Comunicação de dados de medição, controle e proteção em subestações digitais usado a norma IEC 61850

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo sobre a comunicação de dados de medição, controle e proteção em subestações digitais, utilizando a norma IEC 61850, destacando sua importância para a interoperabilidade entre dispositivos eletrônicos inteligentes (IEDs) e a automação do sistema elétrico de potência. Inicialmente, aborda-se a evolução das subestações e os principais equipamentos envolvidos, como transformadores de corrente e potencial, disjuntores e chaves seccionadoras, além da transição dos relés eletromecânicos para relés digitais, que possibilitaram maior precisão e integração com sistemas de supervisão e controle. Em seguida, são explorados os protocolos de comunicação mais utilizados, como Fieldbus, Ethernet e TCP/IP, bem como os modelos OSI e suas camadas, fundamentais para entender a estrutura de transmissão de dados. O estudo aprofunda-se na norma IEC 61850, descrevendo sua arquitetura, modelo de dados orientado a objetos, linguagem de configuração SCL (System Configuration Language) baseada em XML (Extensible Markup Language), os principais serviços, como GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) e SVs (Sampled Values), que garantem baixa latência e alta confiabilidade na troca de informações críticas, e a topologia de redes para a redundância de comunicação entre os dispositivos e controle do tráfego de dados. Também são discutidos aspectos práticos da implementação, incluindo a simulação de mensagens GOOSE e SV por meio do emulador da SAMU (Stand-Alone Merging Unit), desenvolvido no Visual Studio 2022®, integrado à norma IEC 61850, e a análise do tráfego de pacotes utilizando o Wireshark®. Além disso, é apresentada a metodologia Hardware-in-the-Loop (HIL), que permite testar algoritmos de controle em condições realistas com baixo custo e alta fidelidade, reduzindo riscos e acelerando o desenvolvimento.

This work presents a study on data communication for measurement, control, and protection in digital substations using the IEC 61850 standard, highlighting its importance for interoperability among Intelligent Electronic Devices (IEDs) and the automation of the electric power system. Initially, it addresses the evolution of substations and the main equipment involved, such as current and voltage transformers, circuit breakers, and disconnect switches, as well as the transition from electromechanical relays to digital relays, which enabled greater accuracy and integration with supervision and control systems. Next, the most commonly used communication protocols are explored, such as Fieldbus, Ethernet, and TCP/IP, as well as the OSI models and their layers, which are fundamental for understanding the data transmission structure. The study delves into the IEC 61850 standard, describing its architecture, object-oriented data model, SCL configuration language based on XML (Extensible Markup Language), and the main services, such as GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) and SVs (Sampled Values), which ensure low latency and high reliability in the exchange of critical information, and the network topology for communication redundancy between devices and data traffic control. Practical aspects of implementation are also discussed, including the simulation of GOOSE and SV messages through the SAMU (Stand-Alone Merging Unit) program developed in Visual Studio, integrated with the IEC 61850 standard, and the analysis of packet traffic using Wireshark®. Furthermore, the Hardware-in-the-Loop (HIL) methodology is presented, which allows testing control algorithms under realistic conditions at low cost and high fidelity, reducing risks and accelerating development.