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  • ULISSES CHEMIN NETTO

    Determinao de um Parmetro para Monitoramento

    do Desempenho de Mensagens GOOSE do Padro IEC

    61850 Utilizadas em Subestaes de Energia Eltrica

    Tese apresentada Escola de Engenharia de So Carlos daUniversidade de So Paulo, como parte dos requisitos paraobteno do ttulo de Doutor em Cincias pelo Programa deEngenharia Eltrica.

    rea de Concentrao: Sistemas Eltricos de PotnciaOrientador: Prof. Tit. Denis Vinicius Coury

    Trata-se da verso corrigida da tese. A verso original se encontra disponvel naEESC/USP que aloja o Programa de Ps-Graduao de Engenharia Eltrica.

    So Carlos2012

  • AUTORIZO A REPRODUO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO,POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRNICO, PARA FINSDE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

    Chemin Netto, Ulisses C517d Determinao de um Parmetro para Monitoramento do

    Desempenho de Mensagens GOOSE do Padro IEC 61850Utilizadas em Subestaes de Energia Eltrica. /Ulisses Chemin Netto; orientador Denis VinciusCoury. So Carlos, 2012.

    Tese (Doutorado) - Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica e rea de Concentrao em SistemasEltricos de Potncia -- Escola de Engenharia de SoCarlos da Universidade de So Paulo, 2012.

    1. Gerncia de Redes. 2. IEC 61850. 3. Intelligent Electronic Devices. 4. Local Area Network. 5. MensagemGOOSE. 6. Proteo Digital. 7. Redes NeuraisArtificiais. 8. Sistemas Eltricos de Potncia. I.Ttulo.

  • iv

  • Dedicatria

    A minha amada av Romilda Chemin, in memo-

    rian.

  • vi

  • vii

    Agradecimentos

    Para a minha querida famlia, por todo o apoio, carinho, incentivo, orientao e alegrias partilhadas,em particular aos meus amados pequenos brbaros por tornarem este tio um homem melhor.

    A minha amada esposa e companheira Aline, por estar ao meu lado, me incentivar, apoiar, partilhardesafios, problemas e vitrias, por ser uma grande conselheira e amiga, por todo o carinho e cuidados epela maravilhosa vida que construmos juntos.

    Ao meu amigo de longa data Giancarlo, por toda a ateno, apoio, comprometimento, se colocandoa disposio, e por no medir esforos para que a etapa laboratorial desta pesquisa fosse realizada.

    A Maintenance Service Engenharia de Manuteno Ltda., representada pelos seus diretores EdgarLuis Predabom, Mrio Fernando Krebs Baltar e Srgio Luis Rossetto pela amizade, confiana no meutrabalho e por colocarem a disposio recursos que foram fundamentais para a realizao desta pesquisa.

    Ao prof. Tit. Denis Vinicius Coury, pela excepcional orientao, tanto profissional quanto pessoal,por todas as oportunidades, apoio, desafios colocados e pela excelente parceria ao longo destes 6 anos detrabalho conjunto. A sua contribuio foi fundamental para a minha formao como pesquisador!

    Aos professores Dr. Jos Carlos de Melo Vieira Jr. e Dr. Mrio Oleskovicz pelo exemplo cotidiano doque ser um pesquisador dedicado, criativo e competente, pela amizade, parceria, apoio e oportunidadesfornecidas ao longo da minha formao como doutor.

    Aos meus amigos Diego de Castro Grillo e Ivan Donisete Lonel, com os quais eu formei uma excelenteequipe de trabalho, pela competncia, seriedade, iniciativa, determinao e criatividade com a qualdesenvolveram a parte computacional desta pesquisa. Sua colaborao foi imprescindvel para o xitodesta pesquisa!

    Ao prof. Dr. Eduardo Lorenzetti Pellini pela ateno, disponibilidade, discusses e contribuiesfundamentais ao xito desta pesquisa.

    Ao meu amigo Ricardo Augusto Souza Fernandes, pela amizade, momentos de descontrao e funda-mental auxlio no projeto da rede neural artificial.

    Aos meus amigos Daniel Barbosa e Gerson Bessa Gibelli, pela amizade, apoio, momentos de descon-trao e por todos os trabalhos que fizemos juntos.

    Ao meu amigo Dagoberto Carvalio Jr. por todo o apoio, ateno e informaes sobre redes decomputadores, as quais foram imprescindveis para a construo do meu conhecimento e execuo destapesquisa.

    A Jussara Ramos Zoia e Marisa Helena R. Vicente Fortulan, pelo excelente tratamento dispensado enotvel suporte administrativo fornecido ao longo dos anos de ps-graduao.

    Coordenao de Aperfeioamento de Pessoal de Nvel Superior (CAPES) pelo apoio financeiroconcedido durante o curso desta pesquisa.

  • viii

  • ix

    A partir das letras construo meu conhecimento

    Ulisses Chemin Netto

  • x

  • xi

    Resumo

    CHEMIN NETTO, U. Determinao de um Parmetro para Monitoramento do De-

    sempenho de Mensagens GOOSE do Padro IEC 61850 Utilizadas em Subestaes

    de Energia Eltrica. 2012. 179f . Tese (Doutorado) - Escola de Engenharia de So Carlos,

    Universidade de So Paulo, So Carlos, 2012.

    O desenvolvimento e utilizao do padro IEC 61850 alterou a concepo e operao das su-bestaes de energia eltrica. O desempenho e confiabilidade do sistema de proteo dependeda rede de comunicao de dados. Esta pesquisa prope um parmetro de dimensionamento ecomparao de desempenho para o tempo de transferncia das mensagens Generic Object Orien-ted Substation Event (GOOSE) entre Intelligent Electronic Devices (IEDs). Esse parmetro foiobtido atravs do levantamento experimental da curva do tempo de transferncia das mensagensGOOSE versus a ocupao percentual da largura de banda dos IEDs. Para a realizao dos ex-perimentos foram utilizados trs IEDs, um switch Ethernet gerencivel, trs microcomputadoresdo tipo PC, um relgio sincronizador Global Positioning System (GPS), cordes de fibra ptica,cabos do tipo par tranado sem blindagem e aplicativos de software. Os resultados mostraramque a partir de um limiar caracterstico, o qual distinto para cada IED ensaiado, o tempo detransferncia excede o limite mximo permitido pelo padro IEC 61850. A partir da anlisedestes dados, foi desenvolvido um sistema preditivo de monitoramento de banda para supervisi-onar a interface de rede dos IEDs. O sistema preditivo apresentou para a medio de banda umerro relativo mdio igual a 0,55% em relao ao aplicativo comercial utilizado na comparao,j a predio feita pela rede neural artificial apresentou um erro de estimativa menor do que3% para 91,30% das amostras utilizadas, alm de modelar adequadamente o comportamento dasrie temporal que representa a ocupao de banda do IED monitorado.

    PalavrasChave: Gerncia de Redes, IEC 61850, Intelligent Electronic Devices, Local AreaNetwork, Mensagem GOOSE, Proteo Digital, Redes Neurais Artificiais, Sistemas Eltricos dePotncia.

  • xii

  • xiii

    Abstract

    CHEMIN NETTO, U. Determination of a Parameter for Monitoring the Performance

    of GOOSE Messages used in Electric Power Substations. 2012. 179f. Thesis (PhD

    Degree) - Engineering School of Sao Carlos. University of Sao Paulo, Sao Carlos, 2012.

    The development and utilization of IEC 61850 standard changed the design and operation ofelectric power substations. The performance and reliability of the protection system dependson the data communication network. This research proposes a parameter for dimensioning andcomparising the transfer time of Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) messagesbetween different Intelligent Electronic Devices (IEDs). This parameter was obtained from ex-perimental data related to the transfer time of GOOSE messages curve versus IEDs bandwidthpercentage occupation. In this context, a laboratory structure was set up in order to carryout these experiments. This structure mainly consists of three IEDs, an Ethernet switch, threepersonal computers, a GPS Clock, fiber optic cables, unshielded twisted pair cables, as well assupport software. The results show the existence of a characteristic threshold, different for eachIED tested, after which the transfer time exceeded the total transmission time allowed for theIEC 61850 standard. Based on these results, a predictive bandwidth monitoring system wasdeveloped to supervise the IEDs bandwidth interface. The bandwidth measurement has a meanrelative error of 0.55% regarding to the commercial software used for comparison. Finally, theforecasting made by the artificial neural network has a relative error of 3% for 91,30% of thesamples used in test phase. In addition, that it was able to model the behaviour of the timeseries that represent the bandwidth occupation.

    Keywords: Artificial Neural Networks, Digital Protection, Electrical Power System, IEC 61850,GOOSE Message, Intelligent Electronic Devices, Local Area Network, Network Management.

  • xiv

  • xv

    Sumrio

    Resumo xi

    Abstract xiii

    Lista de Figuras xix

    Lista de Tabelas xxv

    Lista de Abreviaturas e Siglas xxvii

    1 Um Novo Paradigma para as Subestaes de Energia Eltrica 1

    1.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

    1.2 Objetivo da Pesquisa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

    1.3 Contribuies da Pesquisa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

    1.4 Organizao do Texto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    1.5 Comentrios Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2 Panorama da Proteo de Sistemas Eltricos de Potncia 9

    2.1 Elementos Componentes do Sistema de Proteo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

    2.2 Alimentao Auxiliar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    2.3 Transdutores para Instrumentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    2.3.1 Transformadores Eletromagnticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    2.3.2 Sensor ptico de Corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

    2.3.3 Sensor ptico de Tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

    2.4 Disjun