M.A GONZÁLEZ, Comunicaciones en sistemas de control y automatización de subestaciones
:
Mario Gonz1lez Carranza
Comunicaciones Comunicaciones en sistemas de control y automatización de subestaciones Operación de Subestaciones
mario.)onzalezest.e&n.edu.ec 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 incorporac incorporación ión de dispositivos dispositivos electrónic electrónicos os inteligente inteligentes. s. Estos dispositivos son integrados entre sí a través de diversos medios de comunicación regidos por protocolos estándar, de manera ue la comuni comunicac cación ión entre entre los mismos mismos sea univer universal sal y sobre sobre todo todo sistemática. sistemática. En este traba!o se presenta presenta estas característica característicass relacionadas a las comunicaciones entre euipamiento de control en las subestacion subestaciones, es, orientados orientados a las normas y protocolos protocolos de mayor uso en el dise"o, control control y operación de subestaciones subestaciones de energía eléctrica
comunicación como el "N78. Estas soluciones icieron /ue la intero&era intero&erabili bilidad dad entre entre e/ui&os e/ui&os de di(erente di(erentess (abricant (abricantes, es, inclus inclusoo entre entre e/u e/ui&o i&oss de di(er di(erent entes es 'ersio 'ersiones nes del mismo mismo (abricante, una &esadilla de la in)enier*a /ue solo &uso ser miti)ada &or costas con'ersiones de &rotocolo o rein)enier*a.
Index Terms Terms — #omunicación, protocolos, $E# %&'(), operación operación de subestacion subestaciones, es, sistemas sistemas *#++, *#++, aruitect aruitectura ura de control.
I.
I N!O"#CCI$N
L
A% subestaciones son un com&onente cla'e dentro de los sistem sistemas as de &otenc &otencia, ia, (acil (acilita itando ndo la e(icie e(iciente nte transm transmisi isión ón y distri distribuc bución ión de la ener) ener)*a *a el+ctr el+ctrica ica.. ue)an ue)an un &a&el 'ital 'ital relacionad relacionadoo al monitoreo monitoreo y control control del (lu-o de &otencia y como enlace &rinci&al entre las estaciones de )eneración, l*neas de transmisión y redes de distribución. Los siste sistemas mas de automa automati tizac zación ión de subest subestaci acione oness acen acen &osible el control y monitoreo en tiem&o real, a la 'ez /ue ayud ayudan an a ma0i ma0imi miza zarr la dis& dis&on onib ibil ilid idad ad,, e(ic e(icie ienc ncia ia,, con(ia con (iabil bilida idad, d, se)uri se)uridad dad e inte)r inte)raci ación ón sistem sistem1t 1tica ica de la in(ormaci in(ormación. ón. La automati automatizació zaciónn moderna moderna de subestaci subestación, ón, ase)ura un alto )rado de intero&erabilidad, /ue est1 de(inida como la habilidad de dos o más sistemas o componentes para inte interrcambi ambiar ar info inform rmac ació ión n y util utiliz izar ar la info inform rmac ació ión n intercambiada 2IEEE3.
Los sistemas de automatización de subestaciones 2%A%3, son com4nmente usados &ara controlar, &rote)er y monitorear una subestación. Con el a'ance tecnoló)ico de e/ui&amiento electr electróni ónico co inteli inteli)en )ente te y tecnol tecnolo)* o)*as as de la in(orm in(ormaci ación ón y comunicación, la manera de controlar la manera de controlar y o&erar las subestaciones a cambiado. Con el a'enimiento de los sistem sistemas as de automa automati tizac zación ión de subest subestaci acione oness 2%A%3 2%A%3 basados en so(t5are, conectados a tra'+s tra'+s de enlaces seriales seriales en lu)a lu)arr de cone cone0i 0ión ón r*)i r*)ida da con con cond conduc ucto torr de cobr cobre, e, se con'irtieron )radualmente en norma antes /ue en e0ce&ción. "es&u+s de una am&lia y satis(actoria ace&tación, los sistemas (ueron (ueron dise6a dise6ados dos usando usando las soluci solucione oness de comuni comunicac cación ión &ro&ias de cada (abricante o en al)unos casos, est1ndares de
9i). :. E'olución istórica istórica de la automatización de subestaciones ;8<. ;8<.
omó m1s de => a6o 6os, s, ant antes de /u /uee &ro' &ro'eeedo dore ress internacio internacionale naless y em&resas em&resas &4blicas &4blicas a ni'el ni'el internac internacional ional,, e0i)ieran una solución al &roblema de la comunicación en las subestaciones e intero&erabilidad de e/ui&os. Esta solución (ue &osible al crear normas est1ndar internacionales tanto &ara el dise6o de los e/ui&os como &ara la automatización de subestaci subestaciones. ones. En la actualidad actualidad el &rotocolo &rotocolo m1s usado es el &lanteado en la norma IEC?@:B> Communication networks and systems in substations . En la actualidad los e/ui&os de control, &rotección y monitorio de las subestaciones tienen inte)rado 'arios &rotocolos de comunicación &ara ase)urar la intero&erabilidad intero&erabilidad de los sistemas. II. E%!#C#!A "E LA A#OMAIZACI$N "E %#DE%ACIONE% La automatización de subestaciones, debe ser dise6ada y mane-ada mane-ada cuatro cuatro ni'eles ni'eles di(erente di(erentes, s, ordenados ordenados de manera manera -er1r/uica, &ara lo)rar un control, monitoreo y enlace sistem sistem1ti 1tico co y e(ici e(icient ente. e. Los ni'el ni'eles es de una subest subestaci ación ón moderna son ;:< ;=< ?Ni'el > E/ui&os de &atio. ?Ni'el : Ni'el de Da*a ?Ni'el = Ni'el de estación Com&utadora IFM. IFM. ?Ni'el 8 Ni'el de red %CA"A.
M.A GONZÁLEZ, Comunicaciones en sistemas de control y automatización de subestaciones A.
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Nivel ! "#uipos de patio.
El ni'el > est1 com&rendido &or los e/ui&os /ue constituyen el sistema de &otencia y com&rende •
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Cone0iones de cableado (*sico acia el e/ui&o &rimario. Interru&tores au0iliares /ue indican el estado de los dis&ositi'os de interru&ción 2disyuntores, seccionadores3. !el+s de control con bobinas asociadas &ara trans(erir comandos en o&eraciones de interru&ción mec1nica o IE"s. Cone0ión de trans(ormadores de corriente o de &otencial con'encionales, o electro?ó&ticos &ara mediciones de 'olta-e y corriente. %ensores &ara medición de ma)nitudes no el+ctricas, como densidad y &resión de )as, &resión de aceite, tem&eratura, etc., /ue &ro'een al sistema de automatización se6ales el+ctricas o mensa-es seriales &ara su &rocesamiento.
9i). H. Interacción del ni'el de ba*a con el ni'el de estación 2FMI3 ;=<.
&. Nivel de 'ed
Este ni'el es el encar)ado de la inte)ración de la subestación al sistema %CA"A 2&or sus si)las en in)les Supervisory Control and &ata Ad#uisition3 y con los sistemas de control telediri)idos y monitoreo a distancia.
9i). =. Ni'eles de automatización de una subestación ;=<.
$.
Nivel de $ah%a
Este es el &rimer ni'el ubicado dentro de la sala de control. En este ni'el se &uede comandar los e/ui&os de &atio a tra'+s de e/ui&os electrónicos inteli)entes 2IE"3, los tienen incor&orados una inter(az umano?m1/uina 2FMI3 sim&le. ambi+n est1 constituido &or e/ui&os de control es&ecializado como las unidades controladores de ba*a 2DC#3, otros dis&ositi'os di)itales de &rotección y dis&ositi'os de monitoreo. C. Nivel de "stación
7ermite el control, o&eración y monitoreo de la subestación a tra'+s de un e/ui&o com&utarizado ubicado en dentro de la sala de control, el /ue cuenta con una inter(az )r1(ica )eneralmente orientada a ob-etos.
9i). B. Inter(az )r1(ica del %I%EMA %CA"A de una subestación.
III. 7!OOCOLO% "E COM#NICACI$N El &rotocolo de comunicación entre dis&ositi'os electrónicos inteli)entes, es b1sicamente la estructura y el len)ua-e est1ndar en la /ue se comunican los mismos, sin im&ortar el (abricante o la 'ersión de los e/ui&os. La estandarización de estos len)ua-es y &rocedimientos de comunicación &ara todos los e/ui&os inde&endiente del (abricante, ase)uran, como se mencionó anteriormente, la intero&erabilidad y &or ende (acilita la o&eración y monitoreo de las subestaciones. E0isten 'arios &rotocolos est1ndar, entre ellos los m1s utilizados "N78, IEC @>>, #CA e IEC @:B>. Actualmente el &rotocolo IEC @:B> es el de mayor uso, tanto &ara el
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dise6o de IE"s como &ara el dise6o de la estructura de la automatización de las subestaciones. A.
&N()
Es un &rotocolo /ue &ermite intero&erabilidad abierta entre los instrumentos de di(erentes ni'eles (uncionales de la %JE. El "7N8 utiliza &rinci&almente comunicaciones maestro escla'o, es robusto, (le0ible, e0i)e una ba-a cantidad de &ruebas &ara mantenimiento y entrenamiento, &resenta una (1cil e0&ansión del sistema y se aco&la r1&idamente a cambios tecnoló)icos ;H<. 9i). . Es/uema b1sico de la ar/uitectura de comunicación se)4n &rotocolo IEC @:B>. ;@<.
El est1ndar IEC @:B>, de(ine una metodolo)*a consistente &ara la intercone0ión e intero&erabilidad de dis&ositi'os electrónicos inteli)entes 2IE"s3, usando modelos de datos &rede(inidos y ser'icios de comunicación ma&eados sobre las &rinci&ales tecnolo)*as de comunicación tales redes de 1rea local 2LAN3 basadas en Eternet. La naturaleza abierta del est1ndar IEC @:B> ase)ura la intero&erabilidad entre dis&ositi'os, lo cual re&resenta el &rinci&al conductor &ara la im&lementación de dico intercambio de comunicaciones en redes inteli)entes.
9i). @. Es/uema b1sico de la ar/uitectura de comunicación "N78. ;B<.
$.
*"C +,-
La IEC @:B> es un est1ndar internacional &ara la automatización de subestaciones el+ctricas /ue r1&ida y si)ni(icati'amente a me-orado el dise6o y construcción de subestaciones inteli)entes. Las redes EternetJLAN son el medio (*sico &rinci&al de la automatización de subestaciones de ener)*a mediante este &rotocolo, lo /ue si)ni(ica e/ui&os de di(erentes cam&os deben estar conectados a la red Eternet. Al ser usada como un &rotocolo de comunicación uni(icado en automatización de subestaciones, la IEC @:B> &ro'ee bene(icios /ue ayudan a los dise6adores de sistemas de automatización a construir un com&leto, sistema de comunicaciones basados en redes Eternet ;@<.
9i). . Comunicación 'ertical y orizontal utilizando el estandar IEC @:B> ;H<.
Los dis&ositi'os IE" abilitados con el &rotocolo IEC @:B> obtienen datos de la condición del sistema de &otencia a tra'+s de un bus de &rocesos y unidades de combinación. Los IE" se comunican entre ellos usando los buses de comunicación en la subestación, como se muestra en la (i)ura . El &rotocolo est1 dise6ado es&ec*(icamente &ara redes de 1rea local 2LAN3 &ara reducir el costo del ciclo de 'ida de usar un dis&ositi'o 2costo de instalación, con(i)uración y mantenimiento3. El est1ndar IEC @:B> es una a&ro0imación real &ara la automatización orientada a ob-etos. %o&orta modelos de dis&ositi'os estandarizados usando nombres en lu)ar de n4meros e *ndices de ob-etoJre)istro.
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H
El uso del &rotocolo de comunicación IEC @:B>, ase)ura una 1)il comunicación 'ertical y orizontal 2(i)ura 3, es decir, entre e/ui&os del mismo ni'el y dis&ositi'os de ni'eles su&eriores e in(eriores y adem1s &ermite la comunicación e intero&erabilidad al enlazar los sistemas de comunicación entre dos subestaciones o una subestación con sistemas de control remoto. En la (i)ura , se &uede obser'ar )r1(icamente el &rinci&io b1sico de la comunicación entre dos subestaciones utilizando el &rotocolo IEC @:B>.
9i). K. 7rinci&ios de comunicación entre subestaciones utilizando el &rotocolo IEC @:B> ;8<.
C. /en0ua1e de confi0uración de Subestación 2SC/3
#no de los )randes lo)ros del est1ndar IEC @:B> y uno de las cosas /ue lo di(erencia de los otros est1ndares de comunicación, es la introducción de un len)ua-e de con(i)uración de subestación 2%CL por sus si0las en in0l4s Substation Confi0uration /an0ua0e3. El %CL ace &osible crear arci'os /ue son usados &ara el intercambio de la in(ormación de con(i)uración 2&or e-em&lo modelos de ob-etos estandarizados y con(i)uraciones del (lu-o de datos de dis&ositi'os del sistema3 entre erramientas de in)enier*a. arios ti&os de arci'o an sido de(inidos en el est1ndar IEC @:B>, y el contenido de cada ti&o de&ende &articularmente de la (unción creada &ara cada erramienta es&ec*(ica 2&or e-em&lo erramienta de con(i)uración del sistema o erramienta de con(i)uración del dis&ositi'o3. El arci'o de descri&ción de con(i)uración del sistema %C" 2&or sus si)las en in)l+s System Confi0uration &escription3 es uno de esos ti&os de arci'o, y esta de(inido como el documento maestro de un sistema de automatización de subestación com&leto.
9i). :>. E-em&lo de uso del arci'o %C" &ara el re)istro de e'entos en una subestación ;<.
I. CONCL#%IONE% :. La automatización de subestaciones &ermite incrementar la con(iabilidad y la (le0ibilidad de o&eración de las subestaciones, ya /ue establece una comunicación e(iciente y sistem1tica entre todos los e/ui&os /ue con(orman la subestación. =. Los sistemas de automatización de subestaciones, (acilitan el mane-o correcto de la in(ormación de estado y o&eración de la subestación, con lo /ue se tiene una )ran 'enta-a &ara el an1lisis a corto y lar)o &lazo. 8. 7ermite la introducción de 'arias a&licaciones nue'as como la A7 2ide Area 7rotection3, /ue &ermite tomar acciones correcti'as con una 'elocidad de res&uesta r1&ida (rente a (enómenos /ue &ueden causar, &or e-em&lo, cola&sos en el sistema. H. Me-ora el tiem&o de res&uesta de los sistemas de control y &rotección, &or cuanto la 'elocidad de trans(erencia de in(ormación y comandos es mayor al usar tecnolo)*as de
M.A GONZÁLEZ, Comunicaciones en sistemas de control y automatización de subestaciones in(ormación con mayor e(iciencia /ue la transmisión de se6ales el+ctricas &or conductor de cobre. B. 7ermite el dise6o ó&timo de es/uemas de recazo de car)a &ara &roblemas de ba-a (recuencia, &or la r1&ida res&uesta de los e/ui&os IE" modernos. @. La im&lementación de IE", &ermite me-orar los es/uemas de &rotección, tanto &or (uncionalidades m1s &recisas y di'ersas, as* como tambi+n una reducción si)ni(icati'a en el es&acio re/uerido en com&aración a rel+s electromec1nicos. . Los sistemas de automatización acen &osible el monitoreo y control &or sistemas de ad/uisición de datos muy 4tiles como los sistemas %CA"A. . El uso de &rotocolos de comunicación ace &osible la intero&erabilidad de los e/ui&os, (acilitando el enlace entre todos los e/ui&os de la subestación inde&endientemente de su (unción es&ec*(ica o del (abricante. K. El uso de &rotocolos de comunicación e(icientes, (acilita la in)enier*a tanto en la (ase de dise6o y construcción, as* como en el control y am&liación de los sistemas de control en la subestación. :>. Es im&ortante /ue los e/ui&os y el sistema en )eneral sean con(i)urados mediante &rotocolos /ue est1n
B
&re&arados &ara so&ortar el r1&ido a'ance de la tecnolo)*a, de manera /ue se a&ro'ece el ciclo de 'ida de los dis&ositi'os de control, &rotección y monitoreo. ! E9E!ENCIA% LA#%?7EE!, LOFMANN OLE!, OL9GAN9 IMME!, Substation Automation 7andbook P, Germany, =>>8. 586 I. "e ME%MAEE!, C. !QO9, 7. !einardt, (rotection and 5,6
substation automation systems! Standardization9 inte0ration and information technolo0iesP, IEEE 7E% 7o5erA(rica =>> Con(erence 5)6 5<6
56 5+6
5>6
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and E0&osition, oannesbur), %out A(rica, =>>. 7. LE#77, C. !Q9, :Special 'eport *"C! +,-; , ADD re'ie5, e cor&orate tecnical -ournal. 7ERAFE!!E!A, uan, :Automatización de subestaciones e inte0ración al Sistema SCA&A; , 7royecto &re'io a la obtención de t*tulo de In)eniero El+ctrico, Escuela 7olit+cnica Nacional, Suito, =>>. A "N78 7rotocol 7rimer, A basic tecnical o'er'ie5 o( te &rotocol. 555.dn&.or). 7. 7!#FI, F.D Du'anes5ari, L. %udeendran, Analysis of =tility Communication (rotocol *"C +<- for Substation Automation System P, IEEE ransactions. ". IscenTo, Automated "vent ?ana0ement in *"C +,- SubsationsP, IEEE ransacitions. on ". Mc"onald, "lectric (ower Substation "n0ineerin0 P , C!C 7ress, Doca !aton, #%A, =>>:.
