boletin iie-02-2003

Boletín IIE, abril-junio del 2003
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Sistema de control supervisorio
basado en PC aplicado en
automatización de
subestaciones y centros de
operación regional de redes de
distribución
Cuitláhuac Picasso B. y Clemente Astorga Q.
Resumen
Con el propósito de incrementar la calidad de los servicios en la energía eléctrica, mejorar el proceso de identificación de pérdidas de energía, aumentar la eficiencia de los equipos, contar con estadísticas más completas de
perfiles de consumos de carga, entre otras aplicaciones, la Compañía de Luz y Fuerza del Centro (LyFC) lleva a
cabo la modernización en automatización de subestaciones y centros de operación regional de redes eléctricas de
distribución.
La base tecnológica para realizar estos programas, requiere de automatizar los esquemas operativos de la
subestación y centros de distribución que supervisan los eventos del proceso eléctrico.
En este artículo se presentan los principales resultados del desarrollo e integración de estaciones maestras
basadas en PC, que se realizaron en el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) y que se han integrado en la
compañía eléctrica LyFC.
Las soluciones propuestas en los sistemas SCADA se enfocan a la modernización de los equipos de adquisición de datos UTR, DEI, equipo
de comunicación y el sistema local
de Interfaz Hombre-Máquina (IHM)
a través de las que se operan las
subestaciones.
Introducción
Como parte fundamental de la
automatización de subestaciones,
se ha considerado la integración
de sistemas que permitan operar
las subestaciones a través de sistemas de supervisión y control
local o remoto, sistemas inteligentes de protección que cuenten
con capacidad de almacenamien-
to de información, supervisión y control como los Digital Electronic
Instruments (DEI), equipo de medición inteligente, registradores de eventos, sistemas de información con acceso de intercomunicación a las redes
LAN y WAN como equipos concentradores de datos de medición de
energía, entre otros equipos (IEEE, 2001). Con ello, se busca conocer el
estado operativo de la subestación de modo que permita contar con información operativa en tiempo real, así como procesar fuera de línea reportes, balances y análisis de energía requeridos por las transacciones de energía interna entre la Comisión Federal de Electricidad y LyFC y, en el
futuro, por mecanismos de mercado de energía.
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Asimismo, en la automatización de subestaciones
están incluidos los sistemas de adquisición de datos
como las Unidades Terminales Remotas (UTR), que
adquieren las variables del estado de los dispositivos de
cierre o apertura, como interruptores, cuchillas, contadores, señales analógicas de Mwatts, Mwatts-hr, Mvar,
Mvar-hr, FP, corriente o voltaje, entre otras variables.
En el caso de la estación maestra desarrollada para
el centro regional de distribución de LyFC, se cuenta
con capacidad para establecer el enlace al Sistema
Geográfico de Información de la distribución de energía (GIS, por sus siglas en inglés), en el que se identifican las redes eléctricas de distribución del área, y se
tiene información actualizada del estado operativo de
las redes y características específicas de los dispositivos; datos de señales de las redes como corrientes,
voltajes, Mwatts instantáneos, etc. Por otra parte, se
cuenta con capacidad de enlace al sistema de atención
de quejas (servicio al usuario), esta herramienta puede
apoyar al departamento de quejas para reconocer en
tiempos mínimos las fallas que ocurran en las redes eléctricas, de manera que se pueda mejorar la organización
y programación de las operaciones de mantenimiento.
Sistema de Control y Supervisión SCADA
Las soluciones propuestas en los sistemas SCADA se
enfocan a la modernización de los equipos de adquisición de datos UTR, DEI, equipo de comunicación y el
sistema local de Interfaz Hombre-Máquina (IHM) a través de las que se operan las subestaciones. En estos sistemas es importante contar con esquemas de seguridad
en diferentes niveles jerárquicos, ya que la operación
puede ser local o remota. La arquitectura base propuesta
del control supervisorio se muestra en la Figura 1 .
Figura 1. Sistema SCADA con aplicación a
un centro regional de energía.
Estaciones maestras
Las estaciones maestras se desarrollaron con base en
los requerimientos de la aplicación del cliente e identificando las condiciones requeridas del proceso eléctrico de las subestaciones y centros de distribución
(Luz y Fuerza del Centro SCADA PC1-97).
El desarrollo está basado en el sistema operativo
Windows NT- Server, que es una plataforma abierta
que cumple con características de escalabilidad y
conectividad de redes, donde varias funciones y aplicaciones pueden tener accesos a la información generada en el sistema Scada.
Se cuenta con capacidad para manipular del orden de 5,000 a 10,000 puntos entre analógicos,
digitales, contadores y controles. El límite de manipulación de puntos lo determinan la capacidad disponible en disco, la memoria RAM y la cache.
Con relación a los despliegues de la IHM, se tienen diagramas esquemáticos de la red del proceso,
donde se identifica el estado de los dispositivos
digitales, analógicos y en los que se representa una
visión precisa y oportuna de lo que ocurre en campo.
El acceso a las operaciones de la red en la IHM se
permite únicamente con contraseñas (password). El
estado operativo se muestra a través de visuales abiertos, conteniendo diagramas esquemáticos de la
subestación o redes eléctricas, relatorios, alarmas tabulares, comunicaciones y sus estadísticas, reportes y
tendencias y también se cuenta con botones dedicados para operar el proceso a través de mecanismos
remotos.
En los tabulares agrupados por listas que presentan conjuntos de señales de acuerdo con sus propiedades, se tiene información adicional a los esquemáticos.
Figura 2. Diagramas esquemáticos de señales.
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Se tiene la característica de presentar gráficas en
tiempo real, información de variables críticas que indican tendencias del proceso y colección de datos estadísticos que calculan y despliegan el perfil del comportamiento de la operación del proceso.
Las estaciones maestras también son utilizadas
para llevar bitácora de operaciones y administración
de licencias de equipos y circuitos que requieren mantenimiento o reparación.
En el estado de alarmas se presentan los últimos 5
estados anormales y, si es necesario procesar alarmas,
se tiene una función especifica para reconocer, inhibir o borrar.
El procesamiento de alarmas permite identificar
las variables que han salido de rango, contando con
funciones de reconocimiento, inhibir y limpiar señales que han regresado a su estado normal de operación.
Cabe mencionar que la nomenclatura de alarmas
en el caso de LyFC es un estándar local, por lo que se
requirió desarrollar e integrar la secuencia en una capa
superior de implantación de aplicación de software. Este
esquema tiene la desventaja de degradar el rendimiento
de la aplicación, sin embargo como un punto de mejora se recomienda realizar la programación en una capa
de programación interna dentro del núcleo del software
para realizar el control supervisioro (Luz y Fuerza del
Centro SCADA PC1-97).
Asimismo, se desarrollaron e implantaron funciones de apoyo para la operación de dispositivos
periféricos, impresora del relatorio, bocinas on/off,
apagar el sonido de la alarma u obtener copia de los
archivos (hard copy).
La programación de todas las funciones requeridas se realizaron en Visual Basic for Applications. En
el caso del manejo de la base de datos se utilizaron los
ODBC drivers, para actualizar la información desplegada en la IHM con la base de datos de la plataforma SCADA.
En la Figura 3 se muestra la instalación de la estación maestra para el Centro de Distribución Regional de la Subárea Toluca de Luz y Fuerza del Centro.
Sistemas de comunicación
Uno de los tópicos importantes a resolver para el
desarrollo e integración de los sistemas SCADA, son
los sistemas de comunicación que cubre tanto el medio como los mecanismos de enlace.
Para la implantación de los sistemas SCADA, se
considera que las compañías eléctricas cuentan con
medios de comunicación autorizados y regulados por
los organismos competentes. En este caso se establecieron los requerimientos mínimos para la implanta-
Figura 3. Estación maestra para el Centro de
Distribución Regional Toluca.
ción de los sistemas de supervisión y control remoto
y se definieron los medios de comunicación a utilizar
como vía telefónica, radiofrecuencia, microondas,
satelital, fibra óptica y, si es necesario, onda portadora (Power Line Carrier, PLC).
En el proyecto se consideró como premisa de diseño y desarrollo, el planteamiento de acceso a otros
servicios de comunicación e interconexión a redes
(LAN), Servicios de Acceso Remoto (RAS, por sus
siglas en inglés) vía telefónica, enlaces punto–punto,
así como multipunto que nos llevan a establecer comunicación con diferentes niveles jerárquicos de supervisión y control.
Una parte fundamental en la automatización de
subestaciones, es el esquema de comunicación con alto
grado de confiabilidad, seguridad y capacidad de interconectividad, que permita establecer un sistema de
información en el que se pueda intercambiar información con los sistemas en tiempo real. En este desarrollo se considera integrar equipo diverso que proporcione datos e información de la energía.
También fue considerado el enlace de las estaciones maestras con los sistemas de adquisición de
datos de las UTR, a través de enlace telefónico, líneas privadas y radios.
El establecimiento de enlace de la estación maestra
es por medio de protocolos bit-bit o byte-byte, requeridos por los sistemas en tiempo real, esta característica
presenta un procesamiento pesado para las comunicaciones. La solución adoptada consistió en establecer un
equipo que haga únicamente el procesamiento de la
comunicación desde la estación maestra hacia los equipos de adquisición de datos.
Los protocolos manejados por el sistema de comunicación de la estación maestra, así como los equi-
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Figura 4. Preparación para implantar la arquitectura cliente–servidor.
pos de adquisición de datos e información son los
siguientes:
• DNP 3.0 modo maestro
• MODBUS. modo esclavo y modo maestro
• CDC 44500 tipo I modo maestro
• CDC 44500 tipo II modo esclavo
• Conitel 2020 modo maestro
Arquitectura cliente–servidor
En esta área es importante considerar esquemas totalmente abiertos, robustos, confiables y seguros, sobre todo si se trabaja en redes públicas que quizá sean
vulnerables a dañar los datos con cierta facilidad. Para
ello es importante contar con herramientas de implantación de estas arquitecturas como el uso de
compiladores reales que puedan crear ejecutables y se
evite la sobrecarga (overhead) que se genera en aplicaciones desarrolladas para capas superiores. De igual
manera, es importante contar con enlaces nativos a
las transferencias de información de servidor a cliente y el uso de normas obliga a contar con la consistencia del lenguaje en estas aplicaciones entre otras
consideraciones necesarias para implantar esta arquitectura (Lithicums, 1997).
En este proyecto se tiene preparado el hardware
del esquema básico de enlace a las redes LAN que
permiten transferencias de tablas utilizando comunicación interna. En el esquema presentando se tiene la
facilidad de contar con un equipo de respaldo que se
configura con información primaria, así como el de
respaldo. Esta arquitectura permite que usuarios con
otras aplicaciones, actualicen su información con los
datos de energía en forma diaria o en cuanto lo requieran.
Figura 5. Esquema en enlace de la estación
maestra con el sistema de análisis de energía.
Información para el Mercado de energía
En el caso de las estaciones maestras, es importante
señalar que estos sistemas cuentan con capacidad para
almacenar la información de las mediciones de energía, requeridas por los sistemas de bases de datos de
energía en los que se procesa la información para su
análisis.
Una ventaja de la arquitectura abierta descrita anteriormente, es que permite que el sistema dedicado a
las comunicaciones de las estaciones maestras se pueda configurar y personalizar como un equipo
concentrador de datos de energía.
Algunos usuarios importantes de esta información
son los departamentos de análisis, mantenimiento,
medición y planeación, principalmente.
Con la información generada por estos sistemas, se
podrán definir con mayor precisión las pérdidas de
energía, así como parámetros de eficiencia de energía.
Conclusión
El desarrollo de la estación maestra basado en PC,
cumple con las características de sistema abierto y tiene la capacidad de estar orientado a más de una aplicación.
Las funciones con que cuenta la estación maestra
se pueden personalizar de acuerdo con las necesidades y requerimientos particulares de subestaciones o
centros de distribución de energía regional.
Para implantar los sistemas SCADA, es importante considerar que las comunicaciones son básicas para
el buen funcionamiento de la supervisión, el control,
la concentración y la adquisición de datos.
En las arquitecturas cliente-servidor se proporciona escalabilidad y se requiere integrar robustez en el
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software para soportar aplicaciones de misiones críticas, sobre todo por los múltiples accesos que se puedan tener en forma simultánea.
Agradecimientos
Este proyecto se realizó por solicitud de Luz y Fuerza del Centro, bajo la supervisión del Ing. Clemente
Astorga Q. y su equipo de colaboradores. Asimismo,
un agradecimiento especial por la colaboración del
equipo de trabajo: Ing. Carlos Uribe B., Ing. Víctor
Álvarez C., M. C. Pedro Flores G., M. C. Rosa Ma.
Thomas L., Ing. Alfredo Espinosa R., M. C. Sergio
Aranda A. y M. C. Carlos Chairez C.
Referencias
Bricker, Scott et al. Computer Application in Power.
Substation Automation Technologies and Avantages.
IEEE, volume 14, number 3, July 2001.
Linthicums, D. Guide to Client – Server and Intranet
Development, 1997.
Luz y Fuerza del Centro SCADA PC1-97. Especificación; Sistema de Control y Adquisición de Datos para
Subestaciones Eléctricas de Potencia.
Picasso, C. et al. Desarrollo de Estaciones Maestras
Basadas en PC Aplicadas a Subestaciones y Centros
de Operación de Redes de Distribución Regional, Proyecto 11463 IIE, 1997-1999.
Cuitláhuac Picasso Blanquel
Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica por el Instituto Politécnico Nacional (IPN). Desde 1989 es investigador del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) y
ha colaborado en la línea de control supervisorio como
investigador. Desde 1993 se desempeña como Jefe de
proyecto en el área de sistemas SCADA, dirigiendo y
colaborando en diferentes proyectos importantes. Ha
impartido conferencias de la especialidad de control
supervisorio y ha dado seminarios del mismo tema en
universidades nacionales, así como ponencias en congresos nacionales. Es miembro del IEEE y ha impartido cursos de licenciatura en el Tecnológico de Monterrey
(ITESM) campus Morelos. Actualmente imparte clases
en la Universidad del Estado de Morelos.
[email protected]
Clemente Astorga Quezada
Ingeniero mecánico electricista, con especialidad en el
Área de Control, Comunicaciones y Electrónica, por la
Universidad Nacional Autónoma de México. Ha colaborado en la elaboración de normas para la industria eléctrica en el Comité Consultivo Nacional de la Industria Eléctrica (Cconie), de la Dirección General de Normas y desde mayo de 1976 labora en Luz y Fuerza del Centro
(LyFC), desempeñándose en las áreas de Sistemas
SCADA, comunicaciones digitales y electrónica industrial. Desde enero de 1997 se desempeña como subjefe
de Operación Sistema, de la Gerencia de Operación. Ha
colaborado con el IIE desde los años ochenta en la definición de funciones y pruebas de la primera UTR desarrollada en México por el IIE. Durante el desarrollo de las
estaciones maestras basadas en PC para subestación
supervisó las pruebas para las funciones requeridas por
las estaciones locales de subestación.
[email protected]