Primera solución de bus de procesopara subestaciones de alta y

extra alta tensión en Colombia

José Heriberto Franco

Juan David García G

Teresa Osorno Arias

Cesar Latozefski

Dirección Ingeniería de Soporte HMV Ingenieros

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En línea con los últimos avances tecnológicos de los sistemas de control y protección de subestaciones eléctricas, HMV

Ingenieros desarrolló el primer proyecto en Colombia con una solución de control y protección haciendo uso de equipos con capacidades de comunicaciones, instalados directamente en el patio de la subestación. El proyecto se denominó MK1 Digital.Con el proyecto se logra gran simplificación de los sistemas de adquisición de señales, tanto digitales como análogas, desde los equipos primarios en el patio de la subestación hacia los dispo-sitivos de control y protección en las casetas y/o salas de ope-ración, extendiendo al patio de subestación el uso de soluciones de comunicación conforme al estándar IEC61850, y utilización de fibra óptica como reemplazo del cableado de cobre. Este proyecto permitió verificar el funcionamiento de esta nueva tecnología, su desarrollo actual por los principales fabricantes, su integración con diversos IED´s2; así como beneficios económicos debidos a ahorros en tiempo y costos en labores de ingeniería, construcción, compras, montaje, pruebas y puesta en servicio.El sistema se implementó en la subestación de salida a 110 kV, de la central Hidroeléctrica San Miguel (42 MW).

According to the latest technological advances of control and protection systems of electrical substations, HMV Ingenieros de-veloped the first project in Colombia of a substation fitted with a brand new control and protection solution with devices which in-clude communication capabilities, installed directly in the substa-tion yard. The project was named as MK (Marshaling Kiosk) Digital.With this project it is achieved a great simplification on the signal acquisition systems, both digital and analog types, between the primary equipment (such as power transformers, circuit breakers and disconnect switches) and secondary equipment (such as protection and control devices), with the extension to the substa-tion yard of the communication solutions according to IEC61850 standard and the use of fiber optics as a replacement of conven-tional copper wiring.This project allowed HMV to validate the operation of this new technology, its current development level of the leading manufac-turers, its integration with other IEDs; as well as the economic be-nefits from savings in time and costs for engineering work, cons-truction, procurement, installation, testing, and commissioning.The system was installed at the 110 kV outgoing substation of San Miguel Hydroelectric power plant (42 MW).

Palabras Clave

Control y Protección, Bus de proceso,

Sistemas de automatización de subestaciones,

Merging Units, IEC 61850.

José Heriberto Franco

Juan David García G

Teresa Osorno Arias

Cesar Latozefski

Dirección Ingeniería de Soporte HMV Ingenieros

Keywords

Protection and Control,Process bus,

Substation automation systems,Merging Units, IEC 61850.

1MK por sus siglas en inglés “Marshalling Kiosk” 2IED: siglas en inglés para Intelligent Electronic Device

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I. INTRODUCCIÓN

Actualmente en Colombia, las nuevas subestaciones de alta y extra alta tensión cuentan con sistemas de control y protección diseñados conforme a la evolu-ción de la normativa aplicable a estos sistemas y a la tecnología desarrollada por los fabricantes del entor-no. HMV Ingenieros realiza sus diseños y construye subestaciones con tecnologías de punta, haciendo las subestaciones cada vez más simples.

Los diseños de sistemas de control y protección si-guen las recomendaciones del estándar IEC61850, de forma que el intercambio de información entre los IEDs de control y protección y entre estos y los sistemas de supervisión local y remota, se realizan a través de redes de comunicación sobre Ethernet TCP/IP (Bus de Estación según el citado estándar). Mientras que la información entre los equipos prima-rios en patio, como interruptores de potencia, trans-formadores de instrumentación, etc. se realiza en forma convencional mediante cableado físico en co-bre, al menos un cable por cada señal a intercambiar, tal como se representa en la siguiente ilustración.

Figura 1: Sistema de control y protección con bus de estación

Al analizar las posibilidades que brindan los sistemas de comunicaciones conforme al estándar IEC61850, HMV Ingenieros desarrolló una aplicación con una

nueva forma de interfaz entre los equipos primarios en el patio de alta tensión y los IEDs de control y protección ubicados en el edificio de control de la subestación, donde las redes de comunicaciones en fibra óptica conforman el medio para la transmisión de información entre estos equipos denominada Bus de proceso, reemplazando el cableado en cobre.

El Bus de proceso tiene como novedades importan-tes la utilización de valores muestreados desde los transformadores de corriente y tensión (SV por sus siglas en inglés “Sampled Values”) y la ejecución de la acción de protecciones a través de la red de comu-nicaciones, lo cual constituye la principal diferencia a resaltar con los sistemas donde solo se tiene un bus de estación. Estas novedades se complementan con la utilización de las señales binarias tipo GOOSE3 las cuales vienen siendo ampliamente utilizadas para di-versos tipos de aplicación como lógicas de enclava-mientos, secuencias automáticas, entre otras.

II.EVOLUCIÓN

Para la implementación de la tecnología de bus de proceso, es necesario que tanto las señales binarias como las análogas provenientes de los equipos de alta tensión sean digitalizadas desde el origen en el patio y a su vez, enviadas a través de un canal de comunicación al dispositivo de interés ubicado en la sala de control. Para que las señales digitalizadas puedan ser recibidas y procesadas por equipos de diferentes fabricantes, es requerido que éstas sean enviadas a través de protocolos de red estándar, en este caso, de acuerdo con el estándar IEC61850. El equipo encargado de realizar esta digitalización se denomina Merging Unit, existiendo en el mercado diversos tipos de solución que cumplen con lo esta-blecido en el estándar.

En el manejo digitalizado de las señales binarias, el estándar IEC61850 define dos tipos de mapeo de se-ñales: los mensajes MMS4 y mensajes GOOSE, des-crito en la sección IEC61850-8-1.

3GOOSE por sus siglas en inglés “Generic Object Oriented Subs-tation Events”4MMS por sus siglas en inglés “Manufacturing Message Specifi-cation”

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En la aplicación de bus de proceso solo se manejan los mensajes GOOSE, teniendo en cuenta que estos tienen prioridad en la red de comunicación y meca-nismos de seguridad y calidad, garantizando el me-nor tiempo posible y confiabilidad para el envío de información entre los equipos.

Para las señales análogas (corrientes y tensiones desde secundarios de transformadores de instru-mentación) la norma definió dos posibles soluciones: la primera según la IEC61850-9-1 “Valores muestrea-dos sobre canales seriales unidireccionales punto a punto” y la segunda según la IEC61850-9-2 “Valores muestreados sobre ISO/IEC 802-3”. La principal dife-rencia entre ellas radica en la forma de transmisión de la información, ya sea punto a punto o sobre re-des Ethernet.

Como complemento al estándar, la UCAIUG (Utili-ty Communication Architecture International Users Group) ha publicado una guía de implementación para soluciones de bus de proceso, que da claridad a algunos puntos de la IEC61850-9-2 y precisa su aplicabilidad. Esta guía es conocida como “..9-2LE”, refiriéndose a LE cómo Light Edition – Edición ligera.

III. ANÁLISIS DEL MERCADO

HMV Ingenieros hizo un proceso de evaluación en el que se hicieron visitas en China y México, donde existían implementaciones con bus de proceso, para conocer la tecnología y experiencias en operación. Esto se complementó con un análisis de aspectos como el estado del arte, tendencias en cuanto a la evolución de estas soluciones en el mercado, las ex-periencias de varios fabricantes de equipos de con-trol y protección con soluciones de ese tipo y la dis-ponibilidad de equipos por parte de los fabricantes.

La solución IEC61850-9-1 ha sido desarrollada por algunos fabricantes del mercado, contando con va-riedad de proyectos en funcionamiento, y ofreciendo como ventaja la simplicidad en la configuración entre Merging Units y equipos de protección. Sin embargo, aún se presentan dudas sobre su interoperabilidad con otros fabricantes, por lo que no fue implementa-da en el proyecto MK Digital.

La solución IEC61850-9-2 presenta una mayor canti-dad de desarrollos por parte de los fabricantes y de proyectos en funcionamiento, según la recomenda-ción “9-2LE”, en algunos de los cuales ha sido pro-bada su interoperabilidad entre fabricantes; razones por las cuales HMV ingenieros decidió implementar el proyecto MK Digital sobre esta tecnología.

Como parte del desarrollo de la tecnología de bus de proceso, varios fabricantes están impulsando también el uso de transformadores de corriente y tensión no convencionales, que se integran al bus de proceso directamente o mediante interfaces. Sin embargo, para la implementación del proyecto del MK Digital no fueron considerados debido a que el código de redes y código de medida en Colombia aun no regulan este tipo de transformadores de ins-trumentación.

IV. IMPLEMENTACIÓN DEL PROYECTO

El proyecto consiste en la implementación de un sis-tema de control y protección para la bahía de salida de línea en 110 kV de la central hidroeléctrica San Miguel. Teniendo en cuenta que es el primer proyec-to de este tipo y que se busca sirva como un piloto, se consideró que se dividiría en dos sistemas, un sis-tema tradicional y un sistema con bus de proceso, con el fin de poder hacer una comparación entre los dos sistemas en su operación.

El sistema tradicional está compuesto por una pro-tección de línea 1 modelo SEL421, la cual tiene inte-grada mediante cable de cobre convencional, toda la señalización requerida para la realización de sus funciones. Como elemento de control sólo se previó un elemento de respaldo para la operación del inte-rruptor a través de selectores con llave.

El sistema con bus de proceso está compuesto por una solución donde se adquiere toda la información de equipos de patio como interruptores, seccionado-res y transformadores de instrumentación desde el mismo patio de la subestación a través de una Mer-ging Unit Digital ALSTOM modelo C066 y una Merging Unit Análoga ALSTOM modelo P04. En la sala de con-trol se tiene una protección de línea 2 ALSTOM P446 y un controlador de bahía ALSTOM C204.

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La Merging Unit análoga, la protección de línea 2 y el controlador de bahía, están conectados a la red de comunicaciones para señales análogas del bus de proceso mediante una red en estrella como se repre-senta en la Ilustración 2. En la aplicación particular del proyecto no es necesario tener redundancia en comunicaciones, debido a la inherente redundancia de tener dos sistemas de protección independiente, y para el caso de tecnologías diferentes.

Los relés de protección de línea 1 y 2, el controlador de bahía y la Merging Unit digital se encuentran co-nectados a la red de comunicaciones para señales digitales del bus de estación y el bus de proceso me-diante una red PRP5, como se indica en la Ilustración 3.

Adicionalmente, para fines de monitoreo y compara-ción del desempeño del sistema de protección por bus de proceso respecto al sistema de protección tradicional, se ha instalado un registrador de fallas REASON, con capacidad de registrar la información de ambos sistemas por medio de módulos de regis-tro de valores muestreados/GOOSE y valores análo-gos/digitales de forma cableada.

Figura 2: Red señales análogas bus de proceso

Figura 3: Red señales digitales bus de proceso y bus de estación

Los equipos a ubicar en patio (Merging Units y re-gistrador de falla) se han instalado en un gabinete para exteriores con grado IP 65, el cual contiene una unidad de aire acondicionado integrada, con el fin de dar más garantías para proteger estos equipos elec-trónicos de las condiciones extremas de temperatu-ra y humedad en el patio.

V. VENTAJAS Y RETOS DEL SISTEMA IMPLEMENTADO

A continuación se indican algunas de las principales ventajas que lleva consigo la implementación de sis-temas con bus de proceso:

• Es una solución acorde a los lineamientos de la norma IEC61850, permitiendo integración de equi-pos de niveles 2, 1 y 0 de diferentes fabricantes, uti-lizando herramientas y prácticas ya reconocidas en soluciones de bus de estación.• Reducciones en el tamaño del edificio de control y canalizaciones de cables.• Menor número de equipos (relés repetidores, bor-neras, etc.) en los armarios de control y protección. Esto permite reducir espacios en los tableros diseña-dos actualmente.

5PRP por sus siglas en inglés Parallel Redundancy Protocol, estan-darizado en la norma IEC62439

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• Sólo se requieren sistemas portacables y canaliza-ciones de cables para la fibra óptica del bus de esta-ción y de proceso y las alimentaciones auxiliares de corriente alterna y continua, reduciendo el tamaño de las obras civiles relacionadas con canalizaciones en el patio de la subestación y entre este y el edificio de control.• Se reducen los recursos humanos y materiales re-queridos para implementar los cambios que surgen en las etapas de diseño y pruebas; los cambios se traducen en su mayoría a labores de configuración y ajuste en la programación – software.• Reducción en la documentación de diseño requeri-da para los tableros de control y protección.• El reemplazo de cableado de cobre a fibra óptica permite eliminar problemas de interferencias sobre el cableado en cobre.• En pruebas en fábrica es posible probar casi la totalidad del sistema de control y protección redu-ciendo el tiempo y recursos requeridos en obra. Las pruebas en sitio sólo requieren la interfaz entre los equipos de patio y las Merging Units. • Reducción en tiempos de construcción (menos obras civiles de canalizaciones) y tiempos de monta-je debido a la reducción en cantidades de cables en tendido y conexionado.• Las reducciones en tiempo para las ampliaciones o actualizaciones de sistemas existentes, se convier-ten en menor cantidad de consignaciones y meno-res tiempos de indisponibilidad del sistema.• Debido a la disminución de señales con tensión de corriente alterna y corriente continua en el edificio de control, se reducen los riesgos para el personal encargado del sistema de control y protección.

En implementación y adopción de esta tecnología surgen retos por superar, los cuales se describen a continuación:

• Aunque los sistemas de control y protección con fun-ciones de comunicación por redes de datos ha obli-gado a que los grupos tradicionales de protecciones, automatización y comunicaciones de las empresas de energía trabajen muy en conjunto, el bus de proce-so obliga a un cambio de filosofía, donde se requiere una redefinición de roles y un nuevo requerimiento de capacidades de las áreas involucradas, teniendo en cuenta que toda la información se maneja indis-tintamente en una misma red de comunicaciones.

• Para la detección y solución de errores se requiere de personal capacitado en programación y manejo de herramientas de software especializadas.• Se requiere documentar más a fondo el desarro-llo realizado a nivel de software en cada uno de los equipos que conforman las redes de control y pro-tección.• Poca disponibilidad de soluciones de bus de pro-ceso en el mercado y pocas experiencias de siste-mas en funcionamiento por parte de los fabricantes como de las empresas prestadoras de servicios.

VI. RESULTADOS

Para el proyecto en cuestión, actualmente se han realizado los diseños, compras, ensamble y pruebas en fábrica, donde fue posible realizar pruebas com-pletas del sistema incluyendo verificaciones de su desempeño.

Figura 4 Pruebas en fábrica MK Digital

A partir de las pruebas en fábrica, donde fueron si-muladas las posibles condiciones que se presentan en sitio, se obtuvieron los siguientes resultados:

• En los sistemas con bus de proceso la sincroniza-ción de tiempo cobra una mayor importancia, ya que los valores muestreados tienen como característica principal la estampación de tiempo de los valores análogos. De existir errores o problemas con la es-tampación de tiempo, los equipos de protección que usan esta tecnología bloquean su operación para evitar riesgos de operar erróneamente.

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Para disminuir la posibilidad de que haya pérdida de sincronización, se debe considerar redundancia en el sistema de sincronización de tiempo.• Los tiempos de operación del sistema de protec-ción a través del bus de proceso fueron similares al del sistema de protección con cableado tradicional en cobre. Estos resultados fueron obtenidos median-te la inyección simultánea de fallas en ambos siste-mas y comparando sus tiempos de operación a la salida de la Merging Unit Digital. • Las pruebas sobre los equipos de protección y control dentro de un sistema por bus de proceso se deben efectuar desde un punto de vista diferente, teniendo en cuenta que el sistema es en su mayoría basado en redes de comunicaciones. Por este moti-vo, es necesario el uso y exploración de herramien-tas de software de diagnóstico y prueba, que permi-tan inyectar valores muestreados y mensajes GOOSE por la red de datos, simulando las condiciones de falla del sistema. • En las pruebas por bus de proceso de este pro-yecto, HMV Ingenieros adquirió módulos de software para las maletas de prueba tradicionales Omicron CMC 356, sin necesidad de modificar su hardware. Estos módulos permitieron efectuar exitosamente las mismas pruebas que se efectúan mediante ca-bleado convencional de la maleta a la protección, pero conectando la maleta al suiche de red de bus de proceso mediante un solo cable de comunicacio-nes.• Dado que las pruebas de protecciones se realizan a través de la red de datos, los bloques de prueba tradicionales para aislar físicamente las señales de transformadores de instrumentación y disparos de las protecciones sólo se vuelven aplicables para pruebas desde el patio. Para el aislamiento de la pro-tección y disparos durante pruebas en un sistema por bus de proceso, se hace imperativo el manejo del modo de prueba de los equipos de protección. El modo de prueba permite hacer inyección de la protección cambiando la ¨calidad¨ de sus mensajes GOOSE para evitar que éstos se conviertan en seña-les de disparo a otros dispositivos, permitiendo que sean registrados por la herramienta que verifica la generación de mensajes GOOSE. • Se hace necesario el uso de VLAN6 para la secto-rización del tráfico en las redes de comunicaciones de la subestación, teniendo en cuenta el volumen de información que es transmitido.

• Se recomienda la redundancia en la red de datos para los buses de estación y proceso, teniendo en cuenta que la operación de los sistemas de control y protección de la subestación dependen de la red de datos.

VII. CONCLUSIONES

HMV Ingenieros está instalando uno de los primeros proyectos con tecnología de bus de proceso en La-tinoamérica y el primero en Colombia con el fin de innovar tecnológicamente en estos sistemas, adqui-rir experiencia en su diseño, implementación, con-figuración, pruebas y operación. El proyecto genera además una vitrina para empresas del sector eléc-trico y fabricantes de equipos que les permita ver la tecnología en funcionamiento y generar confianza para su implementación en sus instalaciones. El sistema implementado aprovecha las capacidades de las redes de datos para ahorrar cableado de co-bre, infraestructura civil de canalizaciones de cables, y los tiempos de construcción y montaje asociados.La solución implementada es funcional y confiable, tiene gran potencial de aplicación en subestaciones y puede brindar ahorros considerables dependiendo de la magnitud de la subestación en la que se adopte este tipo de soluciones.

Figura 5: MK Digital

6 Por su traducción al inglés “Virtual LAN”

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El estándar internacional IEC61850 de la Comisión In-ternacional Electrotécnica (IEC) establece las pautas que mundialmente fabricantes y usuarios están im-plementando para la automatización de subestacio-nes y plantas de generación de energía. Sin embargo, no existen mundialmente muchas aplicaciones que usen el bus de proceso.

VIII. REFERENCIAS

[1] Burger, J. Krummen, D. Abele, J. Transmission and distribution world. Process Bus and SCADA Equip-ment Control Implementing SBO in Process Bus. [2] Hidalgo, D. M., Estudio de la configuración de un equipo de medidas basado en la norma IEC 61850 para subestaciones de media/baja tensión.[3] Hunt, R. Ernst, Tom. Using IEC 61850 Process Bus To Meet NERC PRC-005-2 Condition Based Mainte-nance Requirements.[4] Hunt, R. Popescu, B. Process Bus and SCADA Equi-pment Control Implementing SBO in Process Bus.

IX. RESEÑA AUTORES

José Heriberto Franco: Ingeniero electrónico gra-duado en 1989 en la Universidad Pontifica Bolivaria-na, con especialización en Automática en la misma institución. Inició su labor profesional participando en diseños y fabricación de equipos de control con microprocesadores, circuitos de control, controlado-res programables y ejecución de proyectos de con-trol de procesos industriales. Posteriormente ingresa a HMV en el año 1994, en donde se ha desempeñado como ingeniero de sistemas de control y comunica-ciones, como ingeniero de diseño, coordinador de grupo y actualmente como líder del área automati-zación y comunicaciones.

Con participación directa en proyectos de subesta-ciones de media, alta y extra alta tensión, centrales de generación hídrica, plantas de generación térmi-ca, control de procesos industriales y del sector pe-tróleos. jfranco@h-mv.com

Juan David García G: Ingeniero Electricista de la Universidad Pontifica Bolivariana en 1994 y comenzó su carrera en mantenimiento de subestaciones y di-seño de centrales hidroeléctricas antes de ingresar a HMV Ingenieros. En sus 20 años de carrera con HMV, ha desempeñado cargos en diseño, montaje, pruebas y dirección de proyectos asociados a subestaciones de media y alta tensión y centrales hidroeléctricas. Actualmente, se desempeña como Jefe de Área de Control, Protecciones y Pruebas, y como Líder del Taller de Fabricación de Tableros. jgarcia@h-mv.com

Teresa Osorno Arias: Ingeniera electrónica de la Universidad Pontifica Bolivariana graduada en el año 2008. Ingresó a HMV ingenieros en 2009, desempe-ñándose como ingeniera de diseño y actualmen-te como ingeniera Especialista, con experiencia en implementación de soluciones de automatización y comunicaciones. tosorno@h-mv.com

Cesar Latozefski: Ingeniero Electrónico de la UNE-FA en 2004 y comenzó su carrera en mantenimiento y diseño de sistemas de control e instrumentación de complejos petroleros, centrales hidroeléctricas y subestaciones antes de ingresar a HMV Ingenieros. En sus 5 años de carrera con HMV, ha desempeña-do cargos en diseño, montaje, pruebas y puesta en servicio de proyectos asociados a subestaciones de media y alta tensión y centrales hidroeléctricas. Ac-tualmente, se desempeña como Ingeniero Especia-lista del área de Automatización y Comunicaciones. clatozefski@h-mv.com

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