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Resumen Norma IEC 61850 Daniel Fernando Rodríguez Ruiz - Cód. 20131007067 [email protected]  Abstract— The following report is a summary and analysis of the IEC 61850 standard on international standardization in communications for the control and protection systems of electrical substations. Palabras clave — Comunicación, Estándar, Sub Estación, Protocolo.

I. INTRODUCCIÓN

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N el sector eléctrico, como en cualquier otro sector en el mercado internacional, se han venido realizando cambios importantes en cuanto a la innovación y modernización de los conceptos, técnicas, materiales, dispositivos y control de datos concernientes al rubro, pero recientemente se le ha prestado especial atención a la telecomunicación e interconectividad tanto de dispositivos como de sistemas, puesto que, en un mundo en globalización la comunicación y el manejo de la información juegan un papel primordial cuando se busca tener una mejor desempeño a un bajo costo, que en este caso, serán dirigidos a las subestaciones eléctricas automatizadas. Es por este motivo que para cualquier estudiante e ingeniero electricista, el conocer los nuevos protocolos de comunicación es primordial, pero resulta imposible conocerlos todos pues existen tantos fabricantes como productos y técnicas, por este motivo se crea la norma internacional IEC 61850, que estandariza la comunicación entre equipos de protección, control y medida en una subestación, con el fin de conseguir interoperabilidad entre fabricantes. II. OBJETIVOS Realizar un resumen conciso de la norma IEC61850, resaltando los puntos clave de cada subtema prestando especial atención a los protocolos internacionales estándar de comunicación en sub estaciones, Smart grid y energías renovables.

técnica y económica e impulsando el avance en la automatización de sub estaciones. De acuerdo con esta línea objetivo, en la que se busca una estandarización que permita la interoperabilidad entre dispositivos, la norma define un modelo de datos orientado a objetos y funciones, que dividen la sub estación en funciones básicas a través de la definición de nodos lógicos y unidades simples de información, racionalizando y simplificando las bases de datos de las instalaciones, haciéndolas mucho más manejables. Uno de los puntos fuertes de la norma es que introduce a la subestación y sus dispositivos una red de área local LAN, en la cual las funciones de control y protección son monitoreadas y manipuladas a distancia y ya no de forma presencial como se necesitaba en las subestaciones tradicionales, abaratando costes de cableado y tiempo. Una de las ventajas y puntos fuertes de la norma, es la escalabilidad que otorga a la subestación, es decir que si se desea amentar la instalación no se es necesario intervenir la capacidad de la red, puesto que una misma conexión física equivale a un mayor número de conexiones físicas cableadas, lo que permite aumentar el volumen de información en el sistema sin modificar su infraestructura.

IV. COMPONENTES DE LA NORMA El estándar IEC 61850 cuenta con 14 partes principales, provenientes de 10 capítulos, los cuales son: 

IEC61850-1. Introducción y vista general: describe de forma general los alcances y filosofía de la norma.

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IEC61850-2. Glosario: Recopila las definiciones y acrónimos que se emplean en todas las partes que componen la norma.

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IEC61850-3. Requerimientos generales: Establece cuales son los requerimientos de robustez y desempeño que deben cumplir los componentes especificados en la norma

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IEC61850-4. Sistema y administración del proyecto: Define los conceptos relacionados a la administración de un proyecto basado en la norma, incluye lo referente a compromisos del fabricante en cuanto a soporte y disponibilidad de partes de repuesto.

III. DESCRIPCIÓN DE LA NORMA [1] La norma IEC 61850 es un estándar internacional, surgido de la necesidad de unificación de protocolos, tanto estandarizados como los protocolos propietarios, con el fin de conseguir interoperabilidad entre fabricantes. Consecuentemente, el control de las subestaciones se hace independiente de los fabricantes, pudiendo interconectar y sustituir dispositivos pertenecientes a diferentes fuentes; esta característica permite hacer que el diseño de la fabricación ya no quede sujeto a las condiciones y soluciones propuestas por cada fabricante, permitiendo una mayor maniobrabilidad

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IEC61850-5. Requerimientos de comunicación para las funciones y modelado de equipos: establece el método de interpretación, y manejo de los equipos e información en estos, conceptualizando el intercambio de datos entre las distintas funciones del sistema. IEC61850-6. Lenguaje de descripción de la configuración para sistemas de automatización: describe un lenguaje de configuración de subestación (SCL) cuyo objetivo es estandarizar y normalizar formatos de intercambio de configuración de cada componente del sistema, con el objetivo de interoperabilizar los dispositivos en una subestación. IEC61850-7-1. Estructura básica de comunicación para la subestación y alimentadores. Principios y modelos: describe de forma detallada el método de modelamiento de los principios de comunicaciones y los modelos de información descritos en las partes siguientes, detallando la implementación de servicios de comunicación, usando protocolos concretos. IEC61850-7-2. Estructura básica de comunicación para la subestación y alimentadores. ASCI (Abstract Communication Service Interface): establece los servicios abstractos con los que todo dispositivo debe contar, dependiendo de su función. IEC61850-7-3. Estructura básica de comunicación para la subestación y alimentadores. Clases de datos comunes: establece los tipos de datos comunes encontrados en la parte 7-4. IEC61850-7-4. Estructura básica de comunicación para la subestación y alimentadores. Clases de nodos lógicos compatibles y clase de datos: especifica cómo se debe organizar la información y funciones relacionadas con las aplicaciones existentes dentro de las subestaciones. Se emplean conceptos de dispositivos lógicos como elementos contenedores, mientras que se adopta el nodo lógico, como elemento para definir una función muy concreta del sistema.

tensión, empleando valores muestreados, transmitidos en tiempo real (del orden de microsegundos). 

V. RESUMEN DE LA NORMA Las funciones de un SAS son las distintas tares que se desarrollan en la subestación. Estas funciones pueden referirse al control, monitorización y protección de los equipos de la subestación, además existen otras capacidades para el mantenimiento, configuración y comunicaciones de estos sistemas. Todas las operaciones desarrolladas en una subestación se catalogan en tres grandes niveles lógicos: nivel de estación, de posición o bahía y nivel de proceso. Las funciones en el nivel de proceso, son las encargadas del muestreo en el origen y transmisión en tiempo real de valores análogos y digitales. Las funciones al nivel de bahía se encargan de utilizar los datos de una posición y en correspondencia actuar con el equipamiento primario de esa posición. En el nivel de estación, existen dos tipos de funciones, las relativas al proceso, que usan datos de varias posiciones para actuar sobre los equipamientos correspondientes a estas, y la funciones relativas a la interfaz, que representan la frontera entre el SAS y los operadores locales, centros remotos de control y unidades para la monitorización y mantenimiento. La comunicación entre estos niveles lógicos se lleva a cabo a través de la definición de 10 interfaces, entendiendo por interfaz cada parte de la organización lógica de las interacciones entre dispositivos y elementos del sistema, las cuales son: 

IEC61850-8. Servicios de comunicación específicos de mapeo (SCSM)- MMS: define los medios y protocolos estándar empleados en la adquisición de datos e intercambio de información en tiempo real entre dispositivos (comunicación vertical y horizontal respectivamente), en los cuales respectivamente se emplea ethernet (ISO/IEC 8802-3) como medio y MMS (Manufacturing Message Specification), e ISO 9506-1 / ISO 9506-2 como protocolo de transporte. IEC61850-9. Servicios de comunicación específicos de mapeo (SCSM)- SV: describe la metodología de implementación de servicios relacionados con el intercambio de información entre equipos de medición primaria, como los transformadores de intensidad y

IEC61850-10. Pruebas de conformidad: establece las pruebas de conformidad y la metodología para verificar si un dispositivo es capaz de comunicarse en un SAS (Sistema de Automatización de Subestación) basado en la norma.

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IF1: datos de protección entre nivel de estación y nivel de posición. IF2: datos de protección entre tele protecciones. IF3: datos internos del nivel de posición. IF4: datos de medida entre nivel de proceso y nivel de posición. IF5: datos de control entre nivel de proceso y nivel de posición. IF6: datos de control entre nivel de estación y nivel de posición. IF7: datos de tele configuración y tele supervisión. IF8: datos de protección entre niveles de posición. IF9: datos de control internos de nivel de estación. IF10: datos de control entre nivel de estación y centros de control.

La norma IEC 61850 abarca todos los niveles excepto el 2 y 10. La base de la norma consiste en la definición de los diferentes mecanismos de intercambio de información que hacen posible la implementación de las funciones de control, protección, medida y monitorización, estos mecanismos consisten en:   

La definición de un modelo de datos para la representación de la información. Los modelos de intercambio de información o servicios. La definición del mapeo de los datos y los servicios en protocolos de comunicación para ser transmitidos a través de la red.

Basándose en la idea de que un operador no tiene la necesidad de conocer a fondo la ingeniería de control de la subestación, sino por el contrario debe enfocarse en la identificación de funciones y objetos básicos, que permiten crear una imagen intuitiva del sistema, la norma IEC 61850 define un modelo de datos orientado a estos objetos y funciones, que facilitan modelar todos los dispositivos del sistema dividiéndolos según sus funcionalidades. Este nuevo enfoque permite que los dispositivos sean intercambiables, es decir, proporciona interoperabilidad entre fabricantes, uno de los principales objetivos del estándar. Lo que se pretende con la definición de modelo de datos es representar virtualmente un entorno real, así se pueden modelar todos los equipamientos y elementos físicos reales (transformador, interruptor, seccionador, protecciones, etc) con todas sus propiedades, así como todas las funciones que pueden ser desarrolladas dentro de una subestación. La norma IEC 61850 presenta un modelo de información jerárquico, que descompone las funcionalidades de la subestación en entidades más pequeñas utilizadas para el intercambio de información como se aprecia en la figura 1.

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Tipos de datos básicos. Tipos de datos comunes. Tipos de datos compuestos. Common data clases (CDC) Nodos lógicos (LN)

El concepto de nodo lógico es sin duda, una de las grandes características de la norma, puesto que estos nodos y la información contenida en ellos es crucial para la descripción y el intercambio de información que permiten la interoperabilidad de os sistemas de automatización de la subestación. Estos nodos pueden representar dispositivos físicos (interruptor), partes de un dispositivo multifunción (protección electrónica) o un dispositivo auxiliar, pero siempre emulan funcionas básicas, puesto que estas funciones no pueden subdividirse en otras más elementales. Estas funciones se clasifican así:      

Gestión de la red. Control. Protección Alarmas. Medida Sincronización.

Retomando la estructura de modelo de datos (figura 1), los objetos que forman los nodos lógicos se agrupan en CDCs, según las características de la información que contienen.     

Información de estado: contienen información del estado del proceso o función representada por el LN. Medida: representan datos analógicos obtenidos de a medida de señales de corriente, tensión, o calculados internamente como la potencia. Controles: objetos cuyo valor se modifica mediante mandos. Settings: objetos para configurar la función que realiza el LN para su operación. Descripciones: objetos que contienen información del nodo lógico.

Una de las principales ventajas de la IEC 61850 es la definición de un lenguaje completo de configuración a nivel de subestación. Este lenguaje, conocido como SCL (Substation Configuration language), está basado en el estándar XML (eXtended Markup Language) y permite describir las configuraciones y parámetros de comunicaciones de un IED y de la red IEC 61850 de la instalación.

Figura1. Modelo jerárquico de datos. Las funciones en las que se dividen los dispositivos reales son modeladas por los nodos lógicos, sin duda el concepto más potente y más característico de la norma. Las diferentes categorías en las que se divide el modelo de datos son:

El principal propósito de este lenguaje es permitir el intercambio de los ficheros de la configuración SCL entre las distintas herramientas de ingeniería del sistema de automatización y las herramientas de ingeniería de los equipos, sin depender de herramientas propietarias, de manera transparente al fabricante y al modelo del equipo de protección y control.

VI. CONCLUSIONES Y ANÁLISIS Teniendo en cuenta que actualmente la demanda de energía en las grandes ciudades está aumentando a una escala considerable y que según lo explicado en la premisa de la norma IEC 61850, las subestaciones tradicionales debían modificar sus instalaciones cuando se tenían que acomodar al incrementado volumen de datos, producto de una actualización en los equipamientos, la norma es una solución aceptable a la creciente demanda, pero creo que uno de los propósitos en general y con más peso es el factor económico involucrado, puesto que el diseño de una subestación estaba limitado por el producto del fabricante disponible más asequible tanto económicamente (distancias de transporte, aranceles, impuestos, cambio de divisas, etc), como técnicamente, puesto que si un producto cumplía con los requerimientos necesarios pero el costo de traerlo de su lugar de fabricación a su destino no era necesariamente la mejor elección, entonces el diseño se debía hacer en base al producto disponible, con muy poco margen de maniobra; entonces creo que la norma quito este impedimento, permitiendo que diseñadores y operadores pudiesen acomodar las funcionalidades de la subestación a las necesidades de carga, sin depender de la disponibilidad de un producto o una marca en específico, claro esto no significa que los impedimentos económicos mencionados antes se eliminen, solo que se amplía la gama de elección en equipos, pues se pueden conseguir reemplazos de una forma más eficiente y en menor tiempo, pues se puede elegir lo que se necesita sin tener que preocuparse por como esta pieza o equipo se acoplara con el resto. Entonces la norma ha globalizado el mercado de equipamiento eléctrico, pero aún más importante ha permitido que las subestaciones evolucionen, al implementar un lenguaje único que interconecte equipos, protocolos y datos, que en resumidas cuentas dan paso a nuevas tecnologías de manejos y disposición de estos datos, como la telecomunicación. La norma ha establecido un punto inflexivo en el diseño, manejo y control de subestaciones eléctricas, unificando lenguas y métodos, permitiendo la incursión de una tecnología contemporánea como el internet, en donde la información es instantánea y su disposición permite un control y supervisión a distancia, y en mi opinión creo que es una base fuerte para una automatización completa y autónoma, y posiblemente sente las bases de la incursión de inteligencias artificiales que se encarguen por completo de estas instalaciones. REFERENCIAS [1] Norma IEC 61850, “Implementación práctica de protocolo IEC 61850 en subestaciones eléctricas, problemas y soluciones”, Mario Benítez Lobato, [en línea] disponible en: http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/70641/fichero/4.+IEC61850.pdf