Publicado em 03 Nov 2020

A conformidade da automação de sistemas de potência

Redação

Muitos acreditam que a rede elétrica inteligente é uma mudança revolucionária no seu funcionamento. Na realidade, é um passo incremental na longa evolução de adicionar automação à rede elétrica. Existem três partes genéricas para o sistema de automação operacional: a estação mestre (localização central/host), os dispositivos de interface remota, comumente chamados de unidades terminais remotas, e o sistema de comunicações. Os primeiros sistemas de controle de supervisão e aquisição de dados (supervisory control and data acquisition - SCADA) foram instalados na década de 1920, em que algumas subestações de alta tensão adjacentes às usinas (também conhecidas como estações geradoras) podiam ser monitoradas e controladas a partir da sala de controle da usina. Isso eliminou a necessidade de pessoal para as subestações 24 horas por dia, sete dias por semana, mesmo que as subestações estivessem a alguma distância da sala de controle da usina. Esses sistemas eram compostos por dois painéis de controle e monitoramento, um na subestação e outro na usina. Eventualmente, o quadro da subestação da usina foi reduzido a um único painel que poderia ser multiplexado para cada um dos painéis de controle da subestação. O controle do gestor da usina - usado para alterar a saída de um gerador - era essencialmente uma operação manual baseada nas instruções do centro de controle do sistema. Depois, as concessionárias começaram a se interconectar para trocar energia elétrica para reduzir os custos operacionais. Com isso, surgiu a necessidade de controlar a geração muito mais de perto, então os computadores analógicos foram desenvolvidos para monitorar e controlar a saída do gerador, fluxos de energia de linha de ligação e frequência. Após isso, os computadores analógicos foram aprimorados para programar a geração de cada gerador para fornecer o menor custo de geração. Essas funções foram chamadas como sistemas de gerenciamento de energia (EMS). Elas foram apoiadas por cálculos manuais offline para determinar qual empresa poderia produzir o próximo bloco de energia com o menor custo. As negociações foram conduzidas entre as concessionárias para definir os cronogramas de fluxo de energia de linha de ligação. Depois disso, os computadores e softwares digitais foram desenvolvidos para substituir os sistemas EMS analógicos. Os aplicativos de software foram desenvolvidos para incluir as funções de análise offline junto com os modelos de análise do sistema de transmissão. Os fornecedores modificaram o sistema operacional do computador para atender ao projeto e cada conjunto de software e o aplicativo era geralmente exclusivo para cada cliente. Portanto, quando os computadores precisavam ser atualizados ou mais funções eram necessárias, todo o sistema mestre tinha que ser substituído. Depois disso, foram desenvolvidos os sistemas operacionais de padrão aberto que suportavam aplicativos em tempo real. Alguns utilitários trabalharam para desenvolver e implantar sistemas de controle hierárquico. Os sistemas de nível inferior monitoravam e controlavam partes das redes de transmissão e distribuição. Isso reduziu o tamanho do banco de dados EMS e a quantidade de informações comunicadas ao sistema. Deve-se entender que já existem técnicas-padrão para avaliar a conformidade de implementações, bem como técnicas específicas de medição a serem aplicadas na determinação de parâmetros de desempenho.

Hayrton Rodrigues do Prado Filho – 

Atualmente, algumas concessionárias estão implantando os sistemas de controle distribuído com centros de controle de transmissão e distribuição de área. Outras concessionárias instalaram a distribution management systems regionais que se comunicam com subestações de distribuição, bem como com dispositivos alimentadores, ou seja, religadores, controladores de banco de capacitores, seccionalizadores e monitores de tensão do alimentador. Hoje, a comunicação com dispositivos alimentadores geralmente é sem fio.

Os processos de manobras de sistemas que são encarregados de gerar, transmitir e distribuir energia elétrica se utilizam da automação para realizar algumas destas tarefas que possam facilitar a vida profissional do operador das áreas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Estes processos às vezes independem do modo em que a energia é obtida, pois podem ser obtidas a partir de sistemas com turbinas a vapor, a gás, eólicas, hidráulicas, etc. Em alguns casos algumas concessionárias executam projetos de subestações denominadas de desassistidas, isto quer dizer que não existem operadores dentro da mesma, o que implica que a automação possui um grau elevado neste tipo de projetos.

Um sistema automatizado deve possuir as seguintes características: poder avaliar uma ocorrência e submeter os procedimentos adotados normalmente por um operador; para contingências defeituosas utiliza-se de sistemas de proteção para isolar a área afetada, garantindo a integridade dos demais equipamentos; poder identificar os componentes envolvidos e comunicar qual deles se encontra afetado; efetuar relatórios que registrem as faltas com o objetivo de possuir históricos que poderão ajudar a evitá-los em futuros projetos; e efetuar os devidos intertravamentos para evitar manobras indevidas e possíveis danos físicos ou perdas de vidas humanas.

O objetivo primordial de um sistema elétrico de potência (SEP) é propiciar o fornecimento de energia elétrica, devendo estar adequado, confiável, sem interrupções e com uma forma determinada de qualidade. Para atingir esse objetivo, a operação dos sistemas de potência envolve muitos estudos interrelacionados, que incluem: os estudos de fluxo de carga ou load flow; os estudos de estabilidade; as análise de faltas; o despacho econômico; a escolha adequada das máquinas a serem colocadas em serviços; o planejamento de manutenção; os requisitos de segurança e reserva flutuante; o controle de carga e frequência ; e a previsão de cargas.

Basicamente, um sistema de potência consiste em um número de nós ou barramentos, os quais estão interligados por linhas. Por um lado, encontram-se conectadas a estes barramentos as unidades geradoras, enquanto que por outro lado e em outros barramentos estão as cargas transformadores, consumidores de carga ativa, motores, entre outros). Podem ser encontrados igualmente em alguns barramentos outro tipo de cargas como condensadores, banco de capacitores, reatores e geradores síncronos.

Assim, a potência é transferida de um barramento para outros através de linhas de conexão alimentando as citadas cargas. Este fluxo de potência rege-se pelas equações do sistema elétrico e o modelo padrão de fluxo depende principalmente da carga, da distribuição da geração e da configuração da rede. A quantidade de potência gerada por cada unidade é condicionada pela sua capacidade e a quantidade de potência que cada linha pode transferir é limitada pelas suas características, o mesmo acontece com cada transformador e os equipamentos que compõem esta rede de energia elétrica.

O SEP é um conglomerado de equipamentos que têm por objetivo alimentar uma determinada carga com um grau de qualidade e dentro da capacidade estabelecida por cada um destes dispositivos. Porém, nem sempre estes equipamentos podem oferecer total garantia de funcionamento, obrigando-os às vezes a efetuar uma manutenção preventiva ou quando menos se espera os mesmos param de funcionar ocasionado uma sobrecarga nos outros equipamentos mais próximos. Portanto, definem-se os seguintes modos de operação: normal, emergência e restaurativo. Um SEP opera na maior parte do tempo no estado que se denomina de normal (região segura).

Algumas contingências simples podem levá-lo para uma região insegura, entretanto controles preventivos adequados podem conseguir reverter esta situação e colocar o sistema numa região segura. Dessa forma, são raras as ocorrências que levam o sistema ao estado de emergência, geralmente causadas por contingências múltiplas graves. Porém, quando isto acontece, o sistema sofre um colapso que pode afetar uma grande parte, o que requer a existência de controles de emergência e de recuperação para recompor o sistema e retorná-lo à denominada região segura.

As subestações elétricas constituem um ponto do sistema elétrico de potência (SEP) onde a energia é transformada, controlada e distribuída. Dessa forma, por serem pontos de operação do SEP, devem possuir ações e comandos coordenados a partir de programas e filosofias de operação, de conformidade com informações coletadas a partir dos sistemas de medição e proteção. Além destes, existem equipamentos de manobra, transmissão de dados e controle.

A NBR IEC 61850-10 de 07/2018 - Redes e sistemas de comunicação para automação de sistemas de potência - Parte 10: Ensaios de conformidade especifica as técnicas-padrão para avaliar a conformidade de implementações, bem como técnicas específicas de medição a serem aplicadas na determinação de parâmetros de desempenho. A utilização destas técnicas aprimorará a habilidade do integrador do sistema para facilmente integrar os intelligent electronic devices (IED), operar os IED corretamente e suportar as aplicações de acordo com o pretendido. A função da organização responsável pelo ensaio de conformidade e na certificação de resultados está além do escopo desta parte.

Essa parte 10 define: os métodos e exemplos de ensaios abstratos para a execução de ensaios de conformidade de dispositivos de clientes, servidores e valores amostrados, utilizados em automação de sistemas elétricos de potência, os métodos e exemplos de ensaios abstratos para a execução de ensaios de conformidade de ferramentas de software de engenharia utilizadas em automação de sistemas elétricos de potência, e os critérios de aceitação dos resultados a serem medidos nos dispositivos, de acordo com os requisitos estabelecidos na IEC 61850-5. Há muitas etapas envolvidas desde o desenvolvimento e produção de um dispositivo até o adequado funcionamento de um sistema completo aderente aos requisitos específicos de um cliente.

As etapas de ensaios apropriados são incorporadas neste processo. O sistema de qualidade de um produtor/fornecedor forma a base para os ensaios confiáveis em atividades de desenvolvimento e produção. Diversos ensaios internos realizados durante o desenvolvimento de um dispositivo (ou parte de um sistema) resultam em ensaio de tipo (ensaio de nível unitário). Estes ensaios são realizados no mínimo pelo fornecedor e, se requerido por normas aplicáveis, por uma autoridade de ensaios independente.

No contexto deste documento, o termo ensaio de tipo é restrito ao comportamento funcional do dispositivo. Ensaios de rotina, realizados de forma contínua durante uma cadeia de produção, são necessários para assegurar a permanente qualidade dos dispositivos entregues, de acordo com os procedimentos de qualidade do fabricante. Um ensaio de conformidade é o ensaio de tipo para comunicação e, simultaneamente, o ensaio relativo ao sistema dos IED incorporados, uma vez que a comunicação estabelece um sistema.

Como uma norma de comunicação global, a série IEC 61850 inclui ensaios de conformidade padrão para assegurar que todos os fornecedores atendam aos requisitos aplicáveis. Ensaios de tipo e ensaios de conformidade não asseguram completamente que todos os requisitos funcionais e de desempenho sejam atendidos. Entretanto, quando propriamente executados, estes ensaios reduzem significativamente os riscos de problemas com alto custo durante a integração do sistema na fábrica ou em campo. Ensaios de conformidade não substituem ensaios relacionados ao sistema específico de projeto, como o ensaio de aceitação em fábrica (factory acceptance test – FAT) e o ensaio de aceitação em campo (site acceptance test – SAT). Os FAT e SAT são baseados em requisitos específicos do cliente para um sistema de automação do sistema de potência dedicado e são realizados pelo integrador de sistema e normalmente acreditados pelo cliente. Estes ensaios aumentam o nível de confiança de que todos os potenciais problemas em um sistema tenham sido identificados e resolvidos. Estes ensaios estabelecem que o sistema de automação do sistema de potência entregue possui desempenho como especificado.

Em geral, ensaios de conformidade do comportamento da comunicação de um IED consideram os requisitos funcionais e de desempenho de aplicações típicas suportadas por estes dispositivos em um sistema de automação. A IEC 61850-4 estabelece uma classificação geral para os ensaios da qualidade, utilizados ao longo desta parte. Ensaios de conformidade demonstram a capacidade do DUT (Device Under Test) operar com outros IED de uma forma específica, de acordo com a série IEC 61850.

Ensaios de conformidade requerem a consideração dos aspectos descritos a seguir. O problema de todos os ensaios é a sua abrangência. O número de cenários pode ser muito grande. Pode ser possível cobrir todos os casos de operação normal, o que pode não ser verdade para todos os casos de falha. É impossível ensaiar todas as configurações de sistema composto pelos IED de diferentes fornecedores mundiais. Portanto, convém que uma arquitetura de ensaios padronizados empregando simuladores de dispositivos seja usada.

A utilização desta arquitetura de ensaio implica em concordância sobre sua configuração e sobre os procedimentos de ensaios aplicáveis, a fim de se alcançarem resultados compatíveis e reproduzíveis. Um modelo de comunicação não padroniza as funções do equipamento em comunicação. Portanto, os modos de falha das funções estão fora do escopo desta parte da série IEC 61850. Mas, tanto a existência de funções distribuídas como o impacto gerado pela resposta das funções nos dispositivos, que estão sobre o fluxo de dados, criam alguma interdependência.

Dependendo da parte da norma em foco, algumas propriedades do dispositivo podem ser comprovadas por informações e documentação fornecidas juntamente com o DUT para o ensaio de conformidade, em vez do ensaio por si só. O ensaio de conformidade estabelece que a comunicação do DUT ocorra de acordo com a série IEC 61850. A série IEC 61850 é focada na interoperabilidade, utilizando dados, funções e modelos de dispositivos, incluindo todos os serviços no nível de aplicação da interface do serviço de comunicação abstrata (abstract communication service interface - ACSI) ou em níveis superiores.

Adicionalmente, são consideradas classes de desempenho. Uma vez que a série IEC 61850 não estabelece novas pilhas de comunicação, a conformidade a todas as sete camadas ISO/OSI pode ser comprovada por documentação de que o software, compatível com a pilha de comunicação com as especificações correspondentes, está implementado e pode ter sido previamente ensaiado e, opcionalmente, certificado. No ensaio de conformidade padrão, somente a aplicação feita de acordo com a ACSI é passível de ser ensaiada.

A fim de assegurar a qualidade durante os ensaios de conformidade, um sistema de garantia da qualidade deve ser implantado. Isto deve ser claramente demonstrado pela organização responsável pelo ensaio. Isto se aplica aos sistemas da qualidade de todos os subfornecedores. Em geral, uma auditoria da qualidade é usada para monitorar e verificar o estado dos componentes durante todas as fases dos ensaios de conformidade.

Para este propósito, inspeções são conduzidas com base nos pontos de espera e pontos de verificação que são indicados pelo promotor do ensaio ou seu representante e com base no plano de inspeção que é fornecido pela organizadora de ensaio. Estas inspeções são relacionadas ao processo e fornecem informação e confiança na qualidade dos ensaios. A supervisão da qualidade reduz os riscos de falha durante o FAT e o SAT.

A organização responsável pelos ensaios fornece para avaliação um plano da qualidade para os ensaios de conformidade. O plano da qualidade para os ensaios de conformidade deve atender aos requisitos da NBR ISO 9001. O plano deve descrever todas as medidas para o escopo do trabalho e/ou entregas nas áreas de orçamento, organização, tempo, informação e qualidade. Há somente um plano para a organização responsável pelos ensaios e seus subfornecedores.

O plano da qualidade para o ensaio de conformidade também deve conter o descrito a seguir. Uma descrição completa e detalhada dos métodos de trabalho. Isto auxiliará a assegurar que todas as atividades verificáveis atendam a todos os requisitos pertinentes e condições estabelecidas no escopo do trabalho durante o tempo permitido. Uma descrição detalhada de todas as tarefas a serem realizadas, incluindo referências ao cronograma, uma visão geral do pessoal envolvido, materiais e métodos de trabalho, assim como métodos e procedimentos pertinentes.

Uma descrição detalhada da organização, incluindo as atribuições, tarefas e responsabilidades do pessoal mencionado durante os diferentes estágios dos programas de ensaio. A descrição deve incluir todos os ensaios, inspeções, pesquisas e auditorias durante os vários estágios dos ensaios e as datas nas quais estes ocorrerão. Estas descrições são parte do plano de ensaio e inspeção. Um método para tratar desvios, alterações e modificações durante todos os estágios do ensaio.

Um procedimento de finalização do ensaio e a descrição da documentação a ser fornecida. O plano de qualidade para o ensaio de conformidade deve conter um plano de inspeção e ensaios. Neste plano, a entidade organizadora de ensaio especifica, para todas as fases dos ensaios: o que será inspecionado, ensaiado e registrado; o propósito das inspeções e ensaios; os procedimentos e padrões para os quais inspeções, ensaios e registros serão executados; os resultados esperados destas inspeções e ensaios; quem efetuará os ensaios, inspeções e registros. A entidade organizadora de ensaio é responsável pelo desempenho correto e em tempo adequado de todas as atividades mencionadas no plano de inspeção e ensaios.

A entidade organizadora de ensaio deve fornecer uma proposta para os pontos de espera, pontos de verificação e pontos de revisão no plano de inspeção e ensaio. Existem vários métodos para efetuar um ponto de espera ou verificação. O promotor do ensaio de conformidade ou um representante pode estar presente durante a execução de um ensaio ou inspeção. Também é possível rever os documentos de qualidade, por exemplo, listas de verificação e documentos de validação e verificação.

Esta revisão pode ocorrer nas dependências da entidade organizadora de ensaio durante a execução de um ensaio, ou a inspeção pode ser feita nas dependências do promotor. Neste caso, a entidade organizadora de ensaio deve fornecer toda a documentação pertinente para o promotor. Todos os pontos de espera e os pontos de verificação devem ser informados pela entidade organizadora de ensaio em um prazo mínimo predefinido antes da realização dos ensaios. Um período mínimo de uma semana é recomendado, dependendo do tempo necessário para providências de viagem e disponibilidade de recursos.

O promotor de um ensaio de conformidade tem o direito de conduzir auditorias no sistema de qualidade da entidade organizadora de ensaio e seus subfornecedores. A entidade organizadora do ensaio deve cooperar e fornecer o acesso a todos os locais aplicáveis para o ensaio de conformidade. O direito do promotor de verificar a qualidade do ensaio de conformidade não desobriga a entidade organizadora de ensaio de suas responsabilidades.

As inspeções e ensaios requeridos pelo promotor do ensaio de conformidade devem ser possíveis em horários mutuamente acordados nos locais, escritórios e fábricas da entidade organizadora de ensaio e todos os terceiros aplicáveis e seus subfornecedores. O processo de avaliação da conformidade é mostrado na figura abaixo. Na figura, as abreviaturas significam: PICS - declaração de conformidade da implementação do protocolo (protocol implementation conformance statement), MICS - declaração de conformidade de implementação do modelo (model implementation conformance statement) e PIXIT - informações adicionais de implementação do protocolo para ensaio (protocol implementation extra information for testing).

O dispositivo sob ensaio (device under test – DUT) deve ser entregue com um arquivo descrição da capacidade do ied (ied capability description- ICD). A entidade de ensaio deve gerar, a partir de um arquivo ICD, o correspondente arquivo SCD baseado na configuração do sistema de ensaio. Se a entidade de ensaio requisitar que o promotor de um ensaio de conformidade também forneça o arquivo SCD, então a entidade de ensaio deve fornecer o arquivo SSD e o arquivo SCD do sistema de ensaio.

Um único dispositivo deve ser ensaiado por um único dispositivo de ensaio. O dispositivo de ensaio pode requerer um gerador de carregamento-base. A definição de carregamento-base está além do escopo desta norma. A utilização de prioridades de acordo com as IEC 61850-8-1 e IEC 61850-9-2 diminui a utilização de simulação de carregamento-base para a troca de informações de tempo crítico para GSE e troca de valores amostrados.

Artigo atualizado em 03/11/2020 05:06.

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