Redes inteligentes

Comunicación y automatización en equipos de Alta Tensión, el IEC 61850 como herramienta de la Smart Grid

 

El concepto de red inteligente, o Smart Grid en ingles, abarca todas aquellas funcionalidades y aplicaciones a implementar en los sistemas de energía eléctrica (SEE), desde la generación a los consumidores, con el objeto de automatizarlos, facilitar su gestión, mejorar la eficiencia, y asegurar la calidad del servicio requerido en un mundo con unas necesidades energéticas crecientes. Estas necesidades se traducen en la integración y gestión de más fuentes de energías distribuidas y renovables, en un incremento sin precedentes de la eficiencia en las redes y consumidores finales, y finalmente por la mejora de la confiabilidad de las mismas. El reto tecnológico se centra en optimizar el flujo y el equilibrio entre la demanda y el suministro de la energía eléctrica, y la protección de las redes eléctricas con las nuevas tipologías que se presentan.

 

Estándar IEC 61850, herramienta de la Smart Grid.

El IEC 61850, de la comisión electrotecnia internacional (IEC), es un modelo de información y arquitectura de comunicaciones estándar para permitir la interoperabilidad en sistemas de automatización de la red eléctrica. Actualmente el estándar está llegando a ser la solución de comunicación más común en los SEE de Alta Tensión (AT) de muchos países. Además, el estándar IEC 61850 ofrece las prestaciones y servicios necesarios que hacen de este la herramienta necesaria en el desarrollo de la Smart Grid. Y es que el estándar se diseñó desde el primer instante para cumplir con las necesidades de la comunicación y automatización de los equipos que formaran parte de las redes inteligentes en los próximos años. Los puntos fuertes del IEC 61850 son la modelización estándar orientada a objetos de los equipos que pertenecen a los SEE y los servicios de comunicación que ofrece, tanto entre equipos IEDs, conocida por el nombre de comunicación horizontal, como con órganos de supervisión y control superiores, conocidos como comunicación vertical.

 

  • Modelo de datos en el IEC 61850.

En la parte IEC 61850-7-4 de la norma se describe la estructura del modelo de datos. La finalidad de la misma es la de virtualizar cada equipo eléctrico en una estructura de datos estándar para todos ellos. La estructura se basa en una descomposición de la información contenida en los equipos, mediante conjuntos y subconjuntos hasta llegar a la unidad. El conjunto de información que representa el equipo físico se nombra Logical Device, LD. Los Logical Nodes, LN, que son subconjuntos del LD, representan partes físicas o funcionales del equipo. Como ejemplo de LN se encuentra el LN MMXU, que contiene todas las variables medidas en el equipo. Dentro del los LN se encuentran los Data Object, DO, que incluyen todos los datos que forman el LN. Siguiendo con el ejemplo, en el LN MMXU se tienen datos como la tensión compuesta (PPV), tensión de fase (PhV) intensidad (A), frecuencia (Hz) etc., y finalmente la estructura termina en los atributos de los datos Data Attributes, DA. Como DA del MMXU se encuentra, por ejemplo, el valor de las magnitudes anteriores del DO en (V, A o Hz respectivamente), un bit de calidad (q) que representa que el valor esta dentro de los rangos definidos o validos, y un estampado de tiempo o time stamp (t) del instante de la captura de la medida. El estándar define la estructura común de LD, LN, DO y DA para todos los equipos del mercado, pero deja abierta la agrupación de los diferentes LN en grupos y subgrupos según funcionalidades del equipo, tales como Medidas, Protección, Control, Estados, etc., en diferentes LD. La figura 1 representa la virtualización y la estructura de datos de una cabina de AT y su equipo IED.

Figura 1. Modelos de datos de una cabina AT

Figura 1. Modelos de datos de una cabina AT

 

  • Modelos y servicios de comunicación en la IEC 61850.

En las partes IEC 61850-8 y 9 del estándar se describe un conjunto de modelos y servicios de comunicación con el objetivo de permitir el intercambio de la información del modelo de datos entre los diferentes IEDs de un SEE. El objetivo es el despliegue de la automatización del sistema eléctrico mediante el envío de agrupaciones de datos de los LN de los diferentes IEDs. En la figura 2 se pueden observar los modelos abstractos y servicios de comunicación definidos en el estándar, todos ellos finalmente mapeados y encapsulados sobre una red física Ethernet.

 

Figura 2. Modelos y servicios de comunicación

Figura 2. Modelos y servicios de comunicación

Los tres primeros modelos forman parte del servicio MMS, basado en el modelo cliente-servidor. El servidor es el equipo que contiene la información mientras que el cliente accede a ella, y los modelos de lectura y escritura se utilizan para acceder a los datos y a sus atributos. El modelo de control es una especialización del servicio de escritura, el cual permite la gestión de atributos que tienen están definidos en esta clase y permiten una acción sobre el equipo final. El modelo de informes se utiliza para el intercambio de un grupo de información orientada a eventos, en la que la información es transmitida espontáneamente cuando el valor del dato es modificado. Hoy en día, todos estos modelos se mapean sobre el protocolo MMS en la capa 7 OSI Ethernet.

 

El resto de servicios están basados en el modelo publicación-suscripción. En IEC 61850, el término de comunicación punto a punto se introduce para hacer hincapié en que la comunicación entre el publicador y el suscriptor implica una comunicación entre equipos. Estos servicios de comunicación se utilizan para el intercambio de información de carácter crítico. El equipo, que es la fuente de información, publica la misma, y cualquier otro equipo que necesite esta información la puede recibir suscribiéndose a ella. El servicio GOOSE, Generic Object Oriented Substation Event en ingles, es un servicio de transmisión rápida de información de eventos hacia múltiples equipos. En lugar de utilizar un servicio de comunicación con confirmación de recibo, la información intercambiada es enviada por repetición regularmente asegurándose así la llegada al suscriptor. El servicio de transmisión SV, Sample Value en ingles, es utilizado cuando se necesita transmitir señales analógicas de campo, tales como intensidad, tensión o cualquiera de sus derivados, utilizando comunicaciones digitales. Las señales analógicas son muestreadas y trasmitidas. Tanto el servicio GOOSE como SV se encapsulan sobre capa 2 OSI Ethernet.

 

Por  otro lado, el estándar permite que haya una evolución en las tecnologías de comunicación, debido a que sus modelos de información y los servicios de intercambio están desacoplados de los protocolos utilizados (MMS, TCP-IP, etc), lo que permite mejorar la tecnología de comunicaciones sin afectar al modelo estándar. Así, con el fin de crear implementaciones reales, se necesitan protocolos de comunicaciones existentes sin ser dependientes de ellos. Un ejemplo de ello es que la norma prevé el mapeo de los modelos cliente-servidor en Web Services en un futuro cercano, en substitución del MMS. En la figura 3 se muestra la aplicación de los diferentes servicios y protocolos en una arquitectura de comunicación típica de un SEE.

Figura 3. Servicios del IEC61850 dentro de la arquitectura de comunicación.

Figura 3. Servicios del IEC61850 dentro de la arquitectura de comunicación.

  • Automatización y protección en SEE mediante IEC 61850.

Como se ha introducido, el estándar IEC 61850 fue creado como referencia y estándar internacional e interoperable en las arquitecturas de comunicación de los SEE, con el objetivo de apoyar el diseño y construcción de sistemas a partir de IEDs, conectados en red Ethernet para efectuar labores de protección, medición, supervisión y control.

 

De los servicios detallados del IEC 61850, a nivel aplicativo, se encuentran funcionalidades en los SEE tanto en protección como en operación de los mismos. Por ejemplo, se tiene que el control del servicio MMS se utiliza para gestionar y controlar los interruptores, puestas a tierra, seccionadores o cualquier elemento que secciona una parte de la red eléctrica. Otra aplicación del servicio MMS son los informes para el sistema de supervisión, los cuales optimizan la red comunicaciones al ser orientados a eventos.

 

Aplicaciones típicas del servicio GOOSE es el intercambio de la información de la posición de interruptores con el objetivo de bloqueos de selectividad, o transmisión de señales digitales de disparo en funcionalidades de protección. Ejemplo de ellos son las protecciones direccionales ANSI 67/67N en sistemas en anillo, reconfiguración Self-Healing de la red y la selectividad lógica entre los diferentes puntos de la misma. Estas protecciones se han ido realizando tradicionalmente por medio de cableado eléctrico entre los diferentes relés, en los que un contacto eléctrico se cerraba e informaba al adyacente de la activación de una protección. A día de hoy el tendido de cable se substituyen por la mensajería GOOSE aprovechando la red de comunicaciones presente en la infraestructura, y de equipos de última generación IED, enviando la información de activación de la protección así como más datos adicionales en un mismo Data-Set. Esto también resulta una ventaja considerable en el momento de ampliar la instalación.

 

Otras aplicaciones donde tiene cabida el estándar IEC 61850 es la desconexión y conexión de cargas no prioritarias en sistemas industriales. Esto tiene cabidas en plantas donde, puntualmente, pueda no estar disponible tota la potencia necesaria de la planta, ya sea por una falta de suministro de compañía o por el cumplimiento de un contrato de ininterrumpiblilidad. En ese instante solo se dispondrá de la potencia de back-up de generadores de emergencia o parte del total de suministro de compañía, siendo necesario realizar una desconexión de cargas no prioritarias. La mensajería GOOSE es una buena herramienta para el envío de las órdenes de desconexión de forma instantánea intentando no afectar así la estabilidad de la planta.

 

La misma idea es de aplicación en las transferencias automáticas entre acometidas de suministro en una instalación. La finalidad de esta aplicación es la de realizar una transferencia automática entre acometidas, en la que, ante una falta de suministro por parte de la principal, se realiza la transferencia a alguna de las de reserva que estén disponibles. Con el uso del estándar se evita de esta manera el excesivo cableado de cada señal entre equipos. Simplemente con la comunicación de los equipos a la red Ethernet se pueden enviar todas las órdenes de transferencia y de conexión y desconexión de cargas estableciendo una inteligencia distribuida entre los diferentes equipos de un SEE como se muestra en la figura 4.

Figura 4. Cableado tradicional de contacto-frente a mensajería GOOSE con dispositivos de protección Easergy

Figura 4. Cableado tradicional de contacto-frente a mensajería GOOSE con dispositivos de protección Easergy

En conclusión, las redes inteligentes requieren de más “inteligencia”.

En este artículo se introduce la necesidad de implantar una gestión mejorada del recurso energético, en la que la solución pasa por la inversión y desarrollo las redes inteligentes o Smart Grids. Se ha visto que un requerimiento de las mismas es dotar de más inteligencia los equipos que la conforman, pasando de los equipos eléctricos tradicionales a los IEDs como es el caso de la plataforma de protección Easergy, y que el IEC 61850 permite una comunicación y automatización de los mismos de forma interoperable entre diferentes fabricantes.

 

Uno de los primeros equipos que se han visto inmersos en esta transformación son las cabinas de AT, los cuales son los primeros equipos que han entrado en juego para el desarrollo de los pilares Smart Metering y Smart Network de las Smart Grid. En los próximos años se prevé una armonización de comunicación y automatización entre IEDs mediante IEC 61850, para el completo despliegue de las redes inteligentes desde la generación inteligente hasta los consumidores finales en BT, incluyendo la Smart Operation desde los centros de control.

 

Figura 5. Integración del sistema eléctrico on el proceso industrial.

Figura 5. Integración del sistema eléctrico on el proceso industrial.

No por último y menos importante cabe destacar que el IEC61850 supone un vehículo que tiene por función hilvanar la comunicación en el sistema eléctrico del mundo industrial con el sistema de proceso del mismo, como se muestra en la figura 5. El hecho de poder utilizar el mismo medio físico de comunicación en Ethernet para transportar información del proceso e información como el mensaje GOOSE, para el control del sistema eléctrico, supone de un gran interés en el mundo industrial.

 

 

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