Sociedade Brasileira de Automática (SBA) IX Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos - SBSE 2022, 10 a 13 de julho de 2022 Avaliação do Desempenho da Proteção de Distância Utilizando o Barramento de Processos Paulo Henrique Pinheiro ∗ Bruno W. França ∗ Yona Lopes ∗ ∗ Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Telecomunicações, Universidade Federal Fluminense, RJ, (e-mail: paulopinheiro, bwfranca, yonalopes@id.uff.br). Abstract: The presence of telecommunications and intelligent devices is increasing in electrical systems. With the IEC 61850 standard, the topology of electrical substations is being modified to the known digital substations. These substations are divided into process, bay, and station levels. With this new topology, there is a need for detailed studies about the behavior of protection, control, and supervising functions to analyze if these functions will not lose performance. Protection functions impose significant challenges with the implementation of the process bus. Important evaluation points are the correct operation of these functions, acting time and fault clearing times, and behavior during process bus contingencies. This paper analyzes the dynamic performance of distance protection using the process bus. The main evaluated points are its acting time, fault clearing times, and performance during process bus contingencies. The results show that the use of the process bus presents an error of 1,96 % compared to the conventional topology in the fault clearing time. In the cases considering concurrent traffic in the process bus, the maximum error is 2,38 %, thus concluding that the process bus does not significantly influence the protection performance. Resumo: A presença das telecomunicações e de dispositivos inteligentes vem se tornando cada vez maior dentro dos sistemas elétricos. Com o surgimento da norma IEC 61850, a topologia das subestações elétricas vem sendo modificada para as conhecidas subestações digitais. Essas subestações são divididas em três nı́veis: nı́vel de processo, de vão e de estação. Com essa nova topologia, são necessários estudos detalhados sobre o comportamento de funções de proteção, controle e supervisão para analisar se o desempenho dessas funções não será degradado. As funções de proteção impõem um desafio grande com a implementação do barramento de processos. Pontos necessários de avaliação incluem a correta atuação das funções de proteção, tempo de atuação e de eliminação dos defeitos, comportamento durante contingências na rede de comunicação, entre outros. Esse artigo faz uma análise do desempenho dinâmico da função de proteção de distância utilizando o barramento de processos. Os principais pontos avaliados são: tempo de atuação da proteção, tempo de eliminação do defeito e análise do desempenho da proteção sobre contingências no barramento de processos. Os resultados mostram que a utilização do barramento de processos apresenta um erro de 1,96 % em relação a topologia convencional no tempo de eliminação de falta. Nos casos considerando tráfego concorrente no barramento de processos, o erro máximo encontrado foi de 2,38 %, assim conclui-se que o barramento de processos não influencia significativamente o desempenho da proteção. Keywords: Electrical systems; digital substations; distance protection; IEC 61850; process bus. Palavras-chaves: Barramento de processos; IEC 61850; proteção de distância; sistemas elétricos; subestações digitais. 1. INTRODUÇÃO Os sistemas elétricos estão em constante evolução. Com a atual transição de um cenário tradicional para um cenário de redes inteligentes, uma das principais evoluções é o uso das telecomunicações nos sistemas de energia elétrica. Uma aplicação que vem se destacado é a digitalização das subestações. Desde o surgimento da norma IEC 61850 International Electrotechnical Commission (2003a), a implementação de protocolos de comunicação para determi⋆ Os autores agradem à CAPES pelo suporte financeiro para o desenvolvimento deste trabalho. ISSN: 2177-6164 nadas tarefas vem sendo considerada em novos projetos e também em processos de retrofit de subestações. Os protocolos que são previstos por essa norma são: Manufacturing Message Specification (MMS), Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) e Sampled Values (SV). O MMS é proposto pela ISO 9506 ISO / TC 184 / SC 5 (2003a,b), e a norma IEC 61850 mapeia os seus serviços para aplicações de controle e supervisão. O GOOSE é previsto na parte 8-1 da norma International Electrotechnical Commission (2004a) e é utilizado para troca de informações binárias entre Intelligent Electronic Devices (IEDs). O SV é previsto na parte 9-2 da norma International 1007 DOI: 10.20906/sbse.v2i1.3014 Sociedade Brasileira de Automática (SBA) IX Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos - SBSE 2022, 10 a 13 de julho de 2022 Electrotechnical Commission (2004b) e é utilizado para o envio de sinais analógicos amostrados para dispositivos de proteção e medição. em condições ideais e em condições de contingências. Como um fator comparativo, também é análisado o desempenho da proteção em uma topologia convencional de subestação. As subestações são divididas em três nı́veis funcionais: processo, vão e estação. Esquemas de proteção em subestações convencionais possuem a comunicação entre o nı́vel de processo e de vão através de cabos elétricos, onde são transmitidos sinais de tensão e corrente de forma analógica e também sinais binários através de nı́vel de tensão em Corrente Contı́nua (CC). A comunicação entre dispositivos no nı́vel de vão e entre dispositivos dos nı́veis de vão e de estação ocorriam no barramento de estação, porém com soluções especı́ficas de fabricantes. O artigo é estruturado da seguinte forma: a Seção 2 traz uma revisão de literatura sobre a utilização do barramento de processos em aplicações de proteção de sistemas elétricos. A Seção 3 descreve a estrutura do barramento de processos e dos protocolos de comunicação utilizados nele. A Seção 4 apresenta o cenário de estudo e as contribuições desse trabalho. A Seção 5 apresenta os testes e os seus resultados. Por fim, a Seção 6 traz as conclusões do estudo. Com o surgimento da norma IEC 61850, está ocorrendo uma migração de soluções de comunicação em subestações dependentes de fabricantes para soluções padronizadas de acordo com uma norma internacional, Hossenlopp et al. (2008). A estrutura de redes das subestações digitais se dividem nos barramentos de processo e de estação. O barramento de processo realiza a comunicação entre dispositivos localizados nos nı́veis de processo e de vão, Kanabar et al. (2011). O barramento de estação realiza a comunicação horizontal entre dispositivos no nı́vel de vão e a comunicação vertical entre dispositivos dos nı́veis de vão e de estação, Yang et al. (2011). O funcionamento das funções de proteção deve ser avaliado cautelosamente para evitar atuações incorretas, desligamentos indevidos e blecautes generalizados. Esses incidentes acarretam em inestimáveis prejuı́zos financeiros. A implementação do barramento de processos apresenta uma grande mudança de paradigma no setor elétrico. Assim, antes da implementação efetiva dessa tecnologia, estudos aprofundados devem ser executados. Estudos presentes na literatura analisam o desempenho da utilização do barramento de processo para esquemas de proteção de sistemas elétricos e avaliam os requisitos para o correto funcionamento de cada esquema de proteção, Yang et al. (2011); Kanabar et al. (2011); Soares et al. (2021); Leite et al. (2020); Pereira et al. (2021). Isso implica no estudo do protocolo SV para entender o seu comportamento para diferentes esquemas de proteção, analisar impactos da sua utilização, e também para investigar outras possı́veis aplicações desse protocolo de comunicação. Estudos especı́ficos sobre o desempenho da função de proteção de distância utilizando o barramento de processos ainda carecem de alguns detalhes importantes. Pontos em aberto incluem a análise do efeito de contigências no barramento de processos no desempenho dessa função de proteção e a análise do comportamento dos protocolos de comunicação do barramento de processo com configurações padrões (e.g., sem tag de prioridade e sem configuração de Virtual Local Area Network s (VLANs)). Além disso, poucos artigos fazem estudos considerando o desempenho dinâmico dessa função de proteção Ali et al. (2013); Kanabar et al. (2011). Este artigo analisa o desempenho da função de proteção de distância utilizando o barramento de processos. O desempenho é avaliado em um cenário de uma linha de transmissão real do sistema elétrico brasileiro. Os cenários estudados envolvem o barramento de processos ISSN: 2177-6164 2. REVISÃO DE LITERATURA A implementação do barramento de estação seguindo as orientações da norma IEC 61850 é bem consolidado. Pesquisas recentes vêm avaliando a implementação do barramento de processos para aplicações de proteção e controle. Pontos importantes de avaliação em aplicações de proteção incluem: medição de latência, corrento funcionamento da função de proteção, efeitos de tráfegos concorrentes, efeitos das perdas de pacotes na atuação da proteção. 2.1 Funções de proteção estudadas Diversas funções de proteção vêm sendo investigadas para implementação com barramento de processos. Em Yang et al. (2011) duas funções de proteção, i.e. diferencial de linha (87L) e de distância (21), são avaliadas. O desempenho da operação dessas funções de proteção foi avaliado em termos de segurança, dependabilidade e velocidade de operação. O referido artigo analisa o desempenho da proteção de distância em quatro cenários: (1) (2) (3) (4) Entradas Entradas Entradas Entradas analógicas e trip binário; analógicas e trip via GOOSE; via SV e trip binário; via SV e trip via GOOSE. Através de uma análise estatı́stica foram obtidos os tempos de operação médio e os desvios padrões para as funções avaliadas. Os resultados provaram que o uso do barramento de processos não reduz o desempenho das funções de proteção em comparação com esquemas convencionais. Pontos não avaliados incluem a análise dinâmica da proteção, tendo sido realizados apenas testes estáticos. Além disso, não foi avaliado o efeito de tráfego concorrente na atuação das funções de proteção. Em Jesus and Varghese (2017) foi avaliado um esquema hı́brido de proteção diferencial de linha. Esse esquema hı́brido consiste da implementação de uma topologia convencional em um terminal da linha de transmissão, e no outro terminal é feito a implementação do barramento de processos. Um diferencial desse trabalho é que o barramento de processos é avaliado em condições de baixo carregamento e com carregamento normal da rede. No caso do carregamento normal, a largura de banda utilizada corresponde a metade da capacidade da rede. Em ambos cenários, foi provada a viabilidade técnica da utilização do esquema hı́brido e da implementação do barramento de processos. Os autores em Crossley et al. (2011) analisam um esquema de proteção de linha de transmissão utilizando a função de 1008 DOI: 10.20906/sbse.v2i1.3014 Sociedade Brasileira de Automática (SBA) IX Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos - SBSE 2022, 10 a 13 de julho de 2022 proteção de distância. Os resultados são comparados para os dois terminais da linha de transmissão. Um terminal utiliza a topolgia convencional de uma subestação, e o outro terminal utiliza o barramento de processos. Os resultados provam a viabilidade técnica da implementação do barramento de processos para esse esquema. Os tempos de operação são similares entre ambos os cenários. Apesar dos benefı́cios destacados nesse trabalho, resultados mais detalhados seriam possı́veis através de testes dinâmicos e com a avaliação do efeito de tráfego concorrente na atuação da proteção. Em Ingram et al. (2014), testes com um simulador digital em tempo real avaliam um esquema de proteção diferencial de transformador utilizando o barramento de processos. Nesse artigo foram avaliados o efeito de erros de sincronização temporal e tráfego concorrente no desempenho da proteção. Os resultados apresentados provam que o IED de proteção em análise operou corretamente até mesmo para casos extremos de tráfego de rede atingindo 100% da sua capacidade. Os erros de sincronização além do permitido pela norma IEC 61850 não afetaram de forma significativa o desempenho da proteção. Isso prova que os IEDs podem atingir desempenhos requeridos mesmo em condições extremas. Dois trabalhos que investigam o desempenho da proteção de distância simulando perdas de pacotes SV no barramento de processo são Kanabar et al. (2011) e Ali et al. (2013). Os resultados em ambos os trabalhos demonstram que a perda de pacotes SV impactam a atuação da proteção, gerando atrasos na atuação da mesma. Entretanto, o primeiro trabalho realiza testes com dispositivos emulados e não apresenta muitos detalhes sobre sincronização temporal e configuração da rede. O foco principal é o desenvolvimento de uma medida corretiva para estimar os valores dos sinais de tensão e corrente em caso de perdas dos pacotes. O segundo trabalho (i.e., Ali et al. (2013)) realiza essa análise através de simulações usando o software MATLAB. Sendo assim, é possı́vel notar a carência por testes utilizando dispositivos comerciais de proteção, relógios de rede e dispositivos de testes para validar efetivamente esses impactos de perdas de pacotes e a probabilidade de ocorrência desse evento. Uma metodologia adequada para avaliar o desempenho de funções de proteção é através de testes dinâmicos envolvendo a interação dos dispositivos de proteção. Esses testes podem ser realizados através de simuladores digital em tempo real ou mala de testes, onde é possı́vel a realização de testes em malha fechada. Os autores em Pereira et al. (2021) avaliam uma comparação do desempenho dinâmico da função de proteção diferencial de linha (87L) com testes em malha fechada com uma mala de testes de um fabricante brasileiro. Os testes comparam o desempenho entre a topologia convencional de uma subestação com a utilização do barramento de processos. Os resultados apresentados validam a utilização dos testes em malha fechada para avaliação do desempenho de funções de proteção. Além disso, a comparação entre os dois casos avaliados não apresentou diferenças significativas, provando que o barramento de processos pode ser implementado sem degradar o desempenho da função 87L. ISSN: 2177-6164 Através dessa revisão de literatura é possı́vel perceber que em alguns trabalhos (e.g., Jesus and Varghese (2017); Ingram et al. (2014)) a validação das funções de proteção são feitas considerando o barramento de processos em situações ideais, e com determinados carregamentos de redes. Entretanto, os únicos trabalhos que avaliam os efeitos de perdas de pacotes SV no desempenho da atuação da proteção de distância utilizam dispositivos emulados ou fazem sua análise em softwares de simulação. Isso prova a carência de um trabalho que faça a análise do desempenho dessa função de proteção com dispositivos comerciais.Além disso, a utilização de testes dinâmicos em malha fehcada permite uma avaliação mais detalhada da atuação da função de proteção. 3. O BARRAMENTO DE PROCESSOS O barramento de processos é a interface de comunicação entre dispostivos localizados no nı́vel de processo (e.g., transformadores de instrumento, disjuntores, seccionadoras) e os dispositivos localizados no nı́vel de vão (e.g., IEDs de proteção, IEDs de medição, dispositivos de controle, etc.). A Figura 1 mostra a topologia da subestação digital. Figura 1. Topologia de uma subestação digital. Como é possı́vel ver na Figura 1, o barramento de estação interconecta os dispositivos do nı́vel de vão e os dispositivos no nı́vel de estação. As principais informações que trafegam nesse barramento envolvem medições, intertravamentos e operação Yang et al. (2011). De acordo com a norma IEC 61850-5 International Electrotechnical Commission (2003c), o barramento de processos possui duas interfaces lógicas, interfaces 4 e 5, que servem para comunicação entre os dispositivos do nı́vel de processo e de vão. A interface 4 é utilizada para troca de informações instantâneas entre os transformadores de instrumento e o nı́vel de vão. A interface 5 é utilizada para troca de dados de controle entre o nı́veis de processo e de vão. Os protocolos de comunicação utilizados no barramento de processos são: 1009 • GOOSE: Utilizado para troca de informações de comando e controle; • SV: Envio de amostras digitalizadas de tensão e corrente para o nı́vel de vão; DOI: 10.20906/sbse.v2i1.3014 Sociedade Brasileira de Automática (SBA) IX Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos - SBSE 2022, 10 a 13 de julho de 2022 3.1 GOOSE - Generic Object Oriented Substation Event O protocolo GOOSE é desenvolvido para o envio de mensagens de comando e controle entre dispositivos no nı́vel de vão e entre dispositivos do nı́vel de processo e de vão através de uma rede ethernet. Esse protocolo utiliza do modelo publicador/assinante para envio dos frames ethernet. Esses frames trafegam na camada de enlace do modelo Open Systems Interconnection (OSI) e são enviados utilizando um endereço Media Access Control (MAC) multicast Soares et al. (2021). A estrutura do protocolo possui um campo ethertype para identificação do tipo do protocolo (i.e, 0x88B8 em hexadecimal para protocolo GOOSE). A IEC 61850 ainda define uma faixa de endereços multicast entre 01-0CCD-01-00-00 e 01-0C-CD-01-01-FF. Os primeiros quatro octetos são fixos, e os dois últimos são utilizados para identificar os grupos multicast. Os frames ethernet são enviados periodicamente em curtos perı́odos de tempo e possuem um mecanismo de retransmissão das mensagens para garantir a efetiva entrega da mensagem do IED publicador para o IED ou grupo de IEDs assinante International Electrotechnical Commission (2004a). O mecanismo de retransmissão, mostrado na Figura 2, reenvia a mesma informação aumentando gradualmente o campo SqNum e o tempo de retransmissão até que um novo evento ocorra ou o limite de retransmissão seja atingido. O IED calcula os intervalos de tempo da retransmissão das mensagens de acordo com uma equação definida pelo fabricante. Na ocorrência de algum evento o tempo de retransmissão vai para o seu valor mı́nimo, e esse valor é aumentado gradualmente no tempo. Figura 2. Mecanismo de retransmissão das mensagens GOOSE, modificado de International Electrotechnical Commission (2004a). também é feita através da camada de enlace do modelo OSI. As mensagens SV trafegam de forma unidirecional, ou seja, do dispositivo que está gerando as mensagens para o dispositivo que está recebendo as mensagens. Uma desvantagem é que esse protocolo não possui mecanismo contra falhas na rede de comunicação. Ou seja, na ocorrência de algum erro, a mensagem não será recebida pelo dispositivo que a está assinando. Esse protocolo especifica diferentes taxas de envio de pacotes a depender da aplicação em que esse será utilizado. As possı́veis aplicações envolvem proteção e medição. Cada frame ethernet contém quatro amostras de tensão e quatro amostras de corrente. Essas quatro amostras consistem nos sinais das três fases do sistema elétrico mais o sinal do neutro. Em aplicações de proteção, cada amostra deve chegar rapidamente ao seu destino. A taxa de envio dos frames SV para aplicações de proteção é de 80 amostras/ciclo. Em aplicações de medição, esse requisito temporal é menos crı́tico em relação as aplicações de proteção. A taxa de envio consiste de 256 amostras por ciclo, sendo essas amostras agrupadas em 8 conjuntos e enviadas a uma taxa de 32 mensagens por ciclo Soares et al. (2021). As mensagens SV precisam ser configuradas através de endereços de destino multicast/unicast, e um único endereço de origem deve ser utilizado International Electrotechnical Commission (IEC) (2011). A faixa de endereços multicast recomendada varia de 01-0C-CD-04-00-00 até 01-0C-CD01-FF. O ethertype para as mensagens SV é 0x88BA, opcionalmente esse valor pode ser 0x8100 para definição de VLANs. Através das tags de VLAN também é possı́vel definir tags de prioridade. As tags de VLANs são de acordo com o padrão IEEE 802.1Q Institute of Electrical and Electronic Engineers (2014) e são utilizadas para separar tráfegos de alta prioridade e tempo crı́tico dos tráfegos de baixa prioridade. A tag de VLAN é opcional, caso seja utilizado é necessário configurar o campo VLAN Identifier (VID). Se não for utilizado, o valor padrão do VID é zero. O campo Application Identifier (APPID) é utilizado para selecionar frames contendo mensagens SV e distinguir a associação da aplicação. A faixa de valores reservadas para o APPID varia de 0x4000 até 0x7FFF. O valor padrão é 0x4000. 3.2 SV - Sampled Values 3.3 Sincronismo Temporal O protocolo SV, previsto em International Electrotechnical Commission (2004b); International Electrotechnical Commission (IEC) (2011), envia amostras digitalizadas de tensão e corrente dos transformadores de instrumento para os IEDs. A comunicação com esse protocolo ocorre de forma unilateral e pode ser feita de duas formas. A primeira é utilizando as Merging Units (MUs), que funcionam como conversores de sinais analógicos para sinais digitais e formatam as mensagens seguindo as orientações da norma. A segunda maneira é com os transformadores de instrumento não convencionais (e.g, transformadores de instrumento ópticos) que já enviam os sinais digitalizados para os IEDs. O guia de implementação para interface digital para transformadores de instrumento, conhecida como IEC 618509-2 Ligh Edition (LE) UCA International Users Group (2004), especifica que a sincronização temporal deve ser através de um sinal de 1 pulso por segundo e a fonte de sincronização temporal deve ter uma precisão de ± 1 µs. As amostras de uma MU devem possuir estampa de tempo com uma precisão de classe 4 seguindo a norma IEC 618505 International Electrotechnical Commission (2003c) (i.e., ± 4 µs). Esse protocolo possui restrições temporais crı́ticas para geração e envio das mensagens. Assim, a comunicação ISSN: 2177-6164 Para atingir esses requisitos, o protocolo Precision Time Protocol (PTP)v2, previsto na norma IEEE 1588 Institute of Electrical and Electronics Engineers (2019), fornece a melhor precisão, com erros temporais menores que 100 ns Ingram et al. (2012). 1010 DOI: 10.20906/sbse.v2i1.3014 Sociedade Brasileira de Automática (SBA) IX Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos - SBSE 2022, 10 a 13 de julho de 2022 A norma IEC 61850-1 International Electrotechnical Commission (2003b) define dois tipos de mensagem de sincronização temporal através da rede ethernet: tipo 6a e 6b, referente a sincronização temporal no barramento de estação e barramento de processos, respectivamente. Porém não é clara sobre onde deve ser implementada o tráfego de comunicação dessas mensagens. IEDs comerciais (e.g., SEL 421-7 Schweitzer Engineering Laboratories Inc. (2018)) implementam a sincronização temporal com o protocolo PTP através do barramento de estação. Após a descrição do barramento de processos e dos protocolos de comunicação utilizados, a Seção 4 descrevem o cenário de estudo. (a) 4. CENÁRIO DE ESTUDO Conforme visto em algumas literaturas, a maioria dos testes realizados se baseiam em testes estáticos. O estudo feito nesse artigo considera o modelo de uma linha de transmissão do sistema elétrico brasileiro. Esse sistema é mostrado na Figura 3. Ele foi modelado no software RelaySimTest OMICRON electronics GmbH (2020) para permitir o uso do recurso Iterative Closed-Loop (teste em malha fechada), permitindo uma análise criteriosa da correta atuação da proteção e do tempo de eliminação de falta. (b) Figura 3. Cenário Base para Estudo. Para avaliar o desempenho da proteção de distância e ter um fator de comparação para um caso ideal, serão avaliados três casos distintos, detalhados a seguir: (1) Caso 1 (referência): Sinais de tensão e corrente analógicos e sinal de trip binário; (2) Caso 2: Sinais de tensão e corrente analógicos e trip via GOOSE; (3) Caso 3: Sinais de tensão e corrente via SV e trip via GOOSE. Os três casos são mostrados na Figura 4. O caso 1 é o caso de referência, com a topologia convencial de uma subestação. O caso 2 compara o desempenho da atuação da proteção com o protocolo GOOSE para envio do sinal de trip do disjuntor. Por fim, o caso 3 analisa o desempenho de uma subestação digital. Após a avaliação dos casos ideais, o caso 3 é avaliado isoladamente considerando tráfego concorrente no barramento de processos. O intuito é avaliar possı́veis impactos desses tráfegos na atuação da proteção de distância. Um ponto importante a se ressaltar é que será avaliado a eliminação da falta em apenas de um terminal da linha de transmissão. Sendo assim, não será considerado nenhum esquema de teleproteção nesses testes. Portanto apenas faltas em zona 1 da proteção de distância serão simuladas. ISSN: 2177-6164 (c) Figura 4. (a) Cenário convencional; (b) Cenário com trip via GOOSE; (c) Cenário com implementação completa do barramento de processos. Os equipamentos utilizados, conforme mostrados na Figura 4, serão: uma mala de testes Omicron CMC 356, um IED de proteção SEL 421-7, um relógio de rede SEL 2488 para sincronismo temporal, e dois switches TP-Link TL-SG108E Gigabit Ethernet para comunicação entre os dispositivos. Um dos switches será utilizado para fazer as comunicações no nı́vel de barramento de estação e o segundo switch será utilizado para permitir as comunicações a nı́vel de barramento de processos. A geração de tráfego concorrente será feita utilizando o software Iperf, onde dois computadores se comunicam entre si no barramento de processos utilizando o protocolo User Datagram Protocol (UDP). Através desse protocolo de comunicação, é possı́vel garantir uma taxa de envio 1011 DOI: 10.20906/sbse.v2i1.3014 Sociedade Brasileira de Automática (SBA) IX Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos - SBSE 2022, 10 a 13 de julho de 2022 Tabela 3. Nós lógicos utilizados nos testes. constantes de pacotes na rede de comunicação. Um dos computadores se comportou como cliente e o outro como servidor. A topologia dos testes considerando tráfego concorrente é mostrada na Figura 5. Função Trip de disjuntor Estado do disjuntor Corrente fase A Corrente fase B Corrente fase C Tensão fase A Tensão fase B Tensão fase C Nó Lógico SEL 421 1/CFG/LLN0/GPub01.PRO.TRIPPTCRC1.Tr.general CMC356/CFG/LLN0/CBRK.PRO.BK1AXCBR1.Pos.stVal CMC356/CFG/LLN0/MSVCB01.MU01.IAWTCTR1.Amp.instMag.i CMC356/CFG/LLN0/MSVCB01.MU01.IBWTCTR2.Amp.instMag.i CMC356/CFG/LLN0/MSVCB01.MU01.ICWTCTR2.Amp.instMag.i CMC356/CFG/LLN0.MSVCB01.MU01.VAYTVTR1.Vol.instMag.i CMC356/CFG/LLN0.MSVCB01.MU01.VBYTVTR2.Vol.instMag.i CMC356/CFG/LLN0.MSVCB01.MU01.VCYTVTR3.Vol.instMag.i de trip é transmitido do IED SEL 421-7 para a mala de testes. O nó lógico de estado de disjuntor é transmitido da mala de testes para o IED SEL 421-7 para indicar a abertura desse equipamento para o IED de proteção. Os nós lógicos referentes as mensagens SV são transmitidos da mala de testes para o IED SEL 421-7. Após a descrição dos cenários de testes, a Seção 5 apresenta os resultados. 5. TESTES E RESULTADOS Todos os resultados apresentados nessa seção são referentes ao terminal A do sistema elétrico estudado. 5.1 Comparação entre casos avaliados Figura 5. Cenário de testes com tráfego concorrente no barramento de processos. 4.1 Dados do Sistema Elétrico O sistema elétrico foi modelado a partir de informações reais do sistema elétrico brasileiro. Essas informações foram extraı́das da base de dados do Operador Nacional do Sistema (ONS) e a Tabela 1 apresenta essas informações. Os dados de ajuste das fontes de tensão são fornecidos na Tabela 2. Tabela 1. Dados do sistema elétrico equivalente Dados Linha de transmissão Linha de transferência Reator de linha terminal A Reator de linha terminal B Reator de barra terminal A Reator de barra terminal B Fonte de tensão A Fonte de tensão B R1 (Ω) 5,8604 12,295 2,0126 2,0635 X1 (Ω) 86,264 109,69 1250 1666,7 2500 1666,8 18,181 33,168 B1 (mS) 1,9725 - R0 (Ω) 140,01 7,0072 12,141 4,4118 X0 (Ω) 498,01 9,5849 1250 1666,7 2500 1666,8 60,401 35,995 Os primeiros resultados apresentados são referentes ao tempo de eliminação de falta comparando os cenários 1, 2 e 3 mostrados na Figura 4, sem considerar contingências no barramento de processos e levando em conta o tempo de abertura do disjuntor. Para avaliar os tempos de eliminação do curto-circuito, as simulações foram repetidas 100 vezes para cada caso considerado. Os resultados são avaliados em termos dos tempos médio de eliminação de falta e um intervalo de confiança de 95% para cada caso. Assim é possı́vel obter uma faixa de valores plausı́veis dos tempos de eliminação do curto-circuito. Todos esses resultados são mostrados na Figura 6. B0 (mS) 1,139 - Tabela 2. Ajuste das tensões das fontes equivalentes Barra Fonte A Fonte B Tensão (kV) 545 550 Ângulo (º) 19 41 Figura 6. Comparação entre os três casos estudados sem contingências no barramento de processos. 4.2 Configurações IEC 61850 O cenário de teste com trip via mensagens GOOSE e o cenário de subestação digital demandam a utilização de nós lógicos especı́ficos de acordo com a norma IEC 61850. A Tabela 3 demonstra os nós lógicos utilizados e a função de cada um. O funcionamento da estrutura de comunicação utilizando os nós lógicos da Tabela 3 é da seguinte forma: a mala de testes está representando o sistema elétrico, logo o sinal ISSN: 2177-6164 Para complementar a análise dos resultados, a Figura 7 mostra dois registros de oscilografias para efeito de comparação de um cenário convencional e um cenário utilizando o barramento de processos. Analisando as Figuras 6 e 7, é possı́vel perceber que o tempo de eliminação de falta não sofre grandes impactos ao utilizar o barramento de processos. O cenário com o menor tempo médio de eliminação de falta foi o cenário 2, com um erro de 3,21 % em relação ao caso 1. O cenário 3 que é o cenário a ser considerado para implementações futuras é o cenário com maior tempo médio de eliminação de falta, com um erro de 1,96 % em relação ao cenário de referência. Apesar dessa diferença, o 1012 DOI: 10.20906/sbse.v2i1.3014 Sociedade Brasileira de Automática (SBA) IX Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos - SBSE 2022, 10 a 13 de julho de 2022 caso 3 é totalmente possı́vel de ser implementado considerando condições ideais do barramento de processos. (a) Sinais analógicos e trip binário. o caso 1 da Seção 5.1 foi de 2,38 %, ou seja, mesmo em situações de sobrecarga total da rede de comunicação, o tempo de eliminação do curto-circuito não é afetado significativamente. Através do cálculo do intervalo de confiança é possı́vel perceber que esse tempo também não sofre grandes variações. Para dar mais suporte aos resultados apresentados, a Figura 9 apresenta a variação da impedância do loop de falta responsável pela eliminação da falta fase-terra que foi considerada para essa análise considerando os cenários ideal e com carregamento total da rede de comunicação. (b) Sampled values e trip via GOOSE. Figura 7. Comparação entre cenário convencional e cenário de subestação digital. Após a apresentação dos resultados comparando os 3 casos estudados, os próximos resultados são em relação ao efeito do tráfego concorrente no barramento de processos. 5.2 Análise do efeito de tráfego concorrente no barramento de processos O tráfego concorrente foi implementado com a utilização do protocolo UDP entre dois computadores conectados através do barramento de processos. A capacidade máxima de tráfego de comunicação da rede em questão é de 100 Mbits/s. O tráfego UDP foi aumentado gradativamente de 10 em 10 Mbits/s. Para cada intervalo analisado os testes de proteção foram repetidos 100 vezes. Como resultado dessa análise, também foram calculados o valor médio do tempo de eliminação do curto-circuito e o intervalo de confiança de 95% para cada cenário com tráfego concorrente analisado. Os resultados são apresentados na Figura 8. Figura 8. Análise do efeito de tráfego concorrente no barramento de processos. Através dos resultados apresentados na Figura 8, o erro máximo do tempo de eliminação de falta comparado com ISSN: 2177-6164 Figura 9. Comparação da variação da impedância com cenário ideal e com carregamento da rede de comunicação. Com os resultados apresentados verifica-se que a função de proteção de distância utilizando barramento de processos funciona corretamente mesmo em situações extremas de contigências da rede de comunicação. Após a apresentação dos resultados, a Seção 6 apresenta as conclusões do trabalho. 6. CONCLUSÃO Este trabalho descreveu o funcionamento de esquemas de proteção em subestações convencionais e abordou a migração para o cenário das subestações digitais implementando o barramento de processos e o barramento de estação com protocolos de comunicação padronizados pela IEC 61850. Foi apresentada uma avaliação sobre o desempenho dinâmico da proteção de distância comparando o tempo de eliminação de curto circuito em uma linha de transmissão modelada no software RelaySimTest considerando três diferentes cenários, desde uma topologia convencional de subestação até a topologia de uma subestação digital. Através dos testes realizados foi verificado a viabilidade da implementação do barramento de processos. Uma análise posterior avalia o impacto de tráfegos concorrentes no barramento de processos na atuação da função de proteção de distância. Foi verificado que mesmo em situações de carregamento total da rede de comunicação, o tempo de eliminação da falta não é afetado significativamente. Dois trabalhos apresentados na Seção 2 avaliam impactos da perdas de pacotes SV na atuação da proteção de distância. Entretanto, os testes com equipamentos comerciais apresentados nesse trabalho comprovam que o tráfego de 1013 DOI: 10.20906/sbse.v2i1.3014 Sociedade Brasileira de Automática (SBA) IX Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos - SBSE 2022, 10 a 13 de julho de 2022 mensagens SV não é afetado por situações de carregamento total da rede de comunicação. As principais contribuições desse trabalho são: apresentação da implementação das subestações full digitais, análise de possı́veis impactos na atuação de funções de proteção e a avaliação da viabilidade técnica da implementação do barramento de processos. Pontos importantes em aberto para futuras discussões incluem impacto da perda de frames SV durante falhas na rede de comunicação, análise do desempenho de protocolos de recuperação de rede e de diferentes priorizações para os protocolos de comunicação utilizados no barramento de processos. REFERÊNCIAS Ali, I., Thomas, M.S., and Gupta, S. (2013). 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