Sistema de comunicación entre Subestaciones Eléctricas y ...

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA.

UNIVERSIDAD RAFAEL BELLOSO CHACIN.

FACULTAD DE INGENIERIA.

ESCUELA DE INGENIERIA EN ELECTRONICA.

Sistema de comunicación entre Subestaciones Eléctricas y el Sistema de Adquisición de Datos utilizando OPGW.

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA MENCIÓN TELECOMUNICACIONES.

ELABORADO POR:

ING. GUZMAN VELASQUEZ, JOSÉ ANTONIO.

TSU. PRIETO SULBARAN, IVONNE DEL CARMEN.

BR. TERAN RODRIGUEZ, ANTONIO JOSÉ.

TUTOR ACADEMICO

MGS. GABRIEL VILLA.

ASESORA METODOLOGIA

MGS. MARIBEL ORDOÑEZ

MARACAIBO, MARZO DE 2011.

SISTEMA DE COMUNICACIÓN ENTRE SUBESTACIONES ELÉCTRICAS Y EL SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS UTILIZANDO OPGW.

DEDICATORIA

A Dios Todopoderoso por la sabiduría que me dio para culminar este

trabajo y mi carrera.

A mi esposa Nury, gracias por la paciencia y el amor que me tienes.

A mi hija Isabella Antonia, por ser la luz de mi vida.

A mis padres Leris y Domingo, que por su lucha conmigo, me orientaron

a la culminación de mi carrera y así tener unos modelos a quien admirar.

A mis hermanos Domingo, Alejandro y Rafael, que desde la distancia

fueron mis grandes e inseparables amigos, porque siempre me

ayudaron sin recibir nada a cambio.

A mi 2da mamá la Sra. Gabriela, muchísimas gracias porque siempre me

mantuvo en sus oraciones.

A todos ustedes, MUCHÍSIMAS GRACIAS

JOSE A. GUZMÁN V.

vi

DEDICATORIA

Dedico este proyecto y toda mi carrera universitaria a Dios por ser quien ha

estado a mi lado en todo momento dándome la fuerza necesaria para seguir

luchando día tras día y seguir adelante rompiendo todas las barreras que se me

presenten.

Le agradezco a mi familia y especialmente a mi abuelita Bertha ya que

gracias a ellos soy quien soy hoy en día, fueron los que me dieron ese cariño y

calor humano necesario, son los que han velado por mi salud, mis estudios, mi

educación, alimentación entre otros, son a ellos a quien le debo todo, horas de

consejo, de regaños, de reprimendas, de tristezas y de alegrías de las cuales

estoy muy segura que las han hecho con todo el amor del mundo para formarme

como un ser integral y de las cuales me siento extremadamente orgullosa.

IVONNE PRIETO S.

vii

DEDICATORIA

A mi madre, por ser un apoyo incondicional, por creer siempre en mi y por

todos y cada uno de sus consejos los cuales fueron la mejor guía ante la

adversidad, quien a pesar de las dificultades siempre mostro ese incansable

deseo de verme realizado, al poseer un tan excepcional espíritu luchador fue una

inagotable fuente de inspiración y motivación que me acompaño en los momentos

más difíciles siendo un factor determinante en la culminación de esta meta.

A mi padre por apoyarme de muchas maneras, por influir en mí durante

toda mi formación, quien gracias a su intachable perfil de investigador fue una

fuente infinita de sabiduría y un modelo a seguir.

También agradezco a todas las personas que de alguna u otra forma

influyeron en la elaboración de este proyecto, quienes aun sin ser mencionados

están muy presentes en este momento, y con los cuales estaré agradecido

siempre.

ANTONIO J. TERAN R.

viii

AGRADECIMIENTOS

Primero agradecer a la Universidad Rafael Belloso Chacin por permitirnos

estudiar en sus instalaciones.

A todos los profesores que de una u otra forma nos formaron y guiaron para

culminar esta carrera.

Agradecemos a todas aquellas personas que de una u otra forma nos

ayudaron a seguir adelante para la culminación de la carrera y de este trabajo:

Cecilia de Molero, Gabriel Villa, Maribel Ordoñez, Norvelia Granadillos,

Daliana Echtay, José Luis León, Richard Galiz, Cesar Hernández, Breilys

Rodríguez, Ricardo Bracho, Niliana Etienne.

ix

INDICE GENERAL

Pagina

VEREDICTO iii

DEDICATORIA vi

AGRADECIMIENTOS ix

INDICE GENERAL x

INDICE DE FIGURAS xviii

INDICE DE TABLAS xix

RESUMEN xx

ABSTRACT xxi

INTRODUCCION 1

CAPITULO I. EL PROBLEMA

1. DESCRIPCIÓN DE LA SITUACIÓN OBJETO DE ESTUDIO. 4

1.1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. 6

2. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 7

2.1. OBJETIVO GENERAL. 7

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 7

3. JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN. 8

4. DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN. 9

CAPITULO II. MARCO TEORICO.

1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN. 11

2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA. 13

2.1. ANTECEDENTES DE LAS COMUNICACIONES. 14

2.2. MODELO DE INTERCONEXIÓN DE SISTEMAS ABIERTOS

(OSI).

15

2.3. MEDIOS DE TRANSMISIÓN FÍSICO. 17

2.3.1. PAR TRENZADO. 17

2.3.1.1. CARACTERÍSTICAS. 18

2.3.1.2. TIPOS. 18

2.3.1.3. CATEGORÍAS DE CABLES. 20

2.3.1.4. CARACTERÍSTICAS DE TRANSMISIÓN. 21

2.3.2. CABLE COAXIAL. 22


2.3.2.2. TIPOS. 23


2.3.3. FIBRA OPTICA. 24


2.3.3.2. TIPOS. 28

2.3.3.3. CLASES DE FIBRA OPTICA. 32


2.4. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES. 39

2.4.1. DISTRIBUTED NETWORK PROTOCOL (DNP) 3.00 40

2.4.2. FIELDBUS 42

2.4.3. PROFIBUS. 43

2.4.4. MODBUS. 44

2.4.5. USER COMMUNICATION ARQUITECTURE (UCA) 45

2.4.6. INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMISIÓN

(IEC) 61850

47

2.4.7. INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMISIÓN

(IEC) 60870-5.

55

2.4.8. TCP/IP 56

2.5. TOPOLOGÍAS DE REDES. 60

2.5.1. PUNTO A PUNTO 60

2.5.2. MULTIPUNTO. 61

2.6. SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA (SEP) 65

2.6.1. GENERACIÓN. 66

2.6.1.1. DEFINICIÓN. 66

2.6.1.2. CARACTERÍSTICAS 66

2.6.1.3. TIPOS DE CENTRALES ELÉCTRICAS. 66

2.6.2. TRANSMISIÓN. 69



2.6.2.3. PROTECCIÓN DE LÍNEAS ELÉCTRICAS. 72

2.6.3. DISTRIBUCIÓN. 75



2.6.3.3. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE

DISTRIBUCIÓN.

77

2.6.4. SUBESTACIONES ELÉCTRICAS 78

2.6.4.1. DEFINICIÓN 78

2.6.4.2. TIPOS DE CONFIGURACIONES. 79

2.7. SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS 87

2.7.1. DEFINICIÓN. 87

2.7.2. TIPOS DE SISTEMAS. 89

3. SISTEMA DE VARIABLES 90

4. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS. 91

CAPITULO III. MARCO METODOLOGICO

1. TIPO DE INVESTIGACIÓN. 97

2. POBLACIÓN, MUESTRA Y TIPO DE MUESTREO. 98

3. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS. 100

4. METODOLOGÍA SELECCIONADA 101

CAPITULO IV. RESULTADOS DE LA INVESTIGACION

1. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 106

2. DISCUSION DE LOS RESULTADOS 123

CONCLUSIONES 125

RECOMENDACIONES 128

BIBLIOGRAFÍA 131

ANEXOS 135

INDICE DE FIGURAS

Figura Pagina

1 MODELO OSI 15

2 VISTA INTERNA DE UN CABLE UTP 19

3 VISTA INTERNA DE UN CABLE STP 19

4 VISTA INTERNA DE UN CABLE FTP 20

5 VISTA INTERNA DE UN CABLE COAXIAL. 22

6 VISTA INTERNA DE UN CABLE DE FIBRA ÓPTICA TIPO

MONOMODO

30

7 VISTA INTERNA DE UN CABLE DE FIBRA ÓPTICA TIPO

MULTIMODO

31

8 VISTA INTERNA DE UN CABLE DE FIBRA ÓPTICA DE

ESTRUCTURA HOLGADA

32

9 VISTA INTERNA DE UN CABLE DE FIBRA ÓPTICA DE

ESTRUCTURA AJUSTADA

33

10 VISTA INTERNA DE UN CABLE DE FIBRA ÓPTICA BLINDADA 34

11 VISTA INTERNA DE UN CABLE DE FIBRA ÓPTICA AÉREO. 35

12 VISTA INTERNA DE UN CABLE DE FIBRA ÓPTICA SUBMARINO. 35

13 VISTA INTERNA DE UN CABLE OPGW 36

14 FORMATO DE BITS DEL DNP 41

15 EVOLUCIÓN DE LOS PROTOCOLOS DE COMUNICACIONES. 48

16 INTERFAZ LÓGICA DE UN SAS. 49

17 MODELO DE INTERFAZ EN SAS. 50

18 ESTRUCTURA DE UNA SAS Y SU AMBIENTE. 52

19 MODELO OSI PARA EL IEC 61850 54

20 RELACIÓN DEL MODELO TCP/IP CON EL MODELO OSI 57

21 MODELO DE CAPAS DE TCP/IP 57

22 CONEXIÓN PUNTO A PUNTO 61

23 CONEXIÓN MULTIPUNTO TIPO BUS 62

24 CONEXIÓN MULTIPUNTO TIPO ESTRELLA 62

25 CONEXIÓN MULTIPUNTO TIPO CIRCULO O ANILLO 63

26 CONEXIÓN MULTIPUNTO TIPO ÁRBOL 63

27 CONEXIÓN MULTIPUNTO TIPO JERÁRQUICA 64

28 CONEXIÓN MULTIPUNTO TIPO MALLA 64

29 CONEXIÓN MULTIPUNTO TIPO ESTRELLA-ESTRELLA 64

30 CONEXIÓN MULTIPUNTO TIPO ANILLO-ESTRELLA 65

31 REPRESENTACIÓN DE UN SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA 65

32 LÍNEAS DE TRANSMISIÓN ELÉCTRICA AÉREAS 71

33 REPRESENTACIÓN DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN

SUBTERRÁNEA

72

34 UBICACIÓN DEL CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE ALTA

TENSIÓN. 72

35 MÉTODO DE ÁNGULO FIJO. 73

36 MÉTODO ELECTROGEOMETRICO 74

37 CARACTERÍSTICAS DE UN CABLE DE GUARDA CON FIBRA

ÓPTICA.

75

38 CONFIGURACIÓN BARRA SENCILLA 80

39 CONFIGURACIÓN EN “H” 80

40 CONFIGURACIÓN BARRA PRINCIPAL Y DE TRANSFERENCIA 81

41 CONFIGURACIÓN DOBLE BARRA 82

42 CONFIGURACIÓN DOBLE BARRA MÁS SECCIONADOR DE “BY-

PASS”

83

43 CONFIGURACIÓN DOBLE BARRA MÁS SECCIONADOR DE

TRANSFERENCIA

83

44 CONFIGURACIÓN DOBLE BARRA MÁS BARRA TRANSFERENCIA 84

45 CONFIGURACIÓN ANILLO 85

46 CONFIGURACIÓN INTERRUPTOR Y MEDIO 86

47 CONFIGURACIÓN DOBLE BARRA CON DOBLE INTERRUPTOR 86

48 CONFIGURACIÓN ANILLO CRUZADO 87

49 TOPOLOGÍA EN UNA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA. 108

50 CONEXIÓN DESDE LA SUBESTACIÓN HASTA CENTRO DE

CONTROL

110

51 CONFIGURACIÓN DE COMUNICACIÓN EN SUBESTACIÓN

ELÉCTRICA UTILIZANDO IEC 61850 CON FIBRA ÓPTICA.

116

52 CONEXIONADO DEL CABLE OPGW 117

53 CONEXIONADO Y DISTRIBUCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL. 118

54 GRAFICO DE LA PRIMERA PREGUNTA DE LA ENCUESTA. 119

55 GRAFICO DE LA SEGUNDA PREGUNTA DE LA ENCUESTA. 120

56 GRAFICO DE LA TERCERA PREGUNTA DE LA ENCUESTA. 120

57 GRAFICO DE LA CUARTA PREGUNTA DE LA ENCUESTA. 121

58 GRAFICO DE LA QUINTA PREGUNTA DE LA ENCUESTA. 122

59 GRAFICO DE LA SEXTA PREGUNTA DE LA ENCUESTA. 122

60 GRAFICO DE LA SÉPTIMA PREGUNTA DE LA ENCUESTA. 123

INDICE DE TABLAS

Tabla Pagina

1 CARACTERÍSTICAS DE LA FAMILIA PROFIBUS 44

2 DESCRIPCIÓN DE PROTOCOLOS UTILIZADOS EN

SUBESTACIONES ELÉCTRICAS

135

3 CARACTERÍSTICAS DE PROTOCOLOS UTILIZADOS EN

SUBESTACIONES ELÉCTRICAS

136

4 CARACTERÍSTICAS DE PROTOCOLOS UTILIZADOS EN

MANEJADORES DE ENERGÍA

137

5 DESCRIPCIÓN DE MEDIOS DE COMUNICACIÓN 138

GUZMAN VELASQUEZ, José Antonio; PRIETO SULBARAN, Ivonne del Carmen; TERAN RODRIGUEZ, Antonio José. Sistema de comunicación entre Subestaciones Eléctricas y el sistema de Adquisición de Datos utilizando OPGW. Universidad Rafael Belloso Chacin, Facultad de Ingeniería, Escuela de Electrónica. Maracaibo 2011

RESUMEN

La investigación se basa en determinar los dispositivos y protocolos de

comunicaciones a utilizar a la hora de reemplazar las microondas terrestres por

fibra óptica como medio de comunicación entre las subestaciones eléctricas y el

centro de monitoreo o SCADA. Se fundamento en documentación obtenida de la

Comisión Internacional de Electrotecnia IEC, Siemens, ABB, entre otros y

entrevista a expertos en la materia. El tipo de investigación es aplicada, descriptiva

y de campo utilizando una metodología en base a los pasos de Jerry Fitzgeral y

como instrumento de recolección de datos utilizamos la entrevista no estructurada.

Los resultados obtenidos satisfacen a todos las personas que interactúan de una u

otra forma con el desarrollo de automatización de subestaciones eléctricas y

programación y mantenimiento del sistema de adquisición de datos.

xx

GUZMAN VELASQUEZ, José Antonio; PRIETO SULBARAN, Ivonne del Carmen; TERAN RODRIGUEZ, Antonio José. Communication system between electrical substation and the data acquisition system using OPGW. Rafael Belloso Chacin University, School of Engineering, Electronic’s School. Maracaibo 2011

ABSTRACT

The investigation is based on determining the devices and the

communication protocol to use when will replace the microwave communication

system to optical fiber to used has a communication ways between electrical

substation and the monitoring center or SCADA. It is based in information founded

and provided for the International Electrotechnial Commission IEC, Siemens, ABB,

amongst others and interviews with experts. The investigation is applied

descriptive and field application, using the methodology based in the Jerry

Fitzgeral steps and a instrument of data collection was unstructured interview. The

results satisfy all the people who interact in one way or another whit the

development of the electrical substation automations and the programmers and

maintenances of the data acquisition system.

xx

INTRODUCCIÓN

Gracias a la automatización de las subestaciones eléctricas, hoy en día las

fallas que se puedan presentar en un sistema de transmisión eléctrico no sólo son

despejadas con mayor eficiencia sino que además se puede obtener información

sobre la localización, duración, tipo de fallas y valores de voltaje y corriente

alcanzados durante la misma. La información que es suministrada por los equipos

de protección debe ser codificada para poder ser procesada.

Debido a los problemas que presentan las empresas del ramo en cuanto a

la transmisión de datos vía microondas, en cuanto a la pérdida de datos y

generación de falsas alarmas por el efecto del clima, ubicación de antenas, entre

otros problemas, se creó un cable de fibra óptica dentro del cable de guarda del

tendido eléctrico denominado OPGW.

Debido a que este sistema tiene poco tiempo en el mercado se presenta la

necesidad de conocer cuáles son los mejores equipos, configuraciones y

protocolos de comunicaciones para realizar una instalación adecuada sin afectar

el funcionamiento del sistema actual y que sea reemplazado sin mayores tramites

y configuraciones.

Basado en lo antes expuesto, se realiza la presente investigación con el

propósito de realizar un sistema de comunicaciones entre subestaciones eléctricas

y el sistema de monitoreo utilizando OPGW, dicho estudio se encuentra

estructurado de la siguiente forma:

En el capítulo I se abarca el planteamiento y formulación del problema,

objetivos generales y específicos, la justificación y delimitación de la investigación.

El capítulo II, está conformado por las bases teóricas que sirvieron de

fundamento para el desarrollo de la misma.

En el capítulo III se presenta el tipo de investigación y la metodología

implementada la cual consta de tres fases: Análisis, Diseño e Implementación.

El capítulo IV comprende el análisis de los resultados obtenidos durante la

investigación.

Finalmente se presenta las conclusiones y recomendaciones para dicho

estudio.

2

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