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INTRODUÇÃO BÁSICA À NORMA IEC 61850

• O que é a IEC 61850?

Tendo sua primeira versão lançada em 2003, a norma IEC 61850 padroniza a troca de informações entre os diversos IEDs (Intelligent Electronic Devices) de uma ou mais subestações, permitindo a implementação do SAS (Substation Automation System). A arquitetura da norma é baseada no modelo de dados de orientação a objetos, abstraindo atributos e funções dos IEDs, denominados como “Physical Devices”. Cada Physical Device possui um conjunto de “Logical Devices” que são as diversas funcionalidades que o IED apresenta (System, Control, Protection e etc). Cada Logical Device possui um conjunto de “Logical Nodes” que são os elementos funcionais do Logical Device em questão, por exemplo, no Logical Device Protection, existem os Logical Nodes que definem as funções de proteção: "PDIS" (proteção de distância), "PTOC" (proteção de sobrecorrente), "PDIF" (proteção diferencial) e etc. Por fim, cada Logical Node possui um conjunto de Functional Constraints com seus Data Objects e Data Attributes como valores de tensão e corrente, informações do status do disjuntor, estampa de tempo de algum evento e etc.
A norma, também, trata a subestação em níveis hierárquicos, sendo três: processo, bay e estação. No nível de processo é onde se encontram todos os dispositivos de entrada e saída de dados como sensores, atuadores, TCs e TPs, disjuntores e etc. Já no bay é onde se encontram os IEDs para desempenhar funções de proteção, medição e controle. E, por fim, na estação é onde se concentra o sistema supervisório para monitoramento geral da subestação. Interligando o bay ao processo existe o barramento de processo e interligando o bay à estação existe o barramento da estação. Abaixo, a Figura 1 ilustra os conceitos apresentados.



Além da estrutura de dados, outro pilar importante da norma é a interoperabilidade, sendo que, através da padronização dos protocolos de comunicação, IEDs de diferentes fabricantes podem trocar informações entre si.
Os três principais protocolos de comunicação que a norma traz são: GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event), Sampled Values e MMS (Manufacturing Message Service). GOOSE são mensagens que trafegam na rede Ethernet na arquitetura “Publisher-Subscriber”, multicast, tendo como funções: envio de informações de status (valores booleanos) ou analógicos (valores float ou inteiros) entre IEDs ou para o sistema supervisório. Sampled Values também são mensagens que trafegam na rede Ethernet na arquitetura “Publisher-Subscriber”, multicast, mas que levam valores digitalizados de corrente e tensão vindos dos TCs e TPs para os IEDs. Tanto as mensagens GOOSE quanto Sampled Values possuem exigências de tempo crítico, trafegando, portanto, apenas na segunda camada da rede Ethernet. Já as mensagens MMS são do tipo “Client-Server”, unicast, e são utilizadas na comunicação vertical da subestação, ou seja, do bay para a estação, com a finalidade de levar informações de medição e status dos IEDs para o supervisório. Tais mensagens trafegam na camada de aplicação da rede Ethernet por TCP/IP.
Além da interoperabilidade, a norma traz mais três importantes vantagens: segurança, economia e simplicidade. Segurança, pois agora se lidam com sinais da rede Ethernet e não mais com valores analógicos de corrente e tensão. Economia e simplicidade, pois todos os cabos de cobre utilizados para medição de corrente e tensão, além do trip, que eram ligados a um único IED, agora são substituídos por cabos de rede.

• IEC 61850-9-2 x IEC 61869-9

A IEC 61869 é uma norma sobre transformadores de instrumentação com quinze partes para definir requerimentos de TCs e TPs. Na parte 9 são tratadas as interfaces digitais para transformadores de instrumento. Esta norma entrou em vigor em 2016 e é a substituta da IEC 60044-8 que foi utilizada como base para a IEC 61850-9-2. Portanto, ela veio para complementar a IEC 61850.
A norma IEC 61869-9 possui forte embasamento no Guia de Implementação da UCA (Light Edition – IEC 61850-9-2LE), incorporando várias de suas definições, visando assim manter a compatibilidade. Além disso, trata da questão que de acordo com a tecnologia aplicada, a realização física da “digitalização” dos valores analógicos pode ocorrer de várias maneiras.
A Merging Unit é definida como parte do Transformador de Instrumentos (TI), podendo estar ou não em uma mesma unidade física, sendo que sua entrada pode ser Normatizada ou Proprietária. Já a concepção de Stand Alone Merging Unit (SAMU) trata de um produto separado, não fazendo parte dos transformadores de instrumentação, sendo que suas entradas são sempre padronizadas e podem ser da forma analógica ou digital. Esta segunda concepção pode ser usada em retrofits, mantendo os TCs e TPs existentes. Vale ressaltar que os dados provenientes tanto de uma MU integrada ao TI quanto a de uma SAMU deverão ser indistinguíveis um do outro.
Segundo a IEC 61869-9, o tempo de atraso de processamento pode ser definido como a diferença entre o tempo de codificação da mensagem e o tempo que a mensagem leva para aparecer na saída digital da MU e esse atraso deve ser no máximo de 2 ms para aplicações de proteção e medição. Um tempo de processamento elevado pode ser perigoso, pois este é somado ao tempo de detecção da falta pelos IEDs, gerando atrasos no trip.
A IEC 61869-9 padroniza a utilização da própria rede Ethernet para a tarefa de sincronização através da IEEE 1588, especificada na IEC/IEEE 61850-9-3. Sendo que todas as portas SV das MUs devem ser capazes de receber mensagens PTP de acordo com essa norma. O 1PPS fica como uma forma alternativa de sincronismo para questões de compatibilidade com tecnologias anteriores.
A norma também descreve o conceito de “Holdover Mode” pregando que caso haja perda do sinal de sincronização por um curto período de tempo, a Merging Unit deve continuar enviando a mensagem de SV normalmente, sem interrupção. O tempo mínimo de Holdover Mode é de 5 segundos. Este é um artifício para caso haja algum problema temporário no sinal de sincronismo, levando em conta que a MU possui um clock interno de precisão, não gerando assim um Jitter relevante até que o sinal de sincronismo seja restabelecido. A flag SmpSynch (Sample Synchronism) que sinaliza se o sincronismo está presente deve permanecer inalterada.
Já quando a MU perde a sincronização definitivamente, a norma define como “Free-running Mode” e trata que os SV devem continuar sendo enviados numa taxa de amostragem com um desvio de, no máximo, ±100.1 E-6. Mesmo sem o sincronismo externo, o contador de amostras deverá continuar sendo incrementado e zerado quando atingir o limite, como se houvesse sincronismo. Neste caso, a flag SmpSynch deve ser zerada indicando ausência de sincronismo.
Independentemente da presença de sincronismo temporal externo, a MU sempre envia os sinais aquisitados, por exemplo: as 3 tensões de fase e o neutro e as 3 correntes de fase e o neutro, sincronizados entre si. Ou seja, mesmo sem sincronismo externo não há erro de ângulo para sinais analógicos provenientes de uma mesma MU.
Visando facilitar a interoperabilidade, a IEC 61869-9 traz um número limitado de variações permitidas para nomenclatura, estrutura da mensagem, número de ASDUs, taxa de amostragem, número de sinais analógicos e escala. Com relação à taxa de amostragem, a norma disponibiliza 7 possibilidades de taxas associadas a 4 valores diferentes de número de ASDUs, dando preferência para as taxas de 4800 samples/s com 2 ASDUs para proteção e 14400 samples/s com 6 ASDUs para qualidade , independente da frequência do sinal, ou seja, uma mesma taxa poderia ser utilizada em um sistema de 50Hz ou 60Hz, diferentemente da definição da Light Edition. No que se refere ao número máximo de canais de tensão e corrente, na 9-2LE era fixo com de 8 canais (4 correntes e 4 tensões) e na IEC 61869-9 o número máximo de canais foi para 24 não fixando a quantidade de canais divididos entre correntes e tensões.
Abaixo, a Figura 2 que foi retirada da norma IEC 61869-9 ilustra as taxas de amostragem.



Abaixo, a Figura 3 que foi retirada da norma IEC 61850-9-2LE ilustra a taxa de amostragem.



• Exemplos de Aplicação da Norma IEC 61850 no Mundo Real

No Brasil, existem alguns projetos pilotos de subestações que estão implementando Sampled Values e GOOSE, como projetos da Alstom e da Chesf. Na Europa, existem subestações que estão implementando a norma, como da Iberdrola na Espanha.
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