Palabras clave: IEC 61850, GOOSE, automatización eléctrica
El artículo describe cómo desarrollar un banco de pruebas utilizando las capacidades de la norma IEC 61850 en subestaciones digitales equipadas
con equipos de diversos fabricantes. Este banco de pruebas se demostró en la conferencia KAE 2022 y en su desarrollo participaron varias empresas
que desarrollaron métodos únicos para integrar sus equipos en un entorno tan diverso. Una cuestión clave durante la construcción del stand
fue el desarrollo del circuito de telecomunicaciones y garantizar la correcta sincronización horaria, necesaria para el correcto funcionamiento del
bus de proceso.

En 2004 se desarrolló y publicó la norma IEC 61850, que introdujo tecnología punta, también en el campo de los circuitos secundarios para la automatización de la energía. Su objetivo era alejarse completamente de las prácticas actuales de construcción de circuitos secundarios analógicos, sustituyéndolos por soluciones Ethernet y digitales.

Al mismo tiempo, la norma define interfaces y protocolos de comunicación para dispositivos de automatización, en un intento de lograr su unificación e interoperabilidad entre dispositivos de distintos fabricantes, algo que resultó muy complejo en la fase previa a su desarrollo. Incluso antes de su publicación oficial, la norma suscitó un gran interés entre los fabricantes de dispositivos de automatización. Se podría decir que hubo una carrera para lograr la conformidad con la nueva norma.

La situación era muy diferente cuando se trataba de las prácticas operativas entre las empresas de tráfico eléctrico. La aplicación de la norma en las instalaciones reales suele afrontarse con gran cautela, ya que su introducción modifica por completo las prácticas y hábitos actuales. Esto se aplica no sólo a la implementación de los circuitos secundarios, sino también a las formas en que se ponen en servicio, se prueban y se operan. Habría que revisar y reconstruir a fondo la mayor parte de la experiencia anterior. En la actualidad, la norma se utiliza fácilmente en equipos de automatización para la comunicación con el sistema de control, sustituyendo en muchos campos a protocolos de telecomunicación utilizados anteriormente, como 60870-5 o MODBUS, a pesar de que hasta la fecha sólo hay unas pocas instalaciones de subestaciones digitales en el mundo que apliquen plenamente la norma IEC 61850.

Las primeras implementaciones de la norma en subestaciones se registraron en 2005 en Alemania y Suiza [4]. No se trataba de implantaciones basadas en buses de proceso, sino que sólo utilizaban elementos seleccionados de la norma, como la configuración de la red, la pila de comunicaciones (MMS), las funciones normalizadas (nodos lógicos), el proceso de puesta en servicio y las pruebas. A pesar de ello, se señalaron ventajas como la escalabilidad de Ethernet o la reducción de los enlaces de telecomunicaciones, lo que se traduce en menos tiempo necesario para la coordinación de tareas, la aceptación final y las pruebas. Además, se señalaron las ventajas de utilizar nombres de funciones normalizados definidos por la norma: era posible pasar sin problemas de la definición de requisitos al diseño en cuanto se recibía el pedido, lo que ahorraba tiempo y eliminaba posibles errores. El lenguaje de descripción de estaciones SCL permitió crear plantillas de configuración de seguridad, lo que redujo el tiempo de puesta en servicio. El complejo cableado de los
campos, sustituyéndolos por una conexión Ethernet. Esto ahorró tiempo en el tendido de cables, bandejas de cables y terminales. Otra ventaja es que las pruebas de los sistemas de automatización basados en conexiones Ethernet pueden realizarse completamente en el laboratorio. Las pruebas in situ sólo tenían que repetirse para las conexiones por cable.

No todas las experiencias de aplicación de la norma han estado siempre exentas de problemas, sobre todo cuando se han utilizado equipos de distintos fabricantes para trabajar juntos. Un proyecto que pretendía probar la interoperabilidad entre distintos dispositivos fue la construcción de la estación La Venta II en México (2007) [2]. Se invitó a todos los fabricantes de automatización a participar en el proyecto, con equipos de: SEL, ZIV, Siemens, GE, RuggedCom y Team ARTECHE. El resto de fabricantes o bien no disponían de equipos compatibles con IEC 61850 en ese momento o bien no habían superado la homologación inicial. La intención del proyecto era probar la interoperabilidad de equipos de distintos fabricantes dentro de la norma IEC 61850.

A las fases iniciales de diseño siguieron seis semanas de pruebas en fábrica. Ya durante la configuración inicial de la red y la comunicación aparecieron los primeros problemas, como: los nombres de los dispositivos lógicos no se podían editar, falta de flexibilidad en la vinculación de variables a objetos de datos, lo que obligaba a utilizar un gran número de nodos lógicos genéricos no previstos en el diseño y algunos IED no admitían el número requerido de 6 conexiones simultáneas. Una vez puestos en marcha los concentradores SSiN y las estaciones de trabajo HMI, se procedió a la siguiente fase de pruebas, durante la cual se observaron nuevos problemas: falta de nombres configurables de los bloques de información y problemas para escribir los valores diseñados en los campos OptFlds y TrgOps debido a la falta de soporte para algunos de ellos. Algunos de los IED no admitían el atributo de origen, por lo que era imposible registrar de dónde procedía el control. Parte del problema se debía no sólo a la implementación de dispositivos individuales, sino también a la inmadurez de la propia norma.

Con el tiempo, los fabricantes adquirieron experiencia y mejoraron la implementación de sus dispositivos, así como se publicaron revisiones posteriores de la norma. Basándonos en la experiencia más reciente (2016) obtenida durante la construcción de una estación basada en bus de proceso digital publicada en [9], se puede afirmar con certeza que la introducción de circuitos secundarios digitales ya no es tan engorrosa como lo era al principio de la aparición de la norma y puede suponer importantes reducciones de tiempo y costes. Cabe señalar que estas ganancias aumentarán con las implantaciones posteriores, ya que la especificidad de la norma permite reutilizar fácilmente las plantillas de comunicación. La Tabla I resume los tiempos aproximados de construcción de los circuitos secundarios de las estaciones en las distintas técnicas por tarea.

Se observa una reducción del tiempo total necesario al utilizar una estación digital del 49%. También se produjo una reducción significativa de los costes gracias a la reducción del cableado y del tiempo de mano de obra de instalación y puesta en servicio. Se esperan mejores resultados en futuras implementaciones, especialmente en la fase de configuración del equipo IED, que fue la única que se encontró más larga en comparación con el sistema de automatización convencional, debido a la posibilidad de reutilizar las plantillas desarrolladas.

TABLA I. Comparación de las tareas que consumen más tiempo en la construcción de la estación utilizando diferentes técnicas [9].

En Polonia, también ha habido muchas implementaciones de la norma IEC 61850 ([1, 5, 6, 10]), donde se utiliza con avidez hoy en día especialmente a nivel de sistemas de control y supervisión, así como la implementación de automatismos como ZS, LRW, SZR. La primera subestación totalmente digital que utilizó el bus de proceso en Polonia fue la subestación Oborniki Śląskie 110/20 kV, que se completó en 2019. [3].

Actualmente, el estado de implementación de los mecanismos de comunicación a nivel de los fabricantes de equipos es bastante avanzado y varía según los equipos. Se puede observar una ventaja en la integridad de la implementación y su flexibilidad en los dispositivos diseñados desde el principio teniendo en cuenta la norma IEC 61850 frente a los dispositivos que son diseños más antiguos, en los que las funciones de IEC 61850 se han integrado en alguna fase del desarrollo. La comunicación entre estos dispositivos suele ser posible, pero requiere el enfoque adecuado de hacer coincidir un dispositivo más flexible con un dispositivo que tiene ciertas suposiciones y limitaciones en su implementación. Establecer una comunicación GOOSE entre los principales fabricantes de dispositivos de automatización eléctrica del mercado polaco era el objetivo del banco de pruebas de interoperabilidad presentado en la conferencia KAE 2022.

DESCRIPCIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS DE INTEROPERABILIDAD EAS

Como parte del desarrollo de la presentación para la conferencia KAE 2022, se invitó a varias empresas fabricantes de dispositivos de protección modernos a cooperar en el desarrollo de un banco de pruebas de laboratorio totalmente funcional. Las siguientes empresas se apuntaron al proyecto y suministraron sus dispositivos con la norma IEC 61850 implementada:

• Schneider Electric - relé P5xx,
• Siemens - relé 7SA870 (con capacidad de recepción SV y generación de flujo SV),
• Hitachi - relé REL 670 (con capacidad de recepción SV) y SAM600 (unidad de fusión),
• Elektrometal Energetyka - e2Tango,
• ZPrAE - relé TZO-11 (con capacidad de recepción SV) y unidad de fusión TMU-11,
• GE - relé D60,
• Omicron, que suministra comprobadores basados en microprocesadores que permiten forzar las señales de corriente y tensión tanto en forma analógica como digital SV, y el análisis de tramas transmitidas a través de la red LAN mediante el dispositivo DANEO,
• Bitstream, empresa de construcción de redes LAN y sincronización horaria basada en sus propias soluciones, el conmutador Ethernet HYPERION 400 y el dispositivo multifunción HYPERION 500 equipado con un reloj PTP.

En la Fig. 1 se presenta un diagrama esquemático del sistema de pruebas, que muestra los tipos de dispositivos utilizados y la realización de los enlaces de telecomunicaciones. En la Fig. 2 se muestra una realización más detallada de la LAN utilizando equipos Bitstream. Se decidió utilizar el mecanismo PRP para los enlaces de telecomunicaciones, es decir, dos redes independientes que garantizan una alta fiabilidad en la transmisión de mensajes. Cada uno de los relés suministrados podía funcionar en este modo de comunicación. Además, fue necesario introducir en la red tramas de sincronización horaria. De ello se encargó el reloj HYPERION 500, que proporcionó la sincronización en PTP y, opcionalmente para dispositivos seleccionados, una señal 1PPS y NTP. La correcta sincronización horaria es crucial para los flujos de datos SV presentes en el banco desarrollado. Todos los dispositivos se instalaron en bastidores móviles de 19", lo que permitió desplazar fácilmente toda la estación de trabajo. En la Figura 3 se muestra una vista general de la estación de trabajo. Los enlaces físicos a los puertos individuales de los conmutadores responsables de la comunicación en LAN A y LAN B se realizaron en su mayoría en forma de conexiones de fibra óptica multimodo. En la figura 4 se muestra el método de conexión, los puertos utilizados y los tipos de conectores.

Los dispositivos suministrados para la construcción de la estación pueden desempeñar diversas funciones en la estación digital. Algunos de ellos son dispositivos de seguridad típicos que pueden recibir y enviar señales de dos estados transmitidas como mensajes GOOSE. Otros pueden, además, recibir el flujo SV o incluso crearlo y difundirlo por la red. Por tanto, había que plantearse cómo presentar la interoperabilidad y en qué debía consistir. Esta tarea se desglosó en varios requisitos que debían cumplirse. La interoperabilidad en el sentido de la transferencia de información PTP (sincronización horaria) entre el reloj PTP y las MU y los IED a través del sistema de equipos de telecomunicaciones (conmutadores Ethernet) es la siguiente

• la fuente de las tramas PTP que contienen información horaria y que permiten a las MUs y a los IEDs lograr una sincronización horaria precisa es el reloj PTP (reloj gran maestro) que tiene sincronización externa con el sistema GPS (antena externa),
• las tramas del protocolo PTP pueden estructurarse de forma diferente en función de la versión, lo que requirió una adaptación adecuada de la configuración de los dispositivos: IED, MU y conmutadores de reloj y Ethernet que intervienen en el proceso de sincronización (a través de los cuales se transmiten las tramas PTP).

Interoperabilidad en el sentido de recibir información GOOSE de dispositivos de terceros tales:

• cada IED enviará el estado de un bit cambiado por la pulsación de una tecla en su panel frontal,
• cada IED indicará el envío de un bit de valor 1 mediante el color verde de un LED de su panel frontal,
• cada IED indique la recepción de un bit de estado 1 de cada uno de los demás IED mediante el color rojo de los LED de su panel frontal panel frontal.

La interoperabilidad en el sentido de recibir información SV de dispositivos MU de terceros tiene el siguiente aspecto:

• cada dispositivo de MU envía un flujo de tramas SV, que contiene muestras de señales analógicas medidas localmente en sus entradas,
• una entrada de corriente de cada dispositivo MU se conectó en serie con la salida de corriente del comprobador CMC,
• las entradas de corriente de las MU se conectaron en serie entre sí y se conectaron a la salida de corriente del comprobador CMC,
• cada uno de los IED capaces de recibir tramas SV estaba configurado para recibir tramas SV de cada una de las MU,
• cada uno de los IED capaces de recibir tramas SV ha sido configurado para utilizar las muestras de corriente transmitidas en las tramas SV para la función de sobreintensidad,
• los niveles de operación de las funciones de sobrecorriente en los IEDs han sido configurados a diferentes valores.
• cada IED muestra el funcionamiento de su función de sobreintensidad con un LED rojo en el panel frontal.

La interoperabilidad en el sentido de la transferencia de información GOOSE y SV entre los IED a través del sistema de equipos de telecomunicaciones (conmutadores Ethernet) es la siguiente

• cada MU e IED transmite datos a través de dos enlaces Ethernet redundantes que utilizan la tecnología PRP,
• la transferencia de datos a través de los enlaces Ethernet la realizan los conmutadores Ethernet, que debían estar: equipados con los tipos adecuados de puertos Ethernet (eléctricos, ópticos con las longitudes de onda ópticas adecuadas, las velocidades de intercambio de datos adecuadas - los tipos de codificación de datos adecuados) y configurados en consecuencia para que los datos que contienen información específica (por ejemplo, el número de VLAN, etc.) se transfieran entre los puertos Ethernet especificados.

DESCRIPCIÓN DE LOS MÉTODOS DE CONFIGURACIÓN DE SEGURIDAD INSTALADOS EN EL BANCO

Cada fabricante realiza la configuración de sus propios relés en sus respectivas aplicaciones de herramientas. Se trata, según el ejemplo de la figura 5 (basado en un dispositivo Siemens), de preparar los bloques correspondientes -ya sean mensajes SV o GOOSE- y, a continuación, exportar los archivos scd/icd/iid para que otros fabricantes puedan leerlos en sus propios configuradores IEC 61850. Esta operación permite asociar las señales de salida de un relé, por ejemplo REL670, a las señales de entrada de un dispositivo 7SA870, lo que da lugar a la posibilidad de interacción entre dispositivos de distintos fabricantes.

Figura 1: Diagrama esquemático que muestra la idea de un banco de laboratorio para demostrar la interoperabilidad de los IED [8].

Figura 2: Implementación de una LAN basada en dispositivos Bitstream utilizando el mecanismo PRP [7].

Por lo tanto, se hace necesario lograr una situación en la que las tramas GOOSE o SV enviadas sean comprendidas por cada relé conectado al bus de estación. La estructura de la trama utilizada se muestra en la Fig. 7 y en la Fig. 8. En los casos mostrados para los relés REL670 y 7SA87, las tramas tienen una estructura idéntica, lo que constituye una condición para el intercambio correcto de datos. Se utilizó una trama encapsulada en una estructura formada por tres parámetros: stVal, calidad y tiempo. Sólo estos datos podían ser interpretados correctamente por todos los dispositivos de seguridad y se exigía que cada fabricante pudiera definir de este modo la trama de datos para los mensajes GOOSE.

En el caso de la trama SV, su estructura se muestra en la figura 6. Se trata de una trama de ejemplo adquirida del dispositivo SAM600. Se trata de un stream con medidas con fines de protección, donde el muestreo se realiza a 4 kHz, esto nos da el envío de una trama con información sobre los valores de 4 corrientes y tensiones, cada 250 μs. Cada flujo enviado por cualquier unidad de fusión es identificado por los dispositivos de destino en base al parámetro svID, que en este caso se denominó SAM600MU0105. En el banco de laboratorio se utilizó la estructura de trama presentada y una estructura idéntica para las otras dos unidades 7SD870 y TMU-11. El parámetro que identificaba los diferentes flujos en este caso era el nombre svID, individual para cada flujo de datos.

RESULTADOS OBTENIDOS

La construcción de un banco de laboratorio que demostrara la interoperabilidad de dispositivos de varios proveedores tenía por objeto responder a algunas de las preguntas clave sobre interoperabilidad planteadas en la sección anterior. Éstas se referían a las cuestiones clave que deben resolverse al construir una subestación digital. Éstas son, respectivamente: la confirmación de la interoperabilidad en el sentido de la transferencia de información PTP (sincronización horaria) entre el reloj PTP y los dispositivos MU e IED a través de la disposición de los equipos de telecomunicaciones (conmutadores Ethernet).

Fig. 3. Stand costruito con rack da laboratorio

La correcta sincronización horaria es crucial para garantizar el correcto funcionamiento de las EAZ, especialmente para los flujos de datos SV que estaban presentes en el banco desarrollado. De ello se encargó el reloj HYPERION 500, que proporcionó la sincronización en PTP y, opcionalmente para los dispositivos seleccionados, la señal 1PPS y NTP. Los dispositivos que componían el banco consiguieron una sincronización correcta según los datos que figuran en la Tabla II. La mayoría de los dispositivos IED permitían la sincronización horaria en el estándar PTP. El dispositivo SAM600 se sincronizó utilizando 1PPS, pero el trabajo posterior en el laboratorio del Instituto de Energía de la Universidad Politécnica de Varsovia permitió confirmar la posibilidad de sincronizar estos dispositivos utilizando PTP, lo que se confirmó mediante el intercambio correcto de datos SV con el relé 7SA87.

Fig. 4. Puertos y tipos de fibra óptica utilizados en el banco

Figura 5: Método de configuración de la seguridad utilizando la seguridad de Siemens como ejemplo [8].

Figura 6: Ejemplo de marco de datos SV

Figura 7: Ejemplo de una trama de datos GOOSE del dispositivo REL670 de Hitachi.

Figura 8: Ejemplo de trama de datos GOOSE de un dispositivo Siemens 7SA87

TABLA II. Tipos de sincronización utilizados para dispositivos individuales instalados en el banco de laboratorio utilizando el reloj y los conmutadores BitStream (PUP - Power Utility Profile - IEC/IEEE 61850-9-3, NTP - Network Time Protocol).

Los resultados obtenidos deben considerarse buenos. Todos los dispositivos instalados en el banco permitían la sincronización horaria a un nivel suficiente para realizar las funciones que tenían asignadas. En el caso del relé E2Tango, permitía el intercambio de mensajes GOOSE, y este tipo de sincronización horaria (NTP) es suficiente para este tipo de funciones. El chip de telecomunicaciones suministrado por BitStream cumplía los requisitos necesarios para garantizar una sincronización correcta, y el reloj HYPERION 500 permitía obtener la hora exacta utilizando varios estándares diferentes, incluida la señal óptica 1PPS.

Otro punto probado en el banco fue

• Confirmación de la interoperabilidad en el sentido de transmitir información GOOSE y SV entre los IED a través de la disposición de los equipos de telecomunicaciones (conmutadores Ethernet).
• Confirmación de la interoperabilidad en el sentido de recibir información GOOSE de dispositivos de otros fabricantes.
• Confirmación de la interoperabilidad en el sentido de recibir información SV de dispositivos MU de otros fabricantes.

En el marco de los trabajos de construcción del banco de laboratorio, se confirmó la capacidad del chip de telecomunicaciones desarrollado por BitStream para enviar eficazmente mensajes GOOSE y múltiples flujos SV desde varios dispositivos MU. Los representantes de los fabricantes, basándose en los archivos de configuración obtenidos de cada uno de los dispositivos, llevaron a cabo un intercambio correcto de mensajes GOOSE entre los dispositivos que se muestran en la Tabla III. En la mayoría de los casos, para lograr un intercambio GOOSE correcto, bastaba con importar los archivos de configuración del relé seleccionado a la aplicación de la herramienta de otro fabricante y asignar correctamente las señales GOOSE. Sin embargo, en algunos casos fue necesario modificar manualmente los archivos scd/icd/iid cargados en los configuradores IEC.

Finalmente, tras realizar los cambios oportunos y enviar las configuraciones a los relés, se consiguió el correcto intercambio de mensajes GOOSE entre todos los relés instalados en el banco. Esto se demostró durante la conferencia mediante el encendido de sucesivos LED indicadores en los relés, correspondientes a la recepción de un mensaje GOOSE de un dispositivo seleccionado de otro fabricante.

En el stand también había tres dispositivos MU de distintos fabricantes. Estos eran respectivamente:

• SAM600 de Hitachi,
• 7SA87 de Siemens (función MU activada en el relé),
• TMU de ZPrAE.

Los flujos SV podían ser leídos por tres relés equipados con esta función. Estos eran respectivamente:

• REL 670 de Hitachi,
• 7SA87 de Siemens,
• TZO-11 de ZPrAE.

Todos los dispositivos estaban correctamente configurados y conectados a la red de telecomunicaciones. Se consiguió un intercambio correcto de flujos SV, como se muestra en la Tabla IV. Cada MU medía las corrientes y tensiones alimentadas desde el comprobador Omicron y, a continuación, enviaba el flujo a la red. Los relés respondían a los cambios en las magnitudes medidas disparando la función de protección seleccionada y encendiendo el diodo indicador correspondiente. Los resultados obtenidos confirmaron la viabilidad de la utilización de flujos SV en dispositivos de diferentes fabricantes.

CUADRO III. Resultados de la prueba de interoperabilidad para el intercambio de mensajes GOOSE, OK - intercambio correcto de mensajes GOOSE

CUADRO IV. Resultados de las pruebas de interoperabilidad para la lectura de flujos SV, OK - lectura correcta de flujos SV

RESUMEN

Se ha finalizado con éxito la construcción de un banco de laboratorio que demuestra la interoperabilidad de los dispositivos EAZ equipados con la norma IEC 61850. Se confirmó la viabilidad de construir una red de telecomunicaciones que permita la transmisión eficiente de grandes cantidades de datos en forma de flujos SV, mensajes GOOSE y sincronización horaria precisa. Se confirmó la posibilidad práctica de intercambiar mensajes GOOSE entre IED de distintos fabricantes. Por supuesto, en algunos casos es necesario modificar manualmente los archivos de configuración, pero al final fue posible enlazar todas las protecciones en una EAZ común.

También es posible utilizar flujos SV en dispositivos de distintos fabricantes. En este caso, es necesaria una sincronización horaria precisa en todos los dispositivos que realizan estas funciones, lo que se ha conseguido en este banco. La iniciativa de construir un banco de laboratorio y la presentación de las posibilidades de uso de la norma IEC 61850 en aplicaciones prácticas parece muy valiosa y crucial para la introducción de la nueva tecnología en aplicaciones prácticas en subestaciones. Las conferencias relacionadas temáticamente con el campo de la automatización de la protección reúnen a muchos especialistas, que pueden ver de primera mano las posibilidades de la nueva tecnología, hablar con especialistas que desarrollan nuevos sistemas, conocer las ventajas y desventajas de la nueva tecnología. Parece que la idea de construir stands de laboratorio y presentar las capacidades actuales de los relés, así como las aplicaciones de las herramientas, durante las reuniones de ingenieros de la EAZ debería continuar.

En el marco de este artículo, nos gustaría dar las gracias a todas las empresas y personas implicadas en la construcción del stand descrito, por el esfuerzo y el tiempo dedicados a las reuniones y a la construcción física del stand. El compromiso de todo el equipo llevó a la presentación de un sistema EAZ completamente funcional basado en el estándar IEC 61850 en la conferencia KAE 2022.

Fuente: Wiadomości Elektrotechniczne, Anuario 2023 - cuaderno 9
Editorial SIGMA-NOT

LITERATURA

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