CEI 61850 e Industrial IT

CEI 61850 e Industrial IT Lars Andersson, Klaus-Peter Brand, Petra Reinhardt La comunidad internacional de ingeniería eléctrica está creando continuamente nuevos estándares mundiales. Estos estándares no sólo son importantes, sino también obligatorios para las actividades de ABB en todo el mundo. No obstante, los estándares tienen inevitablemente carácter de compromiso para un dominio de aplicación específico, concebido para beneficiar por igual a proveedores y clientes. ABB, concretamente, trabaja de forma permanente en el desarrollo de conceptos avanzados como Industrial IT, que proporcionan una ventaja competitiva y maximizan los beneficios de todos nuestros clientes. Esto plantea la cuestión: Cómo se relacionan los estándares internacionales y los conceptos que siguen las empresas? En el campo de la automatización de subestaciones, donde el nuevo estándar internacional CEI 61850 está en perfecta armonía con Industrial IT, la respuesta es tan clara como prometedora. Las subestaciones son los nodos fundamentales de una red de energía eléctrica. En ellas se controla el flujo de energía y a través de ellas se accede al sistema eléctrico con sistema supervisor de gestión de red. Además, en las subestaciones está instalada la mayor parte de los equipos de protección del sistema eléctrico. Con todas estas funciones no resulta sorprendente que el sistema de automatización de subestaciones (SA) tenga una estructura más o menos distribuida y que su fiabilidad sea un factor tan fundamental desde el punto de vista de la gestión exitosa de sistemas de energía. 37

Un sistema SA típico tiene los tres niveles (estación, bahía y proceso) que se muestran en 1. La interfaz con el proceso se puede establecer mediante cableado convencional o con enlaces de comunicación en serie. Importancia de la comunicación de las subestaciones La espina dorsal de cualquier sistema SA es la comunicación. La creación de un nuevo estándar de comunicación CEI 61850 [1] establecido especialmente para la automatización de subestaciones es, por tanto, un hecho importantal que ABB ha contribuido de modo importante. Este estándar tiene como objetivo principal conseguir la interoperabilidad, es decir, proporcionar la capacidad para que dos o más dispositivos electrónicos inteligentes (IED), de uno o varios proveedores, intercambien información y la utilicen para operar correctamente, tanto individual como conjuntamente. Obviamente, este objetivo plantea exigencias especiales de diseño y de ingeniería del sistema. Pero 1 lo que hace de este estándar un auténtico y útil desafío para ABB es su plena adecuación con el compromiso de nuestro Grupo: conseguir que todos nuestros sistemas armonicen con el concepto Industrial IT [2]. Tanto CEI 61850 como Industrial IT (IIT) son fruto del pensamiento avanzado sobre la evolución de la automatización industrial. Para entender su gran importancia para la automatización de subestaciones merece la pena examinar primero sus características individuales. CEI 61850: Un nuevo estándar para una nueva era Una característica fundamental del nuevo estándar es que separa la aplicación en sí misma y la comunicación por medio de una interfaz abstracta 2. Un modelo de dispositivos y funciones orientadas a objetos, con un dominio específico, describe los datos de la aplicación con todos los servicios requeridos. Las funciones se pueden asignar libremente a diferentes dispositivos 3. Los tres niveles de un típico sistema de automatización de subestaciones El conjunto, seleccionado entre los componentes usuales de la tecnología de las comunicaciones, comprende MMS (Manufacturing Message Specification) sobre TCP/IP y Ethernet. El modelo objeto se correlaciona de forma estandarizada con el bloque de la aplicación MMS, pero los mensajes de duración crítica pasan directamente al bloque de enlace de Ethernet. Diversas reglas de extensión permiten ampliar el modelo a las necesidades del futuro. El cambio de la tecnología de comunicación sólo requiere establecer una nueva correlación. Todas estas características se añaden a un estándar válido para el futuro, proyectado para proteger por igual las inversiones de las compañías eléctricas y de los proveedores. El lenguaje de configuración de subestaciones La interoperabilidad exige también una forma estandarizada de describir la topología de la comunicación y de la asignación de la misma a la estructura de la subestación. La respuesta del nuevo estándar a esta exigencia es el lenguaje SCL, basado en XML, para describir la configuración de subestaciones. Por consiguiente, todas las herramientas de ingeniería que cumplen el estándar también son interoperativas. Station level Station or interbay bus level HMI Station computer & control to network level Station gateway Un bus común CEI 61850 no establece diferencias entre el bus del proceso (con el que se transmiten las muestras de intensidad y tensión) y el bus de la estación (que transmite eventa, archivos y comandos). Ambas funcionalidades pueden estar implementadas sobre la misma red física utilizando un bus común. Sin embargo, los requisitos de rendimiento y mantenimiento pueden conducir a diseños de estación y de buses de proceso con redes separadas físicamente 4. Process bus Process level Switchgear Process interface Process interface Process interface Automatización de subestaciones soportada por CEI 61850 Hasta ahora, la automatización de subestaciones ha estado organizada generalmente de forma jerárquica, con niveles separados de estación, bahía y proceso. Las relaciones cliente-servidor dominan tradicionalmente la comunicación vertical entre estos niveles. Dentro de un 38

nivel, la comunicación peer-to-peer (de igual a igual) para funciones automáticas como el enclavamiento se realiza por medio de mensajes GOOSE (Generic Object Oriented Substation Events). Las muestras analógicas síncronas de tensión e intensidad se transmiten cíclicamente. El nuevo estándar CEI 61850 soporta estos aspectos de la comunicación en todos los niveles de la subestación. 2 Separación de la aplicación y de la comunicación: los planteamientos de CEI 61850 (izquierda) e Industrial IT de ABB (derecha) Application Objects services IEC 61850 SA domain ABB IIT domain Aspect Object model Industrial IT, la nueva forma de pensar La revolución de la tecnología de la información (IT) ha generado una enorme cantidad, todavía creciente, de datos, que tienen diverso interés para los diferentes usuarios. Por ejemplo, la información del sistema de automatización de una subestación es útil no sólo para el control remoto sino también para fines propios del negocio, como la gestión de activos. ABB suministra sistemas de automatización a clientes de una gran cantidad de sectores industriales. La interconexión de estos sistemas ya es de por sí un reto pero puede hacerse mucho más compleja, por ejemplo, cuando un sistema de control de ABB ha de ser conectado con un sistema de gestión empresarial SAP. El punto de vista del cliente es claro: espera una comunicación sin fisuras, desde la obtención de información en tiempo real hasta las aplicaciones empresariales. Esto requiere una adecuada modelización de los objetos y un acuerdo sobre la estructura de la comunicación, que en IIT se basa en MMS y TCP/IP. También se soportan diferentes buses de campo para entradas/salidas remotas, sensores, etc. 2. El planteamiento del modelo de Aspectos Todos los objetos reales, como interruptores automáticos o motores, son modelados en IIT como Objetos de Aspectos 5. Los Aspectos de Objetos contienen toda la información necesaria para gestionar el objeto real asignado en diferentes Aspectos. La arquitectura IIT proporciona la plataforma AIP (Aspect Integrator Platform) para la integración de aspectos, que permite a los dispositivos intercambiar información en tiempo Abstract comm. services interface Stack specific mapping SA events U,I samples Ethernet MMS TCP/IP SCSM real. AIP proporciona el entorno de ejecución para aplicaciones que cumplen IIT e incluye la estructura de Aspectos (la funcionalidad que soporta la integración de Sistemas de Aspectos y los componentes de conectividad). Las estructuras Para monitorizar todos los objetos de la planta y de los procesos en diferentes niveles de detalle, IIT los organiza en distintas estructuras de objetos, por ejemplo según el flujo lógico del proceso, la disposición física de la planta o la red del sistema de control. La estructura funcional muestra el lugar donde un objeto particular corresponde a un contexto funcional. La estructura de posición muestra el lugar donde un objeto se corresponde con el contexto físico (geográfico). Stack interface Aspect framework interface Field buses Connector/OPC MMS TCP/IP Ethernet La estructura del sistema de control muestra el lugar donde se puede encontrar una función de software o un dispositivo físico en el sistema particular de control. También es posible diseñar fácilmente estructuras específicas de usuarios. Niveles de certificación ABB tiene implantado un programa de certificación denominado habilitación para Industrial IT. Un producto puede estar habilitado para Industrial IT en uno de cuatro niveles posibles, cada uno construido sobre el nivel anterior para proporcionar un valor adicional. De este modo, las instalaciones existentes pueden crecer gradualmente dentro del mundo de la habilitación para Industrial IT: Nivel 0 Información: Los productos habilitados en este nivel ofrecen información básica de Aspectos en formatos electrónicos comunes. La información puede ser de especificaciones técnicas, dibujos, manuales, 39

clasificación de un producto, información de codificación, etc. Nivel 1 Conectividad: Los productos certificados en este nivel se pueden conectar con otros productos habilitados para Industrial IT, con los que pueden intercambiar datos básicos. Nivel 2 Integración: Los productos certificados en este nivel pueden intercambiar datos más complejos (estado, mantenimiento, etc.) con otro equipo. Nivel 3 Optimización: Los productos certificados en el nivel 3 tienen Aspectos ampliados que pueden interaccionar con otros componentes para optimizar el sistema en que funcionan. Esto garantiza el suministro de la información esperada y la solución de integración sin fisuras requerida por los sistemas. Armonización conjunta: Industrial IT y CEI 61850 Para apreciar la armonía entre Industrial IT y CEI 61850 en el campo de la automatización de subestaciones de ABB es útil comparar los componentes básicos respectivos: tipos de dispositivos, características de comunicación, modelo de objetos, información técnica y reglas de certificación. La red de comunicaciones expuesta en CEI 61850 es una LAN de alto rendimiento con todas las características de una red de control IIT. Para establecer una comparación se supone, por tanto, que la especificación CEI 61850 es una red de control certificada por Industrial IT. Además, se supone que todos los dispositivos ABB en el sistema SA cumplen los requisitos de interoperabilidad de CEI 61850 y del nivel 3 de certificación de Industrial IT. Tipos de dispositivos Los dispositivos de protección, control y monitorización en el dominio SA se corresponden en gran parte con los dispositivos de la red de control en el dominio IIT. Hoy día, los sistemas de protección distribuida, como la protección de barras, tienden a estar repre- 3 Modelo de datos y dispositivos de CEI 61850 Physical device (server) Logical device Logical node Data (object) Attribute Common LLN0 LLN0 CSWI Pos ctlval stval LLN0 PTOC Str Op Common LLN0 Nameplate Vendor etc Switch control Position value Status value Overcurrent Start/pick-up Operate/trip 40

4 Ejemplos de estructuras de bus según CEI 61850 Redes comunes o reparades para el proceso y el bus de estacíon center HMI center HMI Gateway Gateway Switches Switch 1 n 1 n Switches Switches Actuator Sensor Actuator Sensor Actuator Sensor Actuator Sensor sentados como un dispositivo simple de la red de control. En el futuro será posible representar cada componente utilizando el estándar CEI 61850 como dispositivo individual de la red de control. Estructura de comunicación y servicios IIT define una jerarquía de redes de comunicación, desde los buses de campo hasta la red de la planta, pasando por la red de control y la red de servidores. La comunicación de CEI 61850 se puede considerar como una red de dos niveles que comprende la comunicación en el nivel de proceso y de estación. Ambos conceptos permiten combinar las redes, es decir, las redes de servidores ITT y de control pueden ser la misma LAN física, lo mismo que las redes en el nivel de proceso y de estación pueden ser la misma red de estación. (Obsérvese que, puesto que CEI 61850 cubre la comunicación interoperativa para toda la subestación, no define en modo alguno la integración de buses de campo.) Las estructuras de comunicación de CEI 61850 y la red de control IIT presentan un buen encaje. Los conjuntos son idénticos hasta el bloque siete, ambos basados en TCP/IP sobre Ethernet, con MMS en la parte superior. El conjunto reducido, adicional, de CEI 61850, correlacionado directamente con el bloque de enlace Ethernet, es necesario para el complicado acceso de datos en tiempo real en relación con los valores analógicos muestreados y los eventos del sistema. Estos datos no pueden pasar por la estructura de Aspectos por razones de rendimiento. Si la Plataforma Integradora de Aspectos los requiere, estos datos tendrán que ser recopilados por medio de un dispositivo de la red de control para hacerlos disponibles. Los datos se transferirán entonces a AIP como información masiva. Por encima del bloque siete del conjunto existen una interfaz abstracta y un bloque de adaptación que separan la comunicación de la aplicación. En CEI 61850 se utilizan la interfaz abstracta ACSI (Abstract Communications Services Interface) de servicios de comunicaciones) y un bloque de adaptación SCSM (Specific Communication Services Mapping) de correlación de los servicios específicos de comunicación. En el dominio IIT se emplean la interfaz de estructura de Aspectos y el bloque de adaptación correspondiente al servidor/conector OPC (Object link embedded for Process ) de enlace integrado de objetos para el control de procesos. Estas interfaces garantizan que los cambios y/o adiciones en la comunicación no afectarán a las aplicaciones. También garantizan la buena integración de CEI 61850 y de la comunicación IIT. Modelos de aplicaciones de objetos CEI 61850 define un modelo de aplicación con dispositivos físicos, dispositivos lógicos, nodos lógicos, objetos y atributos de datos. Este modelo tiene un fuerte soporte en el modelo de Aspectos de Objetos de IIT, ya que con este modelo es posible crear el modelo completo de nodos lógicos de CEI 61850 y reutilizarlo consecuentemente para implementaciones de sistemas de modelos. 41

Información para ingeniería A nivel de dispositivos, los dos conceptos proporcionan herramientas específicas para crear y configurar la funcionalidad de la aplicación. En IIT, esta herramienta es el diseñador de control, mientras que en el dominio SA se están utilizando actualmente varias herramientas específicas. El diseñador de control se puede utilizar en el dominio SA una vez que los sistemas SA hayan sido integrados en IIT, aunque seguirán requiriéndose herramientas específicas para dispositivos individuales en el dominio SA, ya que estos dispositivos estarán también integrados en sistemas de terceros. Lo mismo puede decirse sobre los dispositivos de terceros integrados en sistemas ABB. Para el soporte de ingeniería de sistemas, CEI 61850 define el SCL consistente en archivos de descripción de capacidades, tanto para IED como para la subestación. Estos archivos contienen todas las descripciones pertinentes sobre 5 Ejemplos de Aspectos para objetos de subestaciones comunicación de dispositivos y de la estación. Son posibles las extensiones para proporcionar mejor soporte a la ingeniería de sistemas ABB. La mayoría de las definiciones necesarias para el Sistema de Aspectos se pueden extraer de estos archivos. A modo de ejemplo, el archivo de capacidades IED no sólo define toda la funcionalidad contenida en un dispositivo, sino también los Aspectos de los Objetos y de los Sistemas requeridos. El archivo de capacidades de la subestación contiene la información necesaria para definir la mayoría de las estructuras jerárquicas IIT requeridas para el dominio SA, como por ejemplo, estructuras funcionales, de productos y de comunicación. La información técnica contenida en estos archivos se puede utilizar para configurar más o menos automáticamente los Aspectos de los Sistemas. Para obtener una ingeniería eficiente y garantizar la coherencia, todas las herramientas a nivel de sistema y de dispositivos han de poder intercambiar información técnica. Este intercambio se tiene que basar en SCL, según se define en CEI 61850, puesto que ha de ser posible integrar dispositivos de terceros en el sistema. Niveles de certificación La certificación de cuatro niveles descrita anteriormente garantiza que los productos estén ajustados al concepto Industrial IT. CEI 61850 prevé pruebas de conformidad para dispositivos en el dominio SA como garantía de cumplimiento del estándar. Los dispositivos del dominio SA de ABB requieren tanto la certificación como los ensayos. La prueba de conformidad de CEI 61850 ha de formar parte integral de la certificación IIT, extendiendo las listas de control de certificación del modo siguiente: Nivel 0 Información: La placa identificativa de los datos de los objetos en CEI 61850 soporta información de Nivel 0, que se almacena directamente o mediante referencias (enlaces). Las listas de control han de garantizar que toda esta información se obtiene desde la placa identificativa del dispositivo SA. Power system installation Real object Nivel 1 Conectividad: Se han de superar ciertas pruebas de conformidad CEI 61850 para proporcionar este nivel de interoperabilidad definido en Industrial IT. Nivel 2 Integración: Se han de superar otras pruebas adicionales de conformidad CEI 61850. Además, el soporte técnico basado en el lenguaje SCL de CEI 61850 ha de estar disponible en parte. Aspect Object model Aspect Object Aspects Static Dynamic (real time) Interactive (real time) Nivel 3 Optimización: Se han de superar todas las pruebas de conformidad CEI 61850 y se ha de proporcionar todo el soporte técnico disponible para satisfacer todos los requisitos plug & produce (conectar y producir) en el dominio SA. Una sólida correspondencia Puede afirmarse sin reservas que todos los elementos fundamentales de CEI 61850 e Industrial IT se corresponden e integran perfectamente. Está claro 42

que no existe ningún obstáculo para la certificación de un dispositivo que cumpla el estándar CEI 61850 en IIT. Ambos conceptos ofrecen una base para la correspondiente implementación en aquellas áreas que requieran alguna modificación. Los requisitos de IIT que van más allá de lo previsto por CEI 61850 son pertinentes solamente para dispositivos de ABB. Los dispositivos no pertenecientes a ABB y que satisfacen el estándar CEI 61850 se pueden integrar fácilmente en IIT a través de la red CEI 61850; cualquier información de Nivel 0 que falte puede obtenerse, por ejemplo, de un servidor del sistema. En las tres áreas siguientes faltan por completar algunos trabajos: La utilización de la definición SCL para cubrir todo el soporte técnico requerido por Industrial IT y la atribución de tipos de Aspectos de Objetos para todos los tipos de objetos SCL. La introducción y automatización del tratamiento SCL en las herramientas Industrial IT. La corrección de todas las listas de control de certificación pertinentes, de forma que también queden cubiertos todos los requisitos CEI 61850. La solución creada al integrar el nuevo estándar CEI 61850 con Industrial IT tiene ventajas claras a la hora de integrar sistemas en la automatización de subestaciones. Por ejemplo, IIT amplía la interconectividad CEI 61850 por medio de dominios. A su vez, CEI 61850 amplía la capacidad de IIT para integrar productos de terceros en el dominio SA. En particular, el soporte técnico proporcionado por los dos conceptos facilita una ingeniería muy eficiente de sistemas SA de ABB. ABB y nuestros clientes de compañías eléctricas, integrador de sistemas y usuarios de los mismos respectivamente, están en condiciones de beneficiarse de estas ventajas en el dominio SA, donde la experiencia muestra que muchos de los sistemas necesitan tener integrados productos de terceros. Ahora podemos responder a la pregunta formulada en la introducción de este artículo: Industrial IT proporciona a los clientes más capacidad, que les permite aprovechar al máximo los estándares internacionales. En el dominio SA, como hemos visto, no se trata solo de seleccionar y combinar elementos de CEI 61850 y soluciones Industrial IT de ABB. Lo más importante es que los dos conceptos se amplían y perfeccionan entre sí en áreas fundamentales, haciendo que el conjunto sea mayor que la suma de las partes. Lars Andersson ABB Switzerland Ltd High Voltage Products CH-8048 Zúrich lars.andersson@ch.abb.com Klaus-Peter Brand Petra Reinhardt ABB Switzerland Ltd Utility Automation Systems CH-5400 Baden klaus-peter.brand@ch.abb.com petra.reinhardt@ch.abb.com Bibliografía [1] www.iec.ch [2] www.abb.com/industrialit 43