Primer Laboratorio IEC 61850 en Suramérica

Robinson Díaz1; Nelson Marín Mejía

2; Rodolfo García Sierra

3; Anderson Salazar

4; Andrés Castaño

5; Germán Zapata

6

CODENSA S.A. ESP1,2,3

; Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín4,5,6

Bogotá, Colombia1,2,3

; Medellín, Colombia4,5,6

rdiaz@endesacolombia.com.co1; nmarinj@endesacolombia.com.co

2; rgarcia@endesacolombia.com.co

3; asalazaz@unal.edu.co

4;

afcastanm@unal.edu.co5; gdzapata@unal.edu.co

6

Resumen — En este documento se presenta el proyecto

que desarrolló e implementó la primera aproximación

para lograr dotar a Colombia de un laboratorio de

interoperabilidad de cumplimiento de la normativa IEC

61850 mediante un trabajo conjunto entre CODENSA y

la Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín, con

quienes se realizan proyectos de investigación orientados

a promover un ecosistema de equipos interoperables IEC

61850. Así, se facilitará que los equipos que se fabriquen

y diseñen en Colombia puedan de una forma gradual y

de fácil acceso lograr acercarse a la validación de este

estándar internacional, a través del cual un producto

puede ser utilizado en una subestación de potencia.

Este proyecto constituye un hito único dado que la

realización exitosa permitirá por primera vez en

Colombia poner al alcance de la comunidad del sector

eléctrico un laboratorio inicialmente validador y

posteriormente certificado en una normativa que es

considerada como una de las tendencias más sólidas en

automatización de subestaciones de potencia eléctrica

dado su amplio uso en el país. En este sentido, existe pues

una demanda local importante que garantiza que el

desarrollo de estas capacidades y su transferencia a la

Universidad permitirá la evolución y uso de estos

servicios una vez finalice el proyecto, siendo CODENSA,

en sus fases tempranas el principal promotor de esta

iniciativa con el fin de aumentar la confiabilidad de las

pruebas y disminuir los costos de validación del protocolo

IEC 61850.

Este proyecto representa un objetivo ambicioso donde

posiciona a Colombia como uno de los más de 10

laboratorios identificados en el mundo con capacidad de

certificación de la normativa IEC 61850 según la UCA

61850 (grupo de usuarios internacionales de la norma).

Palabras Claves:

Automatización de Subestaciones, Arquitecturas de

comunicación, IEC 61850, Interoperabilidad, Pruebas de

Conformidad, Utility Communication Architecture

(UCA).

I. INTRODUCCIÓN

Recientemente en el contexto de las Redes Inteligentes (Smart Grid) se ha venido trabajando la norma IEC 61850. Para asegurar la calidad y el correcto funcionamiento de los dispositivos compatibles con la norma, es necesario exigir a los fabricantes de los dispositivos el cumplimiento de una serie de requisitos en cuanto a sus funcionalidades.

Los grandes retos que se enfrentan para lograr cumplir la normativa IEC 61850 son principalmente producto de la ausencia de capacidad técnica para decidir el nivel de calidad de las implementaciones. Esta barrera técnica constituye una de las más importantes a nivel internacional en el mercado eléctrico desde la perspectiva de la industria eléctrica. Por esta razón se decidió crear el primer laboratorio en Suramérica con capacidades para certificar equipos, dispositivos y arquitecturas basadas en IEC 61850 (Figura 1).

Figura 1. Placa conmemorativa de la inauguración del Laboratorio de Pruebas IEC 61850. En la foto el Gerente de CODENSA (izq.) y el Decano

de la Facultad de Minas (der.).

Con este proyecto se busca aumentar la calidad de las implementaciones de control en subestaciones de potencia de CODENSA a través de la promoción y la integración de los servicios del laboratorio implementado por la Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín, de forma que allí se puedan realizar pruebas de interoperabilidad y conformidad requeridas por CODENSA en la integración de subestaciones con este protocolo.

Este trabajo está organizado de la siguiente manera. En la sección II se presenta la idea a partir de la cual se decidió presentar este proyecto. Posteriormente, en la sección III se describe la solución y la aproximación para implementar el laboratorio de pruebas. Los resultados obtenidos con el desarrollo de la etapa inicial del laboratorio se presentan en la sección IV. Luego, en la sección V se presentan las conclusiones y algunos retos futuros generados a partir de este desarrollo. Finalmente, los agradecimientos y reconocimientos a las personas que hicieron posible este proyecto, se destacan en la sección VI.

II. PRESENTACIÓN DEL PROBLEMA

En 1988 EPRI y la IEEE Communications Utility inició la Arquitectura (UCA) en el marco del proyecto Comunicación Integrada para Utilities (IUC). El objetivo del proyecto UCA era generar equipos para la interoperabilidad entre los sistemas de control utilizados para monitorizar y controlar los servicios públicos de energía eléctrica. Inicialmente, el proyecto se centró en las comunicaciones UCA entre centros de control y comunicaciones entre subestaciones y centros de control. Posteriormente EPRI y la IEEE llevaron a cabo el proyecto UCA en colaboración con las empresas 'Pacific Gas and Electric COMPANY' y 'Houston Light and Power Company'. El resultado de esta colaboración fue una arquitectura estándar de comunicaciones conocida como UCA versión 1.0.

La UCA versión 1.0 no proporcionó una descripción detallada de cómo la comunicación de arquitectura se debía aplicar en la práctica y se utilizaría en dispositivos de campo, por lo tanto, la adopción de la arquitectura UCA en la industria de la energía eléctrica es limitada. EPRI y la IEEE continuaron con sus esfuerzos para mejorar la arquitectura de la UCA mediante el patrocinio de una serie de proyectos de investigación, tales como la protección de la subestación integrada, control y adquisición de datos, y los Grupos de Trabajo del Foro de MMS. Estos esfuerzos conducen a las especificaciones completas de modelos de objetos de dispositivos de campo, es decir, definiciones de los datos y las funciones de control provistas por estos dispositivos de campo, en lo que se UCA versión 2.0.

En 1997 EPRI y la IEEE unieron esfuerzos con el Grupo de Trabajo 10 (WG10) del Comité Técnico IEC 57 (TC57) para construir un estándar internacional común para las comunicaciones de servicios públicos eléctricos. Estos esfuerzos se basan en conceptos y definiciones de la arquitectura de la UCA y dan lugar a la creación de un estándar denominado IEC 61850 que fue diseñado para proveer interoperabilidad, comunicaciones rápidas entre los dispositivos de campo, el tiempo garantizado de entrega de datos, y soporte de configuración.

Las características más relevantes del estándar IEC 61850 son [1]:

Interoperabilidad: El estándar proporciona la interoperabilidad que puede ser garantizada solamente mientras los dispositivos inteligentes (IEDs) tengan conexiones de red simples y los interruptores de Ethernet no estén integrados en los IEDs.

Libre configuración: El estándar soporta distintas filosofías y permite la libre asignación de funciones.

Estabilidad a largo plazo: El estándar funciona sobra una red LAN (Local Area Network) de conexión óptica o eléctrica (o mixta). Hoy en día Ethernet proporciona una velocidad de transmisión de datos de 100 MBit/s.

Comunicación vertical (cliente-servidor): El estándar proporciona la comunicación cliente-servidor, especialmente entre las bahías de las unidades IEDs y el nivel de estación.

Comunicación horizontal (Bahía-Bahía): El estándar proporciona la comunicación ente distintas bahías mediante mensajes GOOSE.

Ahora, se mencionan las principales ventajas del estándar IEC 61850 [2]:

Define un protocolo para toda la subestación.

La arquitectura está abierta a pruebas futuras y facilita futuras extensiones, por lo tanto esta salvaguardada de inversiones.

Soporta todas las funciones de automatización de subestación que comprenden el control, la protección y la supervisión.

Es un estándar mundial, es la única solución para interoperabilidad.

Define los requisitos de calidad (la fiabilidad, la disponibilidad de sistema, la integridad de datos, la seguridad (el valor), etc.), condiciones ambientales, y los servicios auxiliares del sistema.

Especifica los procesos de la ingeniería y sus herramientas, el ciclo de vida de sistema y las exigencias de garantía de calidad y el mantenimiento para el sistema de automatización de subestación.

La flexibilidad permite la optimización de arquitecturas de sistema (la tecnología escalable).

Emplea Ethernet y componentes de comunicación.

Facilita una infraestructura de comunicación común, desde el centro de control a la subestación.

Es clara entonces, la utilidad de implementar el estándar IEC 61850 como un paso hacia el objetivo final que todos los operadores de sistemas de potencia quieren cumplir, y es la interoperabilidad de sus sistemas de protección, control y monitorización. Por otro lado, diversas normativas de países como Alemania exigen hoy día el uso intensivo del protocolo IEC 61850 para ser utilizados en las implementaciones por ejemplo de generación solar. Así los proveedores que deseen

ofertar productos en dichos mercados y los clientes que desean asegurar una verdadera interoperabilidad de sus equipos en los esquemas de automatización de subestaciones eléctricas, son obligados a adoptar estos protocolos como característica básica en su producto. De hecho, existe la clara tendencia a asegurar que el cumplimiento del protocolo IEC 61850 de un producto eléctrico implica su aceptación tácita en todos los mercados internacionales relevantes.

Como se mencionó anteriormente, para los proveedores de equipos eléctricos es imperativo garantizar que estos cumplan la normativa y se integren adecuadamente en una arquitectura predefinida de comunicaciones en una subestación eléctrica. Sin embargo para las empresas del sector eléctrico permanece la necesidad de garantizar que los nuevos equipos que se integren a sus sistemas de la subestación operen correctamente, bajos los parámetros establecidos por ellos. Así entonces, desde la perspectiva de los clientes las limitaciones en el acceso a los servicios de validación de protocolos de control utilizados en subestaciones implica un aumento de costos y mayores riesgos de fallos debido a debilidades en la capacidad de pruebas de conformidad e interoperabilidad ajustadas a las realidades de cada subestación. Es en este sentido un problema vigente en el sector eléctrico lograr cada vez más impulsar la convergencia hacia normativas aplicadas internacionalmente. Aquí es donde entra el Laboratorio de Pruebas IEC 61850, para llenar ese vacío existente en el mercado Colombiano y aún más, el latinoamericano, creando el servicio de pruebas a arquitecturas de comunicación en subestaciones de potencia. El enfoque de este Laboratorio son las pruebas de aceptación de la implementación de IEC 61850 en subestaciones de alta tensión, es decir, pruebas de validación para aceptar proyectos de interoperabilidad y comunicaciones en dichos ambientes.

III. DESCRIPCIÓN DE LA PROPUESTA

Dado el amplio alcance de este proyecto, se propuso desagregarlo en tres fases que se describen a continuación.

A. Capacitación y entrenamiento en IEC 61850.

En esta etapa se trabajó con el personal de la Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín quienes se enfocaron en la definición, capacitación y entrenamiento en el estándar. Aquí el objetivo fue encontrar e implementar la mejor alternativa para identificar todos los requisitos necesarios para la implementación del laboratorio IEC 61850. También se requirió definir el estado actual de los laboratorios a nivel mundial que ofrecen servicios de IEC 61850. Se encontraron dos laboratorios líderes en el mundo que son referentes en el área de las pruebas de IEC 61850.

Estos son DNV GL [3] y TÜV SÜD [4], quienes ofrecen entre otros, servicios de pruebas de conformidad, pruebas de interoperabilidad y entrenamiento. Existen otros laboratorios a nivel mundial que también ofrecen este tipo de servicios, de los cuales también se deben tomar experiencias y referencias. Estos son Kinetrics [5] y EnerNex [6].

Figura 2. Metodología del proceso de evaluación de conformidad [7].

B. Desarrollo de pruebas piloto con subestaciones de

potencia con IEC 61850.

Las actividades realizadas en esta fase tuvieron que ver con la definición de las condiciones bajo las cuales deben hacerse las pruebas de conformidad según el estándar IEC 61850. Las figuras 2 y 3 muestran los esquemas que describen la metodología de pruebas y la arquitectura de pruebas que propone el estándar en la parte 10 (IEC 61850-10) [7].

Los resultados obtenidos en esta fase sirvieron para definir las pruebas a realizar en cada una de las arquitecturas de comunicaciones de las subestaciones de potencia de CODENSA.

C. Desarrollo e implementación de protocolos de pruebas

IEC 61850 y su aplicación a una subestación de

CODENSA de alta tensión.

Las pruebas desarrolladas durante la ejecución del proyecto se concentraron en las arquitecturas de comunicación de las subestaciones de alta tensión de CODENSA. Las figuras 4, 5 y 6 muestran las arquitecturas comunes que fueron probadas en el Laboratorio.

Figura 3. Arquitectura General de Prueba [7].

Figura 4. Arquitectura de Comunicaciones con un Bus Station.

Para llevar a cabo una prueba específica de una infraestructura de comunicaciones, se simula la interconexión de los equipos en el sistema de automatización de subestaciones (SAS). Esto con el fin de probar el rendimiento en la red, la disponibilidad y latencia en las comunicaciones.

Las pruebas ejecutadas en las arquitecturas de comunicación fueron:

• Evaluación STP/RSTP en los switches.

• Pruebas de estrés en la red LAN.

• Verificación de conversión IEC 61850 a IEC 60870-5-101.

• Pruebas GOOSE.

• Pruebas de fallos de red.

Estas pruebas fueron propuestas según el estudio de los capítulos 7-2 [8] y 5 [9] de la norma IEC 61850

Actualmente, se están desarrollando nuevos proyectos que buscan la ampliación de los servicios de pruebas IEC 61850 que permiten mejorar las capacidades del personal de Laboratorio y ofrecer a los proveedores y a las empresas de energía un mayor portafolio para sus implementaciones en los diferentes sistemas.

IV. RESULTADOS

A partir del momento en que se estableció el Laboratorio de Pruebas IEC 61850 se han probado diversos dispositivos y arquitecturas de comunicación de las subestaciones de potencia de CODENSA. Al día de hoy han sido más de 35 subestaciones a las cuales se les ha probado su arquitectura de comunicación, con configuraciones en anillo, doble anillo, estrella entre otras.

Así entonces se han conseguido importantes impactos gracias a la implementación de este proyecto. Se pueden mencionar específicamente tres. Primero, se realizó un aporte para la reducción de riesgos operativos en las subestaciones de alta tensión, lo que permite a la empresa mejorar el éxito de su negocio gracias a la verificación, previo a la puesta en marcha, de los dispositivos, arquitecturas y configuraciones a implementar en la subestación.

Figura 5. Arquitectura de Comunicaciones con un Bus Station y dos Process Bus.

Figura 6. Arquitectura para pruebas de una RTU.

Adicionalmente, con las pruebas realizadas se pueden detectar errores de configuración antes de la implementación final. También, se ha hecho un importante aporte al fortalecimiento de las capacidades de verificación del protocolo IEC 61850 en Colombia, donde la dependencia de consultorías internacionales ha sido grande, la cual se puede reducir en el corto plazo con los nuevos servicios ofertados por el Laboratorio. Finalmente, se destaca la importancia de la creación de nuevos productos y servicios para el sector eléctrico colombiano, donde la demanda por estos cada vez es mayor, creando así también nuevas oportunidades de negocio para los proveedores, quienes ven en los servicios del Laboratorio una oportunidad de validar sus productos antes de integrarlos en sus proyectos.

Por último, se destaca el avance en la formación del recurso humano específicamente en el tema de IEC 61850 lo que permite incrementar las capacidades de los ingenieros del país. Esta situación impacta positivamente a los fabricantes nacionales de equipos y proveedores de soluciones, generando confianza en la ingeniería nacional.

GTW MAIN

GTW MAIN

BSSW1BSSW2

PB1SW1

PB2SW1

PB2SW2

PB4SW1

GTW MAIN

GTW MAIN

PB4SW1

PB3SW1

PB1SW2

PB3SW2

BSSW1

BSSW2

GTW

SW1

V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

En este documento se presentó el Laboratorio de Pruebas IEC 61850, el cual fue impulsado por CODENSA. Este laboratorio cuenta con la infraestructura de hardware y de software necesario para llevar a cabo pruebas en diferentes arquitecturas de comunicación de subestación.

El laboratorio de pruebas ofrece actualmente servicios de prueba tales como: Evaluación STP/RSTP en los Switch, Pruebas de estrés en la red LAN, Verificación de conversión IEC 61850 a IEC 60870-5-101, Pruebas GOOSE y Pruebas de fallos de red. Actualmente se están ampliando los servicios ofrecidos para mejorar la oferta a proveedores y empresas de energía de manera que se convierta en un referente nacional y latinoamericano.

Con este proyecto se corrobora la importancia de desarrollar capacidades para probar conformidad respecto a equipos IEC 61850 en el país. Las pruebas tienen como fin principal generar seguridad a los integradores del sistema, reducir los errores de operación y problemas que se puedan generar.

Es necesario tener en cuenta que las implementaciones que se realizan bajo el estándar IEC 61850 están basadas en redes Ethernet por lo cual no se pueden perder de vista parámetros de seguridad cibernética en la red.

VI. RECONOCIMIENTOS

CODENSA y la Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín, quieren manifestar su agradecimiento a .Colciencias por ayudar en la financiación del proyecto Laboratorio de Certificación de la Norma IEC 61850.

VII. REFERENCIAS

[1] I. C. Gordillo, «TESIS DOCTORAL - Metodología de Acceso Remoto a Plantas Industriales - Anexo B,» Escuela Superior de Ingenieros de Bilbao, 2004.

[2] E. P. Villalón, Diseño y Optimización de una Arquitectura IEC 61850, Madrid: Escuela Técnica Superior de Ingeniería (ICAI), Junio, 2008.

[3] DNV GL. Protocol Standardization and Testing. http://goo.gl/vrbyda. Último Acceso: 26 de Agosto de 2014.

[4] TÜV SÜD. Communication Protocols. http://goo.gl/hctLGG. Último Acceso: 26 de Agosto de 2014.

[5] Kinetrics. IEC 61850 Services from Kinectrics Interoperability Testing Lab. http://goo.gl/t7Gzw3. Último Acceso: 26 de Agosto de 2014.

[6] EnerNex. IEC 61850 Testing. http://goo.gl/Lm3GKv. Último Acceso: 26 de Agosto de 2014.

[7] International Standard IEC 61850, Communication networks and systems in substations, Part 10: Conformance testing. 2005.

[8] International Standard IEC 61850, Communication networks and systems in substations, Part 7-2: Basic communication structure for substation and feeder equipment – Abstract communication service interface (ACSI). 2003.

[9] [3] International Standard IEC 61850, Communication networks and systems in substations, Part 5: Basic communication structure for substation and feeder equipment – Communication requirements for functions and device models. 2003.