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 ....................................................................................................................................... 3

Estándar internacional IEC 61850 Redes de comunicación y sistemas en las subestación 4

Características del estándar: ...................................................................................................... 4

Introducción y revisión general ................................................................................................... 5

Abstract Communication Service Interface ACSI .................................................................... 6

Estructura de una subestación: ...................................................................................................... 7

Protocolos de comunicación IEC 61850 ....................................................................................... 9

Protocolos maestro esclavo ........................................................................................................ 9

Protocolo Modbus ....................................................................................................................... 10

Protocolo SPA ............................................................................................................................. 10

Protocolo DNP 3.0 ...................................................................................................................... 11

Protocolo UCA 2.0. ..................................................................................................................... 11

Protocolo TDM, (Time Division Multiplex Media Access) ..................................................... 13

Token passing ............................................................................................................................. 13

Protocolo ETHERNET (TCP/IP) ............................................................................................... 13

Protocolo CSMA/CD/PS ............................................................................................................ 14

Configuración e Ingeniería ........................................................................................................ 14

Migración al estándar ..................................................................................................................... 15

Pruebas de conformidad ........................................................................................................... 15

Conclusiones ................................................................................................................................... 16

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.

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.

Dispositivos con

visibilidad, que

agregan datos sobre

todas las posiciones.

Dispositivos agregan

información de la

bahía.

Captación de

muestras del

apartamento

primaria.

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. El

instituto EPRI (Electric Power Research 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