Comunicación presentada al VI Congreso Smart Grids
Autores
- Amelia Álvarez, R&D Project Manager, Schneider Electric
- Francisco Ramos, Innovation Manager, Schneider Electric
- Miguel Ángel Corchero, R&D Project Manager, Endesa Distribución
- Pablo del Campo, R&D Project Manager, Integrasys
- Daniel Guerrero, R&D Project Manager, Isotrol
Resumen
La incorporación de nuevos sistemas y equipos basados en nuevas tecnologías y nuevos estándares como IEC 61850 a subestaciones eléctricas existentes supone todo un desafío para las Utilities. La integración no es inmediata, debe hacerse de forma gradual, debiendo garantizar en todo momento la interoperabilidad con los sistemas actuales, la continuidad del servicio y la seguridad de la infraestructura eléctrica. Todo ello, minimizando costes y facilitando a los operadores la adaptación a nuevas tecnologías y métodos de explotación. Ante este reto, el proyecto 3S-CS propone un sistema integral de control de subestación basado en cinco pilares fundamentales: estandarización, seguridad, Internet de las cosas, comunicaciones inalámbricas y sincronización.
Palabras clave
IEC 61850, RTU, IoT, Wireless, IEEE 1588, VPN, Control de Subestación
Introducción
La Unión Europea, en su Estrategia Marco, presenta entre sus objetivos clave en materia energética, el ofrecer a los consumidores una energía segura y eficiente, protegiendo el medio ambiente. Concretamente respecto a la eficiencia energética fija un objetivo de un aumento del 27%-30% para 2030.
Este objetivo exige una importante evolución en los próximos años de las infraestructuras eléctricas actuales, no solo respecto al empleo de nuevas tecnologías, sino en las nuevas formas de interactuar con los clientes. En este contexto, las subestaciones eléctricas, como elemento clave de la red eléctrica, juegan un papel fundamental en este proceso.
Las nuevas redes eléctricas inteligentes o Smart Grids se presentan como la solución a la modernización de estas infraestructuras, gracias al empleo de nuevas tecnologías, facilitando la interoperabilidad, el control y la monitorización de éstas.
En lo que se refiere a la subestación eléctrica, el estándar IEC 61850 se ha posicionado como un referente a nivel mundial. Este estándar permite integrar todas las funciones de protección, control, medición y supervisión en una subestación; y proporciona los medios necesarios para aplicaciones de protección de subestaciones de alta velocidad, combinando la tecnología Ethernet con el rendimiento y la seguridad.
Además, en estos últimos años, han surgido nuevas tecnologías y normativas que pueden ser aplicadas a estas infraestructuras, como: las comunicaciones inalámbricas, con protocolos más robustos y seguros que pueden operar en entornos más ruidosos, estándares para incrementar la seguridad de estas infraestructuras críticas, como IEC 62351 para subestaciones o IEEE 1686 referente a los dispositivos de control; el concepto de Internet de las Cosas (IoT) referente a la interconexión digital de dispositivos físicos.
La incorporación de estas tecnologías a las subestaciones eléctricas que gestionan el suministro de miles de usuarios no se puede hacer de manera abrupta, reemplazando toda la tecnología ya existente por nuevos sistemas con métodos de explotación a los que los operadores no están familiarizados. La evolución de las subestaciones eléctricas deberá pasar por un periodo de transición en el que deban convivir tecnologías tradicionales con los nuevos sistemas, garantizando la interoperabilidad y la continuidad del suministro eléctrico.
En este contexto, se presenta el proyecto 3S-CS, que considerando estas novedosas tecnologías y centrándonos en la subestación eléctrica, da respuesta a las necesidades planteadas por la UE respecto a la mejora de la eficiencia y la seguridad de la red eléctrica, mediante el desarrollo de un sistema integral para el control de subestaciones eléctricas basado en IEC 61850, compatible con equipos legacy, con capacidad inalámbrica e IoT.
3S-CS “Standardization Security Synchronization Connected Substation”
El proyecto 3S-CS “Standardization Security Synchronization Connected Substation” ha permitido el desarrollo y la validación en un escenario real de un sistema integral para el control de subestaciones eléctricas basado en IEC 61850, con capacidad inalámbrica y tecnología IoT.
Además, al tratarse de activos que operan sobre una infraestructura crítica como es la red eléctrica, tomando como elemento central de la subestación eléctrica la RTU (Remote Terminal Unit), se ha llevado a cabo un análisis de amenazas del sistema de control de subestación incorporando las nuevas tecnologías que se plantean y se han propuesto las acciones de mitigación de las vulnerabilidades detectadas en base a las recomendaciones de los estándares de seguridad actuales.
Así, el desarrollo del sistema integral para el control de subestaciones eléctricas se ha planteado entorno a cinco pilares fundamentales: Estandarización, Seguridad, Comunicaciones Inalámbricas, Sincronización e Internet de las Cosas.
El logro de una estandarización transversal basada en IEC 61850 ha sido clave para el proyecto. La norma IEC 61850 brinda soluciones a las necesidades de automatización y protección de sistemas de telecontrol eléctrico por medio del uso de las últimas tecnologías y permitiendo hacer la integración en una única red y protocolo, dando soporte a los distintos niveles del sistema. Todo este enfoque de estandarización se orienta a la integración de equipos de diferentes fabricantes, minimizando la necesidad de utilizar conversores de protocolo y reduciendo los tiempos de ingeniería, siempre con la mejora de Ciberseguridad, basada en un análisis exhaustivo de riesgos y amenazas de los sistemas de control de subestación como requisito principal.
Asimismo, el sistema comprende la integración de equipos de control tradicionales con funcionalidades añadidas, adaptados a su uso en entorno objeto del proyecto, donde se requieren capacidades de sincronización de alta precisión, basado en protocolo IEEE 1588, para el soporte de servicios IEC 61850 como GOOSE.
Otro elemento de gran valor añadido del sistema es la inclusión de comunicaciones Wireless en entorno de subestación. La selección de la tecnología adecuada para el soporte de servicios esenciales IEC 61850 permite usarla como red de back-up de la red LAN principal de la instalación.
Desde el punto de vista de la seguridad, el sistema integra una conexión VPN que permite el acceso remoto seguro al sistema de control de subestación, gestionado a través de un servidor de certificados, para la realización de tareas de manteamiento y diagnóstico. Asimismo, dado los elementos tan innovadores a integrar en la solución, se ha realizado un modelado y análisis de las amenazas del sistema desde el punto de vista de la RTU de subestación, identificando los riesgos y proponiendo contramedidas para minimizar su impacto en línea con las recomendaciones de los estándares de seguridad IEC 61351 e IEEE 1686
Por último, el sistema implementado incluye el elemento innovador de posibilitar la conexión de la subestación a un entorno IoT (Internet of Things), previo diseño de la arquitectura necesaria para asegurar todos los requerimientos de seguridad, habilitando así a la subestación para mandar de manera segura datos a la nube, donde podrán ser procesados para la realización de análisis estadísticos o de monitorización.
De forma gráfica, si se hace una abstracción genérica de los sistemas de control, desde la propia subestación a los centros de control, despacho o sistemas de alto nivel para supervisión o gestión, puede verse donde queda enmarcado cada uno de los desarrollos, tal y como se muestra en la imagen.
Como puntos clave en la evolución planteada respecto al escenario actual, podrían destacarse los siguientes
- Desde el punto de vista de los equipos, el entorno planteado responde a una situación realista y razonable, en la cual se mezclan equipos de naturaleza “legacy”, basados en tecnologías existentes y protocolos de comunicación serie (DNP, IEC103 o MODBUS), equipos nativos IEC 61850, de nueva implantación, asociados a actualizaciones o ampliaciones de las instalaciones existentes.
- Se plantea igualmente una evolución mixta en cuanto a la naturaleza de las redes de comunicación en el ámbito de la subestación, donde convivirán las redes serie existentes para comunicación con equipos legacy, con las nuevas redes LAN Ethernet desplegadas para dar soporte a los servicios IEC 61850.
- El uso de un modelado integral en IEC 61850 de toda la señalización de protección y control posible en la subestación, contenida en el diccionario de telecontrol, posibilita el uso de un modelo de datos único de todo el sistema, basado en IEC 61850 y la configuración del mismo mediante un único fichero .SCD ajustado a la norma, en el que se integrarán de forma trasparente todos los equipos (la información de control asociada) independientemente de su naturaleza (legacy o nativa IEC61850).
Herramienta de configuración y monitorización IEC 61850
La herramienta de configuración y monitorización IEC 61850 del sistema de control integral de 3S-CS es capaz de integrar la actual ingeniería de configuración de una subestación eléctrica tipo, tanto para soluciones puras (solo IEC 61850) como para soluciones mixtas (soluciones heredadas del pasado con equipos IEC 61850). Asimismo, permite definir la ingeniería de subestación, dando como salida un único fichero de configuración (.SCD), siendo el mismo origen de información para todos los suministradores de forma que desde este único fichero se podrán obtener los ficheros de configuración que necesite cada dispositivo (.SCD, .CID).
El alcance genérico de la herramienta se muestra gráficamente en la figura siguiente.
Las funcionalidades que aporta la herramienta desarrollada son las siguientes:
- Generación de las configuraciones necesarias para distintos elementos del sistema de control completo, incluyendo:
- Remota de subestación (RTU-UCS)
- Equipos de supervisión local de la subestación (TGP)
- Terminal de control local de la instalación (TLO)
- Centros de control de operación de la red (CC)
- Centros de control o sistemas auxiliares de mantenimiento
- Equipos de protección y control presentes en la instalación (IEDs)
- Definición y diseñado de sistemas de telecontrol por medio de la norma IEC 61850 para permitir actualizaciones tecnológicas en el área de las comunicaciones al estar basado en TCP/IP y redes Ethernet.
- Optimización de procesos para la generación automática de informes y documentación de las subestaciones, así como para la generación verificada de los ficheros de configuración del sistema de telecontrol de una subestación eléctrica.
- Aplicación de fácil uso e interacción con los usuarios que permita definir los sistemas de telecontrol estandarizados para las subestaciones de Endesa Distribución.
- Aplicación con tecnología Microsoft .NET para asegurar una compatibilidad total con los sistemas operativos Windows.
Dispositivos RTU de adquisición con sincronización de alta precisión
El bus de proceso constituye un salto cualitativo para la subestación eléctrica, ampliando la aplicación de la norma IEC61850 en toda su extensión. El bus de proceso supone un paso más en el proceso de digitalización de la subestación, definiendo tanto el modelo de datos como el sistema de comunicaciones para los dispositivos de campo.
En este contexto, se ha desarrollado para el sistema de control integral del proyecto un dispositivo RTU compacto con capacidad de adquisición de entradas y salidas digitales que integra, además de los protocolos de subestación tradicionales, capacidad de comunicación rápida basada en el servicio de comunicaciones peer-to-peer IEC61850 GOOSE y sincronización de alta precisión mediante el uso del protocolo PTP (IEEE 1588). La incorporación de esta tecnología de sincronización ha supuesto una mejora del orden de 9 veces la precisión obtenida para otras tecnologías como SNTP.
Sistema inalámbrico de subestación
La solución inalámbrica planteada consiste en una red de sensores para el patio de subestación (red exterior) basados en Bluetooth Low Energy (BLE) junto con una implementación de tecnología a 868 MHz y una red interior basada en 802.11 optimizada según los requisitos de fiabilidad que impone el estándar IEC 61850. Esta red interior proporciona un canal de comunicación redundante al bus de IEC 61850 para los mensajes de control MMS.
La red exterior de sensores inalámbricos permite proporcionar herramientas de sensorización para magnitudes difíciles de medir por su localización o implementar nuevos sensores en la subestación sin necesidad de invertir recursos en la instalación de una red cableada mediante obra.
Solución IoT de subestación
El sistema de IoT se ha implementado de sobre una máquina virtual Java corriendo sobre un dispositivo instalado en subestación. Se basa en un servicio que obtiene información de la base de datos en tiempo real de subestación y de sensores externos y los reenvía a las plataformas IoT seleccionadas.
Para la conexión con los distintos sensores IoT y plataformas seleccionadas se han desarrollado las interfaces de comunicación para distintos protocolos de comunicación IoT, así como los servicios para la identificación y autenticación.
Por cada plataforma disponible, el sistema IoT desarrollado dispone de un módulo software que actúa como cliente de la misma, enviando la información encapsulada en alguno de los protocolos de comunicación soportados.
Dispone también de un módulo central que es el encargado de obtener los valores de las señales, las marcas de tiempo y los bits de calidad de la base de datos de subestación y proporcionarlos a cada uno de los módulos software de cliente de plataforma IoT.
Otras funciones de este módulo central son: la lectura de las señales externas proporcionadas por sensores IoT, el almacenamiento de los registros de eventos, y la gestión de las configuraciones para la conexión y envío de señales a las distintas plataformas. La interacción del usuario con éste se realiza a través de una web de Gestión.
Solución VPN para mantenimiento remoto
La funcionalidad VPN desarrollada para la RTU de subestación se basa en el uso de IPSec en modo transporte. La ventaja de IPsec es que se ejecuta automáticamente en el sistema operativo, con lo cual, es totalmente transparente a las aplicaciones que se ejecutan. Las aplicaciones que están ejecutándose en cada nodo, y que son responsables de la generación y recepción de dicho tráfico, no son conscientes de que ese tráfico realmente ha sido protegido por Ipsec.
El operario establece una conexión VPN con la RTU, y se autentica con un certificado X.509 emitido previamente a su nombre. Este certificado contiene toda la información necesaria para identificar a ese usuario. La RTU se conecta a un servidor externo (utilizando el protocolo OCSP) y verifica la validez del certificado del operario. El servidor externo, a su vez, utiliza su propia base de datos para poder verificar el certificado. Esta base de datos contiene todos los usuarios que tienen permitido acceder a la VPN, y se puede gestionar a través de la interfaz web.
El siguiente esquema muestra el caso de uso implementado para la VPN de RTU:
Resultados
Previa a la instalación en un escenario real de subestación, los desarrollos fueron integrados y validados a nivel de laboratorio. En estas pruebas se verificó el funcionamiento de la herramienta de configuración y monitorización IEC 61850 para la configuración de la subestación mixta de Endesa dónde se iba a realizar el piloto. Para ello, se instaló una UCS (Unidad de Control de subestación) comunicando con los sistemas de control y protección, tanto legacy como IEC 61850.
Las pruebas permitieron al consorcio detectar y solventar fallos en los desarrollos, así como conocer los parámetros de configuración idóneos para una completa integración de los distintos elementos del sistema con los que cada desarrollo interacciona.
Se realizaron también en laboratorio pruebas para conocer el rendimiento de la nueva RTU en cuanto a sincronización PTP 1588 y comunicaciones rápidas GOOSE IEC 61850.
El modelado de amenazas de subestación con los elementos desarrollados ha permitido además identificar los riesgos y contramedidas que debemos tener en cuenta para un despliegue de la solución.
Una vez realizadas las pruebas de laboratorio, todos los desarrollos se integraron en una subestación real de Endesa, quedando el sistema funcionando junto a los equipos de control y protección legacy ya existentes en la misma.
Agradecimientos
Al consorcio del proyecto 3S-CS, cofinanciado por el Centro de Desarrollo Tecnológico Industrial y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) dentro del Programa Operativo Creciente Inteligente 2014-2020 (ITC-20161012).