Como o DNP3 e a norma IEC 61850 funcionam em conjunto em uma subestação moderna?

• O DNP3 e a IEC 61850 têm finalidades que se sobrepõem, mas são distintas. O DNP3 é um protocolo leve e orientado a eventos, desenvolvido para garantir confiabilidade em conexões de baixa largura de banda ou seriais. A norma IEC 61850 é um padrão de alta velocidade, orientado por modelo de dados, projetado para garantir a interoperabilidade entre dispositivos IED de diferentes fabricantes dentro da subestação.

• A modernização não exige a substituição de tudo de uma só vez. Uma plataforma que suporta ambos os protocolos permite que as concessionárias continuem operando os dispositivos DNP3 existentes enquanto introduzem equipamentos IEC 61850 à medida que baías individuais ou subestações são atualizadas.

• Uma única plataforma de software elimina a complexidade de operar sistemas de automação separados para ambientes DNP3 e IEC 61850, reduzindo o esforço de engenharia, as necessidades de treinamento e o risco operacional.

• O zenon suporta terminais mestres e remotos DNP3, juntamente com o cliente MMS nativo da IEC 61850, bem como o servidor e o GOOSE para integração de estações e barramentos de processo, possibilitando uma abordagem unificada para a automação de subestações em ambas as gerações de protocolos.

O DNP3 (Protocolo de Rede Distribuída, também padronizado como IEEE 1815) foi projetado para um desafio específico: comunicação confiável por meio de conexões não confiáveis. Ligações seriais, redes de rádio, modems discados e TCP/IP. O DNP3 lida com alta latência, baixa largura de banda e conectividade intermitente, mantendo a integridade dos dados por meio de relatórios acionados por eventos e sondagens de integridade. Essas características o tornaram o protocolo dominante nas concessionárias de serviços públicos da América do Norte e em muitos outros mercados em todo o mundo.

Na prática, o DNP3 é utilizado em vários níveis. Dentro da subestação, ele conecta relés de proteção, medidores e outros IEDs a RTUs locais ou concentradores de dados. Para a comunicação a montante, ele conecta os gateways da subestação aos centros de controle. O protocolo não se limita a uma única função; sua flexibilidade levou à ampla adoção tanto em aplicações locais quanto remotas.

A norma IEC 61850 aborda um conjunto diferente de requisitos: o que ocorre entre dispositivos de diferentes fabricantes dentro de uma subestação moderna. À medida que os sistemas de proteção e controle se tornaram mais complexos, o setor precisava de uma norma que permitisse que os IEDs se comunicassem em alta velocidade, compartilhassem um modelo de dados comum e fossem configurados por meio de um processo de engenharia padronizado. A norma IEC 61850 oferece isso. Ela permite o envio de mensagens GOOSE para coordenação de proteção, Valores Amostrados para o compartilhamento de medições digitalizadas e MMS para monitoramento e controle SCADA, tudo dentro da rede local da subestação.

Esses dois protocolos coexistem em concessionárias de energia em todo o mundo. Atualmente, muitas organizações operam subestações baseadas em DNP3 e estão adotando a norma IEC 61850 para novas construções e reformas. A tarefa de modernização não consiste em substituir totalmente o DNP3, mas em gerenciar um ambiente misto de DNP3 e IEC 61850 ao longo do ciclo de vida dos ativos.

Muitas concessionárias operam redes de subestações baseadas no DNP3 há décadas. Seus dispositivos de campo, RTUs, procedimentos de engenharia e interfaces dos centros de controle são estruturados em torno do modelo de funcionamento do DNP3.

O desafio surge quando essas concessionárias começam a adotar a norma IEC 61850 para subestações novas ou reformadas. Os dispositivos IEC 61850 se comunicam utilizando um modelo fundamentalmente diferente. Os dados são estruturados em nós lógicos com semântica predefinida, em vez de simples listas de pontos. O processo de configuração utiliza arquivos SCL (Substation Configuration Language) em vez do mapeamento manual de pontos. Serviços de comunicação, como GOOSE e MMS, se comportam de maneira diferente da sondagem mestre-estação remota do DNP3.

A suposição comum — e a preocupação que retarda a modernização — é que a adoção da norma IEC 61850 significa substituir todo o sistema de automação: novos dispositivos, novo software SCADA, novas ferramentas de engenharia e novo treinamento. Para uma concessionária com dezenas ou centenas de subestações, isso parece ser um programa de alto custo, alto risco e duração de vários anos.

Essa suposição está incorreta. Uma plataforma que suporta tanto o DNP3 quanto a norma IEC 61850 permite que a transição ocorra de forma incremental, subestação por subestação, baia por baia, sem interromper as operações existentes nem abandonar ativos DNP3 em funcionamento.

A solução é uma plataforma de automação de subestações que suporta ambos os protocolos de forma nativa, atuando como uma ponte entre a base instalada baseada em DNP3 e as novas implantações da norma IEC 61850, sem a necessidade de sistemas separados para cada uma delas.

Na prática, uma plataforma unificada pode:

• Adquirir dados de ambos os ambientes de protocolo simultaneamente. Estações remotas DNP3 e IEDs IEC 61850 coexistem no mesmo projeto. A plataforma coleta dados de ambos, normaliza-os e os apresenta aos operadores por meio de uma IHM consistente, independentemente do protocolo de origem.

• Atuar como um gateway de protocolo. Dados de dispositivos IEC 61850 podem ser encaminhados para um centro de controle DNP3. Comandos de um mestre DNP3 podem ser roteados para dispositivos IEC 61850. A comunicação upstream também pode utilizar outros protocolos, como IEC 60870-5-101/104 ou ICCP (IEC 60870-6/TASE.2), dependendo dos requisitos do centro de controle regional. A plataforma realiza a conversão entre todos esses protocolos, de modo que nem os dispositivos da subestação nem o centro de controle precisam ser substituídos para se adaptarem ao outro.

• Permita a migração incremental. Uma concessionária pode continuar operando as subestações DNP3 existentes sem alterações, enquanto implanta a norma IEC 61850 em novos compartimentos ou em subestações reformadas. Ambos são gerenciados a partir do mesmo ambiente de engenharia e da mesma interface de operação. Não há evento de transição, nem data limite em que tudo deva mudar de uma só vez.

• Preserve o investimento existente em SCADA. O centro de controle pode continuar a se comunicar por meio de seu protocolo existente, seja ele DNP3, IEC 60870-5-101/104 ou ICCP. A introdução da norma IEC 61850 no nível da subestação é transparente para o operador do sistema. Isso protege o investimento da concessionária na infraestrutura do centro de controle e nos procedimentos operacionais.

A Plataforma de Software zenon oferece suporte abrangente a ambos os protocolos em um único ambiente integrado de engenharia e execução.

Suporte a DNP3

O zenon funciona tanto como mestre DNP3 quanto como estação remota. Como mestre, ele adquire dados de dispositivos DNP3 subordinados, como RTUs, relés de proteção, medidores de vazão e IEDs remotos. Como estação remota, ele fornece dados a centros de controle de nível superior usando DNP3 e pode atuar como um gateway, encaminhando dados de dispositivos IEC 61850 para um mestre DNP3.

Principais recursos do DNP3 no zenon:

• Funcionalidade de mestre e estação remota em conformidade com a norma IEEE 1815-2012, Subconjunto Nível 4, tanto para solicitações quanto para respostas

• Autenticação segura v2 e v5 para comunicação protegida com dispositivos IEEE 1815-2010 e IEEE 1815-2012

• Criptografia TLS conforme a norma IEC 62351-3 para conexões TCP/IP

• Configuração automática do mestre a partir de uma sondagem Classe 0 ou importação de perfil de dispositivo XML, eliminando o mapeamento manual de pontos

• Suporte à transferência de arquivos para recuperação de registros de perturbações e outros dados de subestações remotas

• Polling dinâmico que se adapta às mudanças nos requisitos operacionais, desde pequenas subestações de distribuição até grandes instalações de transmissão

Suporte à norma IEC 61850

O zenon integra a norma IEC 61850 nativamente em todos os três serviços principais: nativamente em todos os três serviços principais:

• Cliente MMS para aquisição de dados de IEDs IEC 61850 e emissão de comandos de controle

• Servidor MMS para fornecer dados a sistemas de nível superior

• GOOSE Publisher e Subscriber para monitorar sinais de proteção e substituir mensagens ausentes durante a manutenção ou falha de dispositivos

O Cliente MMS IEC 61850 do zenon é certificado pela DNV GL de acordo com a Edição 2 da norma e oferece suporte à comunicação simultânea com dispositivos das Edições 1 e 2. Isso significa que as concessionárias podem integrar equipamentos IEC 61850 de diferentes fabricantes e diferentes edições da norma no mesmo projeto, enquanto continuam operando os dispositivos DNP3 existentes.

Operação unificada em ambos os protocolos

A vantagem operacional é que os operadores interagem com uma IHM consistente, independentemente de os dados subjacentes chegarem via DNP3 ou IEC 61850. Alarmes, medições, diagramas unifilares e comandos de controle funcionam da mesma maneira. Os engenheiros configuram os drivers de ambos os protocolos no mesmo ambiente de engenharia. Há uma única plataforma para manter, um único sistema para proteger e um único conjunto de procedimentos operacionais para documentar.

Para a comunicação upstream, o zenon suporta os protocolos exigidos por diferentes centros de controle regionais, incluindo DNP3, IEC 60870-5-101/104 e ICCP/TASE.2, além de seus recursos nativos da norma IEC 61850.

A COPA-DATA é membro do DNP Users Group e participa ativamente do desenvolvimento contínuo da norma IEEE 1815. Os drivers DNP3 e as pilhas de protocolo do zenon são desenvolvidos e mantidos internamente, garantindo que evoluam em sintonia com as normas DNP3 e IEC 61850.

O que isso significa para o planejamento de modernização?

• Novas subestações podem ser implantadas com a norma IEC 61850 desde o primeiro dia, comunicando-se com o centro de controle existente por meio da função de gateway da plataforma. O centro de controle não requer nenhuma modificação.

• Em reformas de instalações existentes, os dispositivos IEC 61850 podem ser introduzidos de forma incremental. Os dispositivos DNP3 existentes permanecem operacionais. Novos relés e unidades de fusão IEC 61850 são integrados junto com eles no mesmo ambiente de IHM e SCADA.

• A transição pode ser orientada pelo ciclo de vida dos ativos, em vez de um programa de migração forçada. À medida que os equipamentos DNP3 chegam ao fim de sua vida útil, eles são substituídos por equipamentos com a norma IEC 61850. A plataforma absorve a mudança de protocolo sem interromper as operações.

• O treinamento e a mudança de procedimentos ocorrem gradualmente. Operadores e engenheiros aprendem os conceitos da norma IEC 61850 no contexto de projetos específicos, em vez de por meio de uma mudança em grande escala do sistema.