PROYECT0 1

ESCUELA POLITECNICA DEL EJRCITO

FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRNICA

PROYECTO DE GRADO PARA LA OBTENCIN DEL TTULO EN INGENIERIA ELECTRNICA

Anlisis de protocolos de comunicacin para la Automatizacin de Subestaciones de Transmisin Elctrica

Ivn Fernando Rivadeneira Astudillo

Sangolqu Ecuador Octubre 2005

CERTIFICACIN

Certifico que el presente proyecto fue realizado en su totalidad por el seor Ivn Fernando Rivadeneira Astudillo, como requisito para la obtencin del ttulo de Ingeniero Electrnico.

Sangolqu, Octubre del 2005

_____________________ Sr. Ing. Victor Proao Director

_____________________ Sr. Ing. Rodolfo Gordillo Co-director

AGRADECIMIENTO

Expreso mi total agradecimiento a cada una de las personas que me han ayudado a lo largo de mi carrera profesional y en la culminacin de ste proyecto.

De manera especial, agradezco a los seores Ing. Victor Proao e Ing. Rodolfo Gordillo, por dirigir y asesorar ste proyecto de tesis.

Agradezco tambin al Sr. Ing. Galo Vaca, por su ayuda incondicional, por su apoyo y enseanzas.

A mi familia, por brindarme todo el respaldo necesario para poder culminar con xito este proyecto.

Gracias a Dios por todas sus bendiciones.

Ivn Rivadeneira A.

DEDICATORIA

A mis padrespor su fe incansable, sus infinitas enseanzas, su ejemplo, su dedicacin, por permitirme equivocarme y aprender de mis errores, por brindarme las facilidades para crecer como persona.

Porque adems de ser los mejores padres, son mis mejores amigos.

Ivn Rivadeneira A.

CONTENIDO I __________________________________________________________________________________________________

CONTENIDO

PRLOGO ........................................................................................................................... 1 CAPTULO I SUBESTACIONES ELCTRICAS ......................................................... 2 1. GENERALIDADES..................................................................................................... 31.1. 1.2. 1.3. 1.4. Sistemas de Generacin..................................................................................... 3 Sistemas de Transmisin ................................................................................... 3 Sistemas de Distribucin.................................................................................... 5 Subestacin Elctrica ......................................................................................... 5

2.

SECTOR ELCTRICO ECUATORIANO................................................................ 6Mercado Elctrico Ecuatoriano...................................................................................... 7 Sistema Nacional Interconectado (SNI)........................................................................ 8Generacin.............................................................................................................................................................8 Sistema de Transmisin Nacional (STN)..................................................................................................8

3.

EL PAPEL DE LAS SUBESTACIONES EN LA RED........................................ 10Funcionalidad como nodo............................................................................................ 10 Acceso a la Energa y a la Red de Energa................................................................. 11

CAPTULO II SISTEMAS DE AUTOMATIZACIN DE SUBESTACIONES ........ 12 1. SISTEMAS DE AUTOMATIZACIN DE SUBESTACIONES (SAS) .............. 13Definicin........................................................................................................................ 13 La historia de las Unidades Terminales Remotas ..................................................... 13 Desde las RTUs a los SAS ........................................................................................... 13

2. EL PAPEL DE LOS SISTEMAS DE AUTOMATIZACIN DE SUBESTACIONES EN EL MANEJO DE LA RED ..................................................... 14Sistema de manejo de la red de energa..................................................................... 14Estructura .............................................................................................................................................................14 Las tareas en conjunto ...................................................................................................................................15

Funciones Locales en las Subestaciones.................................................................. 16

3. ESTRUCTURA BSICA DE UN SISTEMA DE AUTOMATIZACIN DE SUBESTACIONES........................................................................................................... 173.1. Nivel de Estacin............................................................................................... 18Interface Hombre-Mquina (HMI)..........................................................................................20 Control Local y Automatizacin del Nivel de Estacin ..............................................20 Bases de Datos y Archivos de la Subestacin ..............................................................20 Acceso a los datos de proceso .............................................................................................21 Sincronizacin de tiempo ........................................................................................................22 Monitoreo y Control Remoto ..................................................................................................23 Intercambio de datos entre los niveles de Estacin y Baha ..................................25 3.1.1. 3.1.2. 3.1.3. 3.1.4. 3.1.5. 3.1.6. 3.1.7.

CONTENIDO II __________________________________________________________________________________________________

3.2.

Nivel de Baha .................................................................................................... 25Control del Nivel de Baha .......................................................................................................26 Proteccin del Nivel de Baha................................................................................................26 Monitoreo del Nivel de Baha..................................................................................................27 Interface Hombre-Mquina en el Nivel de Baha ...........................................................28 Terminales Cableadas...............................................................................................................30 Unidades remotas de entradas y salidas..........................................................................31

3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.4.

3.3.

Nivel de Proceso................................................................................................ 29

3.3.1. 3.3.2.

4.

FUNCIONES DE UN SAS....................................................................................... 324.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5.4.5.1 4.5.2

Funciones de monitoreo y supervisin.......................................................... 32 Funciones de control ........................................................................................ 33 Funciones de proteccin y seguridad ............................................................ 33 Funciones de apoyo automticas ................................................................... 34 Funciones de configuracin y mantenimiento del sistema ......................... 34Adaptacin y configuracin del sistema................................................................................35 Aplicaciones de software de mantenimiento y mejora ...................................................36

4.6.4.6.1 4.6.2

Funciones de comunicacin ............................................................................ 37Intercambio de datos dentro de la Subestacin.................................................................37 Intercambio de datos con sistemas externos......................................................................37

4.7.4.7.1 4.7.2

Funciones relacionadas con la operacin de redes..................................... 38Control, Supervisin y Adquisicin de Datos (SCADA)..................................................38 Software de Aplicacin de Energa (PAS) .............................................................................39

CAPTULO III ARQUITECTURAS DE LOS SISTEMAS DE AUTOMATIZACIN DE SUBESTACIONES.................................................................................................... 40 1. EL IMPACTO DE LA TECNOLOGA COMPUTARIZADA ............................... 41 2. CRITERIOS DE DISEO PARA LAS ARQUITECTURAS DE LOS SISTEMAS DE AUTOMATIZACIN DE SUBESTACIONES .................................. 422.1. Funciones de la comunicacin ........................................................................ 43Mximo tiempo permitido ........................................................................................................43 Integridad de datos .....................................................................................................................43 Mtodo de Intercambio..............................................................................................................43 Comunicacin Maestro/Esclavo ...........................................................................................45 Transferencia peridica del estado del proceso ...........................................................45 Comunicacin Punto-a-Punto ................................................................................................46 Comunicacin Multi-Punto ......................................................................................................46 Comunicacin Cliente-Servidor ............................................................................................46 2.1.1. 2.1.2. 2.1.3.

2.2.

Modos de Comunicacin .................................................................................. 45

2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.2.4. 2.2.5.

2.3. 2.4. 2.5.

Sincronizacin de tiempo................................................................................. 47 Medio de comunicacin.................................................................................... 48 Redundancia ...................................................................................................... 48General..............................................................................................................................................48 Redundancia Fsica.....................................................................................................................50 Mdulos de interfase para IEDs...........................................................................................55

2.5.1. 2.5.2.

2.6.

Caractersticas de los IEDs ............................................................................. 54

2.6.1.

CONTENIDO III __________________________________________________________________________________________________

3.

TENDENCIA AMERICANA .................................................................................... 573.1. 3.2. 3.3. 3.4. Distribucin por Niveles Jerrquicos ............................................................. 57 Nivel 3.................................................................................................................. 58 Comunicaciones e Interfaces Nivel 3 Nivel 2.............................................. 58 Nivel 2.................................................................................................................. 58Sistema de Procesamiento del Nivel 2...............................................................................58 Interfase de Usuario en el Nivel 2.........................................................................................59 Almacenamiento de Datos.......................................................................................................59 Criterios de diseo para el Nivel 2.......................................................................................59

3.4.1. 3.4.2. 3.4.3. 3.4.4.

3.5. 3.6.

Red de rea Local (LAN) en la Subestacin Nivel 2 Nivel 1 ..................... 60 Nivel 1.................................................................................................................. 60Controlador del Nivel 1..............................................................................................................61 Interfase de Usuario Nivel 1....................................................................................................61 Criterios de diseo para el Nivel 1.......................................................................................61

3.6.1. 3.6.2. 3.6.3.

3.7. 3.8.

Interfases y comunicaciones Nivel 1 Nivel 0 .............................................. 62 Nivel 0.................................................................................................................. 62

4.

TENDENCIA EUROPEA......................................................................................... 624.1. 4.2. 4.3. 4.4. Distribucin por Niveles Jerrquicos ............................................................. 62 Nivel de Estacin............................................................................................... 64 Nivel de Baha .................................................................................................... 64 Nivel de Proceso................................................................................................ 65

CAPTULO IV PROTOCOLOS DE COMUNICACIN.............................................. 67 1. ESTNDARES DE COMUNICACIN .................................................................. 68Introduccin ................................................................................................................... 68 Interoperatividad en Subestaciones........................................................................... 68 Interoperatividad y Sistemas Abiertos........................................................................ 68 Integridad de los datos ................................................................................................. 70 Requerimientos Generales para la Red...................................................................... 71Requerimientos Geogrficos.......................................................................................................................71 Nmero de dispositivos.................................................................................................................................71

Protocolos de Comunicacin....................................................................................... 71Protocolos de interfase en modems........................................................................................................71 Comunicacin con Centros de Control ..................................................................................................72

2.

PROTOCOLO UCA 2.0 ........................................................................................... 742.1. Arquitectura del protocolo ............................................................................... 77Capa Fsica......................................................................................................................................78 Capa de Red...................................................................................................................................78 Capa de Aplicacin.....................................................................................................................78 2.1.1. 2.1.2. 2.1.3.

2.2.

Niveles de implementacin .............................................................................. 78

3.

PROTOCOLO DNP3.0 ............................................................................................ 79

CONTENIDO IV __________________________________________________________________________________________________

Arquitectura del protocolo ........................................................................................... 81Capa Fsica ...........................................................................................................................................................81 Capa de Enlace...................................................................................................................................................82 Capa Seudo-Transporte DNP .......................................................................................................................82 Capa de aplicacin ...........................................................................................................................................83

Niveles de implementacin .......................................................................................... 83

4.

ESTANDAR IEC61850............................................................................................ 84Arquitectura del protocolo ........................................................................................... 88 Niveles de implementacin .......................................................................................... 89

5.

COMPARACIN ENTRE PROTOCOLOS .......................................................... 90

CAPTULO V SISTEMAS DE MONITOREO Y CONTROL DE ENERGA ........... 91 1. MONITOREO DEL SAS.......................................................................................... 92Diferentes niveles de monitoreo.................................................................................. 92 Auto-supervisin de dispositivos ............................................................................... 92

2.

SISTEMAS SCADA.................................................................................................. 93Generalidades de los SCADA...................................................................................... 93Funciones del SCADA.....................................................................................................................................93 Objetivos del SCADA.......................................................................................................................................93

Configuraciones de un SCADA.................................................................................... 94Una estacin maestra una terminal remota ......................................................................................94 Una estacin maestra mltiples estaciones remotas..................................................................94 Mltiples estaciones maestras mltiples terminales remotas.................................................95

CAPTULO VI APLICACIONES EN EL ECUADOR ................................................. 96 1. SISTEMA DE AUTOMATIZACIN DE SUBESTACIONES PSCN3020........ 97Definiciones.................................................................................................................... 97 Arquitectura y Comunicacin entre Niveles Jerrquicos......................................... 99Nivel 1: Control / Proteccin y Medicin................................................................................................99 Nivel 2: Control y Monitoreo de la Subestacin ...............................................................................100 Nivel 3: Superior ..............................................................................................................................................100

Arquitecturas de cada sistema .................................................................................. 101Nivel 1: Control, Proteccin y Medicin ...............................................................................................101 Mdulo de Baha..............................................................................................................................................101 Niveles 2 y 3: Nivel de Subestacin y Nivel Superior ....................................................................103 Especificaciones de los BM9000 e IEDs.............................................................................................104

Sistema de comunicacin y Supervisin ................................................................. 1051.4.1. 1.4.2. Red de proteccin: comunicacin con los IEDs........................................................105 Red Primaria.................................................................................................................................106

2.

SISTEMA DE AUTOMATIZACIN DE SUBESTACIONES SICAM PAS.... 1072.1. Descripcin del Sistema y principio de funcionamiento............................ 107Generalidades..............................................................................................................................107 Estructura del Sistema............................................................................................................108 2.1.1. 2.1.2.

2.2.

Controladores de Baha.................................................................................. 111

CONTENIDO V __________________________________________________________________________________________________

2.2.1. 2.2.2. 2.2.3.

Caractersticas particulares..................................................................................................111 Bus entre bahas.........................................................................................................................112 Tareas..............................................................................................................................................112

2.3.

Comunicacin con el Centro de Control ...................................................... 113 Arquitectura: componentes y funciones...................................................... 114Computador Base del Sistema SYS500...........................................................................114 Mdem de servicio ....................................................................................................................116 Unidad de alarma SACO 16D3 .............................................................................................116 Convertidor de Protocolos COM500 .................................................................................117 Impresoras....................................................................................................................................117 Sistema de comunicaciones.................................................................................................118 Star coupler RER111 ................................................................................................................119 Receptor GPS ..............................................................................................................................119 Panel mmico. Touch screen ................................................................................................120

3.

SISTEMA DE CONTROL SCS............................................................................. 1133.1.3.1.1. 3.1.2. 3.1.3. 3.1.4. 3.1.5. 3.1.6. 3.1.7. 3.1.8. 3.1.9.

4.

COMPARACIN ENTRE SISTEMAS ................................................................ 120

CAPTULO VII INGENIERIA BSICA DE IMPLEMENTACIN DEL SAS RECOMENDADO........................................................................................................... 121 1. EJEMPLO DE APLICACIN................................................................................ 122Arquitectura General del Sistema ............................................................................. 1221.1.1. 1.1.2. 1.1.3. 1.1.4. IEDs de Control de Baha......................................................................................................122 IEDs de Proteccin de Baha...............................................................................................123 Intercambio de datos................................................................................................................123 Telecontrol ....................................................................................................................................123

1.2. 1.3.

Diseo del sistema .......................................................................................... 123 Hardware del sistema...................................................................................... 125Estacin de operacin.............................................................................................................125 Impresoras....................................................................................................................................125 Nivel de Proceso ........................................................................................................................126 Nivel de Baha..............................................................................................................................127 Anillo Redundante de Fibra ptica ...................................................................................128 Nivel de Estacin........................................................................................................................129

1.3.1. 1.3.2.

1.4.

Filosofa de operacin del sistema ............................................................... 126

1.4.1. 1.4.2. 1.4.3. 1.4.4.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES............................................................. 131 REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS........................................................................... 136ANEXOS............................................................................................................................ 139 Anexo 1 ......................................................................................................................... 140 Anexo 2 ......................................................................................................................... 141 Anexo 3 ......................................................................................................................... 142

GLOSARIO...................................................................................................................... 146 NDICE DE FIGURAS ................. 151 NDICE DE TABLAS ................. 153

PRLOGO 1 __________________________________________________________________________________________________

PRLOGOLos rpidos cambios en la industria elctrica impulsados por los competitivos niveles de productividad, de eficiencia y de calidad de servicio, que exige el mercado en la actualidad, requieren de una constante innovacin a la hora de resolver la automatizacin de una Subestacin Elctrica, lo cual puede significar difciles desafos.

El Sistema de Automatizacin de una Subestacin es el elemento que le permite al operador tener toda la informacin concentrada en un solo sitio con el fin de ejecutar sus acciones operativas de una manera ms segura, brindndole la informacin necesaria en el tiempo oportuno con el fin de evitarle cometer errores en la operacin de la Subestacin, e incluso, agilitar la reposicin de los circuitos ante eventos imprevistos.

El xito de una aplicacin de automatizacin depende de saber escoger los dispositivos, el medio de comunicacin adecuado y los protocolos de comunicacin entre los ms utilizados.

Es necesario diferenciar los protocolos de comunicacin ms utilizados en la Automatizacin de Subestaciones para obtener una comunicacin eficiente entre los distintos niveles de una Subestacin. Al presentar las ventajas y desventajas de cada protocolo de comunicacin disponible, ser posible decidir qu protocolo utilizar de acuerdo al nivel de operacin o a la necesidad especfica de cada subestacin.

En el Ecuador se est comenzando a automatizar las Subestaciones Elctricas con nuevas tecnologas, por lo que es importante dar a conocer los estndares y establecer arquitecturas con sistemas abiertos que permitan la interoperatividad de sus elementos.

CAPTULO I SUBESTACIONES ELCTRICAS 2 __________________________________________________________________________________________________

CAPTULO I SUBESTACIONES ELCTRICAS

Este captulo habla sobre los conceptos generales de un sistema elctrico: Sistemas de Generacin, Distribucin y Transmisin; as como sus componentes ms importantes, como son las Subestaciones Elctricas. Adems contiene una breve explicacin del Sistema Elctrico ecuatoriano en donde se detalla su organizacin y las tareas que realiza TRANSELECTRIC.


1. GENERALIDADES

Las plantas generadoras de energa elctrica estn apartadas de las poblaciones, por lo que se hace necesario el transporte de esta energa hacia los consumidores. Un Sistema de Suministro Elctrico est compuesto por: 1.1. Sistemas de Generacin La generacin de electricidad, en trminos generales, consiste en transformar alguna clase de energa, "no elctrica", sea esta qumica, mecnica, trmica, luminosa, etc. en energa elctrica. Para la generacin industrial de energa elctrica se recurre a instalaciones denominadas centrales elctricas, las cuales ejecutan alguna de las transformaciones, citadas al principio, de energa "no elctrica" en energa elctrica y constituyen el primer escaln del Sistema de suministro elctrico. Dependiendo de la fuente primaria de energa utilizada, las centrales generadoras se clasifican en: Trmicas, Hidroelctricas, Nucleares, Elicas, Solares

termoelctricas, Solares fotovolticas y Mareomotrices. No obstante todos los tipos indicados, la mayor parte de la energa elctrica generada proviene de los tres primeros tipos de centrales reseados. Todas estas centrales, excepto las fotovolticas, tienen en comn el elemento generador en si, que no es otro que un alternador, movido mediante una turbina , que ser distinta dependiendo del tipo de energa primaria utilizada. En las centrales fotovolticas la corriente obtenida es continua y para su utilizacin es necesaria su conversin en alterna , mediante el empleo de dispositivos denominados inversores u onduladores. 1.2. Sistemas de Transmisin La red de transporte de energa elctrica es parte del sistema de suministro elctrico constituido por los elementos necesarios para llevar la energa generada en las centrales hidroelctricas, trmicas, de ciclo combinado y/o nucleares a travs de grandes distancias hasta los puntos de consumo.


Para

ello,

los

volmenes

de

energa

elctrica

producidos

deben

ser

transformados, elevndose su nivel de tensin. Esto se hace considerando que para un determinado nivel de potencia a transmitir, al elevar el voltaje se reduce la corriente que circular, reducindose las prdidas por Efecto Joule . Con este fin se emplean Subestaciones Elevadoras en que dicha transformacin se efecta empleando equipos elctricos denominados transformadores (Figura 11). De esta manera, una red de transmisin emplea usualmente voltajes del orden de 220 kV y superiores, denominados Alta Tensin.

Figura 1- 1. Transformador de tensin Para elevar o disminuir el voltaje para el transporte de energa

Figura 1- 2. Torre de Alta Tensin y Lneas de Transporte

Parte fundamental de la red de transporte de energa elctrica son las lneas de transporte (Figura 1-2). Una lnea de transporte de energa elctrica o lnea de Alta Tensin es bsicamente el medio fsico mediante el cual se realiza la


transmisin de la energa elctrica a grandes distancias. Est n constituidas tanto por el elemento conductor, usualmente cables de cobre o aluminio, como por sus elementos de soporte, las Torres de Alta Tensin. Al estar formadas por

estructuras hechas de perfiles de acero, como medio de sustentacin del conductor, se emplean aisladores de disco y herrajes para soportarlos. 1.3. Sistemas de Distribucin La red de distribucin de la energa elctrica es responsabilidad de las compaas distribuidoras o comercializadoras de electricidad. La distribucin de la energa elctrica desde las subestaciones de transformacin de la red de transporte, se realiza en dos etapas. La primera est constituida por la red de reparto que, partiendo de las subestaciones de transformacin, reparte la energa, normalmente mediante anillos que rodean los grandes centros de consumo, hasta llegar a las estaciones transformadoras de distribucin. entre 25 y 132 kV. Las tensiones utilizadas estn comprendidas

Intercaladas en estos anillos estn las estaciones

transformadoras de distribucin, encargadas de reducir la tensin desde el nivel de reparto al de distribucin en media tensin. La segunda etapa la constituye la red de distribucin propiamente dicha, con tensiones de funcionamiento de 3 a 30 kV. Esta red cubre la superficie de los grandes centros de consumo (poblacin, gran industria, etc.) uniendo las estaciones transformadoras de distribucin con los centros de transformacin, que son la ltima etapa del suministro en media tensin, ya que las tensiones a la salida de estos centros es de baja tensin (125-220 o 220/380 V). 1.4. Subestacin Elctrica

Una subestacin elctrica es una instalacin industrial empleada para la transformacin del voltaje. Las Subestaciones elctricas se ubican en las

inmediaciones de las centrales elctricas para elevar el voltaje a la salida de sus generadores y en las cercanas de las poblaciones y los consumidores, para bajarlo de nuevo. La razn tcnica para realizar esta operacin es la


conveniencia de realizar el transporte de energa elctrica a larga distancia a voltajes elevados para reducir las prdidas resistivas, que dependen de la intensidad de corriente.

Figura 1- 3. Patio de Maniobras de una Subestacin (Subestacin de Transmisin Pomasqui TRANSELECTRIC S.A.)

2. SECTOR ELCTRICO ECUATORIANO

El Sector Elctrico Ecuatoriano ha sufrido un proceso de cambio para permitir la participacin del sector privado. Este proceso se inici con la promulgacin de la Ley de Rgimen del Sector Elctrico (LRSE) en 1996, lo que cre un mercado no regularizado y competitivo, descentralizando la estructura del Estado por medio de un esquema que separ las actividades de Generacin, Transmisin y

Distribucin. Sin embargo, este esquema no entr en funcionamiento hasta abril de 1999, cuando fueron introducidos cambios significativos en las prcticas operacionales y comerciales del Sector Elctrico. Esta Ley fue enmendada junto a la Ley de Transformacin Econmica del Ecuador (Captulo VIII Reformas a la Ley de Rgimen del Sector Elctrico), lo que permiti, finalmente, la modernizacin del Sector Elctrico.


Mercado Elctrico Ecuatoriano

El nuevo modelo comprende el Mercado Elctrico Mayorista (MEM), un Administrador de Mercado (CENACE) y una entidad reguladora (CONELEC).

Figura 1- 4. Organizacin del MEM

El MEM est constituido por los siguientes agentes: A. Compaas Generadoras: consideradas agentes del MEM si estn en la capacidad de generar ms de 10 MW. B. Compaas de Distribucin: constituidas como servicios pblicos y con la obligacin de proveer de energa de acuerdo a la demanda de su respectiva rea concesionada, con un nivel de calidad y subsidios exigidos. C. Grandes Consumidores: considerados agentes del MEM si, aparte de otros requerimientos, al menos tienen una capacidad instalada de 2 MW. grandes consumidores pueden adquirir energa directamente de Los las

compaas distribuidoras o generadoras puntuales del mercado.


La Transmisin de la energa ha sido definida como un servicio pblico de monopolio, teniendo la obligacin de ofrecer un libre acceso a la red de transmisin de energa desde las compaas generadoras hasta las distribuidoras y grandes consumidores. La Compaa de Transmisin (TRANSELECTRIC) no posee el permiso para proveer o vender energa elctrica. TRANSELECTRIC es la responsable de la expansin del sistema.

El CENACE es una entidad independiente responsable de la coordinacin de la operacin segura y econmica del sistema de energa, adems est encargada de garantizar un nivel de calidad del servicio. El CENACE, como administrador del MEM, establece los precios de la energa en el mercado y supervisa la ejecucin de los contratos. El modelo incluye la participacin de una entidad del Estado, el CONELEC, responsable de la planeacin, regulacin, concesin y supervisin del Sector Elctrico bajo principios de transparencia y equidad. Sistema Nacional Interconectado (SNI)

La distribucin de la energa elctrica es ejecutada por 18 compaas distribuidoras y por pequeos sistemas en la Regin Oriental y Galpagos. El Anexo 1 muestra el Sistema Ecuatoriano de Generacin y Transmisin con sus respectivas Plantas y Lneas de Transmisin de 230 kV/138 kV.

Generacin

El Plan de Expansin de 1998 a 2007 aspira tener 38 nuevas plantas de generacin. Cada una tendr una capacidad de por lo menos 10 MW para ser conectadas al Sistema Nacional Interconectado, lo que dar como resultado una capacidad total de 2700 MW. Sistema de Transmisin Nacional (STN)

Todas las actividades de transmisin se dan bajo reglas de exclusividad, ya que existe un solo proveedor para los servicios de transmisin. La Ley de Rgimen


del Sector Elctrico delega a una sola compaa el Sistema de Transmisin Nacional, la Compaa Nacional de Transmisin Elctrica (TRANSELECTRIC), la cual es una corporacin privada y es la duea del Sistema de Transmisin (Subestaciones y Lneas de Transmisin), siendo parte del estado. Para asegurar la competencia, TRANSELECTRIC est obligada a proveer de libre acceso a la red de Transmisin a los agentes del MEM (generadoras, distribuidoras y grandes consumidores), adems es la responsable de la expansin del sistema para satisfacer la demanda requerida. Para realizar el servicio de transporte de

energa, TRANSELECTRIC S.A. cuenta con 29 subestaciones: ? ? ?

26 de Transformacin 2 para Centrales de Generacin 1 para Seccionamiento de la Lnea Milagro Machala a 138 kV

De estas Subestaciones, 10 funcionan a 230 kV, 9 forman el anillo a doble circuito y la restante es radial. A 138 kV se dispone de 19 Subestaciones.

TRANSELECTRIC S.A. posee: ? ? ? ?

1425,27 km de lneas de transmisin a 230 kV 1324,25 km en lneas a 138 kV 205,10 km en lneas de 69 kV Una capacidad de transformacin de 5713,1 MVA

El plan de expansin para los aos entre el 2000 y el 2009 promete la ampliacin de 7 subestaciones, la construccin de una nueva subestacin, la expansin de la capacidad de transformacin de 15 subestaciones, la instalacin de

compensacin reactiva de 4 subestaciones y la interconexin internacional de 230/220 kV con Colombia y Per.


3. EL PAPEL DE LAS SUBESTACIONES EN LA RED

Funcionalidad como nodo

La Subestacin es el nodo en la red energtica que conecta las lneas y cableado para la transmisin y distribucin de la energa elctrica. El nodo elctrico en la Subestacin es la barra.

Los circuitos de interruptores y aisladores (seccionadores, Figura 1-5) son instalados para conectar o desconectar las lneas de entrada o de salida con la barra. El flujo de energa es controlado y diseccionado activamente por estos dispositivos de interrupcin. Para un aislamiento seguro existen disyuntores o aisladores (Figura 1-6) asociados al circuito de interruptores. Para proveer de seguridad en el proceso de mantenimiento se utilizan interruptores de aterrizaje o dispositivos temporales de aterrizaje los que aseguran que el rea en mantenimiento no tiene voltaje ni corriente. Adems del conjunto de interruptores, en la Subestacin, existen transformadores para conectar barras a diferentes voltajes. Las cadas de voltaje a lo largo de las lneas de transmisin, entre las Subestaciones, ocurren debido a la capacitancia o reactancia de las lneas, por lo que el voltaje debe ser ajustado a travs de bancos de capacitores o reactores, los cuales sirven de fuentes o sumideros de energa reactiva.

Figura 1- 5. Seccionadores aisladores. Permiten el paso de la energa dentro de la Subestacin entre sus Bahas


Figura 1- 6. Disyuntores tripolares

Algunas Subestaciones de alto voltaje (HV) compactas estn albergadas en edificios, pero la mayora de Subestaciones HV se establecen puertas afuera y estn sujetas a condiciones climticas severas. Acceso a la Energa y a la Red de Energa

Existen sensores y unidades de adquisicin de datos en los transformadores que miden los valores de voltaje y corriente reales y entregan la informacin esencial concerniente al estado del sistema de potencia. Tanto la frecuencia como la energa local son calculadas por medio de estos valores, o son medidas directamente por medidores de potencia dedicados. El conjunto de interruptores en una Subestacin y las lneas de interconexin de transmisin y distribucin constituyen el mayor capital para la empresa elctrica. Las fallas en el sistema no slo degradan a los dispositivos, adems ocasionan prdidas en la entrega de energa, por lo que el estado de estos componentes es monitoreado y supervisado en las Subestaciones para proteger este capital. Todos estos

recursos permiten el acceso o la interfase al sistema de energa. Este acceso se lo puede realizar por medio de operadores o por medio de procesos automticos, como las funciones de proteccin.

CAPTULO II SISTEMAS DE AUTOMATIZACIN DE SUBESTACIONES 12 __________________________________________________________________________________________________

CAPTULO II SISTEMAS DE AUTOMATIZACIN DE SUBESTACIONES

Este captulo explica lo que es un Sistema de Automatizacin de Subestaciones (SAS), las ventajas que presentan estos sistemas con respecto a los sistemas manuales y detalla cul es su papel en el manejo de la red de energa. Adems se muestra la estructura tpica de un SAS, los niveles jerrquicos que componen esta estructura y sus tareas ms importantes. Finalmente se explica cules son las funciones (automticas o manuales) que forman parte del sistema.


1. SISTEMAS DE AUTOMATIZACIN DE SUBESTACIONES (SAS)

Definicin

Un Sistema de Automatizacin de Subestaciones (SAS) realiza las funciones de: ? ? ?

Acceso local y remoto al sistema de energa Funciones locales automticas y manuales Enlaces de comunicacin e interfaces con el patio de maniobras, as como con el Sistema de Manejo de Red

Estas funciones son ejecutadas y combinadas en muchos IEDs (Dispositivos Electrnicos Inteligentes) dedicados al control, monitoreo, proteccin,

automatizacin, comunicacin, etc.

La historia de las Unidades Terminales Remotas

Histricamente, en cada Subestacin, la nica interfase entre el patio de interruptores y el Sistema de Manejo de Red fue una Unidad Terminal Remota (RTU). La RTU era la unidad central que posea muchas entradas y salidas, casi ninguna funcin local y la interfase de comunicacin con el Centro de Control remoto.

Las RTUs en conjunto con el Centro de Control formaban el Sistema de Control y Adquisicin de Datos (SCADA). Un sistema SCADA es utilizado principalmente para monitorear, controlar y manejar el Sistema de Potencia de forma remota por medio de un operador, para la entrega de energa elctrica. Desde las RTUs a los SAS

A diferencia de las RTUs, un SAS ejecuta todas las tareas locales en una estructura descentralizada. Las funciones incluyen la automatizacin de todas las acciones que se requieren para manejar una Subestacin especfica, as como el


aislar y aterrizar la alimentacin de la baha, y, archivar los datos monitoreados. Adems, se adquieren y se almacenan todos los datos relacionados con el equipo primario de la Subestacin perturbaciones). (detalles, localizacin de fallas, registro de

La funcin de comunicacin de la RTU es necesaria tambin en la Automatizacin de la Subestacin, pero se la modifica a una interfase de comunicacin. En la mayora de los casos esta funcin es implementada en un gateway de un IED. Dependiendo de los protocolos de comunicacin utilizados, el gateway deber convertir los protocolos en ambas direcciones.

La informacin adquirida y almacenada en dispositivos distribuidos (IEDs) del SAS ser transmitida al SCADA maestro por medio del gateway. Se debe notar que, los gateways, adems de ser vistos como dispositivos de proteccin, tambin son considerados parte del SAS integrado por medio del sistema de comunicacin comn. Las funciones de proteccin pueden ser implementadas en conjunto con las funciones de control en un solo IED. 2. EL PAPEL DE LOS SISTEMAS DE AUTOMATIZACIN DE SUBESTACIONES EN EL MANEJO DE LA RED

Sistema de manejo de la red de energa

Estructura

El sistema de manejo de la red de energa es un sistema de control multinivel jerrquico. El nivel ms alto maneja la red completa; los niveles subordinados (centros de control regionales) manejan algunas regiones (no existe en el Ecuador). El nivel de control ms bajo es la Subestacin, donde el SAS controla el nodo y provee acceso directo al sistema de energa (Figura 2-1).


Figura 2- 1. Jerarqua del Sistema de Manejo del Manejo de Energa

En los distintos niveles se ejecutan diferentes tareas o funciones en referencia a dnde estn situados los dispositivos, as tenemos que todas las funciones ejecutadas en la Subestacin son denominadas Funciones Locales, y todas las funciones en los niveles superiores se las conoce como Funciones Remotas.

Como las funciones locales proveen de soporte a las funciones remotas, la integracin de estas con las funciones del manejo de red debe ser una tarea del SAS. Las tareas en conjunto

La principal tarea del manejo de la red de energa, aparte del control directo (sistema de control de red), es el manejo de la energa (EM Energy Management), el cul controla no slo el balance entre la produccin y el consumo de energa, sino que adems, controla la ruta o direccionamiento del flujo de energa de acuerdo a un anlisis econmico y otros criterios. El manejo de energa, adems, debe tener mucho cuidado con el sistema de energa y asegurar la disponibilidad y calidad de la energa elctrica, as como preocuparse del intercambio de datos estadsticos con la empresa reguladora de energa (CENACE para el Ecuador).


El sistema de manejo de la red de energa debe adquirir todos los datos de voltaje, corriente, potencia y los estados de todos los enlaces del sistema de energa total. Adems debe controlar todos los interruptores y disyuntores

instalados en las Subestaciones. Estas tareas se denominan Supervisin, Control y Adquisicin de Datos (SCADA).

Se debe revisar constantemente los valores de los datos y variables medidas en todo el sistema de energa. Funciones Locales en las Subestaciones

Las funciones locales ms comunes son la adquisicin de datos de la red de energa por medio de los interruptores, disyuntores y transformadores de medicin (funcin de sensores), y, la activacin de cambios por medio de comandos hacia los dispositivos de interrupcin (funcin de actuadores). Los valores de potencia activa o reactiva pueden ser medidos directamente o calculados desde los valores medidos de voltaje y corriente. Adems la calidad de energa puede ser monitoreada.

Tal adquisicin de datos admite algunas funciones locales como supervisin de la red de energa y el control del flujo de datos al nivel de subestacin. Estos datos son transmitidos a cualquier dispositivo que los requiera, o de manera especial, al nivel del Centro de Control.

Adems del sistema de potencia, los componentes ms costosos, como los del patio de maniobras, son monitoreados constantemente para obtener todos los datos que sean posibles para su mantenimiento. Adems el Sistema de

Automatizacin de Subestaciones ser capaz de realizar funciones de monitoreo, de proteccin y supervisin automticamente; de tal manera que de encontrarse alguna falla, se iniciarn acciones correctivas o se activarn las alarmas correspondientes.


Toda la informacin relacionada a la Subestacin puede ser utilizada mediante el HMI (Interface Hombre-Mquina) local de la estacin, el cual es usado, tambin, para operaciones locales. En condiciones normales, todas las Subestaciones

deben estar operando automticamente y de forma remota, desde el Centro de Control. 3. ESTRUCTURA BSICA DE UN SISTEMA DE AUTOMATIZACIN DE SUBESTACIONES

La estructura bsica de un SAS est compuesta de, por lo menos, tres niveles jerrquicos claramente definidos, Figura 2-2: ?

El Nivel de Estacin realiza el control de la Subestacin por medio de PCs. En este nivel se encuentran instalados los equipos necesarios para la comunicacin con centros de control remoto y monitoreo. Estas instalaciones estn albergadas en ambientes confortables de oficina, dentro de una sala de control, en la misma Subestacin.

?

El Nivel de Baha comprende los dispositivos de control, medicin y proteccin (Dispositivos Electrnicos Inteligentes) que se instalan dentro de una edificacin que los protege de la lluvia, el viento, etc. Esta edificacin est construida muy cerca de los equipos de patio. Desde este nivel, tambin, es posible controlar toda la Subestacin.

?

El Nivel de Proceso que comprende todos los equipos de interfase con el patio de maniobras (transformadores, seccionadores, disyuntores, bahas, lneas, barras) y sus conexiones, entre ellos, o con el Nivel de Baha. Estn

instalados a la intemperie y realizan los trabajos ms delicados dentro de un SAS al trabajar directamente con equipos de potencia.

Existen otros tipos de estructuras en las que se aaden niveles inferiores o superiores a los nombrados anteriormente. Por ejemplo, existe una estructura (tendencia americana) que aade al Nivel de Proceso (Nivel 0) los Dispositivos Electrnicos Inteligentes y todos los equipos de patio los equipos de potencia, los cuales representan el activo ms importante y costoso de una Subestacin.


Adems este modelo de estructura incluye a los Centros de Control remoto y Sistemas de Monitoreo como el nivel jerrquico ms alto (Nivel 3). El Nivel de Estacin se convierte en Nivel 2 y, finalmente, el Nivel de Baha constituye el Nivel 2. Entre todos estos niveles existen capas o sub-niveles que incluyen las conexiones entre los distintos niveles.

Figura 2- 2. Estructura general de un SAS

3.1.

Nivel de Estacin

El Nivel de Estacin est compuesto por un HMI (Interface Hombre-Mquina), central de operaciones de la Subestacin, que se encuentra localizado normalmente en un cuarto de control, el cual debe tener las protecciones necesarias para evitar interferencias electromagnticas que ocurren al estar cerca del patio de maniobras. Adems todo el hardware, como, monitores e impresoras se concentran en este nivel. Este tipo de equipos necesitan de un sistema de aire acondicionado de precisin y un sistema de energa auxiliar UPS.

El resto de los equipos de la Subestacin trabajan con 110 o 220 V DC, suministrados por la batera de la estacin, y se encuentran conectados directamente en el patio de maniobras.


Las interfaces de comunicacin con centros remotos para el control, monitoreo o mantenimiento de la red se encuentran usualmente localizadas en este nivel. Los equipos del Nivel de Estacin se los separa en dos cuartos: ?

El cuarto de operacin, que provee a los operadores de condiciones confortables de trabajo y de proteccin contra el ruido, est equipado con un HMI que est compuesto de monitores, teclados, mouse, impresoras y, en algunos casos, un panel de control. Figura 2-3.

?

El cuarto de equipos de comunicaciones alberga a las computadoras, impresoras de backups y equipos de comunicacin.

Figura 2- 3. Lugar de trabajo del operador

Debido a la miniaturizacin de la electrnica, la PC que alberga el HMI puede tambin manejar parte del software operacional y el de comunicaciones, por esta razn, a menudo esta PC se la coloca en el cuarto de operacin.

En las Subestaciones pequeas y medianas todos estos equipos, incluidos los de comunicacin, se encuentran en un mismo cuarto, e inclusive, en un mismo escritorio.


3.1.1. Interface Hombre-Mquina (HMI)

El HMI sirve para operar y supervisar la Subestacin. En los SAS modernos, el HMI abarca uno o varios operadores. Cada operador tiene uno, dos o tres

monitores, un teclado y un mouse. En algunos casos el operador tambin posee teclados funcionales, pero esto se est cambiando por la combinacin del mouse con botones activos mostrados en el monitor. Los teclados funcionales

normalmente se los utiliza en ambientes hostiles, cerca de los equipos de patio (alta humedad y partculas de polvo), donde tambin son comunes las pantallas de toque (touch screens). Las impresoras de reportes complementan el trabajo.

Con el aumento en la capacidad de memoria de los discos duros y la implementacin de nuevas formas de archivar documentos histricos (CDs, discos, etc), la utilizacin de las impresoras est decreciendo. 3.1.2. Control Local y Automatizacin del Nivel de Estacin

Dependiendo del tamao, la complejidad y la confiabilidad requerida, las funciones automticas del Nivel de Estacin pueden residir en un IED (Dispositivo Electrnico Inteligente) separado de Nivel de Estacin con la misma confiabilidad que con los IEDs del Nivel de Baha. Estas funciones, adems, pueden ser implementadas en la computadora del HMI de la estacin o en otra computadora de propsito general en el Nivel de Estacin.

Si todas las funciones necesarias pueden ser concentradas en una computadora de propsito general, los lugares de trabajo adicionales se convertirn en terminales asociadas a la computadora central. La computadora central de la estacin permite el acceso al proceso y gua a las funciones automticas. 3.1.3. Bases de Datos y Archivos de la Subestacin

La gran capacidad de almacenamiento disponible en el Nivel de Estacin, por medio de discos duros y CDs, permite situar todos los datos de las funciones de


almacenamiento en este nivel.

As tambin, todos los datos de ingeniera,

configuracin del sistema y mantenimiento son almacenados en el Nivel de Estacin. Existen nuevas tecnologas como la de Bases de Datos orientadas a objetos, OPC (OLE para control de procesos) para el acceso a datos del proceso, as como el mejoramiento en el desempeo de las computadoras que mejorarn los actuales procedimientos, resultando en un concepto de almacenamiento de datos orientado a objetos. 3.1.4. Acceso a los datos de proceso

Todas las funciones del Nivel de Estacin necesitan tener acceso a los datos de proceso. Esto debe ser permitido por las funciones de comunicacin,

dependiendo de la clase de datos a ser accesados, as como, del protocolo de comunicacin a ser utilizado. En los sistemas SCADA se utiliza una base central de datos de proceso que posee enlaces de comunicacin WAN relativamente lentos. Su estado es actualizado regularmente desde el proceso por medio del sistema de comunicacin, y la informacin relacionada del proceso es utilizada por todas las funciones del Nivel de Estacin.

Los sistemas de control industrial con LANs de alta velocidad se basan en Bases de Datos de procesos distribuidos que se localizan en los controladores del Nivel de Baha y se ingresa a ellos desde las funciones del Nivel de Estacin por medio de la LAN. Los ltimos desarrollos en los Softwares armonizan los avances de la estandarizacin y los Interfaces de Aplicacin de Programacin (API) con los datos de proceso.

La OSF (Fundacin de Sistemas Abiertos) ha instituido una industria para interfaces estndares de acceso al proceso: OPC/DA (OLE para Control de Procesos/Acceso de Datos). Esto cubre los detalles del acceso de datos y puede ofrecer acceso a los datos de proceso basado en comunicacin por medio de llamadas de procedimiento remotas. El acceso OPC a datos histricos ofrece el mismo servicio para determinados tipos de datos archivados.


3.1.5. Sincronizacin de tiempo

A. Tiempo Local

Muchas funciones necesitan datos con estampado de tiempo, por lo que la sincronizacin de tiempo es una funcin de soporte muy importante del sistema. Se pueden aplicar varios mtodos para la distribucin y sincronizacin del tiempo, entre los que se pueden distinguir dos mtodos generales: Sincronizacin de tiempo por medio de pulsos de sincronizacin separados: Este mtodo necesita de un cable o fibra ptica adicional para la distribucin del pulso de sincronizacin que se realiza una vez por segundo o una vez por minuto en todos los IEDs involucrados. Sincronizacin de tiempo por medio de buses de comunicacin: Un reloj maestro localizado en cada bus de comunicacin mantiene el tiempo correcto. Los relojes de todos los IEDs conectados se sincronizan con este reloj maestro. Esto se lo puede realizar por medio de telegramas de tiempo Broadcasting desde el reloj maestro o por medio de relojes esclavos que regularmente estn solicitando el tiempo correcto. Figura 2 -4.

Figura 2- 4. Sincronizacin de tiempo por medio del bus interno


B. Tiempo Global

Si es necesaria la sincronizacin de tiempo entre varias Subestaciones, entonces se debe utilizar un reloj maestro comn. Este puede estar ubicado en el Centro de Control para sincronizar todos los SAS o RTUs conectados. El mtodo ms utilizado actualmente es el de usar un reloj maestro va radio, que puede ser el del sistema satelital GPS o el de radio DCF77. Los receptores de tiempo, en las Subestaciones, normalmente estarn situados en el Nivel de Estacin. 3.1.6. Monitoreo y Control Remoto

A. Gateway de comunicacin

El Gateway de comunicacin se encarga de dar el acceso y control de datos desde el Centro de Control. Necesita de una conexin fsica con el sistema de comunicaciones utilizado por el Centro de Control, y, de un traductor de protocolos, el cual interpreta los mensajes de acuerdo al protocolo del Centro de Control y los traduce en acciones para el SAS.

El traductor de protocolos tambin puede ser un dispositivo dedicado que est conectado al sistema de comunicacin de la estacin, o puede ser una funcin de software que est integrada en alguna computadora del Nivel de Estacin. En cualquiera de los casos anteriores, el Gateway est localizado en el Nivel de Estacin, posiblemente en un cuarto de equipos de comunicacin junto a equipos de comunicacin relacionados de tele-proteccin, tele-alarmas y tele-monitoreo. B. Funciones de control remoto

Una funcin de control remoto es utilizada para operar la red elctrica. El tiempo de respuesta para este tipo de funciones puede estar dentro del orden de los segundos. Desde que el ancho de banda para conexiones remotas (WAN) y las perturbaciones en la comunicacin representaron un problema, se generaron protocolos de comunicacin dedicados al control, lo cuales se optimizaron para la


deteccin de errores y una eficiente codificacin, adems contienen un procedimiento de Seleccin antes de Operacin para la seguridad en comandos crticos. Este procedimiento de dos pasos junto a la alta redundancia permitan al operador revisar que la seleccin de un interruptor sea la correcta antes de que se inicialice cualquier comando, y, aseguraba que los comandos sean transmitidos de una manera segura. Sin embargo, exista una desventaja. La carencia de estndares internacionales hacan que cada firma de sistemas de control de redes o de RTUs utilicen un protocolo propietario.

Las nuevas tecnologas de comunicacin junto a los medios de grandes anchos de banda y alta calidad (fibra ptica), virtualmente evitan las perturbaciones y en el futuro permitirn el uso de otros protocolos, los cuales se derivan de tecnologas estndares. Como un paso intermedio, el estndar IEC 60870-5-101 fue mejorado para ser utilizado en redes WAN de alta velocidad (IEC 60870-5104). C. Funciones de monitoreo

Las funciones de monitoreo ofrecen un vistazo de la condicin actual de los equipos de la Subestacin, de los equipos del sistema de control y de todos los eventos y perturbaciones que puedan ocurrir en la Subestacin. Naturalmente las condiciones de proceso son tomadas por las funciones de control.

Las funciones de monitoreo usualmente se las utiliza para monitorear las condiciones o para el anlisis posterior a cualquier falla. Esto significa que el tiempo de transmisin remota de datos no es crtico y que puede estar dentro del orden de los minutos. Si el costo y el ancho de banda representan un problema, se puede optar por un sistema de comunicaciones dial-up para transmitir los datos de monitoreo. Esta es la razn por la que existen enlaces de comunicacin dedicados para el monitoreo y se separa este sistema de comunicacin de los dems sistemas. Los protocolos utilizados para este propsito se derivan de protocolos comerciales disponibles en las capas Fsica y de Enlace y se complementan con protocolos propietarios para las capas superiores. La


aplicacin de tecnologas modernas de comunicacin conducirn a una fusin entre los protocolos para el control y el monitoreo, como se lo ha logrado en el estndar IEC 61850. 3.1.7. Intercambio de datos entre los niveles de Estacin y Baha

Las funciones del Nivel de Estacin cuentan con la posibilidad de intercambiar datos con las funciones del Nivel de Baha, enviando comandos, parmetros de configuracin y datos, recuperando datos del estado de proceso, fallas locales y perturbaciones. Dependiendo del fabricante, se han utilizado protocolos basados en maestro/esclavo o multi-punto. Los protocolos basados en Maestro/esclavo conducan a estructuras tipo estrella con un maestro central, mientras que los protocolos basados en multi-punto permitan la distribucin de funciones entre los dispositivos del Nivel de Baha y la distribucin de las funciones del Nivel de Estacin a diferentes dispositivos. El estndar IEC 61850 resume estas prcticas y permite una nueva flexibilidad para los usuarios del sistema de control.

3.2. Nivel de Baha

Las instalaciones del Nivel de Baha se encuentran situadas cerca al patio de maniobras.

En el caso de equipos de patio de alto voltaje se debe distinguir las Subestaciones aisladas con aire (AIS) y las aisladas con gas (GIS). En una GIS, las instalaciones del Nivel de Baha normalmente se albergan en un edificio para protegerse de la lluvia, de las variaciones de temperatura, del viento y del polvo. Los cubculos de control y proteccin de una GIS se localizan en el edificio junto a los equipos de patio para evitarse el extenso cableado. En el caso de una AIS, estos equipos deben estar instalados en una edificacin especialmente construida cerca de la baha. A pesar del hecho que los enlaces de comunicacin serial sean utilizados entre los lugares de trabajo del operador del Nivel de Estacin y estas edificaciones, todava existe una gran cantidad de cables entre estos dos lugares. Figura 2-5.


Figura 2- 5. Cubculos de proteccin y control de Baha en un edificio de control

3.2.1. Control del Nivel de Baha

La funcin de control del Nivel de Baha permite operar la baha localmente. Todas las mediciones, alarmas e informacin de estado relevante relacionadas con la baha se muestran en un panel de control, y, los comandos de control pueden ser inicializados por medio de este, que est localizado en el mismo cubculo. Este HMI puede ser integrado a la Unidad de Control de Baha (BCU) como un monitor touch-screen o un monitor con botones funcionales.

Figura 2- 6. Unidad Controladora de Baha (S/E Pomasqui, Santa Rosa 230 kV)

3.2.2. Proteccin del Nivel de Baha

Los dispositivos de proteccin usualmente se localizan en el Nivel de Baha, y como los equipos clsicos, lneas, transformadores y generadores estn conectados a las bahas, entonces estos dispositivos deben ser aislados de la barra por medio de un interruptor de escape.


Los rels de proteccin basados en microprocesadores digitales pueden tambin ser colocados en los cubculos de las bahas. Normalmente el estado de los rels y algunas alarmas importantes se muestran por medio de LEDs.

Los rels numricos de proteccin a menudo poseen un HMI basado en LCD el cual permite revisar los ltimos eventos realizados y los parmetros de proteccin activados. En algunas ocasiones esto se realiza mediante una computadora

adicional laptop conectada, empleando un software de parametrizacin especial.

Figura 2- 7. IED de proteccin (Subestacin Pomasqui)

3.2.3. Monitoreo del Nivel de Baha

La informacin de estado y las alarmas necesarias para la operacin y mantenimiento se muestran en la baha. Existen funciones de monitoreo

adicionales que estn localizadas en los cubculos del Nivel de Baha pero que no se dedican a la evaluacin de este nivel sino en el Nivel de Estacin o niveles superiores.

Para obtener un desempeo y un anlisis de fallas ms eficientes, es posible instalar en el Nivel de Baha grabadores de perturbaciones y eventos con una resolucin alta que permanecern recogiendo datos de diferentes bahas.


3.2.4. Interface Hombre-Mquina en el Nivel de Baha

El HMI del Nivel de Baha permite el control local de la baha y ejecuta todas las acciones de control, lo cual es esencial para aislar la baha del resto de la Subestacin, lo que permite realizar labores de mantenimiento en el equipo primario. Los indicadores de alarma muestran las causas de las fallas y el estado de los equipos de proteccin y control. Adicionalmente se muestran las

posiciones actuales de los interruptores y las medidas relacionadas con la baha. El panel de control puede estar formado por un panel LCD integrado el dispositivo de control (Figura 2-8) o puede ser un conjunto de LEDs en el caso de los dispositivos de proteccin.

Figura 2- 8. Control del Nivel de Baha por medio de un LCD

Para Subestaciones de Transmisin de alto y extra-alto voltaje el HMI puede estar situado en un panel de control completamente separado que permita la operacin de interbloqueo sobre los interruptores y botones, complementado con LEDs de alarma, instrumentos de medicin analgica, o LEDs digitales para mostrar los valores de voltaje, corriente, frecuencia y potencia activa y reactiva. Figura 2 -9.


Figura 2- 9. Control Independiente del Nivel de Baha

Un panel de control separado tiene la ventaja de que los equipos de patio pueden seguir operando an si el IED de control est fuera de operacin. 3.3. Nivel de Proceso

El Nivel de Proceso comprende: ? ? ? ?

El cableado desde el equipo primario. Interruptores auxiliares de indicacin de las posiciones de los equipos de patio. Las conexiones de CTs y VTs para las mediciones de voltaje y corriente. Rels de control electromecnicos con selenoides asociadas para transferir los comandos de interrupcin hacia las operaciones de interrupcin mecnicas o hacia los IEDs.

?

Los sensores para mediciones no-elctricas como densidad del gas, presin de aceite y gas, temperaturas, vibraciones, etc., entregando seales elctricas o telegramas seriales.

?

Enlaces de comunicacin serial si son aplicables.

Las operaciones en este nivel significan manipular directamente los equipos de patio. Con la llegada de nueva tecnologa de sensores no-convencionales para mediciones de voltaje y corriente, es posible conectar sensores elctricos


directamente a los equipos de patio, por lo que la gran cantidad de cableado elctrico se simplifica en buses seriales (Figura 2-10).

Un prerrequisito que se debe cumplir para llevar a cabo la implementacin de esta tecnologa es la disponibilidad de un estndar internacional para los buses de proceso en la comunicacin. Esto es lo que ofrece el estndar IEC 61850.

Figura 2- 10. Control y Proteccin de Baha por medio de equipos primarios inteligentes

Si esta clase de tecnologa es aceptada, entonces, aparte de los sensores noconvencionales, otro tipo de cambios en las arquitecturas sern posibles, desde simples entradas y salidas remotas para reducir el cableado, hasta funciones adicionales incorporadas en los sensores elctricos, llegando a tener actuadores y sensores inteligentes. A este concepto global se lo conoce como equipos de patio inteligentes. 3.3.1. Terminales Cableadas

La manera convencional de intercambiar datos desde y hacia los equipos de patio es usando conexiones cableadas con los terminales y kioscos terminales, de esta


manera se permite distribuir la informacin de estado y las posiciones de los equipos de patio hacia diferentes locaciones de control.

Los equipos del Nivel de Baha se conectan a los kioscos terminales por medio de cables bajo tierra. A. Indicadores binarios de posicin de equipos de patio

La manera ms comn es cablear los contactos libres hacia los terminales de los cubculos de control o proteccin. El SAS utiliza entonces la energa auxiliar de la batera de la estacin para convertir la posicin del contacto en una seal elctrica como una entrada binaria del Nivel de Baha. B. Indicadores analgicos de estado de proceso

Las salidas de los VTs (100 o 200 V) y los CTs (1 o 5 A) son cableadas a los terminales. Se debe tener precaucin de no sobrecargar estas conexiones para evitar que la instrumentacin de los transformadores sufra daos. C. Comandos

Las terminales son cableadas hacia las bobinas de apertura y cierre de los equipos primarios. La energa necesaria para la operacin es proporcionada por medio del cable que va hacia el Nivel de Baha desde la batera auxiliar de la estacin. 3.3.2. Unidades remotas de entradas y salidas

Una manera de disminuir el cableado y de aumentar el nmero de entradas y salidas de los equipos electrnicos es utilizar unidades remotas de entradas y salidas (RIO). Estas pueden estar localizadas cerca de las terminales del proceso y son conectadas a los equipos del Nivel de Baha por medio de buses de proceso seriales. Debido a las severas interferencias electromagnticas que


ocurren cerca de los equipos de patio, el bus de proceso debe consistir nicamente de fibra ptica.

Tecnologas de sensores modernas, en especial para transformadores de voltaje y corriente, necesitan de la electrnica para la evaluacin de informacin de los sensores. Esto significa que los equipos electrnicos de los sensores y

actuadores se mezclan con los equipos de patio de alto voltaje y que nicamente el bus ptico de proceso se mantiene como conexin del proceso. 4. FUNCIONES DE UN SAS

4.1. Funciones de monitoreo y supervisin

Los propsitos principales de las funciones de monitoreo y supervisin son: ? ? ?

Mostrar el estado del proceso Informar acerca del desarrollo de posibles situaciones peligrosas, y, Archivar datos para una evaluacin posterior y del desempeo del proceso, o, para posteriores anlisis en caso de que ocurran algunas fallas o incidentes graves.

Todas estas son funciones estndar SCADA, las cuales, no son especficas para el control de Subestaciones, aunque algunas de sus propiedades, como la de estampado de tiempo con exactitud de 1 ms, son especficas para aplicaciones de sistemas de potencia. Las funciones de monitoreo tpicas son: ? ? ? ? ?

Manejo de eventos Manejo de alarmas Almacenamiento de datos Grabar perturbaciones / recuperar datos por defecto Diario de manejo


4.2. Funciones de control

Las funciones de control son usadas normalmente en la operacin del da a da en una Subestacin. Son ejecutadas por medio de un HMI, que puede estar localizado, localmente, en la Subestacin o en la Baha, o remotamente, por medio de una red con el Centro de Control. El HMI presenta al operador el estado del proceso y le habilita el control del proceso. El tiempo de respuesta de las funciones operacionales y la comunicacin correlacionada, normalmente es de 1 segundo (escala de tiempo de reaccin humana). Esto a menudo se distingue entre las funciones de monitoreo y supervisin, que recuperan datos desde el proceso para el anlisis de desempeo, y las funciones de control que inician acciones en el proceso. Sin embargo, la sealizacin de monitoreo y estado del proceso, es el prerrequisito para dirigir el control de la Subestacin.

Los comandos que directamente controlan el proceso pueden provocar severos daos si son utilizados incorrectamente. Es por ello que las funciones de control deben ser protegidas de accesos no autorizados. Las siguientes son ejemplos de algunas funciones de control de seguridad relacionadas: ? ? ? ? ? ?

Control de acceso e identificacin del operador Modo de control operativo Control de Seccionadores (comandos e indicaciones respaldo) Control de transformadores (subir/bajar) Gestin de cambios de posicin espontneos Establecimiento de parmetros

4.3. Funciones de proteccin y seguridad

Las funciones de proteccin y seguridad necesitan ser rpidas y autnomas, actan directamente con el proceso y los datos del proceso sin la necesidad de un operador. Esto significa que deben ser confiables y trabajar con seguridad.

Existe una HMI proporcionada para parametrizacin, o para la habilitacin o


deshabilitacin de la funcin. En principio, se pueden distinguir tres clases de estas funciones: ?

Proteccin: Este es el nivel activo de seguridad, el cual supervisa el proceso, por posibles situaciones peligrosas y evita estos problemas disparando los circuitos asociados de disyuntores.

?

Interbloqueo: Es un nivel de seguridad pasivo para todo tipo de comandos. Identifica operaciones peligrosas y bloquea comandos que podran ser peligrosos.

?

Automticas: Son secuencias de acciones ejecutadas automticamente, despus de que un impulso las dispare. Tambin pueden ser disparadas por un operador, o por otra funcin automtica (de proteccin), o por medio de una condicin de supervisin del proceso. En este ltimo caso, normalmente, la condicin de supervisin es una parte integral de la funcin automtica. Cada funcin automtica debe tener su propio chequeo de seguridad, y debe alojarse sobre las funciones de interbloqueo y proteccin.

4.4. Funciones de apoyo automticas

Operan directamente con los datos del proceso y proporcionan los datos necesarios para las decisiones a otras funciones, las cuales actan directamente en el proceso sin la accin de un operador. En contraste, las funciones de

automatizacin del proceso local utilizan los datos de entrada de todo el patio de maniobras. La funcionalidad del ncleo (sin adquisicin de datos o HMI) utiliza datos de diferentes bahas. Aqu existe una HMI para parametrizacin, o para habilitar o deshabilitar la funcin. 4.5. Funciones de configuracin y mantenimiento del sistema

Un Sistema de Automatizacin de Subestaciones consta, normalmente, de un conjunto de paquetes de software estndar funcionando en un sistema distribuido, un conjunto de datos especficos de configuracin de la Subestacin, parmetros de las funciones y un software especficamente desarrollado.


En un caso ideal, cualquier software es estable, y cualquier adaptacin, durante la operacin, o modificaciones y extensiones eventuales del sistema, pueden ser realizadas por configuracin y parametrizacin; esto es, por medio de la adaptacin de los datos apropiados, los cuales describen el patio de maniobras, el sistema de control, sus funciones y sus conexiones a este ambiente.

Las funciones de configuracin y mantenimiento del sistema son un subconjunto de la funcin de ingeniera, la cual es necesaria durante la delegacin, la operacin y mantenimiento del sistema.

Normalmente, no solo se provee de informacin como historiales y cambios, adems, el rastreo y eliminacin de errores, y, la adaptacin y mejoramiento del sistema son un trabajo continuo. 4.5.1 Adaptacin y configuracin del sistema

La configuracin del sistema consta de todos los datos que describen la configuracin individual del sistema, excluyendo los datos que normalmente son cambiados o adaptados durante la operacin. En algunos casos (por ejemplo, para los lmites de medidas exactas) esto depender de la filosofa de operacin del usuario, si estos son parmetros operacionales o parmetros de configuracin.

Los parmetros de configuracin tienen que ser restaurados durante el reemplazo del hardware, y son cambiados nicamente si el sistema es modificado o si contiene errores. Por lo tanto , la estructuracin de los parmetros de

configuracin, as como sus almacenamientos fsicos, a menudo, encajan en la estructura fsica (basada en IEDs) del sistema de automatizacin, y slo dentro de esta estructura habra funciones relacionadas con subestructuras.

Adicionalmente, a esta estructura basada en IEDs, existe una descripcin de un sistema de configuracin, el cual contiene los datos relacionados con la configuracin del sistema, manteniendo juntos en el sistema a los IEDs. Un ejemplo tpico podra ser un esquema de conexin de comunicaciones con la


informacin de conexin. Las funciones de configuracin del sistema permiten almacenar, cargar y modificar los datos de configuracin de una forma sistemtica y mantener guardada la versin o el historial de revisin. 4.5.2 Aplicaciones de software de mantenimiento y mejora

Podra suceder que los errores encontrados en un procesador de base de datos ocasionen el reemplazo del mismo por una nueva versin, o que un nuevo hardware, que reemplace a otro defectuoso, no sea 100% compatible, lo que provocara que deba ser instalado un nuevo sistema operativo o nuevos drivers.

A menudo estas modificaciones pueden ser realizadas esforzando al sistema existente, pero, la mayora de reemplazos de procesadores de bases de datos requiere de la reinstalacin de todos los paquetes correlacionados y especialmente de los datos especficos del sistema.

A veces, algunos datos especficos del sistema tienen que ser convertidos a un nuevo formato fsico, o tambin, algunos nuevos parmetros de configuracin tienen que ser instalados, antes de que el nuevo paquete pueda ejecutar completamente su labor. Esto es importante: ? ?

Que las nuevas versiones de un paquete funcional sean compatibles con el resto del software y los datos del sistema. Que un backup del proceso (sistemtico) y el procedimiento de instalacin permitan reinstalar posteriormente, en su totalidad, el software y los datos de configuracin del sistema.

Para funciones relacionadas con la aplicacin, la estandarizacin de los formatos de los parmetros y del almacenamiento, en una forma de implementacin independiente, puede, adems, conducir a mejorar la compatibilidad de los desarrollos, en caso de que una nueva versin de software de la aplicacin sea instalada.


4.6. Funciones de comunicacin

Las funciones de comunicacin sirven de apoyo y son necesarias porque: ?

Tanto el sistema de comunicacin como su capacidad no son suficientes cuando todas las funciones desean ingresar, individual y directamente, a la misma fuente de datos.

?

Dispositivos de diferentes fabricantes o generacin de implementacin han sido conectados con diferentes protocolos.

4.6.1 Intercambio de datos dentro de la Subestacin

El intercambio de datos dentro de una Subestacin es necesario tanto para sistemas distribuidos, como en la coordinacin de objetivos dentro de sistemas redundantes. Una funcin de comunicacin dentro de una Subestacin permite el intercambio de los datos entre os dispositivos de control, o los dispositivos del l Nivel de Estacin, por un lado, y los dispositivos de proteccin por el otro lado. Esta tarea ha llegado a ser mucho ms simple desde la existencia del estndar IEC 60870-5-103 para las conexiones seriales de los dispositivos de proteccin en un Sistema de Automatizacin de Subestaciones. Otro uso de las funciones de comunicacin es el de integrar dispositivos con protocolos especficos como el DNP3, Modbus, etc. 4.6.2 Intercambio de datos con sistemas externos

El intercambio de datos con sistemas externos es la clsica tarea de las Unidades Terminales Remotas (RTUs), y, el Centro de Control (tpico sistema externo ). Esta funcin de intercambio de datos ha sido asignada a la funcin Gateway de los Sistemas modernos de Automatizacin de Subestaciones. Esta funcin

provee de datos binarios y analgicos relacionados con el proceso, as como el estampado de tiempo de los eventos al Centro de Control. Para esta funcin, el protocolo estndar es el IEC 60870-5-101, el cual es especializado para


velocidades bajas, mdems no-confiables o conexiones de PLC (Power Line Carrier Onda Portadora en Lneas de Potencia).

Con el desarrollo de las altas velocidades en las redes (fibra ptica) existe un recurso para el protocolo IEC 60870-5-104, el cual es una variacin del TCP/IP. En el futuro, las nuevas capacidades de ancho de banda de comunicacin, en conjunto con el protocolo IEC 60870, podran crear una funcin de Gateway superflua. Un simple dispositivo de puente, router o firewall (por seguridad)

podra ser entonces suficiente. Podra ser tomado en cuenta que, por lo menos, para el control, no todo lo que est dentro del nivel ms bajo puede ser accesible para todos los niveles ms altos.

Este tipo de funciones de comunicacin son, en estos das, basadas, en su mayora, en conexiones TCP/IP, debido a que las funciones de mantenimiento no son crticas en el tiempo. Por lo tanto, en este caso, la velocidad baja de las conexiones de mdems es aceptable.

El estndar IEC 61850, por medio de la estandarizacin del nivel de aplicacin, ayudar con nuevos recursos de manejo y funciones de calidad de energa. 4.7. Funciones relacionadas con la operacin de redes

4.7.1 Control, Supervisin y Adquisicin de Datos (SCADA)

El trmino SCADA es utilizado para la adquisicin de datos bsicos, para el control y supervisin de funcionalidades de cualquier sistema de control, y adems, es la funcionalidad bsica de un Sistema de Automatizacin de Subestaciones.

En algunos casos el Centro de Control puede contraerse en un subconjunto de terminales remotas en el mismo Sistema de Automatizacin de Subestaciones. En estos das lo normal es que el SAS sea quien adquiera los datos para el Centro de Control.


4.7.2 Software de Aplicacin de Energa (PAS)

El trmino Software de Aplicacin de Energa es utilizado para todas las aplicaciones que sirven de apoyo para la operacin de la red de un sistema de energa, bajo condiciones normales de trabajo, y estas aplicaciones funcionan normalmente en el Centro de Control. El SAS escoge los datos necesarios para las funciones de manejo de energa, como los sistemas de los RTUs al Centro de Control para manejo de energa (EMS), control de generacin automtica (AGC), programacin de energa, etc. El AGC, por ejemplo, requiere de unas pocas, pero importantes medidas tomadas en un tiempo de 4 a 10 segundos. Si el ciclo de tiempo de comunicacin del Centro de Control est en el orden de los 3 segundos, entonces estos datos estarn disponibles para la funcin Gateway de Automatizacin en 1 segundo.

Por otro lado, cada funcin central puede ser distribuida a un nivel ms bajo, si los dispositivos interconectados de este nivel tienen la suficiente capacidad de comunicacin. Esta posibilidad debe ser revisada con mayor detenimiento,

debido a la llegada de mayores anchos de banda en WAN.

CAPTULO III ARQUITECTURAS DE LOS SISTEMAS DE AUTOMATIZACI N DE SUBESTACIONES 40 __________________________________________________________________________________________________

CAPTULO III ARQUITE

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