Comunicación presentada al II Congreso Smart Grids:
Autores
- David Miguel Rivas Ascaso, Técnico del Departamento de Integración en Red, CENER
- Mónica Aguado Alonso, Directora del Departamento de Integración en Red, CENER
- Elisa Zabalza Rico, Becaria del Departamento de Integración en Red, CENER
Resumen
En esta comunicación se analizarán las ventajas que desde el punto de vista de las microrredes aporta el estándar IEC 61850. De esta manera se dotará a la microrred de una robustez añadida a su funcionamiento, además de incrementar la interoperabilidad en la misma. Adicionalmente, la norma IEC 61850 proporciona independencia de la tecnología utilizada mientras que se posibilita la creación de nuevas funciones, datos o servicios que sean requeridos en el futuro en la automatización de la microrred. Para terminar se analizará el caso de ejemplo de la migración a la norma IEC 61850 de los sistemas de comunicación existentes en la microrred ATENEA exponiendo las diferentes alternativas y arquitecturas para su adecuación y valorando su idoneidad.
Introducción
El estándar IEC 61850 fue inicialmente diseñado a partir de 1994 por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), UCA y el grupo de trabajo «Interfaces de control y protección de subestaciones” de Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), Comité Técnico 57. Durante el año 2005, todas las partes de la norma se publicaron como normas oficiales de IEC. IEC 61850 surge como un estándar prometedor para el futuro de redes inteligentes.
En un principio, esta norma fue diseñada para garantizar la interoperabilidad de las comunicaciones entre los dispositivos electrónicos inteligentes (IED – Intelligent Electronic Device) en los sistemas de automatización de subestaciones. Un IED es el dispositivo basado en microprocesador que realiza varias funciones de protección, control y similares.
La norma IEC 61850 se centró inicialmente en la protección y automatización de subestaciones. A día de hoy se ha convertido en la norma más importante para el futuro en los suministros de energía fuera de las subestaciones, como es el caso de las centrales hidroeléctricas, plantas de energía eólica y microrredes.
La norma IEC 61850 es una solución de gran alcance en comparación con otros estándares, ya que tiene en cuenta todos los aspectos que son comunes en una subestación. Trata los requisitos generales, la ingeniería, los modelos de datos, las soluciones de comunicación y las pruebas de conformidad.
Una ventaja significativa de la norma IEC 61850 es su característica de extensibilidad obtenida al hacer la comunicación independiente de la aplicación especificando un conjunto de servicios y objetos. Esto permite al usuario diseñar diferentes aplicaciones sin depender de protocolos específicos. Como consecuencia, los objetos de datos definidos en la norma IEC 61850 pueden aplicarse a múltiples soluciones de comunicación sin tener que modificar los modelos.
Ventajas de la norma IEC 61850 para las microrredes
Las ventajas que aporta el estándar IEC 61850 son las siguientes:
- Más que un protocolo de comunicaciones. Primer estándar que considera todas las necesidades de comunicación de las subestaciones.
- Independencia de la tecnología actual y mayor vida útil. El dominio de las aplicaciones (modelo de objetos y servicios) está desacoplado de las comunicaciones.
- Mapeo de datos en un IED único y universal independientemente de su procedencia.
- Lenguaje de programación único de tal forma que cualquier equipo puede entender los ficheros de otro. Todos los datos de todos los IEDs están disponibles para todos los dispositivos de la red.
- Reducción de costes por su capacidad de durabilidad en el tiempo.
- Sistema distribuido, lo que permite mayor robustez del sistema ante fallos.
- Interoperabilidad entre equipos de distintos fabricantes, lo que garantiza encontrar sustituto de los equipos de una forma más sencilla, garantizando así la inestabilidad que pueden tener algunos proveedores concretos. Esto también facilita las migraciones de aplicaciones o equipamiento tengan el mínimo impacto.
- Alta velocidad de transmisión implementada a través de redes LAN.
- Implicación y participación activa de los grandes fabricantes mundiales lo que implica un respaldo y garantiza la disponibilidad de sus catálogos de productos adaptados al estándar.
Para mejorar la fiabilidad de la microrred algunos conceptos de microrredes propugnan la idea de seguir una filosofía “peer-to-peer” y “plug and play” para cada uno de los componentes de la microrred. El concepto “peer-to-peer” asume que no debe haber componentes dentro del sistema, tales como un controlador central o un almacenamiento centralizado, que sean críticos para la operación de la microrred. Ello implicará que la microrred podrá seguir funcionando aun con la pérdida de un componente. La filosofía “plug and play” implica que una unidad pueda ser conectada en cualquier punto de la microrred eléctrica sin tener que hacer una reingeniería de los controles del resto de componentes.
Con el uso de la norma IEC 61850 y la interoperabilidad que propone se favorece la filosofía plug and play al confiar en un estándar que se apoya sobre un mapeo de datos y lenguaje de programación únicos y que es independiente de la tecnología actual.
La comunicación ya no es maestro – esclavo, lo que supone una ventaja importante de IEC 61850 con el resto de protocolos. Esto deriva en unos costes mucho menores de cableado. La apuesta por un sistema distribuido permite una mayor robustez ante los fallos ya que se evita el problema de que ante la caída del maestro, toda la comunicación quede interrumpida, ya que sólo se vería afectado el IED correspondiente. Gracias por tanto a esta capacidad se dota a la microrred de una capacidad peer-to-peer plenamente desarrollada pudiendo hacer uso por tanto de conceptos de control distribuido más avanzados.
Adicionalmente muchos de los procesos críticos en una microrred deben darse en un tiempo tal que utilizar una arquitectura de control centralizada puede suponer una merma en las capacidades y funcionalidad de la microrred. A través por tanto de una comunicación directa entre equipos se consigue dotar a la microrred de unas capacidades de control más avanzadas además de reducir también la cantidad de información que circula por la red.
Migración a la norma IEC 61850 de la microrred ATENEA
El diseño de las comunicaciones bajo la norma IEC 61850 en la microrred ATENEA persigue los siguientes objetivos:
- Tener una solución abierta e interoperable que nos permita crecer bajo la norma con la integración de futuros equipos en el sistema.
- Facilitar la sustitución de los equipos existentes al tener una solución interoperable.
- Posibilitar la mejora de velocidad en las comunicaciones solucionando problemas de tráfico que empiezan a producirse en la actualidad y posibilitando la comunicación entre equipos para mensajes de extrema prioridad sin la necesidad de pasar por el PLC.
- Posibilitar el I+D de una norma que se está convirtiendo en el estándar a seguir por los fabricantes de IEDs de los sistemas de automatización de redes eléctricas.
Los datos de partida para la realización del diseño son el número de equipos esclavos existentes en la microrred, el número de datos recolectados de cada uno de los equipos y el tipo de conexiones existentes con el PLC.
Actualmente, en la microrred tenemos equipos conectados al bus MODBUS RS-485 y equipos con protocolo MODBUS sobre Ethernet. El número de equipos esclavos en la microrred es de 11.
El número de datos recolectados es necesario para conocer el tráfico que existe actualmente en la microrred. El flujo en la comunicación está determinado por una transmisión cíclica de peticiones y respuestas entre el maestro (PLC de control) y cada uno de los esclavos (equipos). Para hacer el cálculo del tráfico, se ha hecho un análisis de las funciones MODBUS utilizadas por el PLC de la microrred sacando el número de bytes intercambiados entre el PLC y los equipos en las peticiones y respuestas. Los datos de cada uno de los equipos de la microrred son los que se muestra en la siguiente tabla.
Tabla 1. Tráfico de comunicaciones de los equipos de la microrred ATENEA.
A partir de estos datos de partida, se han analizado distintos equipos disponibles, así mismo, se han analizado los módulos existentes de Siemens necesarios para poder adaptar tanto el PLC como el software de programación del SCADA a la norma IEC 61850.
Analizando la estructura de comunicaciones actual, existen varias soluciones de cara a la implantación de la norma IEC 61850 en la microrred ATENEA, desde la que supone el mínimo coste cubriendo las necesidades mínimas para su implantación, hasta una solución más ambiciosa en el que toda la red objeto de estudio pasa a comunicarse bajo la norma IEC 61850 dotando así de mayores prestaciones a la instalación.
Solución de migración parcial (solución 1)
Esta opción consiste en un único conversor de protocolo MODBUS – IEC 61850.
Después de analizar las opciones disponibles vemos que esta función puede implementarse directamente en el PLC, de tal forma que sería necesaria la adecuación al estándar IEC 61850 del PLC y del software sobre el que está realizado el SCADA, manteniendo todos los equipos bajo el protocolo MODBUS. De este modo es el propio PLC el que actúa de pasarela software pudiendo integrar nodos IEC 61850 en el propio PLC en caso de crecimiento futuro.
Esta opción, que a priori resulta menos ambiciosa, presenta un bajo coste, ya que se mantiene la infraestructura de comunicaciones actual y supone la inversión mínima necesaria para la implantación de la norma, pudiendo aprovechar así el cableado existente entre los equipos y el PLC de control.
Las principales ventajas de esta solución son:
- Se cubre el objetivo de tener la infraestructura montada en la microrred ATENEA para poder crecer bajo la norma IEC 61850.
- Aunque esta solución no cubre el objetivo de aumento de velocidad, garantiza que el cuello de botella que existe actualmente en las comunicaciones en MODBUS no se vería agravado por ampliaciones.
- Permite tener un control más ágil y sencillo de los datos de los equipos, permitiendo en un futuro afrontar de forma individualizada la problemática de comunicaciones generada por cada uno de los equipos.
- El coste de esta solución es la inversión mínima y necesaria para poder acometer el resto de soluciones.
- Evita la instalación de hardware adicional.
Solución de migración total centralizada (solución 2)
Esta opción consiste en un único conversor de protocolo MODBUS – IEC 61850 externo, que concentra de forma individualizada todos los equipos de la microrred utilizando para ello una serie de puertos serie RS-485 y que proporciona del mismo modo entradas ETHERNET para aquellos equipos que utilicen esta capa física y para el PLC.
Las principales ventajas de esta solución son:
- Se consiguen evitar los cuellos de botella existentes en las comunicaciones actuales ya que se independizan las conexiones por equipo.
- Se trata de una solución “casi a medida” que permite ajustar lo máximo el coste.
- El análisis del tráfico ante problemas de comunicaciones se hace de la misma manera que hasta ahora, siendo ya conocido por los ingenieros.
- Se cubre el objetivo de tener la infraestructura montada en la microrred ATENEA que permita crecer bajo la norma IEC 61850, aunque en este caso el crecimiento no se realiza de una forma sencilla y haría que perdiéramos parte de la ventaja de mejora del tráfico.
Solución de migración total distribuida (solución 3)
Esta opción consiste en la instalación de un conversor de protocolo MODBUS – IEC 61850 en los extremos de cada uno de los equipos, dotando así a los equipos del estándar IEC 61850 en origen. La adecuación del PLC de gestión y del software del SCADA se acometería de la misma manera que en el primer caso, pudiéndose considerar esta solución una extensión a acometer de forma gradual.
Las principales ventajas de esta solución son:
- Se cubre el objetivo de tener la infraestructura montada en la microrred ATENEA para poder crecer bajo la norma IEC 61850.
- Se aumenta la velocidad de transmisión de todos los equipos evitando los cuellos de botella.
- Se posibilita la comunicación directa entre equipos para poder transmitir mensajes de prioridad alta.
Conclusiones
El uso de la norma IEC en microrredes permite dotar a la microrred de una fiabilidad mucho mayor de una operación y control más avanzados.
Analizando las ventajas e inconvenientes de las soluciones propuestas para la migración de la microrred ATENEA a la norma IEC 61850 se pueden destacar los siguientes aspectos.
Para la primera de las soluciones se consigue realizar con la inversión mínima y necesaria para el resto de soluciones propuestas. Se mantiene la estructura de comunicaciones actual por lo que no existe coste adicional de cableado. Se evita también la instalación de hardware nuevo. Con esta solución el sistema se encuentra preparado para futuras migraciones ya que un nuevo IED bajo la norma IEC 61850 puede conectarse al PLC de control.
Sin embargo con esta solución no se solucionan los posibles colapsos de tráfico que puedan existir en este momento aunque deja la posibilidad de ir pasando los equipos a IEC en función de las necesidades. Al existir un único fichero .ICD para todo el sistema, no es posible la utilización de mensajes directos entre los equipos.
Con la segunda de las soluciones propuesta, se solucionan los posibles problemas de tráfico ya que cada uno de los equipos se conecta a un puerto del conversor MODBUD/IEC 61850 centralizado, siendo por tanto esta conexión punto a punto entre equipo y conversor. El conversor a su vez se conecta al PLC bajo el estándar IEC 61850. Es una solución diseñada de esta forma para optimizar al máximo el coste.
Esta segunda solución presenta el inconveniente de que al ser una solución casi a medida, el crecimiento con nuevos sistemas es más complejo, ya que habría que concentrar más de un sistema en un mismo puerto perdiendo por tanto la ventaja descrita anteriormente, por lo que la comunicación de cada equipo es punto a punto con el conversor y éste a su vez con el PLC a través de IEC.
Por último, la tercera de las soluciones presenta la ventaja de que se consigue tener una red completa en IEC 61850, permitiendo así la comunicación directa entre los equipos para mensajes de prioridad alta.
Sin embargo, es una solución de mayor coste que cualquiera de las anteriores.
Entre las soluciones planteadas se propone como solución óptima la primera de ellas e ir acometiendo la tercera de forma gradual según necesidades y disponibilidad. Se consigue hacer al principio la inversión mínima y necesaria para tener preparada la red para las comunicaciones vía IEC 61850, optimizando la relación coste – beneficio.
Referencias
- A.D Nguyen et al. USE OF IEC 61850 FOR LOW VOLTAGE MICROGRIDS POWER CONTROL.
- Norma IEC 61850-7-420. Modelización de sistemas energéticos distribuidos (DERs).
- Norma IEC 61850-7-4. Modelización de subestaciones.
- WHITE PAPER ON STANDARDS FOR DER COMMUNICATIONS USING IEC 61850. IEC. 2009.