En años recientes se ha planteado que las subestaciones digitales son parte de la evolución esperada para los procesos de automatización en el sector eléctrico. Su característica más notoria es la sustitución del cableado de cobre tradicional por canales de fibra óptica que trae consigo diversos beneficios, principalmente: reducción de costos y complejidad en las lógicas de cableado, menor tiempo y tamaño de implementación; facilidad en la integración de nuevos equipos; mayor velocidad de respuesta ante fallos e información más confiable; además de un incremento en las condiciones de seguridad del personal en sitio. Sin embargo, para poder acceder a estos beneficios es necesario profundizar en conceptos de redes de datos, protocolos de comunicaciones y ciberseguridad. Este artículo ofrece una visión general sobre los retos y oportunidades que se derivan de una subestación digital y ofrece una guía introductoria para su desarrollo.
Introducción
La definición de la norma IEC 61850 en 2001 sentó las bases para la transformación de la automatización eléctrica. Dicha norma promueve un mejor aprovechamiento de las tecnologías de comunicaciones para hacer más eficiente y confiable los proceso de comunicación requeridos en una subestación. Desde entonces, existe un interés creciente por aprovechar las virtudes de las nuevas tecnologías y marcar una evolución en el campo.
Para entenderlo mejor, es necesario señalar que en una subestación eléctrica existen diversos servicios que deben obtener la información de los equipos primarios con la finalidad de ofrecer protección, control y monitoreo al proceso. Bajo un esquema tradicional, dicha información se transporta a través de distintos niveles de tensión que viajan por redes de cobre, lo cual es un trabajo complejo y costoso, con cientos de metros de cables e igual cantidad de posibles puntos de fallo. Por otro parte, bajo el esquema de Subestación Digital, dicha información es transformada (tan cerca cómo se puede al origen) en paquetes de protocolos de comunicaciones que viajan por medios endurecidos como la fibra óptica, facilitando la implementación de mecanismos que hacen más seguro y confiable el transporte de datos.
En el esquema digital, los principales actores son equipos inteligentes que pueden comunicarse entre ellos. Para realizar las diferentes tareas en la subestación, dichos equipos utilizan diferentes protocolos estandarizados por la norma IEC 61850, por ejemplo: GOOSE, SAMPLED VALUES y MMS, entre otros. Estos protocolos brindan un mayor control sobre los datos y un procesamiento más rápido; evitando problemas como pérdida de información por atenuación del cable, o tener que adicionar más cables para un nuevo enclavamiento o uno ya existente que se podría realizar a través de un mensaje por protocolo.
Al reducir el cableado que llega de patio conectados a fuentes de tensión y corriente, también se reduce el riesgo eléctrico de las personas que están en la estación, al igual que de los equipos de control y protección. Se estima que el uso de fibras ópticas reducen el cableado hasta en un 80%, lo que implica menor costo, tamaño y tiempos de implementación.
Al delegar gran parte de la funcionalidad de la subestación en las comunicaciones, es posible implementar a través de las mismas la verificación de la configuración. Por ejemplo, ver cuántas flujos de datos hay por protocolo como GOOSE o SAMPLED VALUES y dependiendo las direcciones MAC verificar la coherencia de estas; también se puede verificar por IP extrayendo su modelo por comunicación y contrastando la información con los esquemas SCL que tenemos de configuración.
¿Cuáles son los principales retos en una subestación digital?
Uno de los primeros retos al que se enfrenta un ingeniero de control y protecciones en una Subestación Digital es entender el esquema de conexiones lógicas que ocurren dentro de la red en un momento dado. Al compararlo con la subestación tradicional, es relativamente fácil utilizar un plano eléctrico para hacer seguimiento de la ruta de todo el cableado que conecta las señales entre distintas fuentes y destinos. Cuando tenemos todo digitalizado, nos encontramos con una entrada de comunicación de los dispositivos a alguna parte de la red. Entonces, los planos de comunicaciones tienen poca utilidad y realmente se requiere una estructura lógica que permita entender la dinámica de la subestación; es decir, ¿de dónde obtenemos las señales? y ¿cuáles equipos necesitan esas señales por comunicación?
En este punto, la edición 2 de la norma IEC 61850 presenta algunos nodos lógicos útiles para tener documentada las comunicaciones, sobre todo del bus de proceso; estos son: el LGOS y LSVS, aunque no todos los fabricantes lo utilizan en este momento, es una herramienta que define la norma.
Por otra parte, también se debe afrontar un reto de gestión del capital humano puesto que las subestaciones digitales demandan competencias que van más allá del estándar IEC 61850, también requiere conocimiento de infraestructura de redes, ciberseguridad y otras tecnologías. Desde este punto de vista, es necesario ampliar el campo de conocimiento del personal que participa en una subestación y con ello cambiar la forma en que se trabaja con las subestaciones eléctricas.
¿Por qué necesitamos GOOSE y SAMPLED VALUES?
Para poder digitalizar la información de todos los procesos de la subestación se debe tener en cuenta que las señales de voltaje y corriente de los transformadores de instrumentación, al igual que los comandos para operar equipos primarios, son muy sensibles. Un error o la demora al transmitir esta información puede llevar a fallos de la red con pérdidas millonarias y deterioro del servicio. Para prevenir dichos problemas, la norma IEC 61850 ha definido dos protocolos especiales: el primero es el GOOSE (Generic Object Oriented Substation Events), definido en la parte IEC 61850-8-1 y segundo SAMPLED VALUES definidos en la parte IEC 61850-9-2 y IEC 61850-9-2-LE (que busca la interoperabilidad entre fabricantes).
GOOSE permite el envío de estados digitales en operaciones como enclavamiento de los equipos de patio y notificación de disparos; mientras que los SAMPLED VALUES permite el envío de señales análogas desde transformadores instrumentales inteligentes o equipos como Mergin Units con los valores de voltajes y corrientes (las tres fases más el neutro).
Las características de estos dos protocolos son:
Estructura con solo capa de enlace y aplicación del modelo OSI, el tiempo para ser procesado es muy pequeño alrededor de 2ms. Suficiente para despejar una falla.
Utilizan el sistema de prioridad de paquetes de la norma IEEE 802.1Q Vlan, permitiendo priorizar estos mensajes en la red ante otros que no requieren tanta disponibilidad
Tienen procedimientos para verificar si un mensaje se ha pedido o tiene problemas con la sincronización para poder alertar.
Sin embargo, ¿qué pasa ante la falla de un switch o un canal de fibra óptica? Simplemente perdemos una parte importante de la subestación, por esto se agrega el concepto de redundancia, particularmente a través de los protocolos PRP y HSR definidos en la norma IEC 62439-3:2016 en donde los paquetes siempre tienen dos caminos para llegar.
La redundancia es uno de los temas vitales que encontramos en esta tecnología y hacer un monitoreo que nos permita ver realmente el estado de estas dos redes va a ser muy importante. Esto implica tener que verificar que los equipos estén bien configurados para estos protocolos, así como que la información fluya por ambos canales. Por lo tanto, no se trata del mantenimiento de una red sino de dos.
Una de las falencias que existe a la hora de trabajar con la subestación digital es no tener un sistema configurador general y este punto no va a ser fácil de solventar. Actualmente cada fabricante cuenta con su sistema de configuración de 61850, no solo genera datasets y reportes, también hace validación de sus equipos. Lo deseable sería contar con herramientas de configuración general que permitan interoperar con los distintos fabricantes. Esto ayudaría a tener bajo un solo archivo SCL documentado toda la estación con niveles de tensión, unifilares, notas, e incluso dar soporte a nodos LGOS y LSVS, al menos de solo documentación.
Finalmente, se debe mencionar que los proceso de pruebas FAT y SAT cambian totalmente. Si es cierto que se debe inyectar potencial a los PT’s, CT’s esta solo será una prueba inicial que busca verificar la linealidad de estos. Para verificar las diferentes protecciones se ha de probar por comunicaciones sin una maleta de inyección de voltajes y corrientes, ya que se puede inyectar directamente los SAMPLED VALUES a los IED´s sin desconectar los CT’S y PT’S. Esto apoyado con los modos de simulación y testeo que propone la norma IEC 61850.
Conclusiones:
Durante este artículo se han señalado distintos beneficios que se encuentran en la subestación digital, por ejemplo:
Reducción de costos reflejados en la disminución de cableado, menor tiempo de implementación y menor tamaño.
Facilidad en la integración nuevos equipos ya que la información que requieren puede ser enviada por comunicaciones.
Mayor velocidad de respuesta ante un fallo e información es más precisa.
Mayor seguridad del personal en sitio ya que la información no llega a los equipos como tensiones y corrientes si no por medio de protocolos de comunicación.
Reducción de la complejidad en las lógicas de cableado que son reemplazadas por las comunicaciones.
Sin embargo, acceder a ello requiere también mayor entrenamiento del personal en temas como redes de comunicaciones y ciberseguridad. Asimismo, aparecen nuevos equipos como las Mergen Unit, que acercan la transformación análogo-digital a los equipos de patio. Ya sea que estemos listos o no, la transformación a subestaciones digitales ya está en marcha.
