M.A GONZÁLEZ, Comunicaciones en sistemas de control y automatización de subestaciones 1 Mario González Carranza Comunicaciones en sistemas de control y Operación de Subestaciones automatización de subestaciones
[email protected] Resumen—. La automatización de subestaciones es punto crítico en la operación de las mismas y la integración de las mismas con los sistemas de control del sistema de potencia. Para esto es necesario la integración al sistema de potencia de las tecnologías de la información y comunicación y necesariamente la incorporación de dispositivos electrónicos inteligentes. Estos dispositivos son integrados entre sí a través de diversos medios de comunicación regidos por protocolos estándar, de manera que la comunicación entre los mismos sea universal y sobre todo sistemática. En este trabajo se presenta estas características relacionadas a las comunicaciones entre equipamiento de control en las subestaciones, orientados a las normas y protocolos de mayor uso en el diseño, control y operación de subestaciones de energía eléctrica comunicación como el DNP3. Estas soluciones hicieron que la interoperabilidad entre equipos de diferentes fabricantes, incluso entre equipos de diferentes versiones del mismo fabricante, una pesadilla de la ingeniería que solo puso ser mitigada por costas conversiones de protocolo o reingeniería. Index Terms— Comunicación, protocolos, IEC 68150, operación de subestaciones, sistemas SCADA, arquitectura de control. I. INTRODUCCIÓN L Fig. 1. Evolución histórica de la automatización de subestaciones [3]. AS subestaciones son un componente clave dentro de los sistemas de potencia, facilitando la eficiente transmisión y distribución de la energía eléctrica. Juegan un papel vital relacionado al monitoreo y control del flujo de potencia y como enlace principal entre las estaciones de generación, líneas de transmisión y redes de distribución. Los sistemas de automatización de subestaciones hacen posible el control y monitoreo en tiempo real, a la vez que ayudan a maximizar la disponibilidad, eficiencia, confiabilidad, seguridad e integración sistemática de la información. La automatización moderna de subestación, asegura un alto grado de interoperabilidad, que está definida como la habilidad de dos o más sistemas o componentes para intercambiar información y utilizar la información intercambiada (IEEE). Tomó más de 20 años, antes de que proveedores internacionales y empresas públicas a nivel internacional, exigieran una solución al problema de la comunicación en las subestaciones e interoperabilidad de equipos. Esta solución fue posible al crear normas estándar internacionales tanto para el diseño de los equipos como para la automatización de subestaciones. En la actualidad el protocolo más usado es el planteado en la norma IEC-61850: Communication networks and systems in substations. En la actualidad los equipos de control, protección y monitorio de las subestaciones tienen integrado varios protocolos de comunicación para asegurar la interoperabilidad de los sistemas. Los sistemas de automatización de subestaciones (SAS), son comúnmente usados para controlar, proteger y monitorear una subestación. Con el avance tecnológico de equipamiento electrónico inteligente y tecnologías de la información y comunicación, la manera de controlar la manera de controlar y operar las subestaciones ha cambiado. Con el avenimiento de los sistemas de automatización de subestaciones (SAS) basados en software, conectados a través de enlaces seriales en lugar de conexión rígida con conductor de cobre, se convirtieron gradualmente en norma antes que en excepción. Después de una amplia y satisfactoria aceptación, los sistemas fueron diseñados usando las soluciones de comunicación propias de cada fabricante o en algunos casos, estándares de La automatización de subestaciones, debe ser diseñada y manejada cuatro niveles diferentes, ordenados de manera jerárquica, para lograr un control, monitoreo y enlace sistemático y eficiente. Los niveles de una subestación moderna son [1] [2]: II. ESTRUCTURA DE LA AUTOMATIZACIÓN DE SUBESTACIONES -Nivel 0: Equipos de patio. -Nivel 1: Nivel de Bahía -Nivel 2: Nivel de estación – Computadora IHM. -Nivel 3: Nivel de red – SCADA. Actualmente el protocolo IEC 61850 es el de mayor uso. 4. III. Fig. operación y monitoreo de la subestación a través de un equipo computarizado ubicado en dentro de la sala de control. 5. el que cuenta con una interfaz gráfica generalmente orientada a objetos. o electro-ópticos para mediciones de voltaje y corriente. El nivel 0 está comprendido por los equipos que constituyen el sistema de potencia y comprende: Conexiones de cableado físico hacia el equipo primario.M. que proveen al sistema de automatización señales eléctricas o mensajes seriales para su procesamiento. aseguran. Existen varios protocolos estándar. Sensores para medición de magnitudes no eléctricas. seccionadores). Relés de control con bobinas asociadas para transferir comandos en operaciones de interrupción mecánica o IEDs. UCA e IEC 61850. D. entre ellos los más utilizados: DNP3. otros dispositivos digitales de protección y dispositivos de monitoreo. Conexión de transformadores de corriente o de potencial convencionales. La estandarización de estos lenguajes y procedimientos de comunicación para todos los equipos independiente del fabricante.A GONZÁLEZ. Interfaz gráfica del SISTEMA SCADA de una subestación. la interoperabilidad y por ende facilita la operación y monitoreo de las subestaciones. IEC 60870. Nivel de Red Este nivel es el encargado de la integración de la subestación al sistema SCADA (por sus siglas en ingles Supervisory Control and Data Adquisition) y con los sistemas de control teledirigidos y monitoreo a distancia. En este nivel se puede comandar los equipos de patio a través de equipos electrónicos inteligentes (IED). 2. B. Nivel 0: Equipos de patio. presión de aceite. C. PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN El protocolo de comunicación entre dispositivos electrónicos inteligentes. Niveles de automatización de una subestación [2]. como se mencionó anteriormente. Fig. etc. Interacción del nivel de bahía con el nivel de estación (HMI) [2]. Nivel de Bahía Este es el primer nivel ubicado dentro de la sala de control. como densidad y presión de gas. los tienen incorporados una interfaz humano-máquina (HMI) simple. Nivel de Estación Permite el control. Comunicaciones en sistemas de control y automatización de subestaciones 2 A. También está constituido por equipos de control especializado como las unidades controladores de bahía (BCU). Interruptores auxiliares que indican el estado de los dispositivos de interrupción (disyuntores. es básicamente la estructura y el lenguaje estándar en la que se comunican los mismos. Fig.. tanto para el . sin importar el fabricante o la versión de los equipos. temperatura. Las redes Ethernet/LAN son el medio físico principal de la automatización de subestaciones de energía mediante este protocolo. es robusto. exige una baja cantidad de pruebas para mantenimiento y entrenamiento. 8. La naturaleza abierta del estándar IEC 61850 asegura la interoperabilidad entre dispositivos. Los dispositivos IED habilitados con el protocolo IEC 61850 obtienen datos de la condición del sistema de potencia a través de un bus de procesos y unidades de combinación. Comunicación vertical y horizontal utilizando el estandar IEC 61850 [4]. [6]. la IEC 61850 provee beneficios que ayudan a los diseñadores de sistemas de automatización a construir un completo. El protocolo está diseñado específicamente para redes de área local (LAN) para reducir el costo del ciclo de vida de usar un dispositivo (costo de instalación. 7. B. usando modelos de datos predefinidos y servicios de comunicación mapeados sobre las principales tecnologías de comunicación tales redes de área local (LAN) basadas en Ethernet. Comunicaciones en sistemas de control y automatización de subestaciones 3 diseño de IEDs como para el diseño de la estructura de la automatización de las subestaciones. lo cual representa el principal conductor para la implementación de dicho intercambio de comunicaciones en redes inteligentes. El estándar IEC 61850 es una aproximación real para la automatización orientada a objetos. lo que significa equipos de diferentes campos deben estar conectados a la red Ethernet. A. Esquema básico de la arquitectura de comunicación según protocolo IEC 61850. IEC 61850 La IEC 61850 es un estándar internacional para la automatización de subestaciones eléctricas que rápida y significativamente ha mejorado el diseño y construcción de subestaciones inteligentes. El DPN3 utiliza principalmente comunicaciones maestro – esclavo. presenta una fácil expansión del sistema y se acopla rápidamente a cambios tecnológicos [4].A GONZÁLEZ. flexible. Al ser usada como un protocolo de comunicación unificado en automatización de subestaciones. DNP3 Es un protocolo que permite interoperabilidad abierta entre los instrumentos de diferentes niveles funcionales de la S/E. . Soporta modelos de dispositivos estandarizados usando nombres en lugar de números e índices de objeto/registro. Esquema básico de la arquitectura de comunicación DNP3. Fig. Fig.M. 6. [5]. como se muestra en la figura 7. sistema de comunicaciones basados en redes Ethernet [6]. El estándar IEC 61850. configuración y mantenimiento). Fig. Los IED se comunican entre ellos usando los buses de comunicación en la subestación. define una metodología consistente para la interconexión e interoperabilidad de dispositivos electrónicos inteligentes (IEDs). 10. Comunicaciones en sistemas de control y automatización de subestaciones 4 El uso del protocolo de comunicación IEC 61850.M. por ejemplo. es decir. El archivo de descripción de configuración del sistema SCD (por sus siglas en inglés System Configuration Description) es uno de esos tipos de archivo. En la figura 8. IV. Principios de comunicación entre subestaciones utilizando el protocolo IEC 61850 [3]. con lo que se tiene una gran ventaja para el análisis a corto y largo plazo. 9. asegura una ágil comunicación vertical y horizontal (figura 8). facilitan el manejo correcto de la información de estado y operación de la subestación. 4. se puede observar gráficamente el principio básico de la comunicación entre dos subestaciones utilizando el protocolo IEC 61850. ya que establece una comunicación eficiente y sistemática entre todos los equipos que conforman la subestación. que permite tomar acciones correctivas con una velocidad de respuesta rápida frente a fenómenos que pueden causar. entre equipos del mismo nivel y dispositivos de niveles superiores e inferiores y además permite la comunicación e interoperabilidad al enlazar los sistemas de comunicación entre dos subestaciones o una subestación con sistemas de control remoto. es la introducción de un lenguaje de configuración de subestación (SCL por sus siglas en inglés Substation Configuration Language). Ejemplo de uso del archivo SCD para el registro de eventos en una subestación [7]. Fig. La automatización de subestaciones permite incrementar la confiabilidad y la flexibilidad de operación de las subestaciones.A GONZÁLEZ. El SCL hace posible crear archivos que son usados para el intercambio de la información de configuración (por ejemplo modelos de objetos estandarizados y configuraciones del flujo de datos de dispositivos del sistema) entre herramientas de ingeniería. Varios tipos de archivo han sido definidos en el estándar IEC 61850. Permite la introducción de varias aplicaciones nuevas como la WAP (Wide Area Protection). colapsos en el sistema. CONCLUSIONES 1. Fig. Mejora el tiempo de respuesta de los sistemas de control y protección. y esta definido como el documento maestro de un sistema de automatización de subestación completo. 2. Los sistemas de automatización de subestaciones. Lenguaje de configuración de Subestación (SCL) Uno de los grandes logros del estándar IEC 61850 y uno de las cosas que lo diferencia de los otros estándares de comunicación. C. y el contenido de cada tipo depende particularmente de la función creada para cada herramienta específica (por ejemplo herramienta de configuración del sistema o herramienta de configuración del dispositivo). 3. por cuanto la velocidad de transferencia de información y comandos es mayor al usar tecnologías de . De MESMAEKER. facilita la ingeniería tanto en la fase de diseño y construcción. LOHMANN VOLKER. facilitando el enlace entre todos los equipos de la subestación independientemente de su función específica o del fabricante. Es importante que los equipos y el sistema en general sean configurados mediante protocolos que están 5 preparados para soportar el rápido avance de la tecnología. ABB review.dnp. protección y monitoreo. [5] A DNP3 Protocol Primer.B Bhuvaneswari. La implementación de IED. tanto por funcionalidades más precisas y diversas. H. 2007. RYTFT. LEUPP. Germany. RYTOFT. 8.M.A GONZÁLEZ. así como también una reducción significativa en el espacio requerido en comparación a relés electromecánicos. Quito. Ishchenko. “Protection and substation automation systems: Standardization. Boca Raton. Los sistemas de automatización hacen posible el monitoreo y control por sistemas de adquisición de datos muy útiles como los sistemas SCADA. www. así como en el control y ampliación de los sistemas de control en la subestación. Proyecto previo a la obtención de título de Ingeniero Eléctrico. PRUTHVI. 7. “Substation Automation Handbook”. The corporate technical journal. Escuela Politécnica Nacional. “Special Report IEC: 61850”. “Analysis of Utility Communication Protocol IEC 64850 for Substation Automation System”. McDonald. C. P. South Africa. Permite el diseño óptimo de esquemas de rechazo de carga para problemas de baja frecuencia. C.org. El uso de protocolos de comunicación hace posible la interoperabilidad de los equipos. [2] I. 2007. L. REFERENCIAS [1] KLAUS-PETER. A basic technical overview of the protocol. Comunicaciones en sistemas de control y automatización de subestaciones información con mayor eficiencia que la transmisión de señales eléctricas por conductor de cobre. 10. WOLFGANF WIMMER. [3] P. [6] P. Johannesburg. “Electric Power Substation Engineering”. USA. permite mejorar los esquemas de protección. integration and information technologies”. 2001. 5. IEEE Transactions. 6. IEEE Transacitions. Reinhardt. IEEE PES PowerAfrica 2007 Conference and Exposition. por la rápida respuesta de los equipos IED modernos. CRC Press. Juan. Sudheendran. [7] D. . [4] PEÑAHERRERA. El uso de protocolos de comunicación eficientes. 9. [8] John D. “Automatización de subestaciones e integración al Sistema SCADA”. 2003. “Automated Event Management in IEC 61850 Subsations”. de manera que se aproveche el ciclo de vida de los dispositivos de control.