Comunicación presentada al III Congreso Smart Grids:
Autora
- Patricia del Río García, Smart Grid Consultant, DNV GL Energy
Resumen
La migración a IEC 61850 se ha convertido en una tendencia actual. Cada vez más compañías eléctricas incorporan dispositivos electrónicos inteligentes (Intelligent Electronic Devices – IEDs) con funciones de protección, control y monitorización en sus subestaciones aprovechando las ventajas que la norma ofrece. El amplio alcance que el estándar IEC 61850 proporciona como solución en la automatización de subestaciones, y su extensión orientada hacia otros aspectos relacionados con la generación distribuida, hacen de éste el estándar con más futuro en el panorama de las Smart Grids. La tendencia es clara; pero ahora bien, ¿cómo afrontar la migración a IEC 61850? En este artículo DNV GL ofrece una visión global acerca de los distintos factores que intervienen en la implementación de la norma en las subestaciones eléctricas y los retos que ello supone.
Palabras clave
IEC 61850, Automatización de Subestaciones, IED, Interoperabilidad, SCL, Modelo de Datos
Introducción
Cuando se trata de un proyecto relacionado con el diseño de un sistema de automatización de subestación (Substation Automation System – SAS), las compañías eléctricas buscan una solución que ofrezca las mejores ventajas actuales, pero que a su vez sea una solución duradera en el tiempo desde un punto de vista tecnológico.
En ese sentido, la norma IEC 61850 ha sido concebida para ser una solución válida tanto para el presente como para el futuro. A día de hoy, el uso de gateways permite la coexistencia y el entendimiento en una misma subestación entre dispositivos IEC 61850 y aquellos que no lo son. Asimismo, mediante la definición de un modelo de datos y de un conjunto de servicios de comunicación estandarizados, la norma posibilita la implementación de soluciones multivendor, asegurando la interoperabilidad entre dispositivos de distintos fabricantes. El estándar IEC 61850 está pensado no sólo para subestaciones de nuevo diseño, sino también para la renovación y ampliación de subestaciones ya existentes.
Éstas y otras ventajas que ofrece la norma la convierten en una solución atractiva en la implementación de sistemas de automatización en subestaciones eléctricas. Ahora bien, a la hora de abordar un proyecto de este tipo, existen una serie aspectos a tener en cuenta; aspectos algunos de ellos determinantes a la hora de garantizar con mayor probabilidad el éxito en la ejecución del mismo.
Transición a una subestación IEC 61850
Aspectos generales
Tal y como se muestra en la Figura 1, una subestación puede dividirse en tres niveles funcionales distintos: nivel de subestación, nivel de bahía y nivel de proceso.
- El nivel de proceso es aquel en el que se sitúan los equipos primarios, tales como sensores, transformadores de corriente, transformadores de tensión, interruptores y seccionadores.
- En el nivel de bahía se ubican los equipos de protección, control y monitorización.
- El nivel de subestación es aquel donde se sitúan las unidades centrales de subestación que se conectan con los centros de control.
Bajo la norma IEC 61850, en estos niveles se pueden encontrar distintos dispositivos electrónicos inteligentes (Intelligent Electronic Devices – IEDs) con funciones de protección, control, supervisión, medición y comunicación principalmente. De modo que podemos encontrar IEDs típicos tales como: computadores de subestación (HMI), RTUs (Remote Terminal Units), gateways, equipos de monitorización, relés de protección, unidades de control de bahía, contadores, transformadores de instrumentación digitales, MUs (Merging Units), entre otros.
En este punto, la interoperabilidad se consigue mediante la identificación de las funciones comunes dentro de una subestación y su estandarización a través de un modelo jerárquico de datos. En él, un dispositivo físico contiene uno o más dispositivos lógicos, que a su vez contienen uno o más nodos lógicos agrupados según su funcionalidad y propósito dentro de cada dispositivo lógico. Cada uno de estos nodos lógicos está definido de manera estandarizada mediante objetos de datos con sus correspondientes atributos.
Dentro de una subestación IEC 61850, los dispositivos situados en el nivel de subestación y el nivel de bahía estarán conectados entre sí mediante el denominado bus de estación; mientras que los dispositivos situados en el nivel de bahía y los dispositivos del nivel de proceso lo estarán mediante el bus de proceso. Estas redes podrán soportar una comunicación basada en tres tipos de servicios también estandarizados:
- Servicios de comunicación basados en mensajes MMS orientados a conexión tipo cliente-servidor.
- Mensajes GOOSE para la transferencia rápida de eventos por multidifusión entre bahías.
- Valores muestreados (Sampled Values – SV) para la transferencia de medidas digitales de corriente y tensión desde los equipos primarios instalados en el nivel de proceso.
IEC 61850 proporciona además un medio estandarizado de configuración de subestación, el denominado SCL (Substation Configuration Language). Se trata de un lenguaje basado en XML (eXtensible Markup Language) utilizado para la configuración de los IEDs que conforman el sistema de automatización de la subestación; esto incluye su relación con el diagrama unifilar, su modelo de datos y servicios de comunicación, así como sus enlaces de comunicación dentro del sistema. El objetivo principal de este lenguaje de configuración es posibilitar el intercambio de datos de una manera estandarizada entre equipos de diferentes fabricantes desarrollados bajo la norma.
Mediante el uso de SCL se reduce de manera notable el esfuerzo en el proceso de ingeniería, y se simplifica tanto el mantenimiento como la ampliación de los sistemas de automatización.
Establecimiento de especificaciones técnicas
Dado que el IEC 61850 es un estándar con un alcance que cubre un amplio conjunto de aspectos dentro de la subestación y que ofrece una gran flexibilidad en su uso para distintos tipos de implementación, es necesaria la definición de un conjunto de especificaciones técnicas que recojan los requerimientos particulares establecidos por la correspondiente compañía eléctrica.
En general, estas especificaciones deberán cubrir áreas relacionadas con la comunicación, la información y la ingeniería, junto con unos requisitos hardware en términos de fiabilidad y rendimiento. Además, se deberá tener en cuenta la coexistencia con otras tecnologías y protocolos de comunicación. Los requisitos del sistema deberán potenciar la interoperabilidad mediante la selección y restricción de estándares a ser usados, con el fin de simplificar la posterior tarea de integración.
Estas especificaciones técnicas constituirán la base para la licitación y la ingeniería de un determinado proyecto.
Diseño de la red LAN de la subestación
El proceso de diseño de la red de comunicación de una subestación basada en la norma IEC 61850, se puede dividir de manera simplificada en las siguientes etapas:
Selección de esquemas y protocolos de comunicación adicionales
En primer lugar, se deben seleccionar los esquemas y protocolos de comunicación de datos adicionales a IEC 61850, escogiendo aquellos que mejor se adapten a los requisitos funcionales de la red: sincronización, transferencia de archivos, intercambio de información, etc.
Selección de dispositivos de red
A continuación, es necesario seleccionar los dispositivos de red (routers, switches, gateways, etc.) que permitirán la interconexión entre IEDs, equipos primarios y equipos instalados en el nivel de subestación. Asimismo, se debe seleccionar la topología de la red incluyendo el nivel de redundancia tanto física como lógica.
En este punto, es importante tener en cuenta la criticidad en los tiempos de respuesta requeridos en ciertas áreas de la subestación. En ocasiones, el bus de estación no es capaz de gestionar el elevado volumen de tráfico procedente del bus de proceso, causando serios problemas de congestión. En este caso, una posible solución sería la división de la red en segmentos más pequeños con el fin de incrementar la fiabilidad y el rendimiento.
Combinando la redundancia de la red y la redundancia de los IEDs se puede incrementar la disponibilidad global de la misma eliminando en la medida de lo posible los puntos únicos de fallo. Son muchas las posibles arquitecturas de red a implementar en una subestación IEC 61850 dependiendo de su tipo, sus niveles de tensión, su importancia dentro de la red global y de las aplicaciones que requieren ser ejecutadas en ella. Las preguntas más comunes que deben ser respondidas para escoger una arquitectura de red apropiada son:
- ¿Cuál es la aplicación?
- ¿Existen requerimientos de protocolos específicos?
- ¿Es necesaria la redundancia?
- ¿Cómo gestionar fallos en los componentes?
Configuración de dispositivos de red
El siguiente paso es configurar los dispositivos de red: las direcciones IP y las máscaras de subred, las direcciones de multidifusión y dominios, y las VLANs.
Creación de un SCL único
La creación de un único archivo SCL de configuración de la subestación es uno de los pasos más delicados del diseño. Este archivo contendrá toda la información relacionada con la configuración del sistema; es decir, la configuración de todos los IEDs que forman parte del sistema, la configuración de la red de comunicaciones y la descripción de la subestación.
Es de suma importancia que todos los IEDs que vayan a formar parte de la solución cuenten con su correspondiente archivo ICD, asegurando siempre su conformidad con la norma. Por ello, cabe destacar la necesidad de contar con herramientas de ensayo que validen el contenido de dichos archivos de manera rápida y eficaz. El proceso de validación manual de archivos SCL de configuración es complicado y consume demasiado tiempo, por lo que el uso de estas herramientas de validación se hace imprescindible.
Validación del diseño
Para poder establecer si el diseño de red realizado es válido, se debe preparar una simulación de red que permita analizar si la topología escogida proporciona el rendimiento y la fiabilidad deseados; para lo cual se debe establecer un plan de ensayos lo suficientemente completo como para poder asegurar la viabilidad del diseño en campo.
Si finalmente la red no responde de acuerdo a los criterios fijados de manera satisfactoria, el diseño deberá ser revisado de nuevo desde la etapa de selección de dispositivos de red.
Conclusiones
Es evidente que el IEC 61850 es mucho más que un protocolo de comunicación. Sin embargo, a menudo la parte relacionada con la comunicación de datos es considerada de mayor importancia en comparación con los aspectos relacionados con el modelo de datos y el uso de SCL en la configuración de la subestación. Pero lo cierto es que sin un modelo de datos y una configuración adecuados la comunicación no es posible.
De modo que para poder aprovechar todo el potencial que la norma ofrece y poder alcanzar el éxito en la ejecución del proyecto, es indispensable una formación previa y adecuada de los equipos de trabajo. Todos los actores involucrados en la definición y desarrollo del proyecto, desde ingenieros de diseño, fabricantes, integradores del sistema hasta los ingenieros encargados de los ensayos y la puesta en marcha, deberán contar con un conocimiento teórico y práctico adecuados del estándar, que les permita afrontar con éxito el reto de una transición hacia una subestación completamente interoperable libre de protocolos propietarios.
Desde la introducción de IEC 61850 en el mundo de la automatización de subestaciones, el número de dispositivos conformes a la norma que han conseguido la certificación ha ido en aumento. En ese aspecto, DNV GL ha probado un amplio número de equipos desarrollados por fabricantes de todo el mundo. De modo que las compañías eléctricas cuentan con un amplio portfolio de componentes típicos requeridos en una subestación.
Dentro de un mercado repleto de opciones, sólo queda la tarea de escoger la solución que mejor encaje con los requerimientos funcionales y técnicos establecidos para el sistema de automatización de la subestación. Es indudable que la migración de las subestaciones a IEC 61850 requiere de un proceso de transición en los métodos tradicionales de diseño, implementación, ensayo y puesta en marcha de subestaciones. Pero en cualquier caso, el panorama actual parece augurar al estándar un futuro prometedor, abierto a nuevas oportunidades.