UNDÉCIMO ENCUENTRO REGIONAL IBEROAMERICANO DEL CIGRÉ XI ERIAC COMITÉ NACIONAL PARAGUAYO DEL CIGRE 22 al 26 de mayo 2005 Hernandarias Paraguay NUEVA ARQUITECTURA NORMALIZADA EN LA AUTOMATIZACIÓN DE SUBESTACIONES: SERIE IEC 61850 RODOLFO PELLIZZONI * CARLOS SAMITIER ROBERTO VIGNONI Transba S.A. GNE S. L. Facultad de Ingeniería-UNLP Facultad de Ingeniería-UNLP Resumen - La creciente utilización de IEDs en la automatización de subestaciones ha motivado la necesidad de contar con protocolos normalizados para lograr interoperabilidad y comunicaciones eficientes entre dispositivos de distintos fabricantes, lo que ha motivado el desarrollo de nuevos estándares de comunicaciones que soporten las funciones operativas de la subestación manteniendo los requerimientos de performance, costo reducido y escalabilidad. La serie de estándares IEC 61850, enfoca el denominado Sistema de Automatización de Subestaciones (SAS), que involucra la interconexión de IEDs, a nivel subestación, a través de una LAN normalizada, y define modelos de objetos para subestaciones y alimentadores que permiten una estandarización de los diversos dispositivos y equipos de la subestación, definiendo una nueva arquitectura. Se describe conceptualmente la nueva arquitectura y se sintetizan cada uno de los documentos o publicaciones que componen la serie IEC 61850 Palabras Clave: IEC 61850 Automatización de Subestaciones Redes de Comunicaciones. 1. INTRODUCCIÓN En la pasada década, el EPRI (Electric Power Research Institute), a través de su Universal Communication Architecture 2, más conocida como UCA 2.0, definió los fundamentos de la nueva arquitectura de comunicaciones en subestaciones, que tomada como base por la International Electrotechnical Commission (IEC), originó la serie de estándares IEC 61850 Communication Network and System in Substations, basados en el protocolo IP, que implican un nuevo y Argentina revolucionario enfoque hacia la integración de todos los niveles del Sistema de Telecontrol, y por ende de la ingeniería, el mantenimiento y la operación, a través de una LAN de estación integrada a la WAN del Sistema. La utilización de redes normalizadas, como Ethernet, y protocolos como TCP/IP, posibilita no sólo asegurar un retorno de la inversión al permitir incorporar eficientemente, sin sobresaltos, los nuevos avances en la tecnología de comunicaciones, como por ejemplo pasar de un velocidad de transmisión de 100 Mbps a 1 Gbps, sino además utilizar los servicios de web para la gestión y el mantenimiento remoto de los equipos. La normativa IEC 61850 constituye un marco orientado a la automatización de subestaciones que excede la definición de requerimientos para la interoperabilidad de IEDs (Intelligent Electronic Devices). La norma, estandariza funciones, servicios y lenguajes descriptivos. Especifica una arquitectura de comunicaciones en capas o niveles, que permite definiciones abstractas de clases y servicios, de forma que las especificaciones son independientes de stacks o pilas específicas de protocolos, implementaciones y sistemas operativos. Define un modelo de información, modelos de objetos estandarizados, modelos de servicios, ensayos y protocolos para asegurar los niveles más altos de interoperabilidad entre IEDs y aplicaciones. El modelo de información comprende nodos lógicos, información, y atributos de la información. Los nodos lógicos y la información, contenida en los nodos lógicos, son los conceptos fundamentales que se utilizan para describir los sistemas reales y sus funciones. La información interactúa con su entorno a través de servicios, tales como control, sustitución, get y *Transba S.A.- Av. 7 Nº 1076-6º P (B1900TGH) La Plata Argentina E-mail: rodolfo.pellizzoni@transx.com.ar
set, dir/definición, y reporte. Los servicios pueden ser interpretados como que transportan la información definida por PICOMs (Pieces of Communication). Los nodos lógicos se comunican entre sí a través de PICOMs. Los nombres de los nodos lógicos y los nombres de la información definen el significado estandarizado o la semántica de los dispositivos de la subestación. IEC 61850-7-4 define una lista de alrededor de 90 nodos lógicos, como por ejemplo XCBR, para designar el interruptor; PDIS, para designar la protección de distancia, MMXU, para designar mediciones operativas, etc. En la Figura 1, se muestra un ejemplo de la semántica utilizada para designar los dispositivos primarios y secundarios de una subestación. Este modelo de información también es utilizado como base para el Lenguaje de Configuración de Subestación (Substation Configuration Language, SCL - IEC 61850-6). La configuración de la subestación describe que información opcional es utilizada en un dispositivo específico, cuales son los nombres de las instancias de todos los nodos lógicos, que vínculos de comunicaciones existen, cual es la relación de los IEDs con el diagrama unifilar, y toda la información necesaria para la ingeniería del sistema. Figura 1. Niveles e interfaces lógicas en sistemas de automatización de subestaciones Figura 1.- Modelo de equipamiento primario convencional y modelo de información 2. DOCUMENTOS DE LA SERIE IEC 61850 La serie IEC 61850, está constituida por 14 documentos. Considerando que se trata de un estándar internacional, los títulos de dichos documentos, que se listan a continuación, se transcriben en el idioma oficial de la norma, inglés, para que no se desvirtúen distintos términos y sea posible correlacionar los acronismos. Part 1: Introduction and overview. Part 2: Glossary. Part 3: General requirements. Part 4: System and project management. Part 5: Communication requirements for functions and device models. Part 6: Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs. Part 7-1: Basic communication structure for substation and feeder equipment Principles and models. Part 7-2: Basic communication structure for substation and feeder equipment Abstract communication service interface (ACSI). Part 7-3: Basic communication structure for substation and feeder equipment Common data classes. Part 7-4: Basic communication structure for substation and feeder equipment Compatible logical node classes and data classes. Part 8-1: Specific communication service mapping (SCSM) Mappings to MMS (ISO/IEC 9506-1 and ISO/IEC 9506-2) and to ISO/IEC 8802-3. Part 9-1: Specific communication service mapping (SCSM) Sampled values over serial unidirectional multidrop point to point link. Part 9-2: Specific communication service mapping (SCSM) Sampled values over ISO/IEC 8802-3 2 Part 10: Conformance testing. El alcance de cada documento, se describe brevemente en lo que sigue: 2
- IEC 61850-1 - Introduction and overview: Este reporte técnico es aplicable a Sistemas de Automatización de Subestaciones Substation Automation Systems (SAS). Define la comunicación entre Dispositivos Electrónicos Inteligentes (IEDs) en la subestación y los requerimientos relacionados del sistema. Esta parte brinda una introducción y una visión general de la serie IEC 61850. - IEC 61850-2 - Glossary: Este documento contiene el glosario de la terminología específica y definiciones utilizadas en el contexto de SAS en las diferentes partes del estándar. - IEC 61850-3 - General requirements General requirements: Las especificaciones de esta parte pertenecen a los requerimientos generales de la red de comunicaciones con énfasis en los requerimientos de calidad. Trata además las pautas para condiciones ambientales y servicios auxiliares, con recomendaciones basados en la relevancia de requerimientos específicos de otros estándares y especificaciones. - IEC 61850-4 - System and project management: Las especificaciones de esta parte se refieren a la gestión del sistema y del proyecto con respecto al proceso de ingeniería y sus herramientas de soporte; al ciclo de vida del sistema global y sus IEDs; al aseguramiento de la calidad comenzando con la etapa de desarrollo y finalizando con la discontinuación y fuera de servicio del equipamiento del SAS y sus IEDs. Se describen los requerimientos del sistema y el proceso de gestión del proyecto y herramientas especiales de soporte para ingeniería y ensayo. - IEC 61850-5 - Communication requirements for functions and device models: Las especificaciones de esta parte se refieren a los requerimientos de comunicaciones de las funciones realizadas en el SAS y en los modelos de dispositivos. Se identifican todas las funciones conocidas y sus requerimientos de comunicaciones. La descripción de las funciones no se utilizan para estandarizar las funciones, sino para identificar los requerimientos de comunicaciones entre servicios técnicos y la subestación y requerimientos de comunicaciones entre IEDs en la subestación. El objetivo básico es la interoperabilidad para todas las interacciones. - IEC 61850-6 - Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs: Esta parte de la serie IEC 61850 especifica un formato de archivo para describir configuraciones vinculadas con comunicaciones con IEDs y parámetros de IEDs, configuraciones de sistemas de comunicaciones, estructuras de playas o patios, y las relaciones entre ellas. El principal propósito de este formato es intercambiar descripciones de capacidad de IEDs, y descripciones de SAS entre herramientas de ingeniería de IED y herramientas de ingeniería de sistemas de diferentes fabricantes en forma compatible. El lenguaje definido se denomina Lenguaje de descripción de Configuración de Subestación Substation Configuration description Language (SCL). El IED y el modelo del sistema de comunicaciones en SCL está de acuerdo con IEC 61850-5 e IEC 61850-7-x. Las extensiones específicas SCSM o reglas de utilización pueden ser requeridas en partes apropiadas. El lenguaje de configuración se basa en el Extensible Markup Language (XML) versión 1.0. - IEC 61850-7-1 - Basic communication structure for substation and feeder equipment Principles and models: Este documento de la serie IEC 61850 introduce los métodos de modelado, los principios de comunicaciones, y los modelos de información que son utilizados en las partes de IEC 61850-7-x. El propósito de este documento es proveer, desde un punto de vista conceptual, asistencia para entender los conceptos básicos de modelado y métodos de descripción para modelos específicos de información de subestación para sistemas de automatización de subestación, funciones de dispositivos utilizadas para propósitos de automatización de subestaciones, y sistemas de comunicaciones para proveer interoperabilidad. - IEC 61850-7-2 - Basic communication structure for substation and feeder equipment Abstract communication service interface (ACSI): Define el ASCI (Abstract Communication Service Interface) en términos de un modelo de clase jerárquico de toda la información que puede ser accedida a través de una red de comunicaciones y los servicios que operan sobre estas clases de parámetros asociados con cada servicio. - IEC 61850-7-3 - Basic communication structure for substation and feeder equipment Common data classes: Esta parte de la norma IEC 61850 especifica tipos de atributos comunes y clases de datos comunes relacionadas con aplicaciones en subestaciones. - IEC 61850-7-4 - Basic communication structure for substation and feeder equipment Compatible logical node classes and data classes: Esta parte de la IEC 61850 especifica la información del modelo de dispositivo y funciones relacionadas a las aplicaciones de una subestación. En particular, especifica los nombres de nodos lógicos compatibles y los nombres de los datos para la comunicación entre IEDs. Esto incluye la relación entre nodos lógicos y datos. Para alcanzar interoperabilidad, todos los modelos de datos necesitan una buena definición en cuanto a semántica y sintaxis. La semántica de los datos es provista por nombres asignados a nodos lógicos y a los datos que ellos contienen, como fueron definidos en esta parte del documento. Las definiciones de nombres de datos y nombres de nodos lógicos compatibles encontrados en esta parte y la semántica asociada son fijos. La sintaxis de las definiciones de tipo de todas las clases de datos 3
son definiciones abstractas provistas por IEC 61850-7-2 e IEC 61850-7-3. - IEC 61850-8-1 - Specific communication service mapping (SCSM) Mappings to MMS (ISO/IEC 9506-1 and ISO/IEC 9506-2) and to ISO/IEC 8802-3: El mapeo permite el intercambio de datos sobre Redes Locales ISO/IEC 8802-3, entre los diversos tipos de equipamiento de una subestación. Algunos de los protocolos utilizados en este documento son de ruteo, por lo que las comunicaciones no están restringidas a la red de área local. El intercambio de datos permite el monitoreo en tiempo real de datos de control, incluyendo valores medidos, etc. También especifica un método para el intercambio de datos críticos y no críticos en tiempo a través de la red de área local relacionando las tramas ACSI a MMS e ISO/IEC 8802-3. Los servicios y protocolos MMS son especificados para operar sobre los modelos de comunicaciones OSI y TCP completos. También provee soporte para arquitecturas centralizadas y distribuidas. - IEC 61850-9-1 - Specific communication service mapping (SCSM) Sampled values over serial unidirectional multidrop point to point link: Esta parte se aplica a transformadores de medida de tensión y corriente (ECT y EVT) con salida digital via una unidad concentradora (merging unit), para su utilización con instrumentos electrónicos de medida y de protecciones. Para salidas digitales el estándar considera conexiones punto a punto desde la unidad concentradora a los instrumentos electrónicos de medida. Esto permite interoperabilidad entre dispositivos de distintos fabricantes. - IEC 61850-9-2 - Specific communication service mapping (SCSM) Sampled values over ISO/IEC 8802-3 2: Define el SCSM para valores muestreados sobre ISO/IEC 8802-3. La intención de esta definición es reforzar la IEC 61850-9-1 para incluir el mapeo completo del modelo de valores muestreados. Se aplica a transformadores de corriente y tensión electrónicos (ECT y EVT con salida digital), unidad concentradora, y dispositivos electrónicos inteligentes como por ejemplo: unidades de protección, controladores de bahía y medidores. 3. MODELO CONCEPTUAL Desde la óptica de la serie IEC 61850, los dispositivos físicos se han colocado en el centro de la jerarquía de componentes, es así como los dispositivos físicos, los modelos de aplicación y las comunicaciones, convergen en el servidor contenido en el dispositivo físico. La visión jerárquica, es desde el punto de vista de las comunicaciones: Internet, Red Corporativa, Red de Subestación, Sub Red, y dispositivo físico (servidor). Por otra parte, desde el punto de vista del modelo de aplicación, se tiene: atributos de la información, información, nodo lógico, dispositivo lógico y dispositivo físico. Los nombres estándar y las definiciones semánticas asociadas con los nombres contribuyen esencialmente a la requerida interoperabilidad. En la Figura 2, se representa conceptualmente la estructura del modelo de información definido en la norma IEC 61850. Figura 2. Modelo de información conceptual 4
4. RELACIÓN ENTRE DOCUMENTOS DE LA SERIE IEC 61850 IEC 61850-7-X El documento IEC 61850-7-1 brinda una visión general de esta arquitectura de comunicaciones. Define tipos de atributos y clases de datos comunes, relacionados con las aplicaciones de una subestación. Esta parte es utilizada para especificar las definiciones de clases de datos abstractos comunes. Estas definiciones abstractas deben ser relacionadas con definiciones de objetos concretos que serán utilizados para un protocolo particular (por ejemplo MMS, ISO 9506, etc.). En IEC 61870-7-3 se define que tipo de información de aplicación representa una información específica (Common Data Class), como por ejemplo, puntos dobles de estado o valores medidos. Cada clase de dato o información común tiene servicios asignados que definen los posibles servicios que pueden operar sobre esa información. Todos los servicios como por ejemplo GetDataValues, Operate, son definidos en IEC 61850-7-2 Veamos por ejemplo, las categorías o tipos de información para un interruptor. El nombre de la clase del interruptor es XCBR. Los tipos o categorías de información que constituyen el interruptor se agrupan en tres categorías (información básica del nodo lógico, información controlable, información de estado). Cada categoría comprende algún tipo de información, por ejemplo Mod y Switch position. Estos tipos de información son referenciados por su nombre de información: Mode y Pos. Para ser más preciso, cada tipo de información tiene un tipo de información común, que define los detalles, es decir los atributos de los tipos de información. Además se especifica si es obligatorio u opcional. Puesto que muchos tipos de información utilizan los mismos detalles o atributos, estos atributos son reutilizados en tipos de información común, es decir común a muchos tipos de información. Los tipos de información común (common data classes) son definidas en IEC 61850-7-3. Por ejemplo, el controllable double point (DPC) es un tipo de información común para Pos. El tipo de información común está compuesto por una lista de 20 atributos. Cada atributo tiene un nombre, tipo, restricción funcional, opción de disparo, valor/rango del valor, y la indicación si el atributo es obligatorio (mandatory) u opcional. Los opcionales se deben utilizar si la aplicación lo requiere. IEC 61850-7-1 especifica la semántica concreta de aplicación para los tipos o clases de nodos lógicos y los tipos de información que pertenecen a las clases de nodos lógicos. Los tipos de información representan información estructurada, por ejemplo, estado, calidad o estampa de tiempo. Un conjunto de estructuras simples y complejas en la mayoría de las aplicaciones se define en IEC 61850-7-3 (common data classes). En IEC 61850-7-2 se define la clase de la información que es utilizada en la definición de prácticamente toda la información definida en los nodos lógicos. El contenido de los atributos de la información no se especifica en IEC 61850-7-2, por lo cual la categoría o tipo de la información resulta muy genérica. Para el caso de ser utilizada en un dominio de aplicación, es necesaria mayor especificidad, por lo cual puede requerir la definición de toda la información necesaria para modelar las funciones específicas de la subestación en los nodos lógicos. Es una práctica común analizar un dominio de aplicación para hallar propiedades comunes y términos aplicables a muchas clases de información. Estas definiciones comunes son provistas por las clases comunes de información (Common Data Classes, CDC), especificadas en IEC 61850-7-3. IEC 61850-7-4, especifica la semántica de aplicación específica para las clases de nodos lógicos y clases o categorías de información que pertenecen a las categorías de nodos lógicos. Las clases de información representan información estructurada, por ejemplo, estado, calidad, o estampa de tiempo (timestamp). Un conjunto de estructuras simples y complejas aplicables en la mayoría de las aplicaciones se definen en IEC 61850 (common data classes). 5. COMUNICACIONES EN EL MARCO DE IEC 61850 Las comunicaciones entre IEDs se realizan a través de distintos tipos de mensajes, tales como mensajes GOOSE que se utilizan para transmitir eventos críticos en tiempo real tales como disparos, órdenes de actuación, etc. y valores muestreados, codificados en ASN.1, que se transmiten encapsulados directamente sobre Ethernet. Las restantes señales de la subestación se transmiten utilizando el criterio de los PICOMs, esto es son mensajes de comunicación entre los nodos lógicos. Dichos mensajes se transmiten utilizando los servicios ACSI, que a su vez se basan en los servicios básicos de comunicación provistos por el protocolo de comunicación MMS, el cual utiliza como protocolos de transporte y red, TCP/IP. La sincronización se realiza utilizando SNTP (Simple Network Time Protocol) con 1 ms de exactitud La ACSI define servicios comunes para los dispositivos de la subestación, que pueden ser interpretados como los responsables de llevar la información definida por los PICOMs. Se definen dos grupos de servicios de comunicaciones el modelo cliente-servidor y el modelo peer to peer con servicios GOOSE, utilizado para propósitos especiales como por ejemplo, la transmisión de información en forma rápida y confiable entre IEDs de protección o desde un IED a diversos IEDs remotos. En el documento IEC 61850-8-1, se define la utilización del estándar IEEE 802.1Q (VLAN, Priority Tagging). El etiquetado prioritario mencionado, es utilizado para separar el tráfico de datos de alta 5
prioridad y crítico en tiempo correspondientes a las aplicaciones relevantes de las protecciones, de la alta cantidad de mensajes de baja prioridad que cargan al bus. 6. CONCLUSIONES La nueva arquitectura de automatización de subestaciones normalizada en la serie IEC 61850, basada en una arquitectura de comunicaciones en capas o niveles, permite definiciones abstractas de clases y servicios, de forma que las especificaciones son independientes de stacks o pilas específicas de protocolos, implementaciones y sistemas operativos, asegurando altos niveles de interoperabilidad entre IEDs y aplicaciones, independientemente del fabricante. La utilización de redes normalizadas, como Ethernet, y protocolos como TCP/IP, permite la utilización de los servicios de web para la gestión y el mantenimiento remoto de los equipos. 7. REFERENCIAS [1] http://www.iec.ch [2] IEC 61850 Communication networks and systems in substations First Edition [3] IEEE 802.1Q Virtual Bridged Local Area Networks 6