UNIVERSIDAD POLITCNICA SALESIANA SEDE CUENCA CARRERA DE INGENIERIA ELECTRICA Tesis previa a la obtencin del ttulo de: Ingeniero Elctrico DESARROLLO DE UN MODELO DE SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO DE PARMETROS OPERACIONALES DE UN TRANSFORMADOR DE POTENCIA, PARA EL DIAGNOSTICO Y DETECCIN TEMPRANA DE FALLAS AUTOR: Wilson Rene Landy Viscano DIRECTOR: Ing. Flavio Quizhpi Cuenca, Marzo del 2015 II DECLARACIN DE RESPONSABILIDAD Elcontenidodeestetrabajodetesises responsabilidadabsolutadelautor.Autorizoala Universidad Politcnica Salesiana el uso del mismo para fines acadmicos Cuenca, 06 de Marzo del 2015 Wilson Rene Landy Viscano III CERTIFICACIN Ingeniero FLAVIO QUIZHPIDirector de tesis. CERTIFICA:QuelatesisconelttuloDESARROLLODEUNMODELODE SISTEMADECONTROLYMONITOREODEPARMETROSOPERACIONALES DEUNTRANSFORMADORDEPOTENCIA,PARAELDIAGNOSTICOY DETECCIN TEMPRANA DE FALLAS (APLICADO A UN TRANSFORMADOR DE LA EMPRESA TRANSELECTRIC), ha sido desarrollado por el estudiante Wilson Ren Landy Viscano, ha sido revisada y asesorada de acuerdo a los requerimientos establecidos en la propuesta inicial y al cronograma definido, por lo que despus de reunir los requisitos estipulados en los Documentos Generalese Instructivos de Graduacin de la Universidad, autorizo su presentacin para los fines legales consiguientes. Cuenca, 06 de Marzo del 2015

_________________________ Ing. Flavio Quizhpi IV DEDICATORIA Dedicoestetrabajoatodaslaspersonasquemehanapoyadoparalarealizacindel mismo, a mis padres quienes siempre creyeron en m, con sus consejos y aliento me han impulsado a cumplir mis metas y a crecer cada da ms como persona y profesional y a todos mis amigos y dems familiares. V AGRADECIMINETO A Dios por darme salud y vida para llegar a estas instancias y realizar este trabajo, a todas laspersonasquecontribuyerondemaneradirectaeindirectadurantelarealizacindel mismo, al ingeniero Flavio Quizhpi, quien en calidad de director de tesis, supo guiarme con sabios consejos y sugerencias para el correcto desarrollo de este trabajo y de manera especialagradezcoalIng.JamesGonzlezportodosuapoyobrindadodurantela realizacin de este trabajo e incentivar a terminar mis estudios universitarios. VI INDICE 1MONITOREO Y COMUNICACIONES EN SUBESTACIONES ELECTRICAS ................................... 1 1.1Monitoreo. ..................................................................................................................... 1 1.1.1Monitoreo en subestaciones elctricas ................................................................. 2 1.1.2Monitoreo de transformadores elctricos de potencia ......................................... 2 1.1.3Monitoreo en lnea de transformadores elctricos de potencia. .......................... 3 1.1.3.1Medicin de variables ........................................................................................ 4 1.1.3.1.1Seleccin de variables .................................................................................. 4 1.1.3.1.2Arquitectura para medicin de variables .................................................... 5 1.1.3.2Transmisin de datos ......................................................................................... 7 1.1.3.3Procesamiento y almacenamiento de datos ...................................................... 7 1.1.3.4Disponibilidad de la informacin ....................................................................... 8 1.2Introduccin protocolo IEC 61850 ............................................................................... 10 1.3Introduccin al leguaje de configuracin de subestaciones (SCL) ............................... 11 1.4Revisin de la especificacin IEC 61850 ....................................................................... 12 1.4.1Estructura de la norma IEC 61850........................................................................ 12 1.4.2Objetivos de Norma IEC 61850 ............................................................................ 15 1.4.3Beneficios del estndar IEC 61850 ....................................................................... 16 1.4.4Ventajas del estndar IEC 61850 ......................................................................... 17 1.4.5Lenguaje de configuracin de Subestacin (SCL) ................................................. 18 1.4.5.1Archivos del lenguaje SCL................................................................................. 19 1.4.5.1.1ICD (IED Capability Description) ................................................................. 20 1.4.5.1.2SSD (System Specification Description) ...................................................... 20 1.4.5.1.3SCD (System Configuration Description) .................................................... 20 1.4.5.1.4CID (Configured IED Description) ............................................................... 21 1.4.5.2El proceso de ingeniera con SCL ...................................................................... 21 VII 1.4.5.2.1Primera etapa: ........................................................................................... 22 1.4.5.2.2Segunda etapa: .......................................................................................... 23 1.4.5.2.3Tercera etapa: ............................................................................................ 23 1.4.6Modelado de datos y servicios............................................................................. 24 1.4.6.1Modelo de Datos. ............................................................................................. 25 1.4.6.1.1Dispositivo Fsico ........................................................................................ 27 1.4.6.1.2Dispositivos Lgicos ................................................................................... 27 1.4.6.1.3Nodos Lgicos ............................................................................................ 27 1.4.6.1.4Datos y Atributos de datos ........................................................................ 27 1.5El Protocolo MMS ........................................................................................................ 29 1.6Redes y equipamientos bajo la norma IEC 61850 ........................................................ 31 1.6.1Comunicacin vertical .......................................................................................... 34 1.6.2Comunicacin horizontal ..................................................................................... 35 1.6.3Arquitecturas de comunicacin ........................................................................... 35 2DIAGNSTICO DEL ESTADO DEL TRANSFORMADOR EN BASE A LOS RESULTADOS OBTENIDOS DEL MONITOREO ..................................................................................................... 37 2.1Degradacin del aislamiento de un trasformador de potencia en aceite. .................. 37 2.1.1Vida til de los aceites dielctricos ...................................................................... 38 2.1.2Papel dielctrico dentro del transformador. ....................................................... 38 2.1.2.1El papel kraft .................................................................................................... 39 2.1.3Factores que influyen en la degradacin del sistema de aislamiento ................. 40 2.1.3.1La humedad en el aislamiento del transformador ........................................... 40 2.1.3.1.1Problemas de la humedad en el aislamiento del transformador .............. 41 2.1.3.2El oxgeno en el aislamiento del transformador .............................................. 43 2.1.3.3El calor en el aislamiento del transformador ................................................... 44 2.1.3.4La contaminacin externa ................................................................................ 45 VIII 2.2Anlisis de los valores de las variables elctricas ........................................................ 45 2.3Anlisis de los valores de las variables fsicas .............................................................. 46 2.3.1Estudio de las pruebas segn norma ASTM D ..................................................... 46 2.3.1.1Pruebas Fsico-Qumicas segn ASTM D .......................................................... 47 2.3.1.1.1Rigidez Dielctrica (ASTM D-877 D-1816) ............................................... 47 2.3.1.1.1.1Mtodo ASTM D-877 .......................................................................... 48 2.3.1.1.1.2Mtodo ASTM D-1816 ........................................................................ 49 2.3.1.1.2Contenido de Humedad ASTM D-1533 ...................................................... 51 2.3.1.1.2.1Saturacin porcentual de humedad en el aceite. ............................... 52 2.3.1.1.2.2Saturacin porcentual de humedad en el aislamiento slido (papel aislante).. ......... 53 2.3.1.1.3Acides o Nmero de Neutralizacin ASTM D-974 ..................................... 54 2.3.1.1.4Tensin Interfacial ASTM D-971 ................................................................ 55 2.3.1.1.5Factor de potencia ASTM D-924 ................................................................ 56 2.3.1.1.6Gravedad especifica ASTM D-1298 ............................................................ 57 2.3.1.1.7Color ASTM D-1500 .................................................................................... 57 2.3.1.1.8Contenido de Inhibidor ASTM D-4768 ....................................................... 58 2.3.1.1.9Pruebas especiales ..................................................................................... 59 2.3.1.1.9.1Sulfuro corrosivo ASTM D 1275 .......................................................... 60 2.3.1.1.9.2Furanos ASTM D 5837 ......................................................................... 61 2.3.1.2Cromatografa de gases segn la norma ASTM 3612 ...................................... 63 2.4Mtodos de diagnstico del estado del transformador mediante el anlisis de gases generados internamente. ........................................................................................................ 65 2.4.1Objetivos de una cromatografa de gases. ........................................................... 66 2.4.2Origen de los gases .............................................................................................. 66 2.4.3Definicin del tipo de falla. .................................................................................. 68 IX 2.4.3.1Fallas trmicas .................................................................................................. 68 2.4.3.2Fallas Elctricas ................................................................................................ 69 2.4.4Procedimiento utilizando la deteccin y el anlisis de gases combustibles. ....... 69 2.4.4.1Determinacin de las tasas de generacin de gas combustible ...................... 70 2.4.4.2Monitoreo de deterioro del aislamiento utilizando volumen de gas disuelto71 2.4.4.3Evaluacin de la condicin del transformador utilizando concentraciones individuales y TGCD .......................................................................................................... 72 2.4.4.3.1Determinacin de la condicin del transformador y el procedimiento de operacin,en base al total de gases combustibles (TGC) en el espacio de gas. ........ 73 2.4.4.3.2Acciones a tomar e intervalos de toma de muestra en base al total de gases combustibles disueltos en el aceite (TGCD) y a su tasa de generacin. ............ 74 2.4.5Evaluacin del tipo de falla. ................................................................................. 75 2.4.5.1Mtodo del gas caracterstico .......................................................................... 75 2.4.5.2Mtodo de las relaciones de Doernenburg. .................................................... 79 2.4.5.3Mtodo de las relaciones de Rogers. ............................................................... 81 2.4.5.4Mtodo del tringulo de Duval. ....................................................................... 82 3TIPOS DE MANTENIMIENTO EN LOS TRANSFORMADORES EN BASE AL MONITOREO IMPLEMENTADO. ......................................................................................................................... 86 3.1Mantenimiento preventivo .......................................................................................... 86 3.1.1Mantenimiento del sistema de aislamiento interno. .......................................... 86 3.1.2Mantenimiento e inspeccin del sistema de ventilacin .................................... 87 3.1.3Mantenimiento e inspeccin de los medidores de temperatura. ....................... 87 3.1.4Pruebas de descargas parciales ........................................................................... 88 3.1.5Medicin de la relacin de transformacin del transformador. ......................... 88 3.2Mantenimiento correctivo. .......................................................................................... 89 3.2.1Secado del transformador. .................................................................................. 89 3.2.1.1Secado por medio de calor .............................................................................. 90 X 3.2.1.2Secado mediante vaco. ................................................................................... 91 3.2.1.3Secado mediante calor y vaco. ........................................................................ 92 3.2.2Desgasificacin del aceite. ................................................................................... 93 3.2.3Remocin de sedimentos (el problema del lodo). ............................................... 93 3.2.3.1Reemplazar el aceite viejo por aceite nuevo ................................................... 94 3.2.3.2Recuperacin del aceite ................................................................................... 94 3.2.3.2.1Filtrado del aceite a travs de tierras Fuller por gravedad o presin ........ 95 3.2.4Limpieza del transformador con aceite caliente .................................................. 95 3.2.5Acciones correctivas en base a gases generados ................................................. 96 4PRUEBAS DEL SISTEMA ........................................................................................................ 98 4.1Desarrollo ..................................................................................................................... 98 4.1.1Identificacin del transformador, de los Dispositivos Electrnicos Inteligentes (IEDs), de los sensores de medida y dems accesorios del transformador. ........................ 98 4.1.1.1Transformador de potencia ............................................................................. 99 4.1.1.2Medidores de temperatura.............................................................................. 99 4.1.1.3Medidor de nivel. ........................................................................................... 100 4.1.1.4Rel Buchholz ................................................................................................. 101 4.1.1.5Sensores de temperatura PT100 .................................................................... 102 4.1.1.6Ventiladores ................................................................................................... 102 4.1.1.7Transformadores TC y TP ............................................................................... 103 4.1.1.8Dispositivo Electrnico Inteligente, SEL 2414. ............................................... 104 4.1.1.9Dispositivo Electrnico Inteligente, Calisto 9. ................................................ 108 4.1.1.10Swicth Ethernet .......................................................................................... 111 4.1.1.11Unidad terminal remota RTU ..................................................................... 111 4.1.2Seleccin de las variables de operacin del transformador a monitorear. ....... 112 XI 4.1.3Conexin elctrica de los IEDs, sensores y transductores de medida del transformador y de los elementos de la red de comunicacin. ........................................ 113 4.1.4Definicin e implementacin de las comunicaciones entre los componentes del sistema de monitoreo del transformador. ........................................................................ 115 4.1.4.1Arquitectura de comunicaciones ................................................................... 115 4.1.4.2Topologa de la red ........................................................................................ 116 4.1.5Configuracin y pruebas de comunicacin de hardware del sistema de monitoreo. ......................................................................................................................... 118 4.1.5.1Configuracin y pruebas de comunicacin del dispositivo SEL 24-14 ........... 118 4.1.5.1.1El ACSELERATOR QuickSet ..................................................................... 118 4.1.5.1.2ACSELERATOR Architect software .......................................................... 121 4.1.5.2Configuracin y pruebas de comunicacin del dispositivo Calisto 9. ............ 122 4.1.5.2.1Calisto Manager ....................................................................................... 122 4.1.5.2.2IEC61850Config ........................................................................................ 123 4.1.5.2.3EasyConnect ............................................................................................. 123 4.1.5.3Diseo y configuracin de software de control y monitoreo. ....................... 124 4.1.5.3.1Configuracin de ReLab OPC server ........................................................ 124 4.1.5.3.2Configuracin del HMI en Labview .......................................................... 128 4.1.5.3.2.1Ventana de visualizacin de alarmas ................................................ 128 4.1.5.3.2.2Ventana de visualizacin de temperaturas ...................................... 129 4.1.5.3.2.3Ventana de visualizacin de corrientes y voltajes ............................ 130 4.1.5.3.2.4Ventana de visualizacin de gases y humedad ................................. 130 4.1.5.3.2.5Ventana de visualizacin de diagnstico fallas. ................................ 131 4.1.5.3.2.6Ventana de visualizacin de potencias y energas ............................ 131 4.2Pruebas ...................................................................................................................... 132 4.2.1Pruebas de funcionamiento del sistema implementado. .................................. 132 XII 4.3Resultados obtenidos, diagnstico del estado interno del transformador y recomendaciones de mantenimiento, en base a la informacin obtenida del sistema de monitoreo implementado...................................................................................................... 136 CONCLUSIONES: ......................................................................................................................... 140 RECOMENDACIONES: ................................................................................................................. 142 BIBLIOGRAFA ............................................................................................................................. 143 Anexo 1. Planos del transformador y componentes auxiliares. ................. Error! Marcador no definido.46 Anexo 2. Planos de conexiones de IED SEL-2414. ................... Error! Marcador no definido.47 Anexo 3. Programacin de la interfaz grfica del usuario (HMI) en Labview. . Error! Marcador no definido.48 Anexo 4. Resultados del laboratorio de las pruebas Fsico- Qumicas y de cromatografa de gases del aceite dielctrico del transformador monitoreado. Error! Marcador no definido.49 XIII INDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Topologa tpica de un sistema de monitoreo de transformadores. ............................ 3 Figura 1.2 Nacimiento de la norma IEC 61850............................................................................ 11 Figura 1.3 Proceso del Lenguaje de configuracin de Subestacin (SCL)................................... 19 Figura 1.4 Proceso de Ingeniera con SCL (primera etapa). ......................................................... 23 Figura 1.5 Proceso de Ingeniera con SCL (segunda etapa). ........................................................ 23 Figura 1.6Proceso de Ingeniera con SCL (tercera etapa). ......................................................... 24 Figura 1.7 Modelo de los objetos de una subestacin. ............................................................... 25 Figura 1.8 Grupos de nodos lgicos. ............................................................................................ 26 Figura 1.9 Estructura del modelo de datos. ................................................................................. 26 Figura 1.10 Cardinalidad de los objetos lgicos. .......................................................................... 27 Figura 1.11 Ejemplo de LN. .......................................................................................................... 28 Figura 1.12 Nombramiento de LNs. ............................................................................................. 28 Figura 1.13 Datos de un nodo LN. ................................................................................................ 29 Figura 1.14 Estructura de comunicaciones LAN en subestaciones. ............................................. 32 Figura 1.15 Estructura de comunicaciones IEC61850 en subestaciones. .................................... 33 Figura 1.16 Comunicacin vertical. .............................................................................................. 34 Figura 1.17 Comunicacin horizontal. ......................................................................................... 35 Figura 2.1 Envejecimiento del papel Craft vs otro papeles dielctricos ...................................... 39 Figura 2.2 Relacin entre la humedad y la rigidez dielctrica del aceite aislante. ...................... 42 Figura 2.3 Relacin entre la temperatura y la solubilidad del agua del aceite. ........................... 42 Figura 2.4 Ncleo con lodos de un transformador ...................................................................... 44 Figura 2.5 Celda de electrodos de disco plano. ........................................................................... 48 Figura 2.6 Celda de electrodos de caras semiesfricas. .............................................................. 49 Figura 2.7 Instrumento de clasificacin del Color del aceite. ...................................................... 58 Figura 2.8 Rango de valores de la prueba de sulfuro corrosivo................................................... 61 Figura 2.9 Grado de polarizacin vs. Acidez. ............................................................................... 62 Figura 2.10 Proceso de degradacin de la celulosa. .................................................................... 67 Figura 2.11 Equilibrio trmico de Halstead. ................................................................................. 68 Figura 2.12 Procedimiento general para el diagnstico por cromatografa de gases. ................ 71 Figura 2.13 Sobrecalentamiento del aceite. ................................................................................ 77 Figura 2.14 Sobrecalentamiento del papel. ................................................................................. 77 XIV Figura 2.15 Descargas parciales. .................................................................................................. 78 Figura 2.16 Arcos elctricos. ........................................................................................................ 78 Figura 2.17 Diagrama de flujo segn el mtodo de las relaciones de doernenburg. .................. 80 Figura 2.18 Diagrama de flujo segn el mtodo de las relaciones de Rogers. ............................ 82 Figura 2.19 Triangulo de Duval. ................................................................................................... 83 Figura 2.20 Ubicacin de avera en el tringulo de Duval. .......................................................... 84 Figura 3.1 Probador de descargas parciales. ............................................................................... 88 Figura 3.2 Equipo Medidor de relacin de transformacin. (TTR) .............................................. 89 Figura 3.3 Hornos para el secado de la parte activa de transformadores. .................................. 90 Figura 3.4 Cmara de vaco y filtros de cartucho y medidor de flujo. ......................................... 92 Figura 3.5 Calentadores elctricos y bomba de vaco. ................................................................ 93 Figura 3.6 Estructura con tres columnas que contienen tierras Fuller. ....................................... 95 Figura 3.7 Parte de un devanado sulfatado y un contacto flojo de un transformador ............... 97 Figura 4.1 Transformador de potencia a monitorear .................................................................. 99 Figura 4.2 Medidores de temperatura del aceite, devanados de alta y baja tensin. .............. 100 Figura 4.3 Medidor de nivel y su ubicacin. .............................................................................. 101 Figura 4.4 Rel Buchholz ............................................................................................................ 101 Figura 4.5 Sensores PT100 de temperatura de aceite y el ambiente. ....................................... 102 Figura 4.6 Ventiladores del sistema de enfriamiento del transformador. ................................ 103 Figura 4.7 Transformadores de medida TCs y TPS, dentro de los terminales. .......................... 103 Figura 4.8 Monitor de transformadores SEL 2414. .................................................................... 104 Figura 4.9 Entradas, salidas y comunicaciones del monitor SEL-2414. ..................................... 104 Figura 4.10 Caractersticas del monitor para transformadores SEL-2414. ................................ 106 Figura 4.11 Diagrama de bloques. ............................................................................................. 107 Figura 4.12 Diagrama de entradas y salidas. ............................................................................. 107 Figura 4.13 Monitor de gases de falla Calisto 9. ........................................................................ 109 Figura 4.14 Calisto 9 y accesorios .............................................................................................. 109 Figura 4.15 Tarjeta electrnica del Calisto 9. ............................................................................. 110 Figura 4.16 Switch de Ethernet .................................................................................................. 111 Figura 4.17 Unidad Terminal Remota (RTU). ............................................................................. 111 Figura 4.18 Conexiones elctricas de algunos sensores y transductores de medida al tablero principal. .................................................................................................................................... 113 XV Figura 4.19 Conexiones Elctricas del monitor de transformador SEL-2414............................. 114 Figura 4.20 Ubicacin y conexin elctrica del Calisto 9. .......................................................... 114 Figura 4.21 Arquitectura del sistema de monitoreo implementado ......................................... 116 Figura 4.22 Topologa implementada para el sistema de monitoreo. ....................................... 117 Figura 4.23 Software ACSELERATOR QuickSet ......................................................................... 119 Figura 4.24 Asociacin de parmetros de conexin. ................................................................. 119 Figura 4.25 Configuracin de entradas analgicas. ................................................................... 120 Figura 4.26 Configuracin de salidas digitales para ventiladores. ............................................. 120 Figura 4.27 Configuracin de mensajes de alarma. ................................................................... 121 Figura 4.28 Variables a ser transmitidas por IEC 61850 ............................................................ 121 Figura 4.29 Software de configuracin del Calisto 9. ................................................................ 122 Figura 4.30 Configuracin de los parmetros de conexionan del Calisto 9. .............................. 123 Figura 4.31 Mapeo de variables del Calisto 9. ........................................................................... 123 Figura 4.32 Comunicacin de los IEDs con el OPC server .......................................................... 124 Figura 4.33 Mapeo de las variables a enlazar con Labview. ...................................................... 127 Figura 4.34 Estado de las variables enlazadas. .......................................................................... 127 Figura 4.35 Ventana de visualizacin de alarmas. ..................................................................... 129 Figura 4.36 Ventana de visualizacin de temperaturas. ............................................................ 129 Figura 4.37 Ventana de visualizacin de corrientes y voltajes .................................................. 130 Figura 4.38 Ventana de visualizacin de gases de falla y humedad en el aceite. ...................... 130 Figura 4.39 Ventana de visualizacin de diagnstico de fallas. ................................................. 131 Figura 4.40 Ventana de visualizacin de potencias y energas del transformador. .................. 132 Figura 4.41 Pruebas de comunicacin con IEDScout. ................................................................ 134 Figura 4.42 Simulacin, Valores de gases ingresados manualmente. ....................................... 135 Figura 4.43 Simulacin de Alarmas. ........................................................................................... 135 Figura 4.44 Simulacin de diagnstico de fallas ........................................................................ 136 Figura 4.45 Temperaturas reales del transformador ................................................................. 138 Figura 4.46 Valores de Gases reales del transformador. ........................................................... 138 Figura 4.47 Diagnostico de fallas del transformador. ................................................................ 139 XVI INDICE DE TABLAS Tabla 1.1 Comparacin de caractersticas de arquitectura centralizada y descentralizada. ......... 6 Tabla 1.2 Ejemplos de mdulos de diagnstico y de variables relacionadas. ............................... 9 Tabla 1.3 Partes de la norma IEC 61850. ..................................................................................... 13 Tabla 1.4 Servicio de mapeo de objetos IEC 61850. .................................................................... 30 Tabla 1.5 Mapeo de servicios IEC 61850 (parcial). ...................................................................... 31 Tabla 1.6 Tabla comparativa entre topologas de red. ................................................................ 36 Tabla 2.1 Distribucin de agua en el aislamiento en funcin de la temperatura. ....................... 41 Tabla 2.2 Tensin de Ruptura Dielctrica Mtodo D877 con Electrodos Planos. ....................... 48 Tabla 2.3 Tensin de Ruptura Dielctrica D 1816 Separacin de 1 mm. ..................................... 50 Tabla 2.4 Tensin de Ruptura Dielctrica D 1816 Separacin de 2 mm. ..................................... 50 Tabla 2.5 Comparacin entre ASTM D -77 y ASTM D-1816 ......................................................... 50 Tabla 2.6 Lmites mximos de saturacin de humedad segn el nivel de tensin. ..................... 52 Tabla 2.7 Humedad porcentual por valores de peso seco. .......................................................... 54 Tabla 2.8 Valores de nmero de neutralizacin. ......................................................................... 54 Tabla 2.9 Valores de Tensin Interfacial (TIF). ............................................................................. 55 Tabla 2.10 Clasificacin del aceite segn su ndice de calidad. ................................................... 56 Tabla 2.11 Clasificacin para la gravedad especifica. .................................................................. 57 Tabla 2.12 Estado del aceite segn el color. ................................................................................ 58 Tabla 2.13 Clasificacin del contenido de Inhibidor en el aceite. ................................................ 59 Tabla 2.14 Condicin del transformador segn las cantidades de furanos. ................................ 63 Tabla 2.15 Gases de Falla. ............................................................................................................ 64 Tabla 2.16 Concentracin de gases disueltos en transformadoresnuevos o que no tiene historial de pruebas de gases disueltos. ...................................................................................... 74 Tabla 2.17 Acciones basadas en TGC. .......................................................................................... 75 Tabla 2.18 Acciones basadas en TGCD. ........................................................................................ 76 Tabla 2.19 Concentraciones lmite de gas disuelto. .................................................................... 81 Tabla 2.20 Relaciones por gases clave de Doernenburg .............................................................. 81 Tabla 2.21 Relaciones de Rogers para gases claves o caractersticos. ........................................ 81 Tabla 2.22 Vida til del transformador segn el contenido de furanos. ..................................... 85 Tabla 4.1 Datos ms importantes del transformador .................................................................. 99 Tabla 4.2 Rangos de temperaturas anormales de funcionamiento del transformador. ........... 100 XVII Tabla 4.3 Temperaturas de apagado y encendido de ventilares. .............................................. 102 Tabla 4.4 Variables monitoreadas. ............................................................................................ 112 Tabla 4.5 Direcciones de los dispositivos de la red de comunicaciones .................................... 118 Tabla 4.6 direccionamiento de variables para el SEL-2414 ....................................................... 125 Tabla 4.7 Direccionamiento de variables para el Calisto 9. ....................................................... 126 Tabla 4.8 Pruebas de temperatura. ........................................................................................... 132 Tabla 4.9 Pruebas de proteccin. .............................................................................................. 133 Tabla 4.10 Pruebas de comunicacin. ....................................................................................... 133 Tabla 4.11 Resultados obtenidos, gases disueltos del transformador monitoreado ................ 136 Tabla 4.12 Resultados obtenidos, valores de los parmetros elctricos del transformador monitoreado .............................................................................................................................. 137 1 CAPITULO I 1MONITOREO Y COMUNICACIONES EN SUBESTACIONES ELECTRICAS Actualmentelossistemasdemonitoreoycomunicacionescadavezsonmssegurasy confiables,graciasalanuevatecnologa.Enlossistemasconvencionalesdecontroly monitoreodesubestacioneselctricas,losdispositivosquerealizanlasdiferentes actividadeshanquedadoobsoletos.Lainterconexinentredichosdispositivos,siempre han implicado un gran trabajo de ingeniera, cableado, montaje y puesta en servicio. En la actualidad, la moderna tecnologa ha reducido notablemente el nmero de componentes aumentando as la disponibilidad del sistema y reduciendo los costos asociados al mismo. Tambin el uso el uso de redes de comunicacin tales como LAN (Local Area Network), WAN(WideAreaNetwork)ahorrademaneraconsiderableelvolumendecableadoy gracias a su inmunidad a las interferencias electromagnticas (en el caso de la fibra ptica) permite la utilizacin cerca al trabajo en campo. AdemselutilizarlosIEDs(IntelligentElectronicDevice)quecontienen microprocesadores,hacenposiblesnuevasfuncionescomoadquisicindedatosen tiemporeal,supervisincontinua,anlisisdeseales,programacincomputacional, manejo de eventos, etc. 1.1Monitoreo. Elmonitoreoesunamaneraordenadaosistemticadeadquirir,analizaryutilizar informacindeunprocesodeterminado,pararealizarunseguimientopermanenteal progreso o estado de dicho proceso con la finalidad de que los resultados obtenidos vayan deacordealosobjetivosplanteados,yparatomardecisionesdegestin.Todala informacinadquirida,sevisualizademaneragrficayaseamediantepantallaso monitores, de forma remota en campo. 2 1.1.1Monitoreo en subestaciones elctricas Las subestaciones elctricas son parte fundamental para la transmisin y distribucin de energaelctricahacialosconsumidoresfinales,esporestoquesevelanecesidadde tenerunseguimientoconstanteyobtenerinformacindelfuncionamientodelos diferentes equipos que componen las subestaciones elctricas, luego con la informacin adquiridaduranteelmonitoreotomardecisionesparacumplirconlosprogramasde operacin y mejorar la confiabilidad de las subestaciones, reduciendo as la probabilidad de desabastecimiento de energa elctrica. Anteriormente la tecnologa en la subestaciones fue de carcter electromecnico y con el transcurso del tiempo han quedado obsoletas. En la actualidad la tecnologa en la industria elctrica se ha mejorado en gran magnitud, desarrollndose dispositivos electrnicos de control,proteccin,adquisicindedatos,etc,estanuevatecnologapermiterealizar acciones de control y monitoreo de manera remota, los equipos con esta nueva tecnologa son los Dispositivos Electrnicos Inteligentes (IED, por sus siglas en ingls), lo mismos quetrabajanconplataformascomputacionales,lossistemasoperativos,redesde comunicacin e interfaces grficas de usuario. 1.1.2Monitoreo de transformadores elctricos de potencia Duranteeltiempodeoperacin,lostransformadoreselctricosdepotenciaestn propensos a esfuerzos mecnicos y elctricos que degradan su sistema de aislamiento. Las principalescausasdedegradacinson:temperaturaexcesiva,presenciadeoxgenoy humedad que combinadas con los esfuerzos elctricos aceleran el proceso de degradacin. El proceso de degradacin del aislamiento se desarrolla gradualmente hasta llegar al punto de que se presente la falla, que pueden ser fallas leves o llegar a ser fallascatastrficas, que implican la destruccin de los transformadores. La oportuna deteccinde una falla o degradacindelaislamientohacenladiferenciaentreexponeraltransformadorauna reparacin grande o solamente sustituir una pieza en mal estado.La deteccin de algunos tipos de fallas, se pueden realizar mediante el monitoreo en lnea delosparmetrosquesonclaves,paradiagnosticarelestadodelaislamientodel transformador de potencia. [1] 3 1.1.3Monitoreo en lnea de transformadores elctricos de potencia. Lossistemasdemonitoreoenlnea(entiemporeal)paratransformadoreselctricosde potencia,consistenesencialmentedesensores,dispositivosdeadquisicindedatos, softwareparamanejodeinformacinymtodosparalaevaluacindelestadode operacin de los transformadores. [1] Los sistemas de monitoreo en lnea de transformadores de potencia optan una topologa tpicaquesemuestraenlafigura1.1,endondeseobservanlasprincipalespartes constitutivas. Figura 1.1 Topologa tpica de un sistema de monitoreo de transformadores. [2] Losparmetrosmsimportantesdeoperacindeuntransformadordepotenciaquese deben monitorear son:La carga y variables de operacin. La generacin de gases disueltos en el aceite aislante. Elmonitoreodelacargayvariablesdeoperacinserealizaconlamedicindelas tensiones y corrientes a la frecuencia de operacin y las temperaturas.Unacaractersticamuyimportantequedebetenerunsistemademonitoreoenlneade transformadores de potencia, es la medicin de los gases disueltos en el aceite dielctrico interno,esimportantemonitorearestosgasesdebidoaqueseproducendefuentesde 4 degradacinincipiente,talescomo,descargasparciales,sobrecalentamientoyarqueos elctricos,estosgasesgeneradossedisuelvenenelaceitedielctrico.Lapresencia excesivade estos gases tambin pueden provocar la formacin de burbujas que al unirse formancaminosdedisrupcinocasionandofallas,sistasseintroducenenzonasdel sistema aislante sometidas a grandes campos elctricos. [1] 1.1.3.1Medicin de variables Lamedicindelasdiferentesvariablesqueseconsideranimportantesparael conocimiento del estado del transformador de potencia, se efectan a travs de sensores y/o transductores que estn localizados por lo general junto al transformador de potencia. SilaarquitecturaadoptadaparaelmonitoreofuerelaCentralizada,existirtambinun dispositivo concentrador de las mediciones (PLC). [2] La medicin de variables para el sistema de monitoreo debe tomar en consideracin dos aspectos importantes como son: Cules variables deben ser medidasCul es la arquitectura adoptada para medir esas variables 1.1.3.1.1Seleccin de variables Lasvariablestpicasutilizadasparaimplementarunsistemadecontrolymonitoreode transformadores de potencia se enumeran a continuacin, siendo posible la utilizacin de slo algunas de ellas segn el requerimiento del sistema de monitoreo a implementar: Temperatura ambiente Temperatura del aceite Temperatura de bobinados Temperatura del cambiador bajo carga Condicin de la bolsa del conservador de aceite Contenido de agua y saturacin relativa en el aceite del transformador Contenido de agua y saturacin relativa en el cambiador bajo carga Capacitancia y tangente delta de los Bushing Gases disueltos en el aceite dielctrico 5 Corrientes de carga y tensin Posicin del cambiador bajo carga Instante de accionamiento del cambiador Nmero de operaciones del cambiador bajo carga Tensin y corriente del cambiador Nivel de aceite del Transformador Nivel de aceite del cambiador Laseleccindelasdiferentesvariablesamedirparaelsistemademonitoreoestar condicionada por los siguientes factores principales: Aplicabilidad al transformador en cuestin, considerando la existencia, o no, de accesorios como conmutador bajo carga, bombas de circulacin de aceite, etc. [2] Variables necesarias para ejecucin de las funciones de diagnstico consideradas importantesparalaaplicacin.Esefactorestdirectamenteligadoalbloquede Almacenamiento y Tratamiento de Datos. [2] 1.1.3.1.2Arquitectura para medicin de variables La medicin de las variables durante la operacin del transformador se realiza por medio de sensores o transductores de seale, los cuales pueden estar conectadospor medio de dos arquitecturas principales que son: Una arquitectura basada en un elemento centralizador localizado en el cuerpo del transformador,generalmenteestoselementossuelenserPLCs(Programmable Logic Controllers, Controlador Lgico Programable). [2] Una arquitectura descentralizada, basada enIEDs localizados en el cuerpo del transformador.[2] La eleccin de la arquitectura a utilizar para la medicin de variables debe tener en cuenta las caractersticas inherentes a cada una de las opciones, presentadas en la Tabla 1.1 Losbeneficiosqueseobtienenconlautilizacindelaarquitecturadescentralizada,la vuelvenaconsejable,yporlotanto,paralaespecificacindemayorconfiabilidady menores costos de mantenimiento de los sistemas de monitoreo.6 Arquitectura CentralizadaArquitectura Descentralizada Sistema centralizado. El PLC concentra las informaciones de todos los sensores y las enva al prximo bloque del sistema de monitoreo. Sistema descentralizado, donde los sensores son IEDs (Intelligent Electronic Devices) que envan las informaciones directamente al prximo bloque del sistema de monitoreo. Sistema centralizado, expansiones y mantenimientos ms difciles. Sistema naturalmente modular, facilitando expansiones y mantenimiento. Los sensores tiene que ser dedicados a conexin al PLC, causando eventuales duplicaciones de sensores y costos adicionales en sistemas de monitoreo. IEDs ya existentes en los sistemas de control y proteccin pueden ser integrados a los sistemas de monitoreo y adquisicin de datos, evitando costos de sensores adicionales. El elemento centralizador (PLC) representa costos adicionales de instalacin, programacin y mantenimiento para el sistema. No existe el elemento centralizador eliminados costos adicionales. Falla en el PLC puede acarrear la prdida de todas las funciones del sistema. Falla en un IED acarrea prdida slo de parte de las funciones dems IED's permanecen en servicio. El elemento centralizador (PLC) es un punto de falla adicional para el sistema No existe el elemento centralizador, eliminndose as un posible punto de falla. Temperatura de operacin mxima del PLC tpica 55C [3]. Desaconsejada instalacin junto a los equipamientos principales (p.ej. transformadores). Temperatura de operacin -40 a +85C, adecuados para instalacin en el patio junto a los equipamientos principales. Instalacin recomendada en la sala de control. Gran cantidad de cables de interconexin con el patio. Instalacin tpica junto al equipo principal, en el patio slo comunicacin serial (par-trenzado o fibra ptica) para interconexin con la sala de control. Nivel de aislacin tpico 500V no adecuado para el ambiente de subestaciones de alta tensin [3]. Nivel de aislacin tpico 2,5kV proyectado para el ambiente de subestaciones de alta tensin. Puertas de comunicacin serial no soportan los picos, impulsos e inducciones existentes en la subestacin, obligando al uso de fibra ptica para comunicacin con la sala de control alto costo de instalacin. Puertas de comunicacin serial proyectadas para el ambiente de subestacin, permitiendo el uso de par-trenzado para comunicacin con la sala de control bajo costo de instalacin. Permite opcionalmente el uso de fibra ptica, con conversores externos auto-alimentados. Generalmente operan con protocolos de comunicacin industriales [3]. Protocolos de comunicacin especficos para utilizacin en sistemas de potencia (time-stamp, sincronismo de reloj, etc.). Tabla 1.1 Comparacin de caractersticas de arquitectura centralizada y descentralizada. Para esto se tiene la posibilidad de aprovechamiento de IEDs junto al transformador, para las funciones de supervisin y control como fuente de datos (sensores) para el sistema de monitoreo.7 1.1.3.2Transmisin de datos Estaparteconsisteenlatransmisindelosdatosdemedicionesdelossensoresde diferentes variables, hacia la etapa de almacenamiento y procesamiento de datosque se explica a continuacin, utilizando los medios fsicos de transmisin ms convenientes para la aplicacin. La transmisin de datos de los sensores de medicin de variables, para los IEDs o hacia lasaladecontroldelasubestacin,sepuederealizaratravsdediferentesmediosde comunicacin,respetandolasexigenciasdeltipodearquitecturaempleadaparala medicin de variables, conforme se mostr en la tabla 1.1. En sistemas con medicin de variables con arquitectura centralizada son empleadas generalmente fibras pticas. [2] En los sistemas con arquitectura descentralizada se puede emplear adems de alternativa fibra ptica, tambin se utiliza la comunicacin serial RS485, con la ventaja de menores costos y tiempo de instalacin que la fibra ptica, contribuyendo as para la reduccin de costo y la viabilidad financiera de los sistemas de monitoreo en transformadores potencia.Otrasopcionesdecomunicacintambinpuedenserestudiadas,dependiendodelas caractersticasdelainstalacin,comoporejemplo,linksderadiodedicadosyredes inalmbricas wi-fi. Si la computadora que efecta el almacenamiento y tratamiento de los datosestlocalizadaenlapropiasaladecontroldelasubestacin,laconexinconla transmisindedatosquevienedelostransformadoresesdirecta.Casocontrario,sila computadora estuviere en una localidad remota, la transmisin de los datos de medicin puede ser efectuada tambin a travs de la red intranet de la empresa, por internet o an por modem celular GPRS. [2] 1.1.3.3Procesamiento y almacenamiento de datosEl almacenamiento y procesamiento de los datos medidos de los sensores, se usan con la finalidad de obtener informacin til para el mantenimiento y la gestin del transformador enoperacin,talescomolarealizacindediagnsticosypronsticosdelestadodelas partesqueconstituyenelequipooengeneralelestadoactualdefuncionamientodeltransformador en tiempo real. Con el procesamiento y almacenamiento de datos, se libera 8 grantrabajoalpersonaldelaingenierademantenimiento,evitandoelmanejodegran cantidad de datos e informacin, que no siempre de fcil interpretar. [2] Los datos o informacin proporcionado por los IEDs ubicados en el transformador, son recibidasporunacomputadora,quepuedeestarubicadaenlasaladecontroldela subestacin o en un punto remoto, operando el software de monitoreo. Ms que un sistema para la simple digitalizacin de medidas de los sensores, un sistema demonitoreodebesercapazdetransformarestosdatoseninformacintilpara mantenimientodeltransformador,locualconsisteendiagnsticoypronsticodela condicindelequipamiento[2].Elsistemademonitoreoparacumplirsusfunciones, debe estar equipado con un Mdulo de Ingeniera, el cual contiene los algoritmos y los modelos matemticos para diagnstico y pronstico. [2] Lasiguientetabla1.2,resumelosprincipalesmdulosdediagnsticoquepuedenser implementados en un sistema de monitoreo y tambin se muestran las variables necesarias para la operacin de tal modulo. [4] En sistemasconarquitectura descentralizada, lamodularidad de los sensoresIEDs se extiende a los mdulos de diagnstico a ser utilizados,ya que pueden ser especificados slo los mdulos para los cuales se dispone de las variables enlistadas en la tabla 1.2. [2] Porlotanto,estocontribuyealareduccindecostoylaviabilidadfinancieradelos sistemas de monitoreo en transformadores de pequeo porte. 1.1.3.4Disponibilidad de la informacin Para los objetivos de un sistema de monitoreo, las informacin referente al estado de los transformadores tiene que estar disponibles a los diferentes sectores interesados como por ejemploelcentrodecontroldelasubestacin,manteniendodemanerasimultneala integridad de la informacin y la seguridad del acceso al mismo. Para tener la disponibilidad de la informacin del sistema de monitoreo, por lo general la computadora que ejecuta el software de monitoreo estar conectada a la red Intranet de la empresa o an a Internet. 9 Mdulo diagnsticoVariables necesarias Envejecimiento del aislamiento (Perdida de vida) Temperatura de bobinado (hot-spot) contenido de agua en el papel (del mdulo de diagnstico) Previsin de Temperaturas Eficiencia del enfriamiento Temperatura ambiente Temperatura de Top oil Porcentual de cargamento Operacin de los ventiladores y bombas Asistente de mantenimiento del enfriamiento.Etapa de operacin del enfriamiento Cantidad de Agua en el Aceite y en el papel Temperatura de formacin de burbujas Temperatura de formacin de agua libre Porcentual de saturacin de agua en el aceite Cantidad de agua en el aceite (ppm) Temperaturas de aceite en el punto de medicin Temperatura de bobinado Temperatura ambiente Gases en el aceiteConcentracin de Hidrogeno en el aceite Concentracin de gases combustibles en el aceite (off-line u on-line) Diferencia de temperatura entre el Cambiador bajo carga y el transformador, Temperatura del Aceite Temperatura del Aceite del Cambiador Posicin del Cambiador Tiempo de operacin del motor del Cambiador Posicin del Cambiador Cambiador en operacin / reposo Torque del motor del Cambiador bajo CargaPosicin del Cambiador Cambiador en operacin / reposo Corriente del motor del Cambiador Tensin del motor del Cambiador (opcional) Asistente de mantenimiento del Cambiador bajo Carga Posicin del Cambiador Cambiador en operacin / reposo Corriente de cargamento Humedad en el Aceite del conmutadorPorcentual actual de saturacin de agua en el aceite Tenor de agua en el aceite(ppm), Temperaturas de aceite en el punto de medicin Tabla 1.2 Ejemplos de mdulos de diagnstico y de variables relacionadas. 10 Parapermitirelaccesoalsistemademonitoreosinlanecesidaddeinstalacinde softwaresespecficosentodaslascomputadorasremotas,lasolucingeneralmente empleada es el acceso a travs de navegadores de internet. [2] 1.2Introduccin protocolo IEC 61850En la actualidad las redes con cableado de cobre convencional estn siendo sustituidas por redesEthernetyprotocolosavanzados,siendoelestndarIEC61850elestndarque garantizalaintegracin,flexibilidadyaperturahaciaelfuturoencuantoalas comunicaciones dentro de la subestaciones elctricas. LaComisinElectrotcnicaInternacional(IEC)esunaorganizacininternacionalde normalizacinquecomprendetodosloscomitsnacionalesdeElectrotcnica(IEC comits nacionales). La norma IEC-61850 fue creada con el objetivo de garantizar la interoperabilidad entre distintosequiposelectrnicosinteligentes(IED,IntelligentElectronicDevice)que componenunsistemadeautomatizacindeunasubestacinelctrica.Porlotanto,la normadesarrollaunmodelodedatosquerecogetodalainformacinquepuedeser necesaria en un sistema de automatizacin de una instalacin elctrica, de modo que todos los IEDs que cumplen con la norma organicen su informacin segn el mismo modelo de datos. Este estndar fue diseado como el nico protocolo que ofrece una completa solucin de comunicacin y el principal beneficio que ofrece es la interoperabilidad entre equipos de diferentes marcas. [5] Los puntos que se normalizaron fueron: El BUS que se debe utilizar para que se conecten las IEDs. La comunicacin que se debe utilizar para conocer los estados del dispositivo y lo que est controlando o comandando. La comunicacin entre los equipos con mensajes rpidos que deberan responder en menos de 20 milisegundos.Un lenguaje llamado SCL (Substation Configuration Lenguage) que su estructra est diseada en base al estndar XML. 11 LaformaenquesedebenarmarlasestructurasdelosIEDs.(Llamadosnodos lgicos) Eltipodepruebasqueseledebenrealizarparaconsiderarqueunequipoest dentro de la norma. Lomencionado anteriormente se comenz a estudiar por el ao 1995 y por el ao 2003 conlafuncindedosnormasdeautomatizacindesubestaciones,surgilanorma IEC61850, como se muestra en la figura 1.2. Figura 1.2 Nacimiento de la norma IEC 61850. [8]Con esta normalizacin se sustituye ms de 50 protocolos que estn en el mercado como serModbus,UCA2,LON,PROFIBUS,DNP,FIEDBUS,etc.Paralograrunamejor interoperabilidad y alta funcionalidad. [8] 1.3Introduccin al leguaje de configuracin de subestaciones (SCL) Ellenguajedeconfiguracindesubestaciones,defineunformatocapazdedescribirla ingenieradeunsistemadeautomatizacindesubestaciones,proporcionandouna descripcin estandarizada de: Funcionalidad del sistema de automatizacin. Estructura lgica de la comunicacin del sistema, Relacin entre los equipos y sus funciones como la aparamenta elctrica. El principal objetivo del SCL es el intercambio interoperable de los datos de ingeniera de los IEDS de la subestacin con las herramientas de ingeniera de los distintos fabricantes. Este modelo tambin permite obtener una configuracin automatizada de las funciones y de las comunicaciones, as como la comprobacin del funcionamiento del sistema. 12 Para poder proporcionar esta interoperabilidad es necesario: Unadescripcinformaldelsistemadeautomatizacindelasubestacin, incluyendo todos los enlaces de comunicacin. Describir sin ningn tipo de ambigedad las capacidades de los dispositivos IEDs, Descripcin de los servicios de comunicacin aplicables. Descripcin formal de la relacinentrelainstalacindedistribucinylosdatosdelsistemade automatizacin. 1.4Revisin de la especificacin IEC 61850 A continuacin se realizara un estudio de la norma IEC 61850, la misma que es para las comunicaciones en subestaciones elctricas. La norma en si es demasiado extensa, por lo tanto se har un anlisisde las partes ms importantes y necesarias para el desarrollodel proyecto. 1.4.1Estructura de la norma IEC 61850. ElalcancedelanormaIEC61850(ao2004)esdecomunicacionesdentrodela subestacin elctrica. El documento de la norma define los diversos aspectos de la red de comunicaciones de la subestacin elctrica, en 10 secciones principales como se muestra en la tabla 1.3. 13 Tabla 1.3 Partes de la norma IEC 61850. [7] La parte 1 de la norma IEC 61850 define la filosofa de la nueva arquitectura, las formas decomunicacinentreIEDsenlasubestacinelctricayelcontenidodelrestodela norma. La parte 2 contiene los trminos y definiciones que se utilizan en el contexto de lossistemasautomticosensubestacioneselctricas,ascomoenlasnormas complementarias a esta. Laspartes3,4y5delanormainicianmediantelaidentificacindelosrequisitos funcionalesgeneralesyespecficosparalascomunicacionesenunasubestacintales como los requisitos de calidad (fiabilidad, mantenimiento, seguridad, etc). Estos requisitos se utilizan como funciones obligatorias para ayudar en la identificacin de los servicios y modelos de datos necesarios, protocolo de aplicacin necesaria, y el transporte, red, enlace de datos subyacentes, y las capas fsicas que cumplan los requisitos generales. [7] 14 Enlaparte6seestudialaconfiguracindelidiomaSCLqueestbasadaenarchivos XML,conlocualselograquetodaslaspartesdelsistematengaelmismoidioma permitiendo as la descripcin formal de las relaciones entre el sistema de automatizacin de subestaciones y la subestacin. En el nivel de aplicacin, se pueden describir la propia topologademaniobrasylarelacindelaestructurademaniobrasalasfuncioneslos nodos lgicos del Sistema de Automatizacin en Subestaciones (SAS) configurada en los IED. Cada dispositivo debe proporcionar un archivo SCL que describe la configuracin de s mismo. [7] La construccin arquitectnica importante que adopta IEC 61850 es el de la "abstraccin", ladefinicindeloselementosdedatosylosservicios,esdecir,lacreacindedatosy serviciosquesonindependientesdelosprotocolosqueestndetrsdelanormaIEC 61850. Las definiciones abstractas permiten el "mapeo" de los objetos de datos y servicios a cualquier otro protocolo que puede satisfacer las necesidades de datos y de servicios. La definicindelosserviciosabstractosseencuentraenlaparte7.2delanormayla abstraccin de los objetos de datos (denominados nodos como lgicos) se encuentra en la parte 7.4. [7] En la medida en que muchos de los datos de dispositivos, se componen de partes comunes (como el Estado, control, medicin, sustitucin), se desarroll el concepto de "Clases de datos comn" o "CDC" el cual define los mdulos comunes para la creacin de la mayora datos de dispositivos. Los elementos de los CDC se definen en parte 7.3. [7] Laseccin8.1definelaasignacindelobjetoabstractodedatosylosserviciosde mensajeraenlafabricacinEspecificacin-MMSylassecciones9.1y9.2defineel mapeodelosvalores(unidireccionalpuntoapuntoymultipuntobidireccional)enun marco de datos Ethernet. [7] Por ltimo, la parte 10 del documento define una metodologa de pruebas con el fin de determinarla"conformidad"conlasnumerosasdefinicionesdeprotocoloylas limitaciones definidas en el documento. 15 1.4.2Objetivos de Norma IEC 61850 LanormaIEC-61850surgeconelobjetivodegarantizarlainteroperabilidadentre distintosequiposelectrnicosinteligentesIEDquecomponenunsistemade automatizacin de una subestacin elctrica. [5] Esta norma desarrolla un modelo de datos que recoge toda la informacin que puede ser necesaria en un sistema de automatizacin, de tal manera que todos los IEDs que cumplan conlanormayorganicensuinformacinsegnelmismomodelodedatos.La interoperabilidad,sinembargo,nogarantizalaintercambiabilidad,esdecirquelas funcionalidades para las que est preparado cada dispositivo no estn estandarizadas. El alcance del estndar, es mucho ms amplio, ya que propone no slo un nuevo concepto de automatizacin en subestaciones, basado en una nueva arquitectura de comunicaciones, sino que tambin define modelos de informacin, y lenguajes de configuracin basados en el lenguaje EXtensible Markup Language (XML). [5] Asimismo estandariza la utilizacin de redes Ethernet con prioridad, define el intercambio de mensajes crticos denominados Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE), comoastambinvaloresmuestreados(SampledValues)paralasmedicionesdelos transformadores de medida de corriente y tensin. Estas mediciones pueden realizarse a travs de nuevos modelos de transformadores demedicin, cuyos valoresde salida son digitalesomedianteunidadesespecficasqueconviertenlasmedicionesanalgicas convencionales en informacin digital. Losmodelosdeinformacinylosserviciosdecomunicacionessonindependientesdel protocolo, y la utilizacin del protocolo Manufacturing Message Specification (MMS) enlacapaaplicacinyserviciosdeweb,permitirnelcrecimientoyvigenciadeesta norma al permitir incorporar nuevas tecnologas de comunicaciones. A continuacin ser presenta un resumen de los objetivos de la norma: Interoperabilidad.- los IEDs de diferentes fabricantes pueden intercambiar y usar informacinsobremediosdecomunicacincomunes.Sinembargo,la funcionalidad en los diferentes dispositivos no es necesariamente la misma. Por lo tanto, no hay intercambiabilidad de dispositivos de diferentes fabricantes 16 Laingenierayconfiguracindedatosestransportableentreherramientasde software de fabricantes. DescripcinabiertadeIEDs.-Reducelaingenieraylaconfiguracin,las capacidades de los IEDs son descritas en forma estndar y funciones, soluciones, y datos propietarios son an permitidos y estn disponibles. ComunicacincercadeEquiposdePotencia.-Capacidadesdecomunicacin, adquisicin de datos,ycontrol, deben ser incluidos directamente en los equipos primarios. Libreconfiguracin.-Libreasignacindefuncionesensistemasde configuraciones centralizadas o descentralizadas. Reduccindelcableadoconvencional.-LANenlugardemltiplescablesde cobre. A prueba de futuro.- Los servicios y las inversiones sern duraderos a pesar de los rpidoscambiostecnolgicos.Elestndarestdiseadoparaseguirtantoel progresoenlastecnologasdecomunicacin,comolosrequerimientosque envuelven a estos sistemas. [6] 1.4.3Beneficios del estndar IEC 61850 ElestndarIEC61850ofrecelossiguientesbeneficiosalasempresasdeenergay usuarios industriales: Independenciadetecnologaactual.-Loscambiosdelastecnologasde comunicacinsedescribenconelmodelodelassietecapasISO/OSI.Enel estndarIEC61850eldominiodeaplicacionessedesacopladelas comunicaciones. Esto permite al estndar seguir los cambios en las tecnologas de comunicacin,esdeciractualmentesehaseleccionadoMMS/TCP/IP/Ethernet con capa fsica de ptica, pero en el futuro podra ser de otro tipo. El beneficio de estedesacoplamientoesquelasinvestigacionesdentrodelcampodelas aplicaciones estn salvaguardadas. [9] Asignacinlibredefunciones.-Cualquiertipodeasignacionessepueden implantar usando el estndar IEC 61850, debido a que las funciones se dividen en 17 partespequeasdecomunicacinllamadosNodoslgicos,estosnodosson objetos que incluyen datos y sus servicios relativos. [9] Sistemademantenimientoalargoplazo.-Elmantenimientoalargoplazo requiere la posibilidad de ampliar las subestaciones. No necesariamente se utiliza el mismo tipo de equipos en la ampliacin. El estndar soporta cualquier tipo de equiposintroduciendounnuevolenguajeSCL(SubstationConfiguration Language). Con este lenguaje de comunicacin toda la informacin intercambiada en la red de comunicacin de las subestaciones se puede describir. [9] Conexin punto a punto (peer to peer).- Todos los dispositivos digitales dentro de la subestacin se pueden comunicar uno con otro con el mnimocableado de los equipos de baha; la relacin de maestro esclavo no se usa. La reduccin del cableadodecobregenerarreduccinenloscostosfijosdelaingenieradelos esquemas.Lacomunicacindirectapuedefiltrarcomandosdesalidaqueno necesariamentetienenquepasaraunsistemadecontrol,reduciendocostesdel proceso. [9] Intercambio de datos de alta velocidad.- Enlaces de Ethernet que operan a 10 o 100Mbit/sintercambianlosdatosyloscomandosentredispositivosauna velocidad mayor que los protocolos tradicionales. Las estaciones maestras pueden realizar control y supervisin casi al instante. [9] Elbeneficiodelanormanoesaniveldeequipossinoqueesaniveldesistema,esto implica que los equipos debern de disearse de forma que encajen perfectamente en los sistemas IEC 61850. 1.4.4Ventajas del estndar IEC 61850 Define un protocolo para toda la subestacin. La arquitectura est abierta a pruebas futuras y facilita futuras ampliaciones, por lo tanto esta salvaguardada de inversiones. Soporta todas las funciones de automatizacin de subestacin que comprenden el control, la proteccin y la supervisin. Es un estndar mundial, es la nica solucin para interoperabilidad. 18 Definelosrequisitosdecalidad(lafiabilidad,ladisponibilidaddesistema,la integridaddedatos,laseguridad,etc.),condicionesambientales,ylosservicios auxiliares del sistema. Especificalosprocesosdelaingenieraysusherramientas,elciclodevidade sistema y las exigencias de garanta de calidad y el mantenimiento para el sistema de automatizacin de subestacin. La flexibilidad permite la optimizacin de arquitecturas de sistema. Emplea Ethernet y componentes de comunicacin Facilita una infraestructura de comunicacin comn, desde el centro de control a la aparamenta. 1.4.5Lenguaje de configuracin de Subestacin (SCL) El SCL, (Substation Configuration Language), que define la norma IEC 61850 en la parte 6. Se trata de un lenguaje basado en XML (Extensible Markup Language). El SCL es una especificacindelsistemaacercadeloslasdistintasconexionesexistentesentrelos equiposdelasubestacin,almismotiempoquedocumentalaasignacindelosnodos lgicos a los equipos y unidades que integran la subestacin, para: definir la funcionalidad, puntos de acceso y los pasos para el acceso a subredes de todos los posibles clientes. [9] El objetivo del SCL es el intercambio interoperable de los datos de ingeniera de los IEDS de la subestacin con las herramientas de ingeniera de los distintos fabricantes. Usar un mismo lenguaje es un requisito obligatorio (pero no suficiente) para conseguir la interoperabilidad entre todos los componentes de una subestacin. El proceso real como se ha conseguido la interoperabilidad se resume en la figura 1.3. 19 Figura 1.3 Proceso del Lenguaje de configuracin de Subestacin (SCL) [9] LosarchivosdelaSCLseutilizanparaintercambiarlosdatosdeconfiguracinentre herramientasdedistintosfabricantes.Hayporlomenoscuatrotiposdeintercambiode datos, y por lo tanto cuatro clases de archivos SCL. Cadaarchivodebeespecificarlaversinyelnmeroderevisinparapoderdistinguir entre las distintas versiones del mismo archivo. Esto significa que cada herramienta tiene que guardar la informacin acerca de la versin y el nmero de revisin del archivo que ya ha exportado. 1.4.5.1Archivos del lenguaje SCL Los archivos del lenguaje SCL se utilizan para intercambiar datos de configuracin entre diversasherramientasdeingenieradelosIEDs.Estosintercambiosdedatos,sepuede recoger en los siguientes cuatro puntos: El intercambio de datos entre las herramientas de configuracin de los IEDs y las herramientas de configuracin del sistema. 20 El intercambio de datos entre las herramientas de especificaciones del sistemay las herramientas de configuracin del sistema. El intercambio entre la herramienta de configuracin del sistema y la herramienta de configuracin de los equipos IEDs. El intercambio de datosentre la herramienta de configuracin de losIEDs a los equipos IEDs. Esto se hace a travs de diversos archivos fundamentales del lenguaje SCL, que la norma define en el apartado IEC 61850-6 son: ICD, SSD, SCD y el CID. 1.4.5.1.1ICD (I ED Capability Description) Contienelascaractersticasdecadadispositivorelacionadasconlasfuncionesde comunicacinyelmodelodedatos.Cadaarchivo.ICDcontieneunapartadoparala descripcin del dispositivo, en la que se recoge: Lascaractersticasrelacionadasconelserviciodecomunicacin,comopor ejemplo si los servicios de transferencia de archivos est preparado. Lascaractersticas de configuracin del equipo,por ejemplo cuantos bloques de control pueden ser configurados dinmicamente o por medio de un archivo SCD. Losdatosrelacionadosconlafuncionalidadylosdatosentrminosdenodos lgicos (LN) y el contenido de los datos (DATA). 1.4.5.1.2SSD (System Specification Description) Contiene las especificaciones de partida para la definicin del sistema: el esquema unifilar juntoalasfuncionesqueserealizarnenlosequiposprimarios,entrminosdenodos lgicos. 1.4.5.1.3SCD (System Configuration Description) Se trata de un archivo que el integrador del sistema exportar como resultado de las ICDs y las SDDs, el cual contiene la configuracin del sistema: todos los IEDs, la configuracin de las comunicaciones y la descripcin de la subestacin. 21 1.4.5.1.4CID (Configured I ED Description) Contiene para cada equipo la configuracin y todos los datos necesarios para describir la interaccin con el resto de equipos del sistema. Por lo tanto significa que un archivo SCL debe contener las siguientes informaciones: Descripcin de la topologa y nombres de la aparamenta. Configuracin de los IEDs, en trminos de los nodos logicos. Relacin entre las funciones de los IEDs y la aparamenta. Descripcin de la red de comunicaciones. Cada archivo tiene asociado un titular, el cual contiene un documento de referencia y un historial de las revisiones. El lenguaje SCL estandariza la forma en la cual estos datos se representanenXML.Estopermite,porejemploseguirlasdistintasversionesdela capacidad de un equipo o de las descripciones de un sistema de automatizacin. [9] El SCL es una parte integral del IEC-61850. Cada fabricante de DEIs debe suministrar un archivo SCL apropiadamente formateado como un requerimiento para cumplir con la especificacin del IEC-61850. Un archivo SCL puede describir un solo DEI o una estacin completa. 1.4.5.2El proceso de ingeniera con SCL El proceso de ingenierayconfiguracin se puede dividir en tres grandes bloques. Para poder llevar a cabo una ingeniera eficiente de configuracin de los IEDs, es necesario que esta serealice a travs de herramientasespecficas decada uno de los fabricantes, para posteriormentelasherramientasdeconfiguracintraduzcanlascapacidadesyla configuracindelIEDaSCL.DeestamaneraelSCLpermitirelintercambiode informacinentreherramientasdeconfiguracindediferentesfabricantes,almismo tiempoqueaseguralacompatibilidaddediversasversionesanterioresdeIEDsyla herramienta de configuracin de IEDs. [9] Laingenieradelossistemasdeautomatizacindesubestacionescomienzanconla asignacin de los dispositivos de funcionamiento a las distintas partes de la subestacin y coneldiseodelafuncionalidaddelproceso,dondeposteriormentelasfuncionesson 22 asignadasadispositivosfsicos,basndoseenlascapacidadesfuncionalesdelos dispositivos y sus capacidades de configuracin. [9] El alcance del lenguaje de configuracin SCL queda restringido a los siguientes objetivos: La especificacin funcional de los SAS. La descripcin de las capacidades de los IEDs. La descripcin de los sistemas SA. Paradisearelsistema,sedebeestandarizarlaingenieradecomunicacinyla descripcin de la comunicacin del sistema para las herramientas de ingeniera. Esto se alcanza definiendo un modelo para la descripcin de las unidades IEDs, sus conexiones de comunicacin, y sus asignaciones a la aparamenta, as como estandarizar la forma por lacualestemodeloserrepresentadoenunarchivoparaserintercambiadoentrelas distintas herramientas de la ingeniera. [9] 1.4.5.2.1Primera etapa: Esta primera parte como se muestra en la figura 1.4, se tiene que crear los archivos .ICD, pero antes de esta creacin, es necesario conocer todas las especificaciones necesarias y los requisitos funcionales de la subestacin en cuestin, para poder comenzar la seleccin de las unidades IEDs que formarn parte del sistema de proteccin y control. Unavezqueyasabemosculessonlosequiposdelosquedisponemos,ytrashaber asignadolasdistintasfuncionesypartesdedaaparamentaalaunidades,habrque comenzar la labor de configuracin de los IEDs. Para realizar esta tarea es necesario usar las herramientas especficas de los equipos IEDs, as como sus capacidades por defecto y las capacidades de descripcin de archivo. Cuando estn todas las unidades configuradas, comenzar la creacin de los archivos ICD para cada unidad, de esta forma posteriormente podremos cagar toda la informacin en el sistema de configuracin (System Configuration Description database, SCD) [6] 23 Figura 1.4 Proceso de Ingeniera con SCL (primera etapa). [6] 1.4.5.2.2Segunda etapa: Hasta ahora solo hemos cargado los archivos individuales de los equipos, por lo tanto ser necesariodefinirreferencias-cruzadasentreellosycomprobarlosparmetrosdelas unidades, para luego poder actualizar los archivos. ICD individuales ver figura 1.5. Figura 1.5 Proceso de Ingeniera con SCL (segunda etapa). [6] 1.4.5.2.3Tercera etapa: Unavezquehemosactualizadotodoslosarchivosindividuales.ICD,podemoscargar stos de nuevo pero ahora en sentido inverso, desde el sistema de configuracin SCD a 24 cada unidad correspondiente, tanto en el formato especfico del fabricante con en formato SCL (creacin del archivo .CID), ver figura 1.6. Figura 1.6Proceso de Ingeniera con SCL (tercera etapa). [6] La norma ha estandarizado las funciones de los sistemas de automatizacin utilizando las distintas clases de nodos lgicos (definidos en IEC 61850-7-4) y los nombres de los datos (IEC 61850-7-3), de esta forma se puede manejar las funciones de forma estndar, aunque su implantacin como tal no estn estandarizadas. Sin embargo para detectar que funcin esta realizando un equipo concreto IED, o que dato puede ser controlado o monitorizado, la estandarizacin de la semntica es suficiente. [6] 1.4.6Modelado de datos y servicios Elobjetivodelestndaresdisearunsistemadecomunicacinqueprovea interoperabilidad entre las funciones ejecutadas en la subestacin pero que residen en un equipo(dispositivofsico)dedistintosfabricantes,lograndolosmismosobjetivos funcionalesy operacionales. Para lograr este objetivo, las funciones de una subestacin son divididas en sub-funciones (nodos lgicos, LNs). LNs son los elementos centrales del modelo de datos. [10] 25 1.4.6.1Modelo de Datos. El modelo de datos proporciona una descripcindel mundo real como se muestra en la figura1.7.ElestndarIEC61850normalizalainformacinasignadaalosLNs.Estos datos son la base para el intercambio de informacin dentro del sistema de automatizacin de la subestacin. Figura 1.7 Modelo de los objetos de una subestacin. [12] EnlaFigura1.7semuestranlasnormasqueseutilizanparamodelarlosobjetos.En particular los Nodos Logicos (LN) son quienes definen los objetos de la subestacin para su consulta o actualizacin. Un LN (Nodo Lgico) es la representacin abstracta de una funcionalidad necesaria para la automatizacin de una subestacin. Esta funcionalidad no puede ser descompuesta en elementos ms bsicos. [11] Los LNs actualmente son 13 y estn agrupados como se muestra en figura 1.8. 26 Figura 1.8 Grupos de nodos lgicos. [6] LosdispositivossemodelanentrminosdeNodosLgicos(LN).UnLNeslaentidad ms pequea de una funcin que intercambia informacin, y representa la funcin en el dispositivofsico,realizandoalgunaoperacinparadichafuncin.DiversosNodos Lgicos, conforman un Dispositivo Lgico, y a su vez, un dispositivo lgico es siempre implementado en unIED (Intelligent ElectronicDevice).En la figura 1.9 se muestra la estructura del modelo de datos. Figura 1.9 Estructura del modelo de datos. [6] 27 1.4.6.1.1Dispositivo Fsico Es quien se conecta fsicamente con la red IP puede contener uno o varios dispositivos lgicos y puede trabajar tanto como servidor, proxy o concentrador. [10] 1.4.6.1.2Dispositivos Lgicos Est compuesto por un conjunto de nodos lgicos y servicios que estn relacionados. Se asocian directamente con un dispositivo real. Por ejemplo un interruptor, un seccionador, ounaproteccin,etc.Oseaapartirdeesteobjetoesquesepuedemodelarcualquier equipo de la subestacin. [10] 1.4.6.1.3Nodos Lgicos Es un conjunto de datos y servicios que se relacionan con una funcin especfica de la subestacin. La norma define los LNs para las distintas funciones de control, proteccin, medicin, etc. O sea lo que se define es la interface externa. La norma lo que no define es el funcionamiento interno de los LN. [10] 1.4.6.1.4Datos y Atributos de datos UnLNcontieneunconjuntodedatosestandarizados.Estosdatostienenunnombrey unafuncinespecficaynormalizada(Pos,Healt,etc).Estosdatossederivandeun conjunto de clases que tambin estn normalizadas. [10] Figura 1.10 Cardinalidad de los objetos lgicos. [10] 28 Toda la informacin y funciones en la subestacin estn estructuradas en estas unidades atmicas que son los Nodos Lgicos sobre lo que estamos desarrollando. Cada LN provee una lista bien organizada de informacin (Dada por la norma). En la figura 1.10 se muestra la cardinalidad de los objetos lgicos. Estos nodos se vinculan entre s a travs de funciones de comunicacin. La norma define 88 nodos lgicos que modelan las funciones. Ejemplo de un LN Transformador de intensidad. Pertenece al grupo T: Transformador de medida. LN:TCTR- Transformador de Intensidad. CDC: SAV Muestras instantneas de valores medios. Composite DC: Se define factor de escala y offset. Base DC: Tipo de dato. Este ejemplo se muestra en la figura 1.11. Figura 1.11 Ejemplo de LN. [8] La forma de nombrar los Nodos Lgicos es la que se muestra en la figura 1.12. Figura 1.12 Nombramiento de LNs. [8] 29 En la figura 1.13 se muestra un ejemplo de las categoras que se presentan en un Nodo Lgico. Figura 1.13 Datos de un nodo LN. [8] 1.5El Protocolo MMS El protocolo Manufacturing Message Specification (MMS) es una aplicacin industrial de control de procesos, est especificado segn InternationalStandardization Organization (ISO) 9506 y sirve para el intercambio de datos en un ambiente de produccin. [8] Esta sistema de mensajera fue desarrollada para aplicaciones industriales, fue diseado a nivel de capa de aplicacin basado en el modelo OSI (Open System Interconnection modelo de 7 capas), para soportar comunicacin desde y hacia dispositivos programables, integrados en un ambiente de produccin. [8] Los dispositivos programables tales como los IEDs no necesariamente tienen que ser del mismofabricanteytampocotienequeserdelmismotipodedispositivosyaquela mensajeraMMSeslosuficientementegeneralcomoparamanejarlasdistintas variaciones, para esto se utiliza otra norma de sistemas abierto el ISO-7498 (Open System Interconnection). 30 En particular, MMS es apropiado para cualquier aplicacin que requiera un mecanismo comn de comunicacin para llevar a cabo una diversidad de funciones de comunicacin relacionadas con el acceso en tiempo real y distribucin de datos y control del proceso de supervisin. [8] El protocolo MMS est basado en el modelo Cliente/Servidor. Para ello, el servidor MMS representa los objetos a los que el cliente MMS puede acceder. En la figura 1.14 se muestra este concepto, donde el servidor contiene los objetos MMS y ejecuta los servicios. [13] El mapeo de objetos y de servicios de la norma IEC 61850 a los modelos MMS se basa en una asignacin de servicio, donde un servicio especfico MMS / son elegidos como los mediosparaaplicarlosdiversosserviciosde(AbstractComunicationServiceInterfaz)ACSI.Porejemplo,elmodelodecontroldeACSIseasignaaMMSleeryescribir servicios. [13] A continuacin, los diversos modelos de objetos de la norma IEC 61850 se asignan a los objetosMMSespecficos.Porejemplo,elobjetodedispositivolgicoIEC61850se asigna a un dominio de MMS. La tabla 1.4 resume el mapeo de IEC 61850 objetos y en la tabla 1.5se resume el mapeo de ACSI a MMS. Tabla 1.4 Servicio de mapeo de objetos IEC 61850. [13] 31 Tabla 1.5 Mapeo de servicios IEC 61850 (parcial). [13] 1.6Redes y equipamientos bajo la norma IEC 61850 Las comunicaciones entre los IEDs, anteriormente se han realizado a travs de un sistema de cableado rgido, entre los dispositivos, y a travs de sistemas de comunicacin en serie debajavelocidad.Lasealizacin,sealcanzconectandolassalidasdeunIEDalas 32 entradas de otro IED. Este sistema es poco flexible y est muy limitado en su alcance de control. [9] La aparicin de Ethernet en las subestaciones basadas en redes LAN (Red de rea local), supusounimportantecambioanivelmundial.LasventajasprincipalesdelaLAN-Ethernet en las subestaciones elctricas son: Comunicaciones punto a punto de alta velocidad entre IEDs. Minimizar el cableado entre IEDs. Mltiples protocolos (ej. DNP, Modbus, IEC61850) sobre la misma red fsica. Acceso fcil y confiable de " Datos sobre IP " mediante el uso switches Ethernet, conversoresdemedio,servidoresserialesyroutersdiseadosconlosmismos estndares y normas que los dispositivos crticos de proteccin elctrica. ElestndarIEC61850enunasubestacinelctricapuedetenerdosaplicaciones principales: el bus de estacin y el bus de proceso. Figura 1.14 Estructura de comunicaciones LAN en subestaciones. [9] En la figura 1.14 se muestra la estructura de comunicaciones LAN en subestaciones.El bus de estacin es donde los rels y RTUS se conectan directamente a una LAN-Ethernet y el bus de proceso se refiere a dispositivos como CT/VT que proporcionan los valores de corriente y voltaje directamente sobre la LAN-Ethernet, como se muestra en la figura 1.15. 33 Estosequipostienenquegarantizarquenosepierdalainformacin,caractersticas avanzadasdeadministracinEthernet,yprotocolostolerantesafaltasconvelocidades menores a 20 mseg, ya que la informacin de la LAN se utiliza para medir y controlar la operacin de la subestacin. Figura 1.15 Estructura de comunicaciones IEC61850 en subestaciones. [9] El estndar IEC 61850 dedica las partes 8 y 9 de la norma para estudiar los mapeados del busdeestacinydeprocesorespectivamente.Enelapartado8,lanormasecentraen definir un mapeado para el bus de estacin: Para la capa fsica se definieron dos opciones: elctricay ptica. No obstante, a despusdeunaseriedepruebasiniciales,sedefiniquesiemprequela comunicacin saliera de una baha dicha comunicacin sera ptica. Para la link layer se defini Ethernet, por su extendido uso y la elevada inversin actual a nivel mundial. Para el resto de capas se definieron tres tipos de mensajes y mapeados: oMMS/TCP/IP para la comunicacin vertical (monitorizacin, supervisin y rdenes). oGOOSE(GSSE)paradatosdeeventosentiemporeal(comunicacin horizontal). 34 Envo peridico (maxtime) Envo inmediato tras cambio con repeticin (mintime) oSV (SampledValue) para las medidas analgicas Envo cclico de medidas 1.6.1Comunicacin vertical Elcontrolymonitoreodelassubestaciones,sontareasmuyimportantesdentrodelos sistemas de automatizacin. Esto comprende: Operaciones locales de los equipos de alta tensin y la aparamenta. Adquisicindelainformacindelaaparamentaymedidasdelossistemasde potencia. Manejo de los eventos y alarmas. La comunicacin de datos se dirige verticalmente, es decir del nivel de control al de baha, o viceversa, como se muestra en la figura 1.16. Figura 1.16 Comunicacin vertical. [9] La comunicacin vertical (Baha-estacin) se basa en los conceptos cliente-servidor y se utilizalosserviciosrelativosalosinformes,rdenesytransferenciadedatos.Los informes se utilizan principalmente para la comunicacin entre losequipos del nivel de baha y los equipos del nivel de estacin, para el envo primordial de datos de eventos y medidas. [9] 35 En cambio las rdenes se utilizan para el control de distintos objetos del sistema. Estos informesnosolamentecubrenelcontroldelosequiposprimariossinoquetambinse encargan de otro tipo de funciones.1.6.2Comunicacin horizontal Enestasetieneelintercambiodeinformacinentrelasdistintasbahas,comoel intercambio de informacin entre funciones dentro de una misma baha. En este tipo de comunicacin, el tiempo crtico de intercambio de informacin se puede hacer utilizando cableados de cobre con los contactos y rels auxiliares o bien utilizando comunicacin en serie. En la figura 1.17 se muestra este tipo de comunicacin. Figura 1.17 Comunicacin horizontal. [9] El diseador del sistema y el integrador debe escoger la solucin ms apropiada. Dependiendo de los requisitos de funcionalidad, rendimiento y disponibilidad la comunicacin. 1.6.3Arquitecturas de comunicacin En los sistemas de automatizacin de las subestaciones se pueden dividir normalmente en tres grandes niveles: Nivel de estacin. Nivel de Baha. 36 Nivel de proceso. Todos estos niveles estn interconectados entre s mediante redes de comunicacin.Estas redesdecomunicacin,segnelestndarIEC61850,constandediferentesswitchesde EthernetdebidoalascomunicacionesdevariasunidadesIEDs,conrequisitosde velocidad para la supervisin y operacin en tiempo real. [9] Usar switches de forma centralizada es similar a las configuraciones en estrella, mientras que los switches descentralizados son similares a la configuracin en anillo. Tambin se puede crear distintas configuraciones en anillo con combinaciones de estrella, por ejemplo unaestrellaredundantedeanillosposibilitasistemasgrandesconaltasnecesidadesde disponibilidad. Estas configuraciones son denominadas como topologas de red [9] La eleccin de la topologa de red se determina principalmente por requisitos de costes, funcionamiento y fiabilidad. Debido al alto costese prefiere arquitecturas en anillo frente aarquitecturasenestrella.EnlanormaIEC61850lasarquitecturasmscrticasen trminos de interoperabilidad son las redundantes. [9] Haytrestiposbsicostopologasderedes,Cascada,AnilloyEstrella,quemuy frecuentemente se implementan en las subestaciones. Tambin es muy normal encontrar hbridos de estas tres arquitecturas. En la tabla 1.6 se observa las ventajas y desventajas de cada una de estas. TopologaVentajasDesventajas CascadaRentabilidadRetrasos, No es redundante AnilloRentabilidad similar a la arquitectura en cascada Todos los switches deben tener el software RSTP, Retrasos EstrellaDisminuye los tiemposNo es redundante Tabla 1.6 Tabla comparativa entre topologas de red. [9]37 CAPITULO II 2DIAGNSTICO DEL ESTADO DEL TRANSFORMADOR EN BASE A LOS RESULTADOS OBTENIDOS DEL MONITOREO Eltransformadoresunapartefundamentaldelasredesdeservicioelctricoparalos usuarios,porlotantoesnecesariosupervisarelfuncionamientodeestasmquinas elctricas. Anteriormente se supervisaban estos equipos de manera peridica, mediante la toma de datos o lectura en campo de los elementos auxiliares de los trasformadores, tales como sensores de nivel de aceite, resultando poco eficiente ya que este tipo de supervisin toma muchotiempo del personal encargado. Actualmenteconelavancedelatecnologaestosmtodoshanquedadoobsoletos, teniendo as nuevos mtodos de supervisin como el monitoreo en lnea o en tiempo real delostrasformadores,mediantesensoresydispositivoselectrnicosinteligentes(IED). Conelmonitoreoenlneasetieneinformacindeoperacindeltransformadortodoel tiempo de manera fcil en los centros de control ahorrado tiempo al personal. En este proyecto se realizara el monitoreo constante de las variables de operacin de los trasformadoresdepotencia,especialmentelosgasesgeneradossiendolosms importantes,quepuedenrepresentarfallasincipientesdelaparteinternadeun transformador.Estainformacinobtenidadelmonitoreoesutilizadapararealizareldiagnsticodel estadodeltransformadoryaspoderdetectarfallastempranasparatomardecisiones oportunasantesdequeeltransformadorsufraunafallacatastrfica.Eldiagnsticose realiza siguiendo las normas ASTM D (American Society for Testing and Materials) para el mantenimiento de transformadores elctricos de potencia. 2.1Degradacin del aislamiento de un trasformador de potencia en aceite. Los transformadores potencia esta sometidas a altos niveles de tensin y de corriente, por lo tanto el aislamiento es la parte ms importante de estas mquinas. El aislamiento de los transformadores est sometidos a grandes esfuerzos elctricos y contaminantes externos 38 durante su operacin, reduciendo as sus caractersticas dielctricas y minorando la vida tildelostransformadores.Losfactoresqueseinvolucranenladegradacindel aislamiento de los transformadores se estudiarn ms adelante. El sistema de aislamiento en un transformador de potencia, est constituido por el aceite dielctrico y el papel. El aceite tiene varias funciones dentro del transformador tales como mantenerelaislamientoelctricoentrelosdevanadosydemscomponentes,disipael calorymantienelahomogeneidaddelatemperaturainternayextinguelosarcos elctricos. Por otro lado el papel es el asilamiento entre los devanados.2.1.1Vida til de los aceites dielctricos Enrealidadnosepuedemedirlavidatildeunaceitedielctrico,debidoaquesu degradacindependedealgunosfactoresdurantelaoperacindeltransformadorcomo por ejemplo las condiciones de operacin, del rgimen de carga del transformador, de su diseo, de la composicin del aceite dielctrico, de la cantidad de inhibidor. Por lo tanto algunos expertos sugieren que la vida til de un aceite aislante se defina como el tiempo duranteelcualelaceitealcanzaunNmerodeNeutralizacindeterminadosegnlas normas, este valor se alcanza dependiendo de la cantidad de aire disuelto en el aceite, la hidrlisisdelaguapresenteeneltransformador,ladescomposicindelacelulosayde una manera importante la temperatura del transformador. 2.1.2Papel dielctrico dentro del transformador. El papel dielctrico debe cumplir algunas funciones bsicas dentro del transformador de potencia como son: Resistenciaelctrica:Debetenercapacidaddesoportaraltosvoltajesincluidos esfuerzos de impulso y transitorios de sobre-corrientes y/o sobretensiones. Resistenciamecnicaalatraccin:Debesoportaradecuadamentelosesfuerzos axiales originados en cortocircuitos. Resistencia trmica y transferencia de calor. Capacidad para mantener sus caractersticas deseables. 39 Para que el papel dielctrico tenga una vida til de 100% debe tener valores en un ran