Arquitectura de comun Protecção, Coma rquitectura de comunicações de Sistemas de Protecção ...

166 Pages·2009·3.01 MB·Portuguese

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EDP Distribuição
AAAnnndddrrrééé LLLeeevvviii dddaaa CCCrrruuuzzz CCCooossstttaaa CCCooorrrrrreeeiiiaaa dddeee MMMooorrraaaiiisss

Dissertação realizada no âmbito do
MMMeeessstttrrraaadddooo IIInnnttteeegggrrraaadddooo eeemmm EEEnnngggeeennnhhhaaarrriiiaaa EEEllleeeccctttrrroootttééécccnnniiicccaaa eee dddeee CCCooommmpppuuutttaaadddooorrreeesss
Major Automação

Orientador: Professor Hélder Leite

Julho de 2009
© André Levi Morais, 2009
ii
Resumo
A evolução tecnológica verificada ao longo das últimas décadas foi um dos factores que
impulsionou o desenvolvimento de novos equipamentos e até paradigmas no que diz respeito
aos sistemas de protecção e controlo das subestações de energia eléctrica. Acompanhada
pelo desenvolvimento das sociedades, este tipo de instalações foi-se expandindo de forma
notória. Assim, surgiram requisitos relativos à concepção de sistemas de protecção cada vez
mais avançados, robustos e confiáveis. Neste sentido, surge como objectivo principal desta
dissertação estudar os actuais Sistemas de Protecção, Comando e Controlo instalados nas
subestações de distribuição relativamente à arquitectura do seu sistema de comunicação.
A dissertação começa com estudo relativo à evolução dos relés de protecção, integração
dos sistemas de protecção e automação duma subestação e principais vantagens e benefícios
da norma de referência aplicável a este tipo de sistemas – a CEI61850. Para além destes
pontos, também é feita uma caracterização dos Sistemas de Protecção, Comando e Controlo
(SPCC) das subestações de distribuição em termos das suas funcionalidades e evolução das
arquitecturas da rede de comunicação. No seguimento da dissertação é feita uma
apresentação dos principais protocolos e tecnologias utilizados na rede de comunicação das
subestações, abordando-se, igualmente, aspectos relacionados com a sua fiabilidade e
segurança. A presente dissertação contempla ainda uma referência a algumas soluções
comerciais para os sistemas de comunicação da subestação propostas por fabricantes com a
Moxa, Ruggedcom e Cisco, terminando com uma apresentação relativa às novas tendências
tecnológicas aplicáveis a estes mesmos sistemas.

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Abstract
The technological evolution observed in last decades was one of the factors that drove
the development of new equipment and even paradigms with regard to protection and control
systems of electric power substations. Accompanied by the development of societies, this
type of plant has been expanding in a remarkable. Thus, there were requirements for the
design of protection systems more advanced, robust and reliable. In this sense, is the main
objective of this dissertation to study the current Protection, Command and Control System
installed in distribution substations.
The dissertation begins with study of the evolution of protective relays, integration of
protection and automation systems and major advantages and benefits of implementing
standard IEC61850. Beyond these points, also is a characterization of Protection, Command
and Control Systems of substations in terms of their features and evolution of the
communication network architectures. Following the dissertation is a presentation of the
main protocols used in communication network substations, also addressing issues related to
their safety and security. This dissertation also includes a reference to some commercial
solutions for the communications systems of substation proposed by manufacturers like Moxa,
Ruggedcom and Cisco, ending with a presentation on new technology trends applicable to
these systems.

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Agradecimentos
Começo por agradecer ao meu orientador, o Professor Hélder Leite, pela confiança e
motivação que em mim depositou, e pelos desafios que me lançou por considerar que tinha
capacidade para os vencer.

Agradeço ao Engenheiro Mário Lemos, ao Engenheiro Filipe Vale e ao Engenheiro Miguel
Santos por toda a disponibilidade e contributo que sempre deram em prol do sucesso deste
trabalho.

A todos os meus amigos, que de forma mais ou menos directa, me ajudaram e motivaram
a nunca duvidar das minhas capacidades e do meu valor.

Aos meus pais e à minha irmã, agradeço de forma muito especial porque sem eles nunca
teria passado por esta experiência.

vii
viii
Índice
Abstract ............................................................................................. v
Agradecimentos .................................................................................. vii
Índice ............................................................................................... ix
Lista de figuras .................................................................................. xiii
Lista de tabelas ................................................................................. xix
Abreviaturas ..................................................................................... xxi
Capítulo 1
Introdução ......................................................................................................... 1

1.1. Estrutura do documento ................................................................................ 2
Capítulo 2
Evolução dos sistemas de protecção ......................................................................... 3

2.1. Relés de protecção ....................................................................................... 3

2.1.1. Relés electromecânicos ......................................................................... 4

2.1.2. Relés electroestáticos ........................................................................... 5

2.1.3. Relés numéricos ................................................................................... 6

2.2. Equipamentos de medida ............................................................................... 9

2.2.1. Transformadores de Tensão .................................................................... 9

2.2.2. Transformadores de Intensidade ............................................................. 10

2.3. Sistemas de protecção e automação das subestações ........................................... 11

2.3.1. Interface entre automação distribuída e sistemas de protecção ...................... 12

2.3.2. Solução integrada para protecção e automação de uma subestação ................. 12

2.3.3. Sistema de automação da subestação baseado na norma CEI61850 ................... 19

2.4. Sumário .................................................................................................. 23
Capítulo 3
Norma CEI61850: Redes de comunicação e sistemas em subestações ................................ 25

3.1. Motivação para a criação da norma CEI61850 ..................................................... 25

3.2. Requisitos do sistema de comunicação da subestação .......................................... 26
ix
3.3. Modelização dos dispositivos da subestação ....................................................... 29

3.4. Protocolos Reais: Mapeamento ...................................................................... 31

3.5. Barramento de processo da subestação (Process Bus) ........................................... 33

3.6. Linguagem de Configuração da Subestação (SCL) ................................................ 34

3.7. Modelo da subestação ................................................................................. 35

3.8. Norma CEI61850: Benefícios e Desafios ............................................................ 36

3.8.1. Principais características ..................................................................... 36

3.8.2. Principais vantagens ........................................................................... 37

3.9. Sumário .................................................................................................. 38
Capítulo 4
Sistemas de Protecção, Comando e Controlo das subestações de distribuição ..................... 39

4.1. Projecto tipo de subestações AT/MT ............................................................... 39

4.1.1. Armários de Comando e Controlo do edifício de comando .............................. 40

4.1.2. Quadros Metálicos de Média Tensão do edifício de comando .......................... 42

4.1.3. Caracterização técnica dos Sistemas de Protecção, Comando e Controlo das

subestações ...................................................................................... 45

4.1.4. Aplicações e serviços dos Sistemas de Protecção, Comando e Controlo ............. 47

4.1.5. Funções de protecção implementadas nas diferentes unidades de painel do

edifício de comando ........................................................................... 49

4.1.6. Funções complementares implementadas em cada unidade de painel do

edifício de comando ........................................................................... 53

4.1.7. Funções de automatismo implementadas em cada unidade de painel do

edifício de comando ........................................................................... 55

4.2. Arquitectura física da rede de comunicação do edifício de comando ........................ 58

4.2.1. Arquitectura do sistema de comunicação da Efacec utilizando o protocolo

LonWorks ......................................................................................... 58

4.2.2. Arquitectura do sistema de comunicação da ABB utilizando o protocolo

LonWorks ......................................................................................... 62

4.2.3. Arquitectura do sistema de comunicação utilizando o protocolo Ethernet .......... 64

4.3. Sumário .................................................................................................. 68
Capítulo 5
Protocolos e especificação do sistema de comunicação dos Sistemas de Protecção, Comando e
Controlo das subestações de distribuição ................................................................. 69

5.1. Redes de comunicação ................................................................................ 69

5.1.1. Camada Física ................................................................................... 71

5.1.2. Camada de Ligação de dados ................................................................. 71

5.1.3. Camada de Rede ................................................................................ 72

5.1.4. Camada de Transporte ........................................................................ 72

5.1.5. Camada de Aplicação .......................................................................... 73

5.2. Ethernet ................................................................................................. 73

5.2.1. Ethernet: Camada Física ...................................................................... 74

5.2.2. Ethernet: Camada de Ligação de dados .................................................... 76

5.2.3. Ethernet Comutada (Switched Ethernet) ................................................... 77

5.2.4. Ethernet Rápida (IEEE802.3u) ................................................................ 82

5.2.5. Gigabit Ethernet (IEEE802.3z) ................................................................ 83

5.3. Transmission Control Protocol e Internet Protocol (TCP/IP) ................................... 89

5.3.1. Protocolo de Internet (IP) ..................................................................... 90

5.4. Virtual Local Area Network (VLAN) ................................................................. 93

5.4.1. VLANs baseadas em grupos de portas ....................................................... 94
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