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Tipo: Dissertação
Título: Modelagem e avaliação de subestação digital conforme padrão IEC 61850: abordagem integrada à segurança e recursos da indústria 4.0 utilizando método STPA
Autor(es): Cabral, Eduardo Almeida
Orientador: Leão, Ruth Pastôra Saraiva
Coorientador: Sampaio, Raimundo Furtado
Palavras-chave em português: Análise de processos teórico-sistêmica;Sistemas complexos;Indústria 4.0;Subestação;IEC 61850
Palavras-chave em inglês: System-theoretic process analysis;Complex Systems;Industry 4.0;Substation;IEC 61850
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Data do documento: 2024
Citação: CABRAL, Eduardo Almeida. Modelagem e avaliação de subestação digital conforme padrão IEC 61850: abordagem integrada à segurança e recursos da indústria 4.0 utilizando método STPA. 2024. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.
Resumo: A evolução tecnológica e a crescente interação entre humanos e máquinas autônomas têm sido um dos principais motores dos grandes e complexos sistemas. Essa transformação é significativa nas subestações elétricas, impulsionada pela digitalização conforme estabelecido na norma IEC 61850. Subestações são instalações elétricas de alta potência que conectam redes de diferentes níveis de tensão e sua digitalização está no centro da transformação exitosa do sistema elétrico. Nesse contexto, essa Dissertação tem como objetivo apresentar uma metodologia abrangente utilizada na avaliação de segurança de sistemas complexos aplicada para modelagem e avaliação qualitativa de subestação digital padrão IEC 61850. Além disso, o trabalho visa construir uma proposta de subestação digital industrial que incorpora recursos operacionais alinhados com os conceitos da Indústria 4.0, tais como interoperabilidade e modularidade, e uma filosofia de proteção baseada em seletividade lógica padrão IEC 61850. Adicionalmente, é implementado em bancada de teste a filosofia de proteção empregada na subestação industrial, tanto no cenário proposto (digital) quanto no atual (parcialmente digital), comparando o desempenho das filosofias de proteção, e validando em laboratório a interoperabilidade e modularidade no âmbito digital. Para tanto, este trabalho realiza a modelagem de um projeto de subestação digital industrial por meio do método STPA (System- Theoretic Process Analysis), a fim de avaliar de forma qualitativa a segurança e confiabilidade das camadas de controle e suas interações. Ações de controle sob responsabilidade do Sistema de Automação da Subestação, com ênfase na conexão de bay, são avaliadas com base no método STPA. Testes de bancada são conduzidos para validar os benefícios da filosofia de proteção proposta em comparação com a atual automação da subestação industrial. Os testes são realizados com base nas ações de controle e restrição do sistema obtidas na modelagem STPA. Conclui-se que o STPA é uma importante ferramenta para modelar as interações entre as camadas de controle de subestações digitais, e que a implementação do modelo proposto aumenta a segurança e autonomia para a subestação, em consonância com os pilares da Indústria 4.0.
Abstract: The technological evolution and the increasing interaction between humans and autonomous machines have been the primary drivers of large and complex systems. This transformation is particularly significant in electrical substations, driven by digitalization as established by the IEC 61850 standard. Within this context, this dissertation aims to present a comprehensive methodology for evaluating the safety of complex systems for modeling and qualitative assessment of IEC 61850 standard digital substations. The work seeks to develop a proposal for an industrial digital substation, embedding operational features aligned with Industry 4.0 concepts, such as interoperability and modularity, into the control structure of the digital substation. Additionally, this research proposes a protection philosophy based on IEC 61850 standard logical selectivity. Furthermore, the protection philosophy employed in the industrial substation is implemented in a test rig, comparing its performance in both digital and partially digital, and validating interoperability and modularity in a digital context in the laboratory. To achieve this goal this work models an industrial digital substation using the System-Theoretic Process Analysis (STPA) method, in order to qualitatively evaluate the safety and reliability of the control layers and their interactions. The digitalization of the substation fosters interoperability among Intelligent Electronic Devices (IEDs) and provides modularity to the electrical system in contingency scenarios. Control actions under the responsibility of the Substation Automation System, with an emphasis on bay connections, are evaluated according to the STPA method. Bench tests are conducted to validate the benefits of the proposed protection philosophy compared to the current automation in the industrial substation. These tests are based on the control actions and system constraints provided by the STPA modeling. The results show that STPA is an important tool for modeling the interactions among the control layers of digital substations and that the implementation of the proposed model enhances the safety and autonomy of the substation, according to Industry 4.0.
Descrição: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/86102
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/7276601773757407
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0001-6711-7607
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/8551048513174462
Currículo Lattes do Coorientador: http://lattes.cnpq.br/9936530790182581
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Aparece nas coleções:DEEL - Dissertações defendidas na UFC

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