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Convergencia de la comunicación en UHE utilizando marco 61850

Resumen: este artículo propone el uso de un modelo unificado para la comunicación entre las distintas empresas y componentes del sistema de automatización de centrales hidroeléctricas (UHE), basado en el cuerpo de conocimiento en comunicación de información en el área de tecnología de la información y comunicación (TIC) y el caso de aplicación de los mecanismos estándares de comunicación especificados en IEC-61850, durante el proceso de modernización de la automatización de una Unidad Generador Hidroeléctrico de 100MW.

I. Introducción

Los requisitos para construir nuevos sistemas de automatización de UHE - Centrales hidroeléctricas – o la modernización de los existentes no están basadas completamente en arquitecturas de comunicación tradicionales de sistemas de automatización, que tienen sus características de uso en la década de 1980. Los sistemas de automatización actuales pueden ser vistos como una instancia específica de un Cyber-Physical Sistema (CPS) [1], [2] donde las áreas están integradas por redes, comunicaciones, sistemas informáticos y físicos muestreados. Los requisitos para los sistemas de automatización contemporáneo [3], [4] se enumeran a continuación:

Modelo de datos basado en las funcionalidades del proceso
El modelo de datos y comunicación debe ser basado en la funcionalidad del sistema. Con base en las funcionalidades puedes construir un diagrama de objetos independientes, así como sus canales de comunicación, independientemente de su implantación. Este enfoque permite la división de programas en módulos y la separación de funcionalidades entre los equipos de la planta, que facilita la programación distribuida de cada bloque funcional.

Comunicación basada en información
La comunicación debe ser establecida por la necesidad de información al consumidor sobre los datos para que cada elemento del sistema pueda apropiarse de la información necesaria para su proceso. La comunicación no debe ser basada en direcciones específicas de equipos físicos, referencias a ubicaciones de memoria o en una secuencia predeterminada, independientemente de la semántica de los datos. La comunicación basada en información, datos y su significado, permite cambios futuros en el tipo y cantidad de valores transmitidos no requieren cambios en las estrategias de comunicación, lo que reduce la posibilidad de fracasos. La integración con otros equipos y con la red de supervisión y control se puede realizar automáticamente.

Modelado basado en objetos
El modelo de objetos comunicantes permite el procesamiento de una tarea independientemente de cómo los datos están disponibles para comunicación. En este tipo de modelo, la forma del procesamiento se puede cambiar sin necesidad de modificar los datos de configuración y resultados conocidos por otros objetos. Este tipo de estrategia permite que la automatización sea distribuida y basada en la funcionalidad del sistema. Objetos específicos para la gestión de activos y diagnósticos se pueden agregar sin modificaciones o intervenciones en la lógica de automatización.

Facilidad de migración
Es deseable que la migración de la automatización para un nuevo modelo siga una transición "Suave", con modificaciones menores a la lógica de automatización en cada etapa de desarrollo para para evitar la discontinuidad del funcionamiento del sistema. La migración debe realizarse por etapas donde se limita el modelado de objetos al modelo de contenedor variable y, en una etapa posterior, los diversos pequeños cambios en la programación están integrados en el sistema como un todo. Un único modelo de comunicación permite la transformación gradual del sistema de automatización mediante la puesta en servicio independiente de cada etapa de modificación del sistema sin impacto en otros componentes.

Facilidad para construir nuevos modelos de ingeniería
Mediante la modularización y orientación a objetos, los datos de diagnóstico de supervisión auxiliar pueden ser recopilados sin interferir con la lógica de control, que permite la construcción de nuevos modelos de ingeniería para la gestión de activos y mantenimiento predictivo y preventivo.

Utilización de una única red de automatización
El uso de un bus de campo integrado para procesar datos con fines de control, reduce el número de cables necesarios en la planta, reduciendo el potencial de fallas de conexión. El equipo de campo utilizado debe cumplir: para el número de puntos evaluados por UAC y eventuales dispositivos inteligentes, el tiempo de respuesta es el de una conexión punto a punto con cada elemento de E/ S (elementos de entrada y salida). La conversión de protocolos ya utilizados en sistemas de automatización se puede realizar en la primera comunicación con la red única, eliminando la necesidad de múltiples controladores en el supervisión y control. La adición de protocolos para comunicación inalámbrica, especialmente para datos en relación con las condiciones de funcionamiento de los elementos del sistema, se puede agregar usando pasarelas, conectadas directamente a la red troncal integrada de comunicación.

Todos los requisitos mencionados están relacionados con el modelo de comunicación utilizado en el sistema de automatización. La utilización de diferentes modelos, que cumplen solo uno o más de los requisitos y que deben ser compatibles en un elemento central de supervisión y control (SCADA), aumenta la de la solución adoptada. Tal complejidad se traduce en más tiempo en el desarrollo del sistema, en dificultad de integración de herramientas operativas y en ausencia de datos para un sistema de gestión y mantenimiento eficaz.

Un modelo de comunicación unificado permite el mismo marco, los datos de tráfico relacionados con el proceso de generación y operación del sistema, información de diagnóstico instantáneo, referencia sobre la calidad de los datos de muestra, procesar registros e información auxiliar sobre el seguimiento de activos y datos adicionales sobre las condiciones de operación para alimentar sistemas de mantenimiento profético.

La traducción intermedia de protocolos del sistema equipo de control, permite la forma de la comunicación con el elemento de supervisión central, que es única. Esta forma convergente de comunicación trae ganancias temporales, moderniza la automatización de las unidades generadoras, ganancia de calidad en las rutinas de mantenimiento y ganancia en la integración de sistemas en el funcionamiento de los sistemas.

La sección 2 muestra algunas posibilidades para integrar la comunicación. La sección 3 aborda el uso del marco IEC 6l850 como modelo de datos y comunicación con unidad de supervisión y control en la automatización de UHE. La sección 4 aborda los aspectos prácticos de la aplicación en el proyecto piloto para la modernización de la automatización de una Unidad Generador de 100MW en HPP.

II. Modelos integrados de comunicación

Se pueden citar al menos dos conjuntos de protocolos que se han especificado de forma integrada: los protocolos de comunicación de IEC-61850 [5] y OPC-UA- OLE para Control de procesos - Arquitectura unificada - [6].

IEC-61850 es un estándar que se utiliza para estandarizar la forma de acceso a los distintos elementos de la planta de generación de energía, mientras que el OPC-UA tiene como objetivo proporcionar una cubierta unificada independiente de la plataforma. Como se puede evidenciar, ninguno de ellos es una propuesta de modelo de comunicaciones unificadas. Sin embargo, cada uno de ellos tiene integrado en sus definiciones un conjunto de mecanismos y la implementación de un modelo unificado.

Tenga en cuenta que estos estándares fueron diseñados para cumplir distintos conjuntos de requisitos del sistema de control. Aquí nos interesa el aspecto de los protocolos de comunicación para habilitar un modelo de comunicación unificada, que es atendido parcialmente por cada uno de ellos.

El estándar IEC-61850 fue originalmente aplicable a sistemas de automatización en subestaciones eléctricas (SAS). Sin embargo, en sus versiones, se ha extendido a la aplicación en sistemas de automatización de unidades de generación de energía eléctrica. Ella estandariza, entre otros, la comunicación entre dispositivos, electrónica inteligente (en la nomenclatura estándar, IEDs - Dispositivos electrónicos inteligentes), que son los diversos componentes de una subestación o planta de generación.

Por otro lado, las funcionalidades típicas de las plantas se han identificado y descrito, con el fin de exponer, de forma estándar sus necesidades de comunicación. Las funcionalidades se representan a través de "objetos" llamados Lógicos Nodos (LN). Similar a los objetos, tienen una interfaz a través de la cual puede interactuar con LN, leer información de estado o actuar sobre sus controles.

Los LN tienen sus interfaces definidas, de tal manera que hay miembros obligatorios y opcionales. Esto hace que dos fabricantes de dispositivos ofrezcan diferentes LN para la misma funcionalidad. Sin embargo, el estándar es bastante estricto con respecto a características de estos miembros de la interfaz. Esta rigidez aparece en forma de una "tipificación" fuerte de cada miembro, según un conjunto de tipos definidos en la propia norma. Además, estos tipos están asociados a mecanismos específicos, comunicación, lo que garantiza la total compatibilidad en cómo los protocolos cargan la información.

En IEC-61850 se especifican varios protocolos de comunicación, que se caracterizan por manipular información según el modelo de interfaces lógicas nodos (objetos) utilizados. Algunos de estos protocolos utilizan el modelo cliente-servidor, mientras que otros utilizan el modelo de editor/suscriptor (publicar/ suscriptor). Cada uno de estos protocolos tiene una aplicación específica.
El mejor ejemplo de un protocolo cliente-servidor es el facturing Message Specification (MMS), que se utiliza para obtener información del dispositivo. Este es el caso de los equipos supervisores que necesitan información de los dispositivos de control para presentar los datos en los paneles de control y seguimiento.

Como ejemplo de protocolos del modelo publicado usuario/ suscriptor, GOOSE (Generic Object Oriented) puede ser Evento subestación entrado. Este protocolo tiene para su aplicación el intercambio de información cuando hay restricciones de tiempo.

Para ello se utilizan DATA-SETs. Estos conjuntos de los datos se transmiten en un solo mensaje y en la forma difusión o multidifusión. De esa forma, todos los dispositivos suscritos para recibir cierta información pueden obtener de ese conjunto de datos transferido en el mensaje.

Se nota que cada protocolo fue diseñado para cumplir diferente conjunto de requisitos. Sin embargo, ambos se basan en un modelo de objetos, los nodos lógicos (LN) que ofrecen una interfaz bien definida. Oferta de LN un Modelo Único (y por tanto unificado) de Información.

Un aspecto a eludir es que no hay un pronóstico de estandarización de los mecanismos de seguridad de la información. Esta es una limitación que no impacta la unificación de comunicación, pero que deja un requisito cada vez más abierto la mayoría presente en los sistemas de control.

OPC-UA es un estándar, mantenido por la Fundación OPC, que tiene como objetivo permitir la interoperación en entornos de automatización industrial, segura y confiable. Las características de este estándar son las siguientes:

• Independencia de la plataforma, lo que permite la interoperación entre empresas, máquinas, etc.
• Disponibilidad de un conjunto de controles destinados a seguridad de información.
• Posibilidad de futuras ampliaciones: el llamado "futuro prueba". El estándar prevé la posibilidad de integración nuevas tecnologías. Esto incluye nuevos protocolos, sistemas de transporte, algoritmos de seguridad de la información, o servicios de aplicación.
• Mecanismos de comunicación basados en información de sí mismo.
• Modelado de "datos" como "información". El estándar utiliza la orientación de objetos para la encapsulación y modelado, permitiendo la extensión a más complejo.

De todas las características del patrón, se destacan dos, que están fuertemente asociadas con aspectos de una comunicación unificada: comunicación basada en el mismo modelado de información y datos como información. Estas dos características se materializan en el patrón a través de diversos mecanismos, de los que se pueden destacar los siguientes:

• Descubrimiento automático de servidores OPC disponibles en la red.
• Espacio de direcciones representado de una manera jerárquica.
• Lectura y redacción de la información sujeta a control de acceso.
• Uso del modelo de editor/suscriptor para el seguimiento y envío de información, cuando se produzcan cambios y notificación de eventos.
• Estandarización de varios protocolos de transporte, que permitan el intercambio de información entre componentes, incluso si utiliza diferentes protocolos de transporte.
• Mensajes firmados y transmitidos mediante cifrado con claves de 128 o 256 bits.
• Mecanismos para autenticar y autorizar el intercambio de información.

Los mecanismos de comunicación del OPC-UA fueron diseñados para servir a un conjunto más amplio de requisitos que la creación de un modelo uniforme mercado de la comunicación. Sin embargo, un modelo unificado de la comunicación aparece de forma natural, al definir la información jerárquicamente, estandarizando interfaces para varios protocolos de transporte y al definir mecanismos de envío de información bajo demanda y para señalización de eventos.

III. Modelo y arquitectura de la modernización

El análisis de los patrones candidatos para permitir una comunicación unificada, mostró que ambos eran desarrollados para cumplir con otros requisitos distintos, obteniendo un modelo unificado. Sin embargo, los patrones analizados tienen características que permiten la implantación de un modelo de comunicación convergente.

El sistema de comunicación convergente debe ser compatible con una serie de definiciones, como la de interfaces de objetos y comportamiento esperado; de dispositivos físicos; de mecanismos de seguridad de la información, etc. Por tanto, un modelo unificado requiere una estructura de soporte. Hay cinco tipos de componentes: unidades de extremo remoto (RTU), supervisión, base de datos, portal de acceso y red de comunicaciones.

Las RTU son las unidades de control y monitorización de Planta (subestación o planta de generación). Cada uno opera independientemente, actuando sobre las partes de la planta que controlan y dependiendo de su programa cargado. Es importante tener en cuenta la información utilizada por estos componentes para determinar cómo, actuar sobre los componentes físicos de la planta, puede ser determinado por signos de estos mismos componentes físicos o comandos e información de otros componentes.

Obviamente, para que estas distintas RTU puedan operar de forma armónica, los programas, así como la información enviada a cada RTU, deben estar correctamente diseñados. La inteligencia que controla la planta es, ahora distribuida entre los distintos componentes que componen el sistema de control. Además, hay otros componentes que permitirán una operación coordenada de todas las RTU (que en última instancia son los componentes responsables del desempeño y monitoreo de los dispositivos físicos de la planta).

Es importante enfatizar que, en plantas de baja complejidad, la existencia de un solo RTU podría cumplir con todos los requisitos de control. Sin embargo, en las plantas modernas, el uso de un solo RTU presenta una dificultad operativa llamada single punto de falla (si hubo una falla en esa RTU, alcanzaría toda la planta). Aumentan las opciones de redundancia del costo, y conduce a un nivel comparable a un sistema distribuido en RTU con menor número de puntos de acceso a controlar.

El supervisor es responsable de la interfaz con el operador para el desempeño y seguimiento de la planta en su conjunto. En plantas complejas, este componente debe monitorear y actuar en varias RTU. Eso significa poder abordar información correcta en la RTU, controlando y presentando de forma idónea toda la información de la planta. Ese componente también debe ser capaz de integrar la distinta información en un todo coherente, para su presentación al operador humano. El supervisor también debe poder traducir un solo comando del operador humano en varios más de una RTU.

Sin duda, la implementación de un sistema con la complejidad descrita, requiere de métodos automáticos para identificar la información de cada RTU, mecanismos de comunicación unificados, bajo pena de tener un sistema con un nivel de complejidad intratable.

Cada uno de los elementos ya mencionados tiene sus propias bases datos de funcionamiento. Pero esto no es suficiente para garantizar la operación de la planta. Es necesario que cada componente pueda hacer que su información esté disponible a nivel mundial, permitiendo que sea utilizado por los otros componentes en el proceso. Por lo tanto, se requiere un componente de almacenamiento de las estructuras de datos relevantes. Además, esta base de datos es dividida en dos partes: una base de datos no estructurada (UDB - Base de datos no estructurada) y otra estructurada (SDB - Base de datos estructurada).

Finalmente, el último componente del sistema es la red, por donde los datos se intercambian con los otros componentes del sistema. Para ello, se requieren protocolos de comunicaciones que permiten que la red funcione sin imponer obstáculos para lograr los requisitos de intercambio de información de los servicios que se ejecutan en ellos.

Operando en las capas superiores de los protocolos de control de la red, se contemplan los protocolos de intercambio de información. Estos protocolos ofrecen una visión unificada de la comunicación (Modelo Unificado), que llega a todos los intercambios de información. Es la forma en que estos protocolos realizan esta tarea específica para cada uno de ellos.

IV. Conclusiones

Este tipo de proyectos muestra que la unificación de la visión de comunicación y reducción del número de protocolos diferentes, simplifica los procedimientos de configuración y puesta en servicio. Entre las ventajas observadas en la implantación de modernización de la unidad generadora mediante un marco 61850 para comunicación convergente podemos destacar:

Ganancias en la operación.
El uso de un modelo convergente de la comunicación permite la integración de nuevos modelos de información en el sistema de supervisión, sin la necesidad de cambiar la lógica de automatización existente en el equipo. La adición de información, diagnóstico e información de comunicación, se puede utilizar, realizando solo la parametrización específica de cada sensor o actuador, manteniendo el mismo modelo de comunicación y sistema estandarizado de supervisión y control para diferentes UG.

Ganancia de mantenimiento.
Con la adición de información de diagnóstico y calidad e información sobre las condiciones de funcionamiento de equipos, las estrategias de mantenimiento se pueden dibujar sin la lógica. El sistema de automatización se modifica para insertar esta información. Solo se deben agregar los LN que transmiten información complementaria sobre el funcionamiento de la operación del sistema.

V. Referencias

EA Lee, "Los sistemas ciberfisicos son los fundamentos informáticos adecuados" en documento de posición para el taller de NSF sobre sistemas ciberfisicos: arco Motivación, técnicas y hoja de ruta, vol 2. Citeseer, 2006.
[2] R. Rajkumar, l. Lee, L. Sha y J. Stankovick, "Cyber-Physical Systems: La próxima revolución informática ", en Design Automation Conference 201 O, Anaheim, California, Estados Unidos, junio de 2010.
[3] T. Samad, P. McLaughlin y J. Lu, "Arquitectura del sistema para procesos Automatización: Revisión y tendencias", Journal of Process Control, vol. 17, págs. 191-201, 2007.
[4] P. Neumann, "Comunicación en la automatización industrial: lo que está sucediendo ¿en?" Práctica de ingeniería de control, vol. 15 de 2007.
[5] IEC. (2013) Iec61850 - redes y sistemas de comunicación para energía automatización de servicios públicos. [En línea]. Disponible: http://www.iec.ch/
[6] F. OPC. (2016) Unificado arquitectura. [En línea]. https://opcfoundation.org/about/opc technologies/opc-ua/
[7] CC Nascimento, M. Buzzati, FH Trein, L. Souza, J. Netto y S. Cechin, "Desarrollo de una unidad de adquisición y control y el uso del estándar iec61850 con nodos lógicos específicos de generación para el control y supervisión de centrales hidroeléctricas", en el VIII Congreso de Innovación Tecnológica en Electricidad, CITENEL 2015, Costa do Sauipe-Bahía, agosto de 2015.
[8] C. Nascimento et al., "Aplicación de un proyecto piloto que tiene como objetivo Nodos lógicos específicos de generación y estándar iec6 l 850 en programación de una UAC para control y supervisión de unidades generadoras en la endesa cascada", en XXIII SNPTEE - Seminario Nacional de Producción y Transmisión de Electricidad, Foz do Iguacú- PR, octubre de 2015.

Sergio Cechin - Instituto de Informática UFRGS
Jo"ao Netto - Instituto de Informática UFRGS
Marcelo Carniel - ALTUS-SA
Carlos Carvalho Nascimento – Enel
Información suministrada por Eléctricas Bogotá
Ing. Oscar Vera
Soporte Técnico
Cel. 318 2544301
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Modificado por última vez en Viernes, 11 Diciembre 2020 11:17

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