Filosofía en proyectos de subestaciones basados en la norma iec61850

1. 1
NUEVA FILOSOFIA EN PROYECTOS DE SUBESTACIONES
ELECTRICAS BASADAS EN LA NORMA IEC61850
Ricardo Orgaz(p)(1), Vidal Ortega (1)
(1)Intekia
SUMMARY
The following report describes briefly the proposals, objectives and the extent
of the IEC61850 Normative, by doing a short story about it and its relationship
with the UCA proposal.
Definition of the Protection functions by using “logical nodes” which consist of
data which represent some specific applications.
Level division of the different application functions, which make up a SAS
(Substation Automation System) such as: Supervision and Control,
Protection, Monitoring, Communication Supervision and the interrelations and
communications among the different functions.
Communications architecture of the system and definition of the system
interfaces among the different logical nodes.
Programming of the different applications with independence of the protocols
to be used, data modelling and services in three levels.
Utilization of descriptive languages based in XML to define both the
capabilities of one element and the necessary data of its position and function
in the single line diagram.
Describe different types of substations indicating in each case its structure of
communication buses, interfaces and functions used and the more frequent
logic nodes on them.
Engineering requirements, since the parameters that take part in the system
until the engineering tools to automate the designing process of substations.
Such as: Project designing tools, setting tools and configuration tools.
RESUMEN
La presente ponencia, describe brevemente, los propósito, objetivos y
alcances de la norma IEC61850, haciendo una pequeña historia de la misma
y de su relación con la propuesta UCA.
Definición de las funciones de protección utilizando “nodos lógicos” que se
componen a su vez por datos, que representan alguna aplicación especifica.
División en niveles de las diferentes funciones de aplicación que componen
un SAS (Subestation Automation System) tales como : Supervisión y control,
protección, monitorización, supervisión de las comunicaciones, y sus
interrelaciones y comunicaciones entre estas diferentes funciones.
Arquitectura de comunicaciones del sistema y definición de los interfaces del
sistema entre los distintos nodos lógicos.
Utilización de lenguajes descriptivos basados en XML para definir tanto las
capacidades de un elemento como los datos necesarios de su posición y
función dentro del unifilar.
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2. 2
Describir diferentes tipos de subestaciones indicando en cada caso su
estructura de buses de comunicaciones, interfases y funciones usados y los
nodos lógicos mas frecuentes en ellas.
Requerimientos de ingeniería, desde los parámetros que intervienen en el
sistema hasta las herramientas de ingeniería para automatizar el proceso de
diseño de subestaciones. Tales como : Herramientas de diseño de proyecto,
herramientas de parametrización y herramientas de configuración.
1. INTRODUCCIÓN
La arquitectura de protección y control de una subestación actual (Ver figura1
) difiere sustancialmente de la arquitectura de una subestación clásica por la
aparición de los equipos programables de protección y control de cada
posición así como por el equipo que realiza las labores de SCADA local y
enlace con el telemando y por las comunicaciones establecidas entre ellos.
Esto ha condicionado también la realización de los proyectos de ingeniería
dando paso, junto a los esquemas unifilares y desarrollados tradicionales, a
la definición de las funciones lógicas realizadas por los nuevos equipos, la
definición de las redes de comunicaciones, protocolos de comunicaciones
empleados, etc.
Hasta ahora los fabricante de equipos de protección y control han
desarrollado sus equipos, organizando sus funciones y empleando los
protocolos de comunicaciones de una manera no coordinada, lo que genera
tanto a la hora del proyecto como a la hora de la explotación de la instalación
problemas de integración de equipos de diferentes fabricantes.
Figura 1. Subestación actual
El propósito durante muchos años ha sido definir una arquitectura de
comunicaciones que permitiera una integración sin “costuras” de los IED´s
(Inteligent Electronic Device) dentro de elementos de mas alto nivel. Una
infraestructura que sea independiente del fabricante y que permita a
elementos de varios fabricantes ser integrados conjuntamente.
Con este fin en 1994 la EPRI y la IEEE comienzan a trabajar, dentro del
proyecto UCA (Utility Communications Architecture) en la definición de una
arquitectura de comunicaciones para el bus de comunicaciones de la
subestación.
Unidad Central
de Subestación
HMI Local
GPS
Impresora
Ethernet
Telemando
Concentrador
IED
IED
IED
Concentrador
IED
IED
IED
Concentrador
IED
IED
IED
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3. 3
En 1996 el Comité técnico 57 de la IEC comienza a trabajar con el mismo
objetivo en la IEC61850 y en 1997 los dos grupos acuerdan trabajar juntos
en la consecución de un estándar internacional cuyo resultado es la actual
norma IEC61850.
El objetivo de la norma IEC61850 es combinar IED´s de los diferentes
fabricantes, no solo buscando interoperabilidad entre funciones y elementos
sino un manejo uniforme de todo el sistema y la harmonización de las
propiedades generales del sistema.
Por este motivo la norma no solo cubre los aspectos de comunicaciones si no
también las características de las herramientas de ingeniería, indicadores
para la gestión de la calidad, y gestión de la configuración .
2.ARQUITECTURA DE SUBESTACIÓN SEGÚN IEC61850
o General
La norma IEC61850 trata de definir el bus de comunicaciones de la
subestación teniendo principalmente los siguientes objetivos :
- Que datos están disponibles y como son nombrados y descritos
- Como pueden estos datos ser accedidos e intercambiados
- Como se conectan los elementos a las redes de comunicaciones
A diferencia de la utilización de protocolos de comunicación estándar
(DNP3.0, etc) donde los datos del emisor son “traducidos” según el
“lenguaje” del protocolo y es necesario, que en el receptor se conozcan las
mismas claves para volverlo a traducir (existiendo una perdida de contexto)
en la norma IEC61850 los datos a transmitir se dividen en grupos lógicos y
cada uno de ellos a su vez se dividen en Nodos Lógicos, de tal forma que
todos los datos que puedan generarse en la subestación queden
encuadrados en uno de estos grupos
o Funciones y nodos lógicos
Las funciones son tareas que se realizan dentro de un esquema de
protección y control y pueden ser realizadas mediante la intercomunicación
de varios nodos lógicos que a su vez pueden residir en diferentes equipos
físicamente.
El emplazamiento de funciones en elementos y niveles de control no es fija y
depende de diversas consideraciones como : Disponibilidad, costes, estado
del arte, criterios de las compañías, etc. Por lo tanto el sistema deberá
soportar cualquier modo de emplazamiento de las funciones en los IED´s
En orden de permitir un libre emplazamiento de funciones en los IED´s, la
interoperabilidad deberá ser conseguida entre las funciones implantadas en
la subestación, pero que físicamente residan en equipos de fabricantes
diferentes.
Las “Funciones de aplicación” de un SAS son supervisión y control, así como
la protección y monitorización de los equipos primarios y de la red.
Otras funciones (Funciones del sistema) están relacionadas con el propio
sistema, por ejemplo la supervisión de las comunicaciones.
Un ejemplo de subestación sencilla con su asignación de nodos lógicos y sus
interrelaciones para realizar las distintas funciones de un SAS se muestra en
la figura 2
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4. 4
Las funciones se pueden asignar a tres niveles :
- Nivel de Subestación (Station Level) : Consiste en un ordenador para la
subestación con una base de datos, pantallas para los operadores,
interfaces de comunicaciones remotas, etc
- Nivel de Posición (Bay Level) : Compuesto por las unidades de
protección, control y medida de la posición
- Nivel de Proceso (Process Level) : Compuesto por módulos remotos de
I/O, sensores inteligentes, reles de actuación, etc
Línea 1
Alta T1
Barras
Alta
XCBR XCBR
XCBR XCBR
TCTRTCTR
TCTRTCTR
XSWI
XSWI
XSWI
XSWI
XSWI
XSWI
XSWI
XSWI
XSWI
PDIF
PTRCPTRC
PTRCPTRC
GOOSE
SMV
Línea 2
Alta T2
Figura 2. Funciones y nodos lógicos
Entre estos niveles y dentro de los mismos existen unos interfaces lógicos de
comunicaciones que conforman la red de comunicaciones del SAS. Estos
interfaces están representados en la figura 2 estando los números 2 y 10
fuera del alcance de la norma
Estos interfaces lógicos deben implementarse dentro de interfaces físicos y
para ello existen dos alternativas incluirlo en el bus de subestación en el que
se encuentran los interfaces 1, 3, 6 y 9 o en el bus de proceso junto a los
interfaces 4 y 5.
Ejemplos de interfases usados en función del tipo de subestación (ver
tabla1)
D1 Subestación pequeña de distribución
D2 Subestación mediana de distribución
D1 Subestación grande de distribución
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5. 5
T1 Subestación pequeña de trasmisión
T2 Subestación grande de trasmisión
X Interfase usado (X) Algunas veces se usa
Figura 3.Modelo de interfaces de un SAS
Subest. Interfase usados
Tipo 1 3 4 5 6 7 8
D1 X X
D2 X X (X) (X) X (X) X X
D3 X X (X) (X) X X X X
T1 X X X X X X X X
T2 X X X X X X X X
Tabla 1. Ejemplos de interfaces
Estructuras de comunicaciones
En función del tipo de subestación de que se trate el bus de subestación
puede ser desde el que simplemente une las unidades de posición con el
terminal remoto (D1) hasta los que requieren una estructura de bus duplicada
(redundante) (T2) y dependiendo del tamaño puede requerir que este bus
sea dividido en segmentos
FCT.
A
FCT.
B9
Estación Ingeniería
7
10
PRO
T
CONTR
3
PRO
T
CONTR
3
8
1,61,6
Interfases Remotos Sensores Reles Salida
4,5 4,5
2 2
Protección Remota Protección Remota
Aparellaje
Nivel
Nivel de Posición
Nivel de Proceso
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6. 6
3.PROYECTO DE INGENIERIA
o General
La norma IEC61850 plantea una construcción teórica en la cual todos los
elementos de la SE están modelizados. Tanto los dispositivos físicos (relés,
dispositivos primarios, ...) como las funciones de protección o control se
normalizan y se pueden describir mediante un lenguaje apropiado.
Para este fin la norma define el SCL (Substation Configuration language) que
es un lenguaje del tipo XML donde se van a definir todos los elementos que
forman la subestación.
Con la descripción de la SE escrita en este formato, deberá ser posible
obtener automáticamente como resultado de las herramientas de software
adecuadas, la documentación necesaria para el diseño y la construcción, así
como los ficheros de configuración de los equipos.
Por lo tanto se definirían principalmente herramientas de Diseño y
herramientas para configuración de equipos
o Herramientas de Diseño
Las herramientas de diseño permitirán seleccionar, ya desde la etapa de
planificación (a nivel de unifilar básico) los diferentes elementos que
compondrán el SAS con todas sus funcionalidades asociadas. Estas
herramientas están soportadas en bases de datos que cuentan con las
entradas necesarias para seleccionar las funciones y señales de proceso
necesarias.
Las salidas de estas herramientas facilitarán los listados de señales, lógicos,
etc necesarios para definir la estructura, y configuración de un SAS,
incluyendo los interfaces con el entorno de proceso y la documentación
necesaria para la construcción, como listas de materiales, listas de cableado,
etc.
La entrada de datos se realizará de forma que un determinado parámetro se
introduzca en un solo punto, encargándose el propio sistema de asignarlo
automáticamente a los procesos donde se utilice, garantizándose así la
consistencia de los datos.
También se incluye la gestión de la información del sistema con respecto al
conjunto de datos global, como : Identificador de la subestación, fecha,
permisos de acceso, revisiones del software de los IED´s, etc.
o Herramientas de configuración
El Configurador del Sistema es una herramienta independiente de los IEDs,
capaz de importar y exportar archivos de configuración definidos en
IEC61850-6. Esta información no tiene por que pertenecer a un solo IED
sino que puede afectar a varios, es decir el ingeniero se conecta al sistema
(no a un IED determinado) y añade o extrae información del mismo que
puede tener relación con varios elementos a la vez.
El configurador del sistema será también capaz de leer un archivo de
especificación del sistema para, por ejemplo, ser la base para comenzar la
ingeniería del sistema o para compararlo con una ingeniería terminada del
sistema de la misma subestación.
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7. 7
Así mismo esta herramienta realizara las labores de gestión, archivo y
documentación del conjunto global general de parámetros.
o Requerimientos de Ingeniería
La ingeniería abarca los IED´s y sus interfaces de comunicaciones, tanto
entre ellos como con su entorno, de telecomunicaciones (Despacho central,
teleprotección) como con el SCADA local o con el aparellaje externo.
En este entorno de equipos intercomunicables y programables toma gran
importancia los “parámetros” que son datos que controlan y dan soporte a la
operación de los IED´s . De estos parámetros existen dos categorías :
Configuración y Operación, así como también se pueden dividir en tres tipos :
Sistema, proceso y funcionales.
Es necesario la definición de los criterios de lógicas, de funciones de
protección y las señales que van ha intervenir en el sistema, así como la
documentación especifica de cada uno de los equipos, aparellaje, etc.
También entran en este ámbito tanto los conjuntos de parámetros de ajuste
de las protecciones como de las funciones de control y las herramientas que
nos van a permitir manejar estos parámetros
o Proceso de diseño
La estructura de la entrada de datos seguirá la arquitectura normal de la
subestación (siguiendo los diferentes niveles) y bajo criterios y puntos de
vista de ingeniería eléctrica, pudiéndose destacar tres grupos principales:
-Estructura de la Subestación, definiendo los niveles de tensión,
posiciones, equipos (aparellaje) y su conexionado.
-IED´s , descripción de los dispositivos de automatización, la conectividad,
sus dispositivos y nodos lógicos y datos que se transfieren.
-Comunicaciones, en donde se describirán las subredes, puntos de
acceso, enrutadores (filtros de datos) y función de sincronización.
La herramienta permitirá la entrada grafica de los datos construyéndose el
unifilar a base de objetos que a su vez tienen asociados parámetros
eléctricos, de configuración, etc así como la utilización de interrelaciones
graficas entre ellos que irán asociadas a funcionalidades lógicas entre los
elementos.
Una vez introducidos los datos habremos obtenido un fichero XML descriptor
de todos los datos de los la elementos que componen la subestación tanto
de aparellaje como IED´s, incluyendo su conectividad, parámetros, relaciones
funcionales, etc y estaremos en disposición de obtener la lista de señales de
proceso que es la base del funcionamiento del SAS y el resto de los
documentos de diseño y construcción necesarios.
El configurador es el encargado de transferir la lista de datos de proceso bien
a un archivo o bien introducirla directamente en el SAS y sus IED´s. Además
será capaz de realizar la operación contraria o sea recuperar la lista de datos
de un archivo o del propio SAS y sus IED´s.
o Documentación del proyecto
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8. 8
Circuit diagrams
Signal list
CAD system
Follow-up
documentation
terminal
connection
cable list
Function diagrams for
external equipment
Hardware documentation
Configuration list
Signal list
Parameter documentation tool
Parameter lists
Graphical displays
Function diagrams for
internal features
Parameter documentation
Relation by
uniform identifiers
Figura 4. Documentación de proyecto
Documentación de Hardware :
o Diagramas eléctricos para representar las conexiones del SAS
con el PE (Esquemas desarrollados)
o Listado de señales
o Diagramas de función para esquemas externos
Documentación de Parametrización
o Lista de Configuración
o Listado de Señales
o Listado de parámetros
o Representación grafica de pantallas, secuencias de menús, etc
o Diagramas lógicos
BIBLIOGRAFÍA
INTERNATIONAL STANDARD IEC61850-Communication Networks and
System en Subestations
CORRESPONDENCIA
Ricardo Orgaz
Intekia
Parque tecnologico Ed 210 (Zamudio)
Telf. 944037449
r.orgaz@intekia.com
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