Universidad Fidélitas Curso Subestaciones I Profesor: Álvaro Peñaranda Contreras Estudiantes: Francela Chinchilla Héctor Bonilla Juan Diego González Erick Rodríguez Jason Gómez I Cuatrimestre 2013
Indice
Introducción .......................................................................................................................................
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Estándar internacional IEC 61850 Redes de comunicación y sistemas en las subestación
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Características del estándar: ......................................................................................................
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Introducción y revisión general ...................................................................................................
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Abstract Communication Service Interface ACSI ....................................................................
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Estructura de una subestación: ......................................................................................................
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Protocolos de comunicación IEC 61850 .......................................................................................
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Protocolos maestro esclavo ........................................................................................................
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Protocolo Modbus .......................................................................................................................
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Protocolo SPA .............................................................................................................................
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Protocolo DNP 3.0 ......................................................................................................................
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Protocolo UCA 2.0. .....................................................................................................................
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Protocolo TDM, (Time Division Multiplex Media Access) .....................................................
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Token passing .............................................................................................................................
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Protocolo ETHERNET (TCP/IP) ...............................................................................................
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Protocolo CSMA/CD/PS ............................................................................................................
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Configuración e Ingeniería ........................................................................................................
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Migración al estándar .....................................................................................................................
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Pruebas de conformidad ...........................................................................................................
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Conclusiones ...................................................................................................................................
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Introducción
¿Qué es IEC 61850? IEC 61850 es un estándar mundial para “Sistemas y Redes de Comunicación en Subestaciones”. Especifica un ampliable modelo de datos y servicios; y no bloquea futuros desarrollos de funciones, tampoco especifica funciones de control o protección, también respalda la Libre Asignación de Funciones a Dispositivos. Este estándar es abierto a las diferentes filosofías de sistemas. Respalda una comprensiva y consistente definición de sistema e ingeniería. Este usa Ethernet y TCP/IP para la comunicación. Y lo más importante es abierto para futuros nuevos conceptos de comunicaciones.
Estándar internacional IEC 61850 Redes de comunicación y sistemas en las subestación Los sistemas de automatización de una subestación (SAS) son el conjunto de elementos que permiten tener toda la información concentrada en un solo sitio para ejecutar las funciones operativas de manera segura con la información necesaria y oportuna minimizando la presencia de errores en la operación de la subestación. La norma IEC 61850 define un estándar de comunicación entre equipos de protección, control y medida dentro de una subestación. Tiene como objetivo desarrollar un estándar internacional para comunicación dentro de una subestación automatizada y conseguir de esta manera interoperabilidad entre componentes del sistema desarrollados por diferentes fabricantes.
Características del estándar:
Interoperabilidad e integración: Esto significa capacidad de dos o más equipos electrónicos inteligentes (IEDs, intelligent electronic devices), de distintos fabricantes para intercambiar información entre ellos, y conseguir de este modo un funcionamiento y cooperación correcta.
Dispositivo de modelado de datos estructurado.
Comunicación rápida y conveniente: Todo esto se proporciona con ayuda del lenguaje de descripción denominado (SCL, XML Substation Configuration
description
Language),
logrando
el
intercambio
de
información entre los IEDs de forma estandarizada. Antes de la norma la comunicación era de forma unilateral donde los datos van de un emisor simple a un receptor complejo (maestro-esclavo).
Bajo costo de instalación, configuración y mantenimiento: Este nuevo estándar tiene la capacidad de adaptarse al avance en las tecnologías de comunicación al mismo tiempo que a los requisitos de desarrollo del sistema compensando la obsolescencia. El estándar facilita la integración de nuevos dispositivos en cualquier instante sin tener que rediseñar el sistema completo.
Comunicación vertical: Describe la comunicación entre los equipos de monitorización (ejemplo sistema SCMS) y los equipos de protección y control. Esta comunicación incluye envío de datos de proceso, datos de parámetros, grabación de archivos de configuración y disturbios. Esta comunicación se implementa usando mensaje explícitos.
Comunicación horizontal: Describe la comunicación entre los equipos de control y protección. Esta comunicación incluye transferencia de datos de enclavamiento...Esta comunicación se implementa usando variables de red (NV´s).
El estándar se presenta de la siguiente manera: IEC-61850-1 Introducción y revisión general. IEC-61850-2 Glosario. IEC-61850-3 Requerimientos generales. IEC-61850-4 Administración de proyectos y sistemas. IEC-61850-5 Requerimientos de comunicación para modelos de funciones y dispositivos. IEC-61850-6 Lenguaje de descripción de configuración parea la comunicación. IEC-61850-7 Estructura básica de comunicación. IEC-61850-8 Mapeo especifico de sistemas de comunicación. IEC-61850-9 Mapeo especifico de sistemas de comunicación. IEC-61850-10 Pruebas de conformidad.
Introducción y revisión general
Abstract Communication Service Interface ACSI Interface virtual para IED que prestan servicios de comunicación abstractos como conexión, variables de acceso, transferencia de datos, control de dispositivos y servicios de transferencia de archivos independiente de la pila de comunicación real y perfiles utilizados.
Dispositivo Mecanismo o pieza del equipo diseñada para cumplir un propósito o realizar una función, por ejemplo breaker o relays.
Funciones Tareas que son desarrolladas por el sistema automático de la subestación, estas funciones son desarrolladas por los dispositivos físicos IED´s
Dispositivos Inteligentes Electrónicos Cualquier dispositivo que incorpora uno o más procesadores con la capacidad de enviar y recibir datos o control desde un dispositivo externo.
Intercambiabilidad Habilidad de cambiar un dispositivo de un fabricante por uno de otro manufacturador, sin hacer cambios a otros elementos del sistema.
Interoperabilidad Habilidad de dos o más IED´s del mismo vendedor o de diferente vendedor de intercambiar información y usar esa información para la ejecución correcta de funciones específicas.
Nodo Lógico Parte más pequeña de función que intercambia datos. Un LN esta definidos por sus datos y sus métodos. Puede obtener 20 datos específicos, llamados atributos de información.
Sistema Para el alcance del estándar IEC-61850 siempre se refiere a un sistema automático de subestación.
Modelado Los dispositivos utilizados en el sistema de potencia se modelan en términos de LN, los nodos lógicos definidos en la norma son 92: 3 LN del sistema. 28 LN de funciones de protección. 10 LN de funciones relacionadas con protecciones. 5 LN de control supevisorio. 3 LN de referencia genérica. 4 LN de interfaces y almacenamiento. 4 LN de control automático. 8 LN de medidores y medición. 4 LN de sensores y monitoreo. 2 LN de dispositivos de conmutación. 2 LN de transformadores de media. 4 LN de transformadores de potencia. 15 LN otros del equipo eléctrico. Los dispositivos lógicos conformados por diversos LN son dispositivos físicos modelados inicialmente como un modelo virtual. Cada LN provee a una lista bien organizada y nombrada de Información, además las funciones complejas utilizan un set de LN requeridos para representar la función.
Estructura de una subestación: Nivel de estación: Consiste en un ordenador para la subestación con una base datos, pantallas para los operadores, interfaces de comunicación remotas, etc.
Nivel de Bahía: Compuesto por las unidades de protección, control y medida de la posición.
Nivel de proceso: Compuesto por módulos remotos de I/O, sensores inteligentes, relees de actuación, etc.
Dispositivos con visibilidad, que agregan datos sobre todas las osiciones.
Dispositivos agregan información de la bahía.
Captación de muestras del apartamento rimaria.
Del diagrama anterior podemos observar: 1. Transferencia de Datos de protección entre nivel de estación y nivel de posición. 2. Datos de protección entre teleprotecciones. 3. Intercambio de datos internos (sin especificar) del nivel de posición. 4. Datos de medida (de TV y TI) entre nivel de proceso y nivel de posición. 5. Flujo de información de control entre nivel de proceso y nivel de posición. 6. Datos de control entre nivel de estación y nivel de posición. 7. Datos de teleconfiguración y telesupervisión. 8. Información de protección entre niveles de posición. 9. Controles internos de nivel de estación.
10. Control entre nivel de estación y los centros de control. La norma define diferentes mensajes según el servicio que utiliza el mensaje
Protocolos de comunicación IEC 61850 Como se puede observar en la siguiente figura existe una gran variedad de protocolos que hoy en día se están utilizando en todo el mundo en el entorno de las subestaciones.
Protocolos maestro esclavo El funcionamiento básico de este tipo de protocolos consiste en: el maestro accede al bus de datos y los esclavos contestan solamente si les pregunta el maestro, sin existir comunicación alguna entre dos esclavos distintos. Las características fundamentales de este tipo de protocolos son:
No existe comunicación directa entre esclavos.
Tiempos de respuesta determinista.
Control de comunicación centralizado (administrador del bus, Maestro).
Utilizado en cualquier topología.
Fuerte dependencia del medio físico utilizado en la velocidad de transmisión de datos.
La transmisión de datos no se basa en el modelo ISO/OSI de las siete capas sino que se basa en modelo EPA (Enhanced Performance Architecture) Este modelo lo que hace es simplificar el modelo de las 7 capas en 3 capa: Nivel Físico, nivel de alcance y nivel de aplicación.
Protocolo Modbus Modbus es un protocolo de transmisión para sistemas de control y supervisión de procesos (SCADA) con control centralizado, puede comunicarse con una o varias Estaciones Remotas (RTU) con la finalidad de obtener datos de campo para la supervisión y control de un proceso. Existen dos variantes, con diferentes representaciones numéricas de los datos y detalles del protocolo ligeramente desiguales:
Modbus RTU es una representación binaria compacta de los datos.
Modbus ASCII es una representación legible del protocolo pero menos eficiente. La versión Modbus/TCP es muy semejante al formato RTU, pero estableciendo la transmisión mediante paquetes TCP/IP. Este tipo de protocolo no permite fechado de eventos lo que le convierte en un protocolo inadecuado para envió de eventos. Modbus solamente lee estados y medidas, pero no el envío de eventos como por ejemplo los disparo.
Protocolo SPA El funcionamiento propio de este tipo de protocolo es del tipo maestro-esclavo, por lo tanto posee una unidad maestro y varias del tipo esclavo en este caso puede haber hasta 255 esclavos. El maestro sondea a los esclavos para adquirir
información, que puede ser tanto del tipo de datos como del tipo eventos, para posteriormente enviar (escribir) datos a los esclavos. Los esclavos poseen los siguientes datos: Ajustes, variables, datos de entrada y salida, comandos (estado, nombre, datos de eventos, reloj). Una de las necesidades básicas en los sistemas de automatización de subestaciones es la sincronización de todas las unidades. En este aspecto, los protocolos SPA disponen en todas la unidades esclavo de relojes propios a cada unidad, el cual es sincronizado por el maestro una vez por segundo, y permite una resolución de 1ms para el tiempo de sincronización.
Protocolo DNP 3.0 DNP3 (Distributed Network Protocol) se trata de un protocolo maestro- esclavo. Su objetivo principal es Proveer al sector eléctrico de un protocolo de comunicación seguro. Dado su carácter generalista, hoy se utiliza también en sectores afines como distribución de agua y gas. Se trata de un protocolo de comunicaciones generalista, no propietario y de uso público, cuya funcionalidad permite, no solo comunicar localmente los IED de la subestación entre sí o con un SCADA local, sino comunicar la subestación con un despacho de control. Este protocolo permite comunicaciones punto a punto y punto a multipunto además como todos los protocolos maestro-esclavo utiliza el modelo simplificado de tres capas del OSI. El ámbito de influencia de los protocolos DNP 3.0 es propio de Norteamérica, Sudamérica, África y Asia.
Protocolo UCA 2.0. UCA (Utility Communications Architecture) nació de la necesidad de estandarizar protocolos de comunicaciones a gran escala y bajo coste. La versión 2.0 incorpora una familia de protocolos básicos, así como modelos normalizados de objetos propios de subestaciones, autos descritos e independientes del proveedor.
La adquisición de datos en tiempo real y el control de aplicaciones se hacen vía MMS (Manufacturing Message Specification) que provee un formato común de mensajes en la capa de aplicación. El estándar MMS/UCA está basado en normas abiertas y bien conocidas como manera más efectiva de
automatizar
subestaciones. Antes de la iniciativa UCA, las compañías han venido adoptando diversas tecnologías de comunicación fuertemente dependiente y optimizada para las plataformas de cada proveedor. Estos sistemas de información diferentes hacían difícil, compleja y cara la integración de productos de diversos fabricantes. instituto EPRI (Electric Power Research
El
Institute) inició un proyecto para
promocionar y facilitar la interoperabilidad de productos de distintos proveedores. En 1988 se lanzó el proyecto UCA y de ahí resultó un “suite de protocolos”,
denominada UCA Versión 1 con el fin de cumplir los requisitos de la industria eléctrica. En dicha versión, se adoptó el estándar MMS para el nivel aplicación requerido por las aplicaciones y captura de datos en tiempo real. Dicho estándar era muy abierto, por lo que la industria no lo adoptó de un modo generalizado. Seguía habiendo un grado de interoperabilidad insuficiente. En respuesta a esta necesidad, el EPRI patrocinó el Forum UCA que continuó desarrollando la especificación de UCA. De esta forma en 1997 salió la versión 2 que describía y especificaba en detalle la estructura de los dispositivos de campo requerido por las compañías. Las ventajas principales del protocolo UCA Versión 2, llamado UCA 2 son:
Aumenta la versatilidad incluyendo las potencialidades de Internet a todo tipo de servicios, electricidad, gas y agua.
Provee un marco común para diferentes fabricantes, mejorando la disponibilidad de equipos y disponer de fuentes alternativas
La combinación óptima de estándares a distintos niveles, desde el físico hasta el de aplicación, reduce los costes de integración.
Las compañías han de realizar desembolsos adicionales por interfaces de comunicación (cajas negras con sus limitaciones) o gateways cada vez que
necesitan conectar un equipo nuevo a la red o modificar instalaciones existentes.
Protocolo TDM, (Time Division Multiplex Media Access) Cada uno de los nodos tiene su propio intervalo de tiempo durante el cual pueden enviar sus datos. Las características principales de este tipo de protocolos son:
Comunicación Peer-to-peer, es decir cada nodo tiene la posibilidad de hablar con otro nodo.
Tiempos de respuesta determinista.
Control de comunicación centralizado (administrador del bus).
Utilizado en cualquier topología.
El tiempo de intervención es fijo e independiente de la carga de red.
Token passing Su funcionamiento consiste básicamente en un testigo que va pasando a través del anillo y por lo tanto cualquier nodo puede cogerlo cuando pase por él, enviar datos y posteriormente pasar el testigo. Este protocolo cuanta con tiempos de respuesta semi-determinista. No podemos determinar cuánto tiempo tardará en hablar un nodo, e incluso podría bloquear la red. Para que sea determinista tenemos que tener un bus administrador que controle los tiempos que un nodo tiene el token.
Protocolo ETHERNET (TCP/IP) Se trata de un protocolo de transmisión de datos, el cual en los últimos años se ha convertido en la tecnología que domina la tecnología LAN (Local Area Network), y en la que más dinero se ha estado invertido. El algoritmo que utiliza este tipo de redes Ethernet, es CSMA/CD. Si una estación necesita transmitir lo primero que tiene que hacer es comprobar que ninguna otra esta ya transmitiendo (CARRIER SENSE). El medio de comunicación
es un cable, por lo tanto, permite el acceso de múltiples estaciones que pueden y transmitir y recibir utilizando mismo cable (MULTIPLE ACCES). Para detectar errores se dispone de una estación “que escucha” mientras se está
transmitiendo los datos. Las colisiones características de este tipo de protocolos se causan cuando dos nodos/ adaptadores intentan transmitir al mismo tiempo un mensaje, estos adoptadores detectan la colisión basándose en diferencias de voltaje, y transmiten una señal de atasco a toda la red para asegurarse que todas las estaciones conectadas a la red sepan que ha existido una colisión.
Protocolo CSMA/CD/PS Los protocolos LON, Local Operating Network, poseen dos dominios, cada uno de ellos puede llegar a tener 255 subredes, y cada subred hasta 127 nodos. El mecanismo de acceso que sigue es Carrier sense/ Collision Detect con 500/700 mensajes/s. En este caso y a diferencia de los protocolos CSMA/CD se trata de un protocolo determinista al incorporar priority slots. Esto implica que en cada periodo de tiempo podemos distinguir dos partes: La primera que se trata de una parte pública en la que todos los nodos pueden acceder al bus, y la segunda parte en la cual cada nodo dispone de un periodo de tiempo propio para acceder al bus. De esta forma nos estamos asegurando que todos los nodos puedan transmitir información en cada periodo sin tener que esperar tiempos indeterminados. Este protocolo nos garantiza como máximo 20ms de tiempo de retraso, debido a las variables de prioridad de red. La topología propia de este protocolo es en estrella, la igual que las redes Ethernet.
Configuración e Ingeniería La ingeniería de los IEDs es realizada a través de herramientas específicas de cada fabricante, estas herramientas de configuración traducen las capacidades y la configuración del IED a SCL (Substation Configurationdescription Language).
Migración al estándar Para que la migración sea posible se deben reemplazar los dispositivos a nivel de la subestación, además se deben reemplazar total o parcialmente los dispositivos del nivel de bahía e igualmente los dispositivos de procesos. Se extienden con una o más bahías.
Migración al nivel de estación:
Las estaciones de computación serán compatibles por largos periodos de tiempo con los protocolos utilizados actualmente.
Migración en niveles de bahía y de proceso:
Sólo es necesario reemplazar un conector que sea compatible con IEC 61850, con interfaces igualmente compatibles.
Pruebas de conformidad Las pruebas de conformidad consisten en la verificación de la información y las herramientas del sistema que son suministradas por el fabricante. Estas pruebas pueden ser realizadas por la misma empresa en que se manufactura o ser realizadas por una empresa especializada. El objetivo de interoperabilidad se puede garantizar mediante el proceso de aseguramiento de calidad durante todas las etapas del desarrollo del proyecto y mediante estos tipos de pruebas para reafirmar que las herramientas cumplen con las especificaciones del usuario.
Conclusiones
El estándar IEC 61850 es ideal para automatización de subestaciones. Uno de los factores más importantes es que tiene un alto grado de flexibilidad a través de la interoperabilidad entre IEDs de distintos fabricantes. Muestra una completa ventaja para futuras innovaciones con tecnologías de Automatización de Subestaciones y Comunicaciones. Al contar con un protocolo de comunicaciones que trabaja en master/esclavo se aumenta la confiabilidad a la subestación. Promete una amplia reducción de costos desde el diseño hasta la operación y mantenimiento. Tiene una gran acogida por fabricantes y usuarios equitativamente
