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IEC61850 para dummies

Introducción básica a la suite de protocolos enfocados al control de subestaciones eléctricas y a las redes de distribución energéticas inteligentes, vehículos eléctricos y renovables

IEC61850 para dummies

El estándar IEC61850 comprende un conjunto de normas que permiten diseñar, operar y mantener una subestación en control y protección. No es por tanto una simple norma, sino que engloba una serie de buenas prácticas a seguir a la hora de diseñar una subestación eléctrica.
A su vez, y dado que la norma contempla ampliaciones y actualizaciones, se integran toda una serie de dispositivos que permiten tener el control y la supervisión de las plantas.

Este artículo no pretende entrar en profundidad en el IEC61850, sino que está enfocado a aquellos que no saben que es IEC61850 y quieren tener un conocimiento básico del mismo en pocos minutos.

¿Para qué sirve?

Para leer valores de Potencia, Voltaje, Energía, Frecuencia, etc, de una serie de dispositivos de campo, con el objetivo de tener monitorizado en todo momento un campo solar, una subestación eléctrica o una red de distribución eléctrica inteligente de una ciudad.

Para hacer cambios de consigna en controladores de campo, ya sean reguladores PID, generación de energía, correctores de reactiva, apertura/cierre de grandes interruptores, etc.

Para reportar de forma balanceada valores hacia sistemas Scada, sin necesidad que la supervisión interrogue a todos los equipos de campo. Los cambios en ciertos valores, provocan automáticamente una mensajería hacia un sistema Scada, con un contenido determinado.

Para comunicar los equipos de campo de forma horizontal, sin que un ente superior intervenga en la toma de decisiones. Con esto se consiguen tiempos de reacción mucho menores, descentralizando el control de plantas industriales muy grandes.

¿Porque está de moda?

Porque aprovecha el estándar TCP/IP para la comunicación de forma vertical. Solo hay que tener ciertas precauciones a la hora de diseñar la red, pero como concepto, una red IT puede servir perfectamente para comunicar equipos.

Porque abarca toda la filosofía de control, un solo protocolo para supervisar, controlar, diseñar, modificar y mantener, sin que otras disciplinas entren en juego.

Por el ahorro enorme en cableado y puesta en marcha que supone frente a una subestación de las de antes. Todo son cables Ethernet y por tanto se evitan la mayoría de perturbaciones electromagnéticas.

Su modelo de datos, permite abstraerse del fabricante del dispositivo y decidir esto casi en última instancia.

¿Es realmente tan flexible como dicen?

Antes hemos mencionado que IEC61850 también está muy presente en la etapa de diseño. Tanto es así, que la ingeniería puede diseñar la subestación, programar y simular todas las señales, de forma que es posible realizar todas las pruebas en laboratorio, sin ni siquiera conectar un solo cable.

A posteriori, cuando la subestación funciona, es posible cambiar la lógica de funcionamiento en remoto, sin cablear una sola nueva conexión.

Además, en caso de detección de falla, se pueden recuperar todas las señales analógicas y digitales con estampa de tiempo, para un análisis posterior con un software específico. Cada elemento de campo IED (Inteligent Electronic Device), tiene una dirección IP, mediante la cual es
posible su parametrización y reprogramación en remoto.

Está todo pensado…

Cada IED (Es la definición de un elemento de campo a controlar, por ejemplo un interruptor, un medidor de potencia, un controlador de protecciones.)dentro de sí, posee una estructura de datos muy bien definida por la norma, de modo que todo el mapeo de valores, unidades, escalados y sobretodo direcciones de memoria, YA ESTAN DEFINIDOS a nivel IEC y por tanto TODOS los fabricantes adoptan estas mismas características.

No solo el modelo datos está predefinido, sino que también lo están todos los comandos sobre los que podemos actuar como operarios de planta, de forma que se cierra del mismo modo un interruptor ABB que uno de la marca Siemens, con lo que la substitución de un elemento mecánico de campo, NO AFECTA a la programación del resto de dispositivos.

Los que seáis programadores, os daréis cuenta de la enorme ventaja que supone no depender de los datasheed de los fabricantes para la programación de las secuencias.

Instanciamos un interruptor, un transformador, un medidor de potencia y un fusible. Lo interconectamos como lo haríamos en un software de diseño (Eplan, Orcad, etc.), lo simulamos y lo enviamos a planta.

Nivel de control

Los equipos IED son capaces de enviarse mensajes de advertencia entre ellos (GOOSE), SIN DEPENDER del sistema de control y supervisión general de la planta, con lo cual es muy fácil que un protector de sobre intensidades, avise a un interruptor, para que este abra o cierre rápidamente al detectar un sobre consumo. A posterior (milisegundos después), un reporte automático (RCB) puede ser enviado al sistema de control SCADA con el paquete de información relativo a la falla detectada.

Como habréis podido deducir, el sistema SCADA en ningún momento ha interrogado a los elementos de campo, sino que es un mero “consumidor” de la información que le va llegando de los distintos elementos de campo.

Ejemplo

Como los conjuntos de datos (Logical Nodes) que definen cada uno de los IED, están definidos por la norma, cualquier fabricante puede proponer nuevos Logical Nodes (LN), en base a nuevas necesidades del sector.

Un fabricante de aerogeneradores, que estuviera en fase de diseño de un nuevo molino experimental, podría proponer la creación de un nuevo LN no existente, dentro del cual estuvieran englobadas las medidas de potencia activa, frecuencia del estator, presión de aceite de la turbina y velocidad del viento del aerogenerador, de forma que una vez definido y estandarizado, cualquier fabricante de aerogeneradores pudiera utilizar este mismo LN.

Desde el punto de vista de la ingeniería, los programadores no tendrían que pedir ningún tipo de documentación de producto al fabricante, ni tampoco mandar emails pidiendo datasheed, simplemente abrir el software de diseño eléctrico, arrastrar la LN “AeroG123” y enlazar el campo potencia con una comparación >= similar a la programación de PLCs. De esta forma establecerían una lógica entre la potencia activa y un determinado valor de setpoint para conseguir una acción en concreto.

Si en algún momento el aerogenerador es substituido por otro que también tenga la LN “AeroG123”, el programa no habrá ni que cambiarlo. Evidentemente esta explicación hay que cogerla de forma abstracta, ya que no así de sencillo, pero intenta explicar de forma gráfica la idea que se persigue con IEC61850.

Ingeniería

En ingeniería e Instalaciones Industriales del Maresme S.L. somos expertos en esta suite de protocolos, asesorando a las empresas que necesiten implementarlos.

Tan importante es saber de la implementación del protocolo, como tener claro que la red Ethernet sobre la que se va a soportar dicha comunicación es Fiable, Robusta y Redundante.

Para ello se utilizan diversas técnicas en el diseño de la arquitectura, persiguiendo siempre la alta disponibilidad y el tiempo de convergencia cercano a 0ms. De nada serviría un gran sistema IEC61850, en el que participen, generadores, interruptores, detectores de sobre voltaje, switchs, etc... Si en caso
de fallo, el sistema tarda varios cientos de milisegundos en reaccionar. Sería una catástrofe. Es por ello muy importante definir y asegurar una buena red industrial.

En IEC61850 se necesitan redes con tiempos de convergencia cercanos a los 0ms, es decir, ante un fallo, una rotura de una fibra, la red tiene que encontrar un nuevo camino por donde llevar la información hacia su destino en un tiempo no superior a los 4ms. Para ello se implementan protocolos como el IEC 62439-3 HSR Y PRP entre otros, que permiten un tiempo de recuperación en caso de fallo cercano a los 0ms.

A su vez, los mensajes GOOSE del IEC61850 y en general toda la mensajería que se genera con este protocolo, tiene que tener una mayor prioridad (IEEE 802.1Q y IEEE 802.1p) en la red, por encima de las tramas de video, audio, plc, mail, VoIP, etc…

Esperamos que esta breve introducción al protocolo IEC61850 os haya gustado y si tenéis dudas o preguntas, plantearlas en el foro. Os responderemos con mucho gusto.

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