Deve-se entender as orientações destinadas a leitores familiarizados com as redes de comunicação e/ou com os sistemas com base na série IEC 61850 e particularmente aos fornecedores e usuários de equipamentos de proteção e controle para subestações, fornecedores e usuários de equipamentos para redes e para integradores de sistemas.

A NBR 16932 de 11/2020 – Redes e sistemas de comunicação para automação de sistemas de potência — Orientações sobre engenharia de rede é destinada a leitores familiarizados com as redes de comunicação e/ou com os sistemas com base na série IEC 61850 e particularmente aos fornecedores e usuários de equipamentos de proteção e controle para subestações, fornecedores e usuários de equipamentos para redes e para integradores de sistemas. Esta norma tem como foco a engenharia de detalhamento de projeto de redes de automação local, aplicáveis aos requisitos de automação de sistemas elétricos de potência com base na IEC 61850.
Esta norma apresenta as vantagens e desvantagens de diferentes abordagens de topologia de redes, redundância, sincronismo de relógios, etc., de modo que o projetista da rede possa tomar decisões adequadas e orientadas. Além disso, apresenta possíveis melhorias tanto para a automação de subestações quanto de equipamentos da rede. Aborda os aspectos mais críticos e importantes da IEC 61850, como as funções de proteção relacionadas com os desligamentos (trips) por meio da rede de comunicação.
Aborda também, em particular, as transferências multicast de grandes de volume de dados de valores amostrados (SV – Sampled Values) provenientes de Merging Units (MU). Também aborda as técnicas de sincronismo de tempo de alta precisão e os protocolos de transporte garantido de dados contínuo ou sem interrupção (seamless), por meio das redes de comunicação em eventos de falha, que se trata de uma característica fundamental para o conceito do barramento de processo.
Esta norma não representa um tutorial sobre as redes de comunicação ou sobre a IEC 61850. Em vez disso, este documento faz referência e resume outras normas e publicações. Diversas publicações detalham as características da tecnologia Ethernet, mas não abordam as redes de automação aplicadas à automação de sistemas elétricos de potência. Desta forma, muitas tecnologias e opções não são abordadas nessa norma, uma vez que essas não foram consideradas pertinentes para projeto de redes de sistemas elétricos de potência à prova de futuro. Não aborda os detalhes de segurança das redes. Os requisitos para a segurança cibernética de redes de automação são abordados na Série IEC 62351 – Power systems management and associated information exchange – Data and communications security.
Especificamente para a automação de sistemas elétricos de potência, existe a IEC/TS 62351-6 – Power systems management and associated information exchange – Data and communications security – Part 6: Security for IEC 61850. Esta norma não aborda a comunicação de subestação para subestação e comunicação entre uma subestação e o centro de controle. A comunicação entre subestações envolve tecnologias de WAN, além da tecnologia Ethernet.
Para a comunicação entre subestações que utilizem exclusivamente o protocolo Internet, outras orientações estão sendo elaboradas pelo IEC TC 57, especialmente nos documentos IEC/TR 61850-90-1, IEC/TR 61850-90-2 e IEC/TR 61850-90-5, os quais serão abordados nas orientações para engenharia de WAN, apresentadas na IEC/TR 61850-90-12. Esta norma não dispensa o responsável pela integração do sistema de uma análise das configurações para a aplicação real, que é a base para um sistema confiável.
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Qual é a simbologia para redes?
O que representa o barramento de estação e barramento de processo?
Qual é o fluxo de engenharia de projeto?
O que deve ser feito em relação às questões ambientais?
Quais são as expectativas sobre a confiabilidade, disponibilidade e manutenabilidade?
O crescente sucesso na aplicação da série IEC 61850 requer orientações sobre engenharia de redes Ethernet. A série IEC 61850 especifica os requisitos básicos para as redes de comunicação para automação de sistemas elétricos de potência, mas não como alcançá-los. Em vez disso, a série IEC 61850 tem como foco o modelamento e intercâmbio de dados, não focando nos detalhes das interconexões físicas, as quais, no entanto, são necessárias para a completa interoperabilidade.
Esta norma apresenta definições, orientações e especificações para a engenharia de redes para a automação de sistemas elétricos de potência com base na IEC 61850. Esta norma aborda temas como tecnologia Ethernet, topologias de redes, redundância, tempos de resposta no tráfego (latência) e qualidade do serviço, gerenciamento de tráfego por comunicação multicast e VLAN (Virtual LAN), sincronismo de tempo com base na rede e testes da rede.
Esta norma não aborda os temas relacionados com a segurança cibernética das redes de comunicação. Tem como base as normas existentes sobre semântica, serviços, protocolos, linguagem de configuração de sistemas e arquitetura de redes de comunicação. Este documento tem como base os trabalhos executados pelos Grupos de Trabalho WG 10 do IEC/TC 57 (Power system IED communication and associated data models) e WG 15 da IEC TC 57 (Data and communications security), sobre as IEC 61918 (Industrial communication networks – Installation of communication networks in industrial premises), IEC 62439 (Industrial communication networks – High-availability automation networks) e IEC 61588 (Precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems), sobre os trabalhos executados pelo Grupo de Trabalho IEEE 802.1, o UCA International Users Group 9-2LE e o IEEE Power System Relaying Committee (PSRC), bem como em contribuições feitas por outras diversas empresas.
O conteúdo desta norma foi elaborado de modo coordenado com os Grupos de Trabalho que elaboram as normas das séries IEC 62439 e IEC 62351 e com o IEEE PSRC. É reconhecida a necessidade de qualificação, treinamento e competências pessoais dos profissionais envolvidos com projetos de automação de sistemas elétricos de potência com base na série IEC 61850, em assuntos relacionados não somente com os aspectos de proteção, medição, controle e intertravamentos, mas também com aspectos relacionados com as redes de comunicação, incluindo topologias de redes, tempos de resposta (latência), configuração de VLAN (Virtual LAN), configuração de parâmetros de aplicação dos protocolos MMS (Manufacturing Message Specification), GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) e SV (Sampled Values), serviços de sincronismo de tempo por meio de Ethernet, segurança cibernética (cyber-security) e atividades de Testes de Aceitação em Fábrica (TAF), montagem, comissionamento e Testes de Aceitação em Campo (TAC) de sistemas de supervisão e controle para automação de sistemas elétricos de potência.
A IEC 61850-5 especifica três diferentes níveis de aplicação (estação, bay e processo) e a alocação lógica de funções e interfaces. Esta parte é repetida aqui por conveniência. A figura abaixo apresenta estes tipos de tráfegos e fluxos de dados. A nuvem indicada na figura simboliza uma WAN fora da subestação. O significado das interfaces é detalhado na tabela abaixo.

Pode-se dizer que os protocolos são divididos entre a camada de tempo real de elevada precisão (hard real-time), suportando os serviços de valores amostrados, GOOSE e PTP, e uma camada de tempo real de baixa precisão (soft real-time), suportando o sincronismo de tempo por meio da rede SNTP, a comunicação MMS e os serviços auxiliares indicados na IEC 61850-8-1. Estes protocolos dependem dos serviços da camada MAC, que podem suportar VLAN e prioridades 802.1Q, redundância e possivelmente segurança de dados (não mostrada nesta norma).
A IEC 61850-8-1 e a IEC 61850-9-2 especificam três tipos de tráfegos. O tráfego de mensagens MMS, especificado na IEC 61850-8-1, o qual permite que um cliente MMS, como o sistema SCADA, um servidor OPC ou um gateway acesse verticalmente todos os objetos dos IED. Esse tráfego flui tanto no barramento de estação (station bus) quanto no barramento do processo (process bus), no entanto alguns IED do barramento de processo não suportam MMS.
O tráfego de mensagens GOOSE, especificado na IEC 61850-8-1, o qual permite que os IED troquem dados horizontalmente entre os bays ou verticalmente entre o nível de processo e o nível de bay, especificamente para os sinais de estado e sinais de desligamento (trip) e frequentemente para intertravamentos. Este tráfego flui normalmente sobre o barramento de estação e/ou o barramento do processo.
O tráfego de mensagens SV, especificado na IEC 61850-9-2, o qual transporta valores amostrados de sinais de corrente e tensão. Esse tráfego flui normalmente sobre o barramento de processo, mas pode também trafegar sobre o barramento de estação, por exemplo, para a proteção de barramento e para medição de fasores. O protocolo MMS é um protocolo do tipo cliente/servidor que opera na camada de rede (camada 3).
Dessa forma, este protocolo opera com os endereços IP e pode trafegar por meio de roteadores. Em um de seus modos de operação, o cliente MMS (geralmente o sistema SCADA ou um gateway) envia uma solicitação para um dado específico para o servidor MMS de um IED, identificado pelo seu endereço IP. O servidor retorna o dado solicitado em uma mensagem de resposta para o endereço IP do cliente. Em outro modo de operação, o cliente pode instruir o servidor a enviar uma notificação espontaneamente no caso de ocorrência de um evento.
Para assegurar que nenhum evento seja perdido, o protocolo MMS se baseia no protocolo TCP para a detecção e recuperação de erros. Um servidor MMS pode suportar diversos clientes simultaneamente, sendo cada cliente tratado de maneira individual. As mensagens GOOSE são trocadas na camada 2 (camada de link), se beneficiando da funcionalidade multicast proporcionada pelas redes com padrão Ethernet.
A comunicação GOOSE consiste em uma transmissão rápida de mensagens com base na ocorrência de eventos e em uma transmissão cíclica lenta. No caso da ocorrência de uma condição de evento pré-configurada, um IED envia imediatamente uma mensagem GOOSE, que transporta os valores das variáveis a serem comunicadas na ocorrência deste evento.
Uma vez que as mensagens GOOSE são do tipo multicast, elas não são confirmadas pelo seu dispositivo de destino. De modo a evitar a ocorrência de erros transitórios, a mesma mensagem GOOSE é retransmitida diversas vezes em sequência, em intervalos de tempo T1, depois T2 e depois T3 (especificado pela aplicação). Para confirmar a presença da fonte das mensagens, as mensagens GOOSE são retransmitidas em uma baixa taxa T0.
Uma vez que as mensagens GOOSE operam na camada 2, elas não deixam a LAN e podem não transpor os roteadores. Estas mensagens são identificadas pelo endereço MAC de sua fonte e por um identificador (cabeçalho) na mensagem. O protocolo GOOSE opera com base no princípio publicador/assinante (publisher/subscriber). Os novos valores recebidos substituem os valores anteriores, ao invés de serem enfileirados (queuing), no caso de um valor anterior não ter sido processado a tempo.
Entretanto, a sobrescrita não é obrigatória, de modo que o enfileiramento também pode ser utilizado. O protocolo de valores amostrados (SV), especificado na IEC 61850-9-2, é utilizado principalmente para transmitir valores analógicos amostrados (corrente e tensão), oriundos de sensores para os IED. O protocolo SV, de modo similar ao protocolo GOOSE, utiliza a camada 2 multicast, as mensagens são identificadas pelo endereço MAC de seu emissor (e possivelmente pela identificação VLAN ID) e um identificador (cabeçalho incluído no corpo da mensagem)
A IEC 61850-9-2 também prevê a transmissão unicast de mensagens SV, mas isto é raramente utilizado. De modo similar às mensagens GOOSE, não existe um protocolo de retransmissão de mensagens SV: um valor amostrado que for perdido é sobrescrito pelo próximo valor que chegar com sucesso. As mensagens do tipo SV, diferentemente das mensagens GOOSE, são transmitidas unicamente de forma cíclica, em elevada frequência.
O padrão UCA 61850-9-2 LE especifica um período de 250 μs para sistemas elétricos de potência com frequência de 50 Hz e de 208,3 μs para sistemas elétricos de potência com frequência de 60 Hz. Com um tamanho típico de 160 octetos, uma mensagem SV leva cerca de 12 μs a 100 Mbit/s (6% da largura de banda a 4.800 mensagens SV por segundo). Convém que o período inclua o tamanho máximo de mensagem FTP de 123 μs a 100 Mbit/s (60 % da largura de banda a 4.800 mensagens SV por segundo), limitando assim a quantidade de emissores de mensagens SV conectados em um barramento a cerca de seis emissores.
Dessa forma, as mensagens do tipo SV devem ser mantidas pequenas. Para evitar engarrafamentos espúrios de mensagens SV, convém que todas as fontes de SV sobre o mesmo barramento operem no mesmo período e, preferencialmente, possuam um esquema de divisão multiplex. Caso um frame IEC 61850 não seja recebido em um tempo adequado, ele perde a sua utilidade e caso seja recebido de forma tardia, pode representar uma situação pior que a sua perda. Atrasos, em especial jitters, também afetam o sincronismo do relógio de tempo.
Três medidas são observadas. A latência da rede de comunicação, que é o atraso de tempo entre o momento em que o dado está pronto para a transmissão e o momento em que ele é completamente recebido em seus destinos. Este é o pior atraso de todas as associações possíveis. A taxa de transferência, que é a quantidade de dados que podem ser transportados por unidade de tempo, mantendo a determinada qualidade de serviço, para qualquer associação, e sob o caso de condições mais desfavoráveis.
A confiabilidade que é a probabilidade que um frame seja perdido em função de congestionamento da rede, e não causado por uma falha física na rede de comunicação. De fato, as falhas decorrentes de falhas físicas podem ser tratadas por meio de redundâncias, porém uma sobrecarga de tráfego pode afetar ambos os caminhos redundantes. Para o atendimento destes requisitos de desempenho, o termo dependabilidade tem sido tradicionalmente utilizado para a proteção da comunicação de dados, embora o termo QoS (Quality of Service) seja mais comumente utilizado no momento na área de comunicação, motivo pelo qual é o termo utilizado.
O tempo de envio requerido depende de cada caso de aplicação, sendo a aplicação mais rigorosa da ordem de poucos milissegundos, requerida para funções de proteção por meio da rede de comunicação. Por exemplo, a IEC 60834-1 requer que 99,99% dos comandos de esquemas de proteção de intertravamento sejam enviados dentro de 10 ms. O projeto adequado de uma rede de comunicação a ser utilizada com os protocolos especificados na IEC 61850 requer o conhecimento dos requisitos da aplicação, além de conhecimento sobre os tempos de resposta por meio de diversos elementos e dispositivos da rede.
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