IEC 61850 Estandar Para Subestaciones

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2005-06-13 Gunnar Stranne

IEC 61850El Nuevo Estndar en Automatizacin de Substaciones

Guillermo Fuentes E

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IEC 61850 Introduccin

Introduccin Objetivos del estndar Detalles del estndar Pruebas de conformidad y migracin Conclusiones

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IEC 61850; Promocin en Revistas Comerciales

Publicaciones comerciales en lugar de anuncios Noviembre de 2005; edicin de

Modern Power Systems Febrero edicin de International

Power Generation

Serie IED 670; la primera en el mercado en implementar todos los aspectos del nuevo standard!!

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Qu es IEC 61850?

IEC 61850 es un estndar mundial paraSistemas y Redes de Comunicacin en Subestaciones

Especifica un ampliable modelo de datos y servicios No bloquea futuros desarrollos de funciones

NO especifca funciones de control o proteccin Respalda la Libre Asignacin de Funciones a Dispositivos

Es abierto a las diferentes filosofas de sistemas. Entrega un lenguaje descriptivo de configuracin en la subestacin

(SCL) Respalda una comprensiva y consistente definicin de sistema y

ingeniera Usa Ethernet y TCP/IP para la comunicacin

Entrega un amplio rango de caractersticas convencionales de comunicacin

Es abierto para futuros nuevos conceptos de comunicaciones

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IEC y el camino para el estndar IEC 61850

La Comisin Electrotcnica Internacional (IEC) es mundial. Publica las normas internacionales para todas las tecnologas

elctricas, electrnicas y relacionadas. Los miembros de IED son organizaciones de normalizacin

nacionales. i.e. ni personas individuales, ni compaias.

Expertos en los comits tcnicos representan a sus pases. i.e. No ellos mismos o sus empleados.

IEEE y EPRI trabajan bajo un esquema similar en Norte America

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IEC e IEEE unen fuerzas en 1999 and definen

IEC 61850: REDES DE COMUNICACIN Y SISTEMAS EN

SUBESTACIONES IEC 61850 es el primer estndar realmente mundial en el rea de la

Industria Elctrica. Respaldado tambin en el mundo de la ANSI/IEEE.

Aproximadamente 60 expertos de Europa y Norteamerica handesarrollado en conjunto el IEC 61850. Incluye el UCA 2.0 como subconjunto.

Todas las 14 partes del IEC 61850 fueron publicadas en el 2004 Influencia otras reas elctricas.

Centrales Elicas, Hidroelctricas, Recursos de Energa Distribuda, Implementacin en marcha por los ms importantes fabricantes.

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UCA e IEC dos estndares mundiales unidos

est listo ahora!

los productosestn desarrollados!

atrae mucho la atencin de clientesy fabricantes!

Un Mundo Una Tecnologa Un Estndar

IEC 61850

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IEC61850 Dominio de Aplicacin: Automatizacin de Subestacines

Control Remoto (NCC)

Nivel Baha

Nivel de Proceso

Nivel de EstacinBus de Estacin

Interbaha(LAN)

Bus de Proceso (LAN)

Estacin deComputacin

Estacingateway

Proteccin

Interface de Proceso

Interface deProceso

Interface deProceso

ControlProteccinControl Control &Proteccin

Estacin de Ingeniera

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Estructura del estndar IEC 61850

Communication model (Data model and Services)Communication model (Data model and Services)Communication model (Data model and Services)

Introduccin y Visin General

Glosario

Requerimientos Generales

Administracin de Proyectos y Sistemas

Requerimientos de Comunicacin

Estructura de Comunicacin Bsica (Modelo de Datos y Servicios)

Lenguaje de descripcin de configuracin para la comunicacin

Pruebas de Conformidad

Impacto en Ingeniera

Impacto sobreofertas y adm. de

Proyectos

Parte 1

Parte 2

Parte 3

Parte 4

Parte 5

Parte 7-17- 4

Parte 6

Parte 10

Informacin yconocimiento

Impacto enla verificacin

Mapeos de Bus de Proceso

Mapeos de Bus de Estacin

El real ahorro!!

Modeladodel standard

Parte 9Parte 8Mapeo Mapeo Mapeo Mapeo

Stack A Stack B Stack X Stack Y

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IEC 61850 Objectivos del Estndar

Introduccin Objetivos del estndar Detalles del estndar Migracin y test de conformidad Conclusiones

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Objetivos para el IEC 61850 (1)Reduce el costo de la aplicacin, permite salir de la antigua

penumbra hacia la prxima Generacin: Interoperabilidad

IEDs de diferentes fabricantes pueden intercambiar y usar informacinsobre medios de comunicacin comunes.

Sin embargo, la funcionalidad en los diferentes dipositivos no es necesariamentela misma.Por lo tanto, no hay intercambiabilidad de dispositivos de diferentesfabricantes!

La ingeniera y configuracin de datos es transportable entre herramientasde fabricantes.

Descripcin abierta de IEDs. Reduce la ingeniera y la configuracin Las capacidades de los IEDs son descritas en forma estndar. Funciones, soluciones, y datos propietarios son an permitidos y estn

disponibles.

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Objectivos para el IEC 61850 (2)

Comunicacin cerca de Equipos de Potencia. Capacidades de comunicacin, adquisicin de datos, y control, deben

ser includas directamente en los equipos primarios. Libre configuracin

Libre asignacin de funciones en sistemas de configuracionescentralizadas o descentralizadas.

Reduccin del cableado convencional. LAN en lugar de multiples cables de cobre.

A prueba de futuro Los servicios y las inversiones sern duraderos a pesar de los rpidos

cambios tecnolgicos. El estndar est diseado para seguir tanto el progreso en las

tecnologas de comunicacin, como los requerimientos que envuelvena estos sistemas.

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IEC 61850 Detalles del estndar


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Comunicacin de Datos en Terminos Humanos

IED1


CB1

IED 1 DataTOC Pick-upCB1 is ClosedI Phase L1 is 200AV Phase L1 is 26.3kV

En este ejemplo: El elemento de proteccin TimeOverCurrent tuvo un pick up El Circuit breaker est Cerrado La corriente en la Fase L1 es 200 A El voltaje en la Fase L1 es 26.3 kV

Protecciny Control

Estacin de Computacin

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Comunicacin de Datos usando Protocolos Propietarios

IED1


CB1


Usando por ejemplo LON, DNP 3.0 o uno similar- El contexto de los datos se pierde.

HMI LinkageCB1 Pos = DB DW167 TOC PU = DB DW 2IL1 = DB DW 3UL1 = DB DW 4

DNP 3.0 MessagesIED1, Obj 2, Var 2, #1 = CB1 PosIED1, Obj 2, Var 2, #20 = TOC PUIED1, Obj 30, Var 4, #1 = IL1IED1, Obj 30, Var 4, #6 = UL1

DNP 3.0 DBDB DW1 = IED1, Obj 2, Var 2, #1DB DW 2 = IED1, Obj 2, Var 2, #20 DB DW 3 = IED1, Obj 30, Var 4, #1 DB DW 4 = IED1, Obj 30, Var 4, #6


Protecciny Control

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Comunicacin de Datos usando IEC 61850

IED1

CB1


Datos de Proteccin

Datos del Switchgear

Measurement DataDatos de Medidas

IEC 61850 divide los datos en grupos lgicos.En este ejemplo: Datos de Proteccin (TimeOverCurrent tuvo Pick Up), Datos del Switchgear (CB1 est cerrado) y Datos de Medicin (Los valores para V e I)

Este IED usa datos de tres grupos para supervizar el CB.



Protecciny Control

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Grupos Logicos

Physical Device(network address)

Logical Device

LN1(XCBR)

LN2(MMXU)

Pos A

StV q PhA PhB

Physical Device

Logical Device1 ... N

Logical Node1 N

Data1N

Data attribute1N

Baha A

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Logical Node

Funciones o equipos utilizados en el Sistema de Potencia son representados en Logical Nodes, LN

Toda la informacin y funciones en la subestacin estnestructuradas en unidades atmicas, los LNs

Cada LN provee a una lista bien organizada y nombrada de informacin.

Funciones complejas utilizan un set de LN requeridos pararepresentar la funcin

Los servicios habilitan el intercambio de informacin en LNs entreIEDs

Ejemplo: el LN de un Circuit Breaker tiene el nombre genrico XCBR Nuevos LN pueden, si es requerido, ser creados de acuerdo a reglas

definidas en el estndar

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2005-06-13 Gunnar StranneOCircuit breaker operating capability when fully chargedINSMaxOpCapOPoint On Wave switching capabilityINSPOWCapMCircuit breaker operating capabilityINSCBOpCap

Status InformationOSum of Switched Amperes, resetableBCRSumSwARs

Metered Values

OCharger motor enabledSPCChaMotEnaMBlock closingSPCBlkClsMBlock openingSPCBlkOpnMSwitch positionDPCPos

ControlsMOperation counterINSOpCntOExternal equipment name plateDPLEENameOExternal equipment healthINSEEHealth

MLocal operation (local means without substation automation communication, hardwired direct control)

SPSLocMLN shall inherit all Mandatory Data from Common Logical Node Class

Common Logical Node Information

M/OTExplanationAttr. Type

DATA ClassXCBR class

XCBR - Circuit Breaker

Este LN es usado para modelar switches con capacidad de interrupcin de arco. LNs adicionales como por ejemplo SIMS, etc. pueden requerirse para completar el modelamiento lgico para el breaker a ser representado. Los comandos de cierre y apertura deben ser suscritos desde CSWI o CPOW si aplica. Si no se requieren servicios de tiempo real entre CSWI o CPOW y XCBR, los comando de apertura y cierre son controlados con un mensaje GSE. (Ver IEC 61850-7-2).

CLN

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OOperation timeINSOpTmhOOperation counterINSOpCntOOperation counter resetableINCOpCntRsOExternal equipment name plateDPLEENameOExternal equipment healthINSEEHealthOLocal operationSPSLoc

Optional Logical Node InformationMName plateLPLNamPltMHealthINSHealthMBehaviorINSBehMModeINCMod

Mandatory Logical Node Information (Shall be inherited by ALL LN but LPHD)

M/O

TExplanationAttr. Type

DATA Class

CLN class

CLN - Common Logical Node

Las clases de LN compatibles definidos en este documento son especializaciones de estas clases de Common de LN.

T = Transient, M = Mandatory, O = Optional

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Logical Nodes: In total 92 divided into 13 groups

4Power TransformerY

4Sensors, MonitoringS

28Protection FunctionsP

10Protection Related FunctionsR

4Automatic controlA

Further (power system) equipment

Instrument Transformer

Switchgear

Metering and Measurement

Interface and ArchivingGeneric Function References

Supervisory control

System Logical NodeLogical node groups

8M

4I

3G

5C

2X

2T

5Z

3LQtyIndicator - PDIR Directional Comparison

- PDIS Distance- PSCH Protection scheme- PTOC Time overcurrent- PTOV Overvoltage

- more

- MMXU Measuring (Measurand unit)- MMTR Metering- MSQI Sequence and imbalance- MHAI Harmonics and inter-harmonics

- more ..

- XCBR Circuit breaker- XSWI Circuit switch

- RDIR Directional element- RDRE Disturbance recorder function- RBRF Breaker failure- RFLO Fault locator- RREC Autoreclosing

- more

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LN: Time Overcurrent Name: PTOC

T = Transient, M = Mandatory, O = Optional

Attribute Name Attr. Type Explanation T M/OLNName Shall be inherited from Logical-Node Class (see IEC 61850-7-2)

LN shall inherit all mandatory data from Common Logical Node Class MOpCntRs INC Resetable operation counter O

Str ACD Start MOp ACT Operate T MTmASt CSD Active curve characteristic O

TmACrv CURVE Operating Curve Type OStrVal ASG Start Value OTmMult ASG Time Dial Multiplier OMinOpTmms ING Minmum Operate Time OMaxOpTmms ING Maximum Operate Time OOpDITmms ING Operate Delay Time OTypRsCrv ING Type of Reset Curve ORsDITmms ING Reset Delay Time ODirMod ING Directional Mode O

PTOC class

Common Logical Node Information

Status Information

Settings

Data

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355 different types of data

36Controllable data

85Status information

66Measurands

14Metered values

11Physical device information

130Settings

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13System informationQuantityData Classes

- A Phase to ground amperes for phases 1, 2 and 3- Amp Amperes for non-phase related measurements

- PPV Phase to phase voltages- PhV Phase to ground voltages- Vol Voltage for measurement

- Hz Frequency- Imp Non-phase related Impedance- Z Phase Impedance

- TotW Total active power (Total P)- W Phase active power (P)- TotVAr Total reactive power (Total Q)- VAr Phase reactive power (VAr)- TotVA Total apperant power (VA)- TotPf Average power factor (Total Pf)- Pf Phase power factor (Pf)

- More.

All data in SI units

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IEC 61850 modeling example

Bay A

PTOC (Time Over Current)RREC (Autorecloser)CSWI (Control Circuit breaker)MMXU (Measurement unit)

CSWI (Control - Disconnector)MMTR (Metering)

BayA/CSWIBay Unit

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Bay A

PTOC (Time Over Current)RREC (Autorecloser)CSWI (Control Circuit breaker)

BayA/CSWI.PosBay Unit

ModeBehHealthNamePltLocOperCntPosPosAPosBPosCOpOpnOpCls

ModeBehaviorHealthName PlateLocationOperation CounterSwitch position generalSwitch Position Phase ASwitch Position Phase BSwitch Position Phase COperation open switchOperation close switch

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Bay A

PTOC (Time Over Current)RREC (Autorecloser)CSWI (Control Circuit breaker)

BayA/CSWI.Pos.stValBay Unit

ModeBehHealthNamePltLocOperCntPos

ctValstValpulseConfigoperTimq

ModeBehaviorHealthName PlateLocationOperation CounterSwitch position general

Intermediate-state (0)off (1)on (2)bad-state (3)

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Comunicacin Horizontal (peer-to-peer)

GOOSE = Generic Object Oriented System-wide Events

Stationcomputer

Stationgateway

Protection

Process Interface Process Interface Process Interface

ControlProtectionControl Control &Protection

GOOSE

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IEC 61850 GOOSE Prioridad de Etiquetado.

IEC 61850 usa el estndar Ethernet IEC 61850 Puede tomar ventaja de todas las opciones de la Ethernet

moderna

NormalTelegrams

GOOSE

Buffer for normal telegrams

Overtake lane for IEC GOOSE

Ethernet-Switch

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Analog Values on the Process Bus

Corrientes and voltajes son muestreados y distribudos a losusuarios sobre el bus de proceso LAN Una unica Conversin A/D

Muestreo de alta velocidad Hasta 80 muestras por periodo para

proteccin (4 kHz) 256 muestras por perodo para power

quality Muestreo directo en modernos CTs/VTs Muestreo en Merging Units (MU)

Merging Units convierten sistemas de adquisiciones de datos propietarios a IEC 61850-9-2

CTs/VTs

IEC 61850-9-2Process bus

Protection

IEC 61850-8-1

MergingUnit (MU)

SampledValues

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La LAN de la Subestacin

IEC 61850 especifica slo la interfase de la LAN de la subestacin La LAN misma es dejada al integrador del sistema.

La red LAN es una subparte de la subestacin y necesita ingeniera, configuracin, supervisin y control como cualquier otra subparte. Un sistema de administracin de red es apropiado

La topologa LAN depende del nmero de restricciones: Requerimientos operacionales para la subestacin Tamao de la Subestacin Confiabilidad y Disponibilidad etc.

La LAN de la subestacin estar bien separada en un bus de estacionesy uno o ms buses de proceso. Experiencias previas en arquitecturas de comunicaciones en subestaciones an

demostrado que este es un enfoque sensato.

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Bus de estaciones y proceso de cableado tradicional

Router switch

NetworkControlCenter

HSI Engineering/Monitoring

IEC 61850 Stations bus

BayController

IEDA

IEDA

Switchgear CTs/VTs

BayController

IEDA

IEDA

Switchgear CTs/VTs

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Buses separados para proceso y estaciones

BayController

IEDA

IEDA

ModernSwitchgear

ModernCTs/VTs

BayController

IEDA

IEDA

ModernSwitchgear

ModernCTs/VTs

EthernetSwitch

EthernetSwitch

Router switch


IEC 61850-8-1 Stations bus




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Common station and process bus

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IEDA

ModernSwitchgear

ModernCTs/VTs

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IEDA

ModernSwitchgear

ModernCTs/VTs

EthernetSwitch

EthernetSwitch

Router switch


Common Stationsand Process bus


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Station bus in ring

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IEDA

ModernSwitchgear

ModernCTs/VTs

BayController

IEDA

IEDA

ModernSwitchgear

ModernCTs/VTs

Ethernet in ring with switches

EthernetSwitch

EthernetSwitch

Router switch


IEC 61850-8-1Station bus




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Connects IEC 61850 nodes together Multipurpose Ethernet switch

Manufactured by OnTime in Norway -www.ontimenet.com

Several network topologies supported One T200 RealSwitch on top of the

topology Time synchronization switch with

integral time server R200 RingSwitch on next levels

In principle unlimited number of hierarchical levels

Runs on 10/100 Mbit/s Time accuracy better than 0,5 s

regardless of load

Switch for an IEC 61850 network Example 1a

8 ports whereof max 6 can be optical Different types of connectors available

LC type recommended Full flexibility regarding port

combination TX, SM,MM The port is learning addresses in

order to prevent flooding when it begins forwarding traffic

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Easy configured by means of the free OnTimeConfig tool. Any of the Ethernet ports can be used Remote configuration through

network possible IP address Parameters No moving parts

or electrolytic capacitors User configurable fault contact Redundant power input High MTBF numbers

Switch for an IEC 61850 network Example 1b

Subnets One IEC 61850 OPC server in

MicroSCADA Pro equals to one subnet.

Theoretically no limitation, but in practice about 4 subnets

Maximum 30 nodes per subnet Nodes on one subnet can be split

into several subnets when assigning the IP addresses

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Connects IEC 61850 nodes together Multipurpose Ethernet switch

Manufactured by RuggedCom Inc in Canada - www.ruggedcom.com

Several network topologies supported One RS1600F on top of the topology

In principle unlimited number of hierarchical levels

Runs on 10/100 Mbit/s

Switch for an IEC 61850 network Example 2a

16 optical ports Different types of connectors

available LC type recommended Full flexibility regarding port

combination SM, MM The port is learning addresses in

order to prevent flooding when it begins forwarding traffic

RuggedSwitch - RS1600F

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LED indicators for link, activity and speed aid in field troubleshooting

RuggedSwitch Operating System (ROS) for advanced networking features like: Port configuration Port mirroring Port statistics Port Security Event logging and alarms

Critical alarm relay Redundant power input Full duplex operation (no collisions)

Switch for an IEC 61850 network Example 2b

High reliability Exceeds that of commercial

Ethernet switches by having no rotating mechanical parts such as cooling fans

by utilizing high-temperature solid-state components.

RuggedSwitch - RS1600F

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Ingeniera y Configuracin

Resguardos para una ingeniera eficiente en el IED La ingeniera de los IEDs es realizada a travs de herramientas

especficas de cada fabricante. Las herramientas de configuracin traducen las capacidades y

la configuracin del IED a SCL (Substation Configuration description Language)

SCL permite el intercambio de informacin entre herramientasde configuracin de diferentes fabricantes.

SCL asegura la compatibilidad de diversas versiones anterioresde IEDs y la herramienta de configuracin de IEDs

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Paso 1: Selecionar los IEDs de acuerdo

a los requerimientosfuncionales

Configurar los IEDs Herramienta especfica del IED Capacidad por defecto del IED

Capacidad de descripcin de archivo, ICD, como bsicos.

Crear ICD, para IEDsindividuales.

Cargar todos los archivos ICD en el System Configuration Description database (SCD)

IED Aconfig.tool

IED Bconfig.tool

Vendor AIED

Vendor BIED

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Systemconfig.tool

SubstationConfigurationDescription

IED CapabilityDescription files, ICD

System ConfigurationDescription file, SCD

Ingeniera y Configuracin

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Ingeniera y Configuracin Example 2/3

IED Aconfig.tool

IED Bconfig.tool

Vendor AIED

Vendor BIED

IEC 61850Ethernet

Systemconfig.tool



Paso 2: Cargar todos los archivos ICD

en el System Configuration Description database

Definir referencias-cruzadasentre IEDs

Seteo de parmetros en losIEDs

Actualizar los archivos ICD individuales

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Ingeniera y Configuracin Example 3/3

Paso 3: Cargar los ICD desde el System

Configuration Description database

Crear los archivos de parametrosrun-time individualmente paracada IEDs

En formato especfico del fabricante

En formato SCL comoConfigured IED Description file (CID)

Cargar los archivos run-time individualemente en IEDs

MMS services FTP Mtodo propietario

IED Aconfig.tool

IED Bconfig.tool

Vendor AIED

Vendor BIED

IEC 61850Ethernet



System ConfigurationDescription files, SCD

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IEC 61850 Migracin y Test de Conformidad


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Migracin a IEC 61850

La migracin es tcnicamente posible s: Se reemplazan los dispositivos a nivel de estacin. Se reemplaza total o parcialmente los dispositivos a nivel de

baha. Se reemplazan total o parcialmente los dispositivos de proceso. Se extienden con una o ms bahas

La migracin podra no ser rentable. Dos clases de mantenimiento en instalaciones mixtas. No hay beneficios funcionales

Se debe considerar migrar la subestacin completa!

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Migration a Nivel de Estacin

Estaciones de computacin y gateways sern compatibles por mucho tiempo con losactuales protocolos e interfaces

La separacin entre lasfunciones de comunicacin y operador permitir un mix de protocolos en el bus de estacin. e.g. IEC 61850-8-1 y LON Problemas si el bus de

estacin es usado paraintercambios ridos entrepares, e.g. Enclavamientos, la transferencia entre dos buses puede tomar tiempo.

NewStationcomputer

Process Interface

BayController

IEDA

IEDA

Switchgear CTs/VTs

IEC 61850-8-1

IEC 61850-9-2

Old station bus

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Migracin en niveles de baha y de proceso

Reemplazo solamente de un IED Reemplazar un IED con conector compatible, si es posible compatible

con IEC 61850 Retrofit of bay

Seleccionar un set de IEDs compatibles con IEC 61850, los fabricantesdeben tener un IED compatible con IEC 61850 e interfaces actualmente compatibles

Extensiones con una nueva baha En cuanto a retrofit, pero considerar tambin un bus de proceso full.

Retrofit de equipo primario o transductor/actuador Lo mismo que para retrofit de nuevas bahas

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Test de Conformidad

Las pruebas de conformidad incluyen verificacin de la informacin y herramientas suministradas por el fabricante, como por ejemplo: La descripcin formal del IED dentro del archivo ICD, de Descripcin de

Configuracin del IED. El SCD, System Configuration Description, archivo que describe el

sistema usado para la configuracin del IED. Las pruebas de conformidad pueden ser llevadas a cabo

por el fabricante mismo o por una organizacin de pruebas independiente, como KEMA

Interoperabilidad entre productos de diferentesfabricantes garantizado por: Programa de aseguramiento de calidad durante el desarrollo,

introduccin al mercado, y ejecucin del proyecto. Test de conformidad (test tipos) para las capacidades de comunicacin.

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IEC 61850 Conclusiones

Introduccin Objectivos del Estndar Detalles del Estndar Migracion y test de conformidad Conclusiones

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Qu NO es parte de IEC 61850?

Funciones del producto no standarizadas y no includas

Funciones del operador y interfasesde operador NO son estandarizadasy no estn includas

Productos de diferentes fabricantesson interoperablesperono necesariamente intercambiables

..as que todava importa a quesuministrador seleccionan losclientes!

Queda porcompetir

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IEC 61850 Beneficios y Conclusiones

EL estndar para automatizacin de subestaciones! Alto grado de flexibilidad a travs de la interoperavilidad entre IEDs

de distintos fabricantes. Toma una completa ventaja para futuras innovaciones con

tecnologas de Automatizacin de Subestaciones y Comunicaciones

Promete reduccin de costos desde el diseo hasta la operacin y mantenimiento!

Arquitectura de Subestacin adaptada a sus requerimientos! Da la oportunidad de dar un Mejor valor al dinero Acogida por fabricantes y usuarios equitativamente!

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IEC 61850 - Referencias / Links

IEC standards portal IEC 61850 all parts UCA International Users group

http://www.ucausersgroup.org

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IEC 61850 in Substation Laufenburg, CH

100 Mbit/sEthernet ring bus

...

IEC 61850

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380kV Feeder Wiesental Nord .......................................................

COM581

REC316

RIO580

REL316

Third party

Feeder xy

IEC60870-5-101

MEINBERGNTP Timeserver

Migration of7 feeders in total

Existing Third Party

ExistingCubicles

Hard-wired

Existing Third Party

ABB scope of supply

Station is renewed by ABB(article is available)

IEC 61850 Estandar Para Subestaciones

Documents

Transcript of IEC 61850 Estandar Para Subestaciones