ferramentas.

Sincronização de tempo e triggers

Uma referência de tempo precisa é necessária para a correta correlação de dados provenientes de múltiplos dispositivos de aquisição. Por exemplo, para a avaliação do tempo de propagação de mensagens em redes locais, o erro da sincronização de tempo não deve exceder a 1 microssegundo. Se o “Precision Time Protocol” de acordo com o IEEE 1588 está sendo utilizado nesta respectiva rede, o equipamento de medição pode ser sincronizado de forma ótima. De forma alternativa, o dispositivo de aquisição pode também receber o tempo preciso diretamente de um receptor GPS. Isso garante que os dados adquiridos possam ser alinhados corretamente através das estampas de tempo individuais. Uma referência comum de trigger não é necessária, fato importante já que normalmente não é mesmo possível que todos os dispositivos de aquisição em um sistema distribuído detectem um trigger padrão precisamente ao mesmo tempo. A incerteza proveniente de diferentes triggers precisa ser compensada por um ajuste adequado do tempo de pré-trigger para garantir que os registros de todos os dispositivos de aquisição cubram o período de tempo relevante. Se apenas alguns dispositivos detectarem o trigger, eles precisam informar aos demais dispositivos de sua ocorrência. Ações de póstrigger podem ser usadas para estabelecer essa cadeia de triggers entre os dispositivos.

Testes de aceitação em fábrica

Com o intuito de evidenciar que uma parte importante do sistema de automação está funcionando corretamente, é necessário medir e documentar todos os sinais relevantes. Em sistemas utilizando comunicação IEC 61850, a descrição do sistema de comunicação em arquivos formato SCL forma a base para uma comparação entre a configuração e as mensagens GOOSE e Sampled Values atualmente presentes na rede. A referência aos sinais do processo proporciona uma indicação para a correta coordenação de procedimentos, por exemplo a resposta em tempo de uma função de intertravamento e as margens para uma operação segura. Com a análise do tempo de propagação de pacotes de dados na rede local, é possível observar se há seções da infraestrutura de rede que estão altamente carregadas e consequentemente identificar condições críticas que podem ocorrer. Além disso, a análise do volume de dados na rede de comunicação provê detalhes se algo como uma suspeita avalanche de mensagens GOOSE está ocorrendo e se algum efeito decorrente da reação do sistema de automação pode ser antecipado.

Testes de comiss ionamento e aceitação do sistema

A descrição do sistema de comunicação em formato SCL também forma a base para esse teste quando se trabalha com sistemas que utilizam comunicação IEC 61850. Uma vez que os dispositivos do sistema são colocados em operação um por um, a verificação da configuração projetada e da configuração atual pode ser realizada repetidamente – ao tempo que os nós individuais de comunicação não precisam estar ativos ao mesmo tempo. Se uma determinada função é executada por múltiplas estações localizadas em pontos geográficos diferentes e a transferência de dados é realizada por uma conexão de rede de área ampla, o tempo de resposta da transmissão de sinal e coordenação dos procedimentos podem ser capturados usando múltiplos dispositivos de aquisição distribuídos. Os sinais usados durante o teste de aceitação do sistema são documentados e os dados arquivados de medição podem ser usados para uma posterior análise.

Solução de problemas

A fim de detectar maus funcionamentos esporádicos, dispositivos de aquisição podem também operar na subestação em modo desassistido. Os dispositivos de aquisição somente iniciam a captura de sinais quando ocorrer a condição de trigger configurada e depois eles são automaticamente rearmados para futuros registros caso necessário. Dependendo do tipo de dado a ser capturado e a duração de operação, altos volumes de dados podem ocorrer em determinadas circunstâncias. Além do seu disco rígido de armazenamento interno (SSD), uma mídia de armazenamento externo de alta capacidade pode ser conectada ao DANEO 400. Se uma conexão de rede estiver disponível, pode-se acessar o equipamento de forma remota para determinar se há algum registro. Caso a largura de banda permita, os registros podem ser descarregados pela conexão de rede para a sua análise.

Resumo

Existem muitos exemplos de uso possíveis para testes em sistemas distribuídos e híbridos de automação. Independentemente do objetivo ser apenas o de avaliar a transmissão de dados em uma rede de área ampla ou simplesmente o de medir os sinais convencionais de um sistema secundário – um sistema de medição híbrido, que pode ser utilizado em locais distribuídos de medição com sincronização precisa de tempo, pode atender a todos esses cenários. Os arquivos padrões formato SCL, de um sistema IEC 61850, formam a base de comparação entre as mensagens configuradas e aquelas que realmente estão presentes em uma rede de comunicação. A análise dos dados capturados finalmente revela a associação entre sinais clássicos e comunicação. Nova análise pode ser  ealizada a qualquer momento utilizando os dados arquivados.


Figura 1 – Análise de sinais em um sistema híbrido usando o Daneo 400.


Figura 2
– Análise de registros.


Figura 3 – Medição distribuída em duas subestações como exemplo de aplicação.


*Fred Steinhauser é gerente da área de Comunicações para Energia da Omicron.


 

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