Defesa de Tese de Doutorado de Arthur Albuquerque Zopellaro Soares – 02/04/2025, 09h, por videoconferência
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DT-Smart: A Digital Twin Framework for Digital Substation Communication based on IEC 61850
Resumo:
O aumento da complexidade das subestações digitais e sua dependência de protocolos de comunicação baseados no IEC 61850 exigem metodologias avançadas de teste e validação para garantir uma operação confiável e segura. Esta tese apresenta o DT-Smart, um framework de gêmeo digital inovador projetado para preencher a lacuna entre simulações offline e implementações reais de subestações. O DT-Smart permite o uso de bancadas de testes exclusivamente baseados em software, testes Hardware-in-the-Loop (HIL), simulações de Transitórios Eletromagnéticos (EMT) e emulação de redes, criando um ambiente de alta fidelidade para avaliar esquemas de proteção de subestações, desempenho da comunicação e interoperabilidade.
Uma das principais contribuições desta pesquisa é um framework estruturado para compreender as características de gêmeos digitais, seus componentes e funcionalidades, além de uma taxonomia para classificar as aplicações de gêmeos digitais em subestações digitais. Além disso, este trabalho introduz uma linguagem de descrição que possibilita a representação padronizada e a configuração automatizada de modelos de gêmeos digitais, facilitando a reprodutibilidade de experimentos e reduzindo a complexidade da configuração das bancadas de teste.
Uma validação experimental extensa foi realizada para avaliar o desempenho dos protocolos GOOSE, Sampled Values (SV) e MMS. Os resultados demonstram que o DT-Smart replica com precisão os comportamentos de comunicação da subestação, mantendo baixa latência e alta confiabilidade. As análises comparativas entre bancadas de testes físicas e testes baseados exclusivamente em software confirmaram que o framework fornece uma alternativa escalável e de baixo custo para testes de subestações digitais, apoiando tanto a pesquisa quanto o treinamento em cenários operacionais realistas.
Os achados desta pesquisa destacam o potencial da tecnologia de gêmeos digitais no desenvolvimento de soluções para redes elétricas inteligentes de próxima geração. Ao integrar redundância de protocolos, testes de cibersegurança e análises baseadas em inteligência artificial, pesquisas futuras poderão ampliar ainda mais as capacidades do DT-Smart, tornando-o uma ferramenta valiosa para validação, otimização, monitoramento e avaliação da resiliência de redes elétricas inteligentes.
Abstract:
The increasing complexity of digital substations and their reliance on IEC 61850-based communication protocols demand advanced testing and validation methodologies to ensure reliable and secure operation. This thesis presents DT-Smart, a novel digital twin framework designed to bridge the gap between offline simulations and real-world substation implementations. DT-Smart enables software-only testbeds, Hardware-in-the-Loop (HIL) testing, Electromagnetic Transients (EMT) simulation, and network emulation, enabling a high-fidelity environment for evaluating substation protection schemes, communication performance, and interoperability.
A key contribution of this research is a structured framework for understanding digital twin characteristics, components, and functionalities, besides a taxonomy to classify digital twin applications for digital substations. Additionally, this work introduces a description language that enables standardized representation and automated configuration of digital twin models, facilitating experiment reproducibility and reducing the complexity of testbed setup.
Extensive experimental validation was conducted to assess the performance of GOOSE, Sampled Values (SV), and MMS protocols. Results demonstrate that DT-Smart accurately replicates substation communication behaviors while maintaining low latency and high reliability. Comparative analyses between physical and software-only testbeds confirmed that the framework provides a scalable and cost-effective alternative for substation testing, supporting both research and training in realistic operational scenarios.
The findings of this study highlight the potential of digital twin technology in the development of next-generation smart grid solutions. By integrating protocol redundancy, cybersecurity testing, and artificial intelligence-driven analytics, future research can further enhance the capabilities of DT-Smart, making it a valuable tool for power system validation, optimization, monitoring, and resilience assessment.
Banca examinadora:
Profa. Débora Christina Muchaluat Saade, UFF – Presidente
Prof. Célio Vinicius Neves de Albuquerque, UFF
Prof. Igor Monteiro Moraes, UFF
Profa. Natalia Castro Fernandes, UFF
Profa. Yona Lopes, UFF
Prof. Diego Gimenez Passos, ISEL
Prof. Daniel Mossé, University of Pittsburgh