Este artículo se centra en los protocolos de IEC 61850 (GOOSE, MMS y SV entre otros) que ayudan a garantizar la coordinación y la interoperabilidad entre los IED y los sistemas de control. Pero, primero consideramos importante explicar varios conceptos.

¿Qué es una Subestación Digital?

Las subestaciones digitales son una evolución de las subestaciones tradicionales que utilizan dispositivos electrónicos inteligentes (IED) en lugar de dispositivos analógicos para mejorar la monitorización, el control y la protección de los sistemas de energía.

Las subestaciones digitales se han convertido en componentes clave para una gestión energética eficiente y fiable en los sistemas de energía actuales. Pues han permitido a las organizaciones a obtener funciones avanzadas como la monitorización de condiciones, mantenimiento predictivo y análisis de datos en tiempo real.

¿Qué son los IED (dispositivos electrónicos inteligentes)?

Los IED están interconectados a través de sólidas redes de comunicación que admiten una transmisión de información rápida y confiable. Los protocolos de comunicación juegan un papel crucial para permitir el intercambio de datos sin problemas dentro de la red.

Ejemplos de IED comunes son la infraestructura de medición avanzada (AMI), también llamados medidores inteligentes, relés de protección que detectan y responden a anomalías, puertas de enlace de comunicación que facilitan el intercambio de datos entre varios dispositivos y redes, y unidades de gestión de fasores (PMU) que miden y transmitir datos de fasores sincronizados. Los IED usan el bus de proceso, que reemplaza el cableado analógico en los sistemas tradicionales, para comunicarse con otros dispositivos en la red.

Arquitectura de un sistema de automatización de subestaciones digitales basado en IEC 61850

Para que todo funcione a la perfección dentro de la Subestación Digital, la norma IEC 61850 establece 3 niveles, cada nivel sirve para objetivos específicos y cumple unas funciones determinadas.

• Nivel de proceso: Este nivel comprende equipos de distribución de energía primaria, como interruptores automáticos, barras colectoras (busbars) y transformadores.
• Nivel de bahía: incluye equipos secundarios, como IEDs, que interactúan con el equipo primario. Los IED son dispositivos inteligentes de protección, control y comunicación basados en microprocesadores. Recopilan datos de sensores, los analizan y se comunican con otros dispositivos en el sistema.
• Nivel de estación: este nivel lo formanlos dispositivos que componen el sistema de control de la subestación. Incluye el SCADA y la Interfaz Hombre-Máquina (HMI). La HMI proporciona una vista simplificada del equipo de la subestación, lo que permite a los operadores monitorizar y controlar los dispositivos.

Las redes de comunicación que conectan estos dispositivos pueden estar basadas en ethernet, hechas de cables de fibra óptica y cables UTP, o sistemas de comunicación inalámbricos.

Las subestaciones digitales representan un cambio en el paradigma de infraestructura del sistema de energía. Aprovechan los IED para ofrecer beneficios como diagnósticos mejorados, costos de mantenimiento reducidos y automatización mejorada.

Protocolo GOOSE (Generic Object-Oriented Substation Event)

GOOSE (del inglés Generic Object-Oriented Substation Event) es un protocolo de comunicación comúnmente utilizado en subestaciones digitales para el intercambio de eventos en tiempo real. El protocolo fue diseñado para permitir una comunicación rápida y confiable entre pares, cumpliendo con los estrictos requisitos de control y automatización del sistema de energía.

GOOSE utiliza el modelo de publicador-suscriptor, que implica que un IED actúa como publicador para transmitir mensajes de eventos (conocidos como mensajes GOOSE) a los IED interesados dentro de la red de la subestación. Los IED receptores se llaman suscriptores.

Una de las principales ventajas de GOOSE es su capacidad para transmitir información de forma rápida y fiable. Logra esto mediante la utilización de comunicación basada en multidifusión, que permite la transmisión eficiente de un solo mensaje GOOSE a múltiples suscriptores simultáneamente.

El protocolo también implementa un mecanismo de entrega de alta prioridad y tiempo crítico. Este mecanismo de entrega emplea técnicas de sincronización para garantizar marcas de tiempo de eventos precisas y sincronizadas en toda la red.

Protocolo MMS (Manufacturing Message Specification)

El protocolo MMS (del inglés Manufacturing Message Specification) facilita el intercambio seguro de información estandarizada entre dispositivos electrónicos inteligentes (IEDs) y elementos de nivel superior (nivel de estación), como las Unidades Terminales Remotas (RTUs). El marco estandarizado proporcionado por el protocolo permite la integración e interoperabilidad de dispositivos de diferentes fabricantes.

MMS utiliza el Modelo de información común (CIM) para definir un lenguaje común que se utilizará dentro de la subestación para representar la información del sistema. El modelo consta de un conjunto de elementos, comportamientos y atributos que facilitan una comprensión común de los datos.

La comunicación segura es una funcionalidad clave que ofrece MMS. El protocolo implementa algoritmos de cifrado, firmas digitales y otros mecanismos de seguridad para garantizar que los datos de la subestación sean inmunes al acceso no autorizado o cualquier tipo de manipulación.

Protocolo SV (Sampled Values)

The Sampled Values (del inglés Sampled Values) es un protocolo crucial utilizado comúnmente en subestaciones digitales para propagar valores de muestra analógicos y digitales de alta velocidad y en tiempo real desde dispositivos electrónicos inteligentes (IEDs) hacia otros dispositivos dentro de la red de la subestación.

Este protocolo es fundamental para mantener la sincronización de datos entre dispositivos en la subestación. Lo logra transmitiendo valores muestreados con marca de tiempo. Gracias a esta sincronización, las muestras de medición de distintos dispositivos están alineadas en el tiempo y representan de manera precisa el mismo instante.

Gracias a su alta tasa de transferencia de datos, este protocolo permite un intercambio rápido de valores muestreados. Esto es fundamental para capturar y responder a eventos transitorios o fallos de manera rápida y eficiente.

Otros protocolos utilizados en la subestación digital

Si bien GOOSE, MMS y SV son los protocolos más destacados, existen otros protocolos de comunicación que se emplean en la subestación digital.

1. IEC 60870-5-101/104: Este protocolo admite una comunicación segura entre los IED y los centros de control para respaldar la automatización de la subestación.

2. NP3 (del inglés Distributed Network Protocol):  ofrece una comunicación segura, eficiente y robusta para los sistemas SCADA. Proporciona un intercambio de datos fluido entre las estaciones principales y estaciones remotas. DNP3 permite la supervisión, monitorización y adquisición de datos en tiempo real.

3. ICCP (del inglés Inter-Control Center Communications Protocol): con el protocolo ICCP, los centros de control pueden comunicarse de forma segura y confiable, intercambiando datos en tiempo real sobre las condiciones del sistema, mediciones y comandos de control. Esto permite una colaboración efectiva entre los centros para una gestión más eficiente de la infraestructura eléctrica.

Protocolos heredados (legacy)

Aunque los protocolos modernos mencionados anteriormente son las opciones preferidas para las subestaciones digitales, aún prevalecen en la industria protocolos heredados como IEC 60870-5-101 (también conocido como IEC 101), IEC 60870-5-104 (también conocido como IEC 104) y Modbus. Estos protocolos han mantenido su predominancia y continúan siendo ampliamente utilizados en la industria.

Estos protocolos fueron desarrollados hace tiempo y pueden carecer de las funciones avanzadas y los mecanismos de seguridad de sus contrapartes modernas. Sin embargo, muchas empresas continúan utilizando estos protocolos debido a la infraestructura existente, restricciones de compatibilidad, consideraciones de costos y otros desafíos que enfrentan. A pesar de sus limitaciones, estos protocolos siguen siendo una opción viable para algunas organizaciones en determinados contextos.

La coexistencia de protocolos nuevos y heredados plantea desafíos para la integración y interoperabilidad en las subestaciones digitales. Soluciones eficientes son clave para manejar múltiples protocolos y garantizar una comunicación fluida entre dispositivos y sistemas.

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Estos protocolos clave, GOOSE, MMS y SV, son fundamentales para el intercambio de datos en subestaciones digitales. Proporcionan un intercambio de eventos en tiempo real, seguridad en la transferencia de información y precisión en la transmisión de mediciones.

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