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Tendencias de las comunicaciones en sistemas
eléctricos de potencia (II parte)

El protocolo IEC – 61850: "Redes de comunicaciones y Sistemas en Subestaciones"

Como se mencionó en el artículo anterior, el protocolo IEC 61850 es la estandarización de la industria eléctrica para la normalización de las comunicaciones entre dispositivos de subestaciones de diversos fabricantes.

El IEC 61850 provee interoperabilidad entre dispositivos electrónicos inteligentes (IED's) para las aplicaciones de protecciones, monitoreo, medición, control y automatización en las subestaciones. La funcionalidad de la automatización está dada por las tareas (de los IED's) y no por el IEC 61850. De esta forma, el sistema de comunicaciones interno de la subestación (Red LAN) es la red troncal de la automatización y el IEC 61850 es una herramienta para el de diseño de la automatización. Este protocolo utiliza modelos orientados a objetos para la descripción de los dispositivos y su funcionalidad y la selección de la tecnología de comunicaciones está basada en las especificaciones de usuario, lo cual constituye una las características más robustas del IEC 61850, como se verá más adelante. La funcionalidad de las interconexiones debe describirse también y se hace mediante la ayuda del software "SCL" ("Substation Configuration description Language" herramienta basada en lenguaje de marcaciones extensibles XML).

Otras características de su utilización son las relacionadas con los aspectos económicos: en materia de inversiones, disponibilidad, expansibilidad y mantenimiento, como parte de la vida útil del equipo (hardware y software) en su conjunto. Lo anterior permite el crecimiento de las subestaciones a costos mucho menores de lo que se hacía anteriormente (ver islas de automatización en artículo anterior).

En la descripción formal de la subestación y su sistema de automatización, permite al cliente (empresa de electricidad) llevar a cabo la especificación formal y solicitarle al diseñador o integrador del equipo, la implementación. Se distinguen los siguientes pasos en este proceso:

Funcionalidad: Se refiere al diagrama unifilar de la subestación y las funciones de control y protección del sistema automatizado. Ver Figura No.1.

Desempeño: Toma en cuenta los tiempos de reacción de los dispositivos ante cierta cantidad de eventos, así como en cuanto a la confiabilidad y a la disponibilidad de éstos.

Condiciones: Establecen la necesidad de contar con interfases para las operaciones de los dispositivos, una distribución sectorizada para la ubicación de controles remotos, de distancias adecuadas entre componentes, suficiente espacio constructivo, blindaje (adecuado nivel de aislamiento) de los equipos y dispositivos, puestas a tierra y lo más importante los tipos y clases de IED's.

Localización de los nodos lógicos. Estos nodos están fuertemente relacionados con el sistema de comunicaciones interno de la subestación. Ver Figura No.2.

Especificaciones de tiempo respuesta. Con los parámetros establecidos en las condiciones se obtienen los tiempos críticos y promedio de respuesta y se le asigna a las funciones de los dispositivos (IED's). y al sistema de comunicaciones. Los valores de tiempo utilizados se asocian a probabilidades de ocurrencia de eventos de acuerdo a reglas generales existentes en la industria eléctrica.

Se incluyen en estas especificaciones aspectos como: extensión geográfica, topología de la subestación, existencia de estructuras, patios de interruptores, salas de control para las interfases humano - máquina (HMI’s), tipos de interfases de los IED's dependiendo del proveedor (nuevos o existentes), cantidad de redundancias para equipos críticos como las protecciones, etc.

Los requerimientos de diseño en conjunto con las condiciones se definen como ARQUITECTURA FÍSICA.
Se puede iniciar el proceso de con la especificación funcional o con la condiciones de alcance (descritas anteriormente). Ver Figura No.3.

En el primer caso se buscan IED's que cumplan las condiciones de disponibilidad y seguridad. El siguiente paso es de diseñar la arquitectura de las comunicaciones requeridas. Finalmente se ejecuta la ingeniería de detalle. Este método se lleva a cabo cuando los tipos de los IED's es bien conocido. Ver Figura No.3.

En el segundo caso, se inicia el proceso con las condiciones de desempeño requeridas, lo cual determina un mínimo de IED's necesarios en las locaciones de las interfases y su funcionalidad principal. Deben asegurarse criterios de redundancia para protecciones. Si no se asegura la funcionalidad completa, es necesario colocar más IED's, hasta lograrla. Finalmente, se diseña la arquitectura de comunicaciones. Esta metodología se emplea en el caso de múltiples fabricantes y es necesaria la flexibilidad de los IED's. Ver Figura No.3.

Para obtener máximo provecho de las herramientas la especificación de traducirse a lenguaje SCL basado en el Sistema de Descripción de Especificaciones (SSD).El SSD es una entrada no ambigua, la cual aumenta la calidad de la especificación y permite la simulación funcional para ver la interacción del LN y tener una base para estimar la carga (ancho de banda requerido) de las comunicaciones, desempeño, completación, etc., antes de que el sistema entre en servicio. Ver Figura No.4.

Para evitar puntos únicos de falla, se utilizan dos segmentos de red de comunicaciones que conectan el IED denominado "Merging Unit (MU)" con los IED's de protección y de interruptor principal. Cada uno de ellos se conecta a un switch. Si uno de los segmentos falla, el otro permanecerá operando como respaldo. Esto esquema requiere dos redes cercanas que implican dos switches por bahía. La función de control puede implementarse en ambos switches aumentando el índice de disponibilidad del canal de control. Ver Figura No.5.

Algunas características adicionales relativas al sistema:
El IEC 61850 requiere que cualquier IED que cumpla su norma provea un SCL (generalmente un archivo) con la descripción de sus capacidades (IED configuration description ICD). Éste puede suministrarse en CD o dentro de su misma unidad.

Es importante que este archivo pueda ser leído por otros dispositivos que cumplan la norma y tengan la herramienta. Además debe poseer una base de datos para el integrador.

El resultado del proceso de diseño para IEC 61850 puede almacenarse en un archivo SCD que contiene las comunicaciones lógicas entre IED's dentro de las subredes y los switches dentro de las subredes.

La ingeniería de detalle en un nivel debe determinar las direcciones de las comunicaciones y detallar el flujo de datos entre IED's en términos de conjuntos de datos y señales de entrada a los clientes. Esto permite reemplazar grandes cantidades de cableado convencional.

El modelo de datos de IEC 61850 puede ser adaptado a objetos o a ingeniería de señales automatizadas. El archivo con las descripciones de los IED's son bajadas por medio de las herramientas del IED a otros IED's para ser actualizadas. También se actualizan las conexiones entre ellos. El sistema final consiste de la arquitectura de comunicaciones en conjunto con la selección de los IED's

Las soluciones pueden ser diferentes, pero debido a que tienen diferentes funcionalidades, los costos pueden ser los decisivos. La evaluación puede hacerse antes de ordenar los componentes, sin embargo la ingeniería de detalle como la configuración y parametrización de los IED's y del HMI deben ejecutarse siempre.

Conclusiones:

• El proceso de diseño es muy similar al común.
• Depende de las condiciones de la topología y de los dispositivos predeterminados.
• Las propiedades de IEC 61850 permiten optimización de bajo costo y soluciones libres de mantenimiento, pero muy confiables.
• Las comunicaciones son escalables dependiendo de la disponibilidad requerida y de la redundancia de funciones de los IED's.
• A la fecha, la libre localización de funciones es muy conservadora. Más libertad de localización de funciones basadas en el "estado del arte" de la tecnología y en la aprobación de las empresas mejorarán la optimización del IEC 61850.

Bibliografía:
Brand, Brunner, Wimmer, "DESIGN OF IEC 61850 BASED AUTOMATION SYSTEMS ACCORDING TO CUSTOMER REQUIREMENTS". B5-103 Session 2004 CIGRÉ.

Ing. Fernando Masís Vargas

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