Aula 03 - Arquitetura IEC 61850

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Proteção de Sistemas 
Elétricos de Potência
Disciplina: Tópicos Especiais I – Norma IEC 
61850
Agenda
• Visão geral sobre a norma IEC 61850;
• Redes de computadores;
• Arquitetura de rede segundo a IEC 61850;
• Modelagem de dados: organização dos dados nos IEDs;
• Protocolos: GOOSE, MMS e SV;
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Agenda
• Linguagem de programação: XML e os arquivos ICD, CID e SCD;
• Protocolo de sincronismo de tempo: SNTP;
• Projetos de automação para subestações;
• Segurança de rede nas subestações;
• Prova
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Arquitetura IEC 61850
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A Pirâmide de Automação
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A Pirâmide de Automação
– Nível 0: é o nível do chão de fábrica, onde estão os dispositivos
sensores, atuadores. É a comunicação em HART, PROFIBUS,
DeviceNet;
– Nível 1: é o nível onde estão os controladores (PLCs e DCS);
– Nível 2: é o nível de supervisão do processo (sistemas SCADA),
historiadores de dados (PIMS);
– Nível 3: é o nível do MES (Manufacturing Execution System) – sistema
de gerenciamento da produção. Transforma dos dados operacionais do
nível 2 em informações para a tomada de decisão;
– Nível 4: é o nível de gestão do negócio (sistemas ERP).
• A pirâmide de automação faz a segmentação dos dispositivos na
rede industrial;
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Níveis de Operação na SE
• Nível 3 – Supervisão e controle remoto;
• Nível 2 – Supervisão e controle local;
• Nível 1 – IEDs ou painéis de controle;
• Nível 0 – Equipamento de Campo
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Níveis de Operação na SE
• Nível 1
– Relés e controladores com visores, indicadores e inúmeras estruturas de controle;
– SE´s mais antigas ainda possuem mesas de operação e painéis de controle;
– Já agrega alguma segurança ao trabalhador, mas não uma visão geral da
subestação;
– Intertravamentos podem ser realizados para se evitar acionamentos indevidos;
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Níveis de Operação na SE
• Nível 2
– IHM – Interface Homem Máquina provê uma visão geral da SE. Pode ser um
software SCADA ou até um hardware dedicado;
– Concentradores de dados ou gateways de comunicação também estão neste
nível;
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Níveis de Operação na SE
• Nível 3
– Mais alto nível de supervisão;
– Centro de controle de várias SE´s;
• Poucas telas gráficas para cada subestação;
• Funções comumente indicadas: manobra (estado dos equipamentos),
proteção (atuações por bay) e comunicação geral (estado dos IEDs)
– Armazenamento de informações em banco de dados históricos: eventos,
ações dos operadores, leitura dos medidores;
– Software de gestão de energia (EMS – Energy Management System);
• Controle do fluxo de potência de toda a planta;
• Pode incluir ambiente de simulação para os operadores
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Níveis de Operação na SE
• Nível 3
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Arquitetura IEC 61850
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Arquitetura IEC 61850
• Nível de Estação: fornece uma visão geral em toda a subestação e está
localizado em geral em uma sala de controle. Inclui IHMs, Estações de
Engenharia e Operação, Servidores master e backup, receptores GPS, etc;
• Nível de Bay: onde são realizados os trabalhos de manutenção dentro dos
vãos (baias ou bays). Normalmente estão perto dos equipamentos de
proteção elétrica. Inclui IEDs de Proteção e Controle para diferentes
equipamentos como disjuntores, transformadores e bancos de capacitores.
Equipamentos nesse nível são chamados de equipamentos secundários;
– Definição de Bay (baias): subpartes estreitamente conectadas com
algumas funcionalidades comuns. Representa um nível de controle
adicional abaixo no nível de estação;
• Nível de Processo: fornece a interface entre o SAS e os equipamentos de
proteção elétrica. O nível de processo inclui equipamentos primários como:
TCs / TPs, remotas I/O, atuadores, “merging units” etc.
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Arquitetura IEC 61850
• Nível de Estação: onde estão as estações de
supervisão do sistema elétrico. Comunicação
via protocolo MMS;
• Nível de Processo: é o nível de leitura de
instrumentos e dispositivos. Podem ser
utilizados os protocolos GOOSE ou SV;
• Nível de Bay: é o nível de comunicação entre
os IEDs. Comunicação via protocolo GOOSE;
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Arquitetura IEC 61850
• O modelo definido pela IEC 61850 é baseado em redes de comunicação e
composto por 02 barramentos de interligação de seus níveis:
– Barramento de Processo
• Tem como principal função fazer a interligação dos IEDs
tornando possível a transmissão de informações de proteção e
controle.
• São ligados também neste barramento controladores providos de
entradas e saídas permitindo o monitoramento e comando de
disjuntores e chaves seccionadoras.
• Os valores amostrados de medições de TCs e TPs são outros
dados que trafegam nesse barramento.
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Arquitetura IEC 61850
• O modelo definido pela IEC 61850 é baseado em redes de comunicação e
composto por 02 barramentos de interligação de seus níveis:
– Barramento de Estação:
• tem como principais funcionalidades interligar os dispositivos de
supervisão (IHM) permitindo a operação, monitoramento e
processamento de alarmes.
• Além disto, permite a interligação com um centro de controle
remoto e acesso da engenharia aos IEDs;
• As comunicação podem ser verticais, realizadas entre níveis hierárquicos
diferentes, ou horizontais, quando ocorrem no mesmo nível;
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Subestação IEC 61850
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Arquitetura IEC 61850
• Arranjo físico:
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Arquitetura IEC 61850
• Variações do arranjo físico:
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Topologia de Rede IEC 61850
• A norma descreve diversas topologias
– “Essas referências de topologias foram escolhidas baseadas em práticas
comuns em SAS desde pequenos sistemas de distribuição a grandes
subestações com múltiplos níveis de tensão. Elas são representativas dos
diversos problemas de rede descritos neste documento”.
– Não existe uma “melhor” topologia de rede e nem “melhor” protocolo de
redundância;
– Todos possuem seus pontos fracos e fortes e a escolha correta para uma
determinada aplicação depende de vários fatores.
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Topologia de Rede IEC 61850
• A norma descreve diversas topologias
– Cada rede de comunicação é construída com uma topologia diferente;
– A topologia de rede é separada nos diferentes níveis da subestação por razões
de segurança e disponibilidade;
– Importante se utilizar recursos de QoS (Quality of Service) para restringir a
largura de banda de algumas aplicações e a segmentação em VLANs para
limitação dos domínios de broadcast;
– A topologia de rede deverá garantir que os dados de proteção sejam
transmitidos com segurança em qualquer circunstância;
• As redes devem possuir esquemas de redundância!
• A redundância é uma maneira de se aumenta a confiabilidade , mas deve
ser feita com cuidado para não comprometer o desempenho da rede.
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Topologia de Rede IEC 61850
• Um parâmetro chave para o projeto de uma rede redundante é quanto
tempo uma aplicação da subestação tolera uma interrupção devido à
recuperação de uma falha sem consequências para a subestação;
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Topologia de Rede IEC 61850
• A IEC 61850-5 especifica os diferentes requisitos sobre o tempo de
recuperação entre o barramento de estação e o barramento de processo;
• Se um quadro IEC 61850 não for recebido em tempo hábil, ele perde sua
utilidade. Uma informação atrasada pode ser pior do que uma perdida;
• Uma rede deve ser projetada desde o início com total redundância para
utilizar os serviços de comunicação completos conforme definido pela IEC
61850;
• Vários protocolos fornecem redundância de rede parcial ou total. Os
conceitos são descritos na IEC 62439-1. Foco principal em RSTP (Rapid
Spanning Tree Protocol), PRP (Parallel Redundancy Protocol) e HSR (High
Availability Seamless Redundancy) para subestação baseada em IEC
61850.
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Topologia de Rede IEC 61850
• Topologias:
– Estrela;
– Anel;
– Múltiplos Anéis
– Híbrido;
• Tecnologias de redundância:
• RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol),
• PRP (Parallel Redundancy Protocol),
• HSR (High Availability Seamless Redundancy);
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Topologia de Rede IEC 61850
• Topologia em Estrela
– Utiliza um switch central para concentrar as ligações dos demais switches;
– Facilidadede manutenção, expansão e baixa latência;
– Problema: Falha no switch central paralisa toda a comunicação;
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Topologia de Rede IEC 61850
• Topologia em Anel
– Provê a redundância através de um caminho de comunicação alternativo;
– Necessita de um protocolo de redundância como o RSTP ou HSR;
– Um dos caminhos fica bloqueado para não haver loop das mensagens
transmitidas;
X
Um dos caminhos fica bloqueado é só ativado em caso de um 
evento que interrompa o caminho original.
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Topologia de Rede IEC 61850
• Topologia de Múltiplos Anéis
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Topologia de Rede IEC 61850
• Topologia Híbrida
– Topologia em anel + switch de comunicação central;
– Alta disponibilidade;
– Maior complexidade e, consequentemente, maior tempo de convergência;
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Topologia de Rede IEC 61850
• Protocolo de Redundância: RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol)
– IEC 61850-90-4;
– Versão rápida do protocolo STP (Spanning Tree Protocol);
– Durante o seu funcionamento somente uma rota fica ativa. A outra fica
em stand-by até que um problema seja detectado, como a queda de um
dos links no caminho de comunicação;
– Convergência entre 250 ms até 12 s dependendo da topologia de rede
e quantidade de equipamentos na rede.
– Tempo de convergência não é possível determinar. Dependerá até do
ponto onde ocorreu a falha!
– Tempo alto para proteção! GOOSE deve ser enviado em até 10 ms. 29
Topologia de Rede IEC 61850
• Protocolo de Redundância: RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol)
X
Caminho Bloqueado!
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Topologia de Rede IEC 61850
• Protocolo de Redundância: RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol)
Ponto de Falha
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Topologia de Rede IEC 61850
• Protocolo de Redundância: HSR (High Availability Seamless
Redundancy)
– Protocolo de redundância que só funciona para redes em anel;
– A informação é enviada duas vezes pelo IED – uma para cada sentido
do anel;
– IED deve possuir duas portas de rede;
– Tráfego duplicado na rede;
– Destinatário aceita o primeiro pacote recebido e descarta o segundo;
– Não há tempo de convergência, pois a informação já está
trafegando! Tempo de recomposição nulo.
– Não há duplicidade do meio físico;
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Topologia de Rede IEC 61850
• Protocolo de Redundância: HSR (High Availability Seamless
Redundancy)
Informação é enviada em ambos os sentidos. No caso 
de falha em um lado, não há perda de informação!
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Topologia de Rede IEC 61850
• Protocolo de Redundância: PRP (Parallel Redundancy Protocol)
– Implementa a redundância física – duplicidade de hardware e links de
comunicação;
– Duas redes paralelas e idêntica (dupla estrela);
– A falha de uma rede não interfere na outra, pois não são interligadas;
– Não há tempo de convergência pois os dados são enviados de
forma duplicada nas duas redes;
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Topologia de Rede IEC 61850
• Protocolo de Redundância: PRP (Parallel Redundancy Protocol)
Falha em um caminho 
não tem impacto
X
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Topologia de Rede IEC 61850
• RedBox ou Redundancy Box
– Dispositivo capaz de converter os
pacotes oriundos das redes PRP ou
HSR para troca de mensagens com
dispositivo que não se comunicam
nestes protocolos;
– Faz a transição da rede comum
para a rede PRP/HSR;
– Quando um dispositivo fora da rede
PRP/HSR envia a mensagem, a
RedBox duplica os pacotes e os
envia das duas LANs;
– Quando um dispositivo fora da rede
PRP/HSR for receber, a RedBox
descarta os quadros duplicados.
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Topologia de Rede IEC 61850
• RedBox ou Redundancy Box
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Cisco IE 4000
Cisco IE 5000
Funções do Sistema de Automação 
de Subestações (SAS)
• A adoção da IEC 61850 possibilita a implementação de um sistema de
automação distribuído através da divisão de funções em diversos
dispositivos;
• Funções de um SAS representam as tarefas que devem ser executadas na
subestação: controle, monitoramento e proteção dos equipamentos;
• Funções auxiliares: configuração do sistema, gerenciamento de
comunicação, gerenciamento de software, etc;
• Funções são distribuídas nos diferentes níveis de arquitetura propostos
pela IEC 61850 (processo, bay e estação);
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Funções do Sistema de Automação 
de Subestações (SAS)
• A alocação de funções nos IEDs não é fixa. Ela irá depender de requisitos
de disponibilidade, performance, restrições de custo, filosofia de utilização,
etc.
• As funções podem ser divididas em partes executadas em diferentes IEDs,
mas comunicando-se entre si (função distribuída). O comportamento de
comunicação de tais partes é chamada de nó lógico (LN);
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Funções do Sistema de Automação 
de Subestações (SAS)
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Funções do Sistema de Automação 
de Subestações (SAS)
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Funções do Sistema de Automação 
de Subestações (SAS)
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Funções do Sistema de Automação 
de Subestações (SAS)
• Funções do nível de processo: são as funções que realizam a interface
entre nível de processo e o nível de bay;
– Dispositivos geralmente são: interfaces de entradas e saídas remotas,
sensores, atuadores inteligentes, etc;
– Dispositivos são integrados aos níveis superiores da arquitetura SAS
pelo barramento de processo.
• Interface 4: troca instantânea de dados de TC e TP (amostras) entre
nível de processo e nível de bay;
• Interface 5: troca de dados de controle entre nível de processo e bay;
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Funções do Sistema de Automação 
de Subestações (SAS)
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Funções do Sistema de Automação 
de Subestações (SAS)
• Funções do nível de bay: são as funções que utilizam os dados deste
nível e atuam principalmente no equipamento primário do bay;
– Dispositivos geralmente são: unidades de controle, proteção ou
monitoramento por bay;
• Interface 3 (dentro no nível de bay): troca de dados no nível de bay;
• Interface 4 e 5: comunicação com o processo;
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Funções do Sistema de Automação 
de Subestações (SAS)
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Funções do Sistema de Automação 
de Subestações (SAS)
• Funções do nível de estação: são divididas em dois tipos – processo ou
interface;
– Funções relacionadas ao processo: utilizam a informação de mais de
um bay ou da subestação completa para atuação;
• Interface 8: troca direta de dados entre os bays para funções
rápidas, como intertravamento;
– Funções relacionadas a interface: representam a interação do SAS
com: IHM (Interface Homem-Máquina) do operador local; centro de
controle remota; estação de engenharia remota para monitoramento e
manutenção;
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Funções do Sistema de Automação 
de Subestações (SAS)
– Funções relacionadas a interface:
• Dispositivos são computadores com banco de dados, estações de trabalho
do operador, interfaces para comunicação remota, etc;
• Interface 1: troca de dados de proteção entre o nível de bay e o nível de
estação;
• Interface 6: troca de dados de controle entre nível bay e nível de estação;
• Interface 7: troca de dados da subestação e a estação de trabalho remoto
(engenharia);
• Interface 9: troca de dados dentro do nível de estação;
• Interface 10: troca de dados de controle entre a subestação e um centro de
controle remoto (operação);
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Funções do Sistema de Automação 
de Subestações (SAS)
– Interface 2: troca de dados de proteção entre o nível de bay e a
proteção remota (nível de bay de outra SE alocada remotamente);
Proteção Remota
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Funções do Sistema de Automação 
de Subestações (SAS)
• É necessária a presença de todas as funções em uma subestação?
– Não! Cada subestação tem suas particularidades e serão utilizados
caso a caso;
– Interfaces 1, 3, 6, 8 e 9 são frequentemente combinadas com o
barramento de estação, pois este conecta o nível de estação ao nível
de bay;
– Interfaces 4 e 5 são combinadas com barramento de processo, que
conecta o nível de bay ao nível de processo;
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Referências Bibliográficas
• IEC61850, Communication networks and systems in substations. 2003.
• Universidade SEL, Introdução à automação de subestações. 2017.
Contato
• Prof. Flávio Andrade Costa
• Email: flavioac@me.com
• Telefone: (31) 98738-1406
51
mailto:flavioac@me.com