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Thema
Protección
integrada de
energía
Aplicaciones integradas en la automatización de
sistemas eléctricos
Kornel Scherrer
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Desde los inicios de la electrificación, hace ya más de 130 años,
proteger los activos contra los cortes o caídas de tensión ha sido un
objetivo fundamental. Desde entonces, nuevas tecnologías integradas
de información, incorporadas a la
automatización de sistemas eléctricos, gestionan los aspectos relativos
a la protección, además de otras
muchas aplicaciones especiales.
Esta evolución y sus futuras tendencias se discuten de forma resumida
en este artículo, dedicado a la automatización de sistemas eléctricos
aplicada a la generación, transmisión y distribución de electricidad.
Revista ABB 2/2006
Protección integrada de energía
Tecnologías de sistemas integrados
L
a automatización de sistemas eléctricos tiene su origen en la protección de equipos de alta o media tensión en caso de daños provocados por
un fallo del sistema de energía. Entre
estos equipos están los aparatos de
conmutación de potencia, los interruptores y líneas de transporte de
energía, así como los motores y generadores. Los primeros dispositivos de
protección se desarrollaron hace más
de 130 años, cuando se iniciaron los
primeros proyectos de electrificación.
Por aquel entonces, los dispositivos
de protección se basaban en principios electromecánicos y actuaban de
forma completamente mecánica. Todavía hoy existen muchos de estos
relés electromecánicos en muchos
sistemas eléctricos instalados por todo
el mundo. A medida que surgieron
nuevas tecnologías de componentes
electrónicos y de semiconductores,
surgieron también nuevas posibilidades de proteger los sistemas eléctricos
y se diseñó una segunda generación
de dispositivos de protección con
componentes electrónicos. Estos relés
de estado sólido habilitaron nuevas
aplicaciones que incorporaban mejores funciones de protección, además
de mediciones de potencia, disparo
de alarmas y análisis de tendencias
básicas. Finalmente, gracias a la disponibilidad comercial de microprocesadores en los primeros años ochenta
del pasado siglo, surgió la protección
numérica. La tecnología de microprocesadores ha puesto a nuestra disposición una gran profusión de nuevas
funciones. Estos dispositivos numéricos integrados ofrecen actualmente
ventajas esenciales en cuanto a protección, control, monitorización y autosupervisión, así como para la comunicación de datos.
los clientes, calidad y fiabilidad de la
energía, servicio con valor añadido, rendimiento financiero, menores costes de
explotación y mantenimiento y gestión
de activos, son tan sólo algunos de los
retos que impulsan la implementación
de modernas soluciones de automatización en el campo del suministro de
energía. La comunicación de datos en
tiempo real es una característica fundamental y el acceso desde cualquier
lugar a la información del proceso es
esencial para sacar provecho de las soluciones modernas.
Áreas de aplicación de la automatización de sistemas eléctricos
La automatización de sistemas eléctricos
es un caso claramente diferenciado de la
automatización industrial en general.
Debido a la proximidad con equipos de
alta y media tensión, las soluciones de
automatización de los sistemas eléctricos
tienen que satisfacer requisitos más rigurosos. Respecto de la automatización industrial, las diferencias principales son la
señalización de tensiones más altas, la
detección de corriente y tensión altas, la
detección de sucesos con una precisión
de 1 ms, el corto tiempo de respuesta
(del orden de algunos milisegundos) y
los requisitos más estrictos de verificación EMC (compatibilidad electromagnética) y EMI (interferencias electromagnéticas). A continuación se presentan y
describen algunas aplicaciones típicas de
automatización de sistemas eléctricos.
El número de componentes de sistemas
integrados está creciendo rápidamente.
Los componentes, con sus diversas tareas, cubren todo el proceso de suministro de energía eléctrica, desde la pro-
Impulsores de la automatización de
sistemas eléctricos
Mientras que, en el pasado, la única finalidad de un dispositivo de protección
era proteger un equipo de alta y media
tensión, el entorno comercial actual de
la transmisión y distribución de la energía eléctrica impone nuevos requisitos
que exigen nuevas soluciones. Los aspectos técnicos van acompañados de
un gran número de nuevos retos. Liberalización del mercado de la electricidad, especial atención a los clientes de
compañías eléctricas, conservación de
Revista ABB 2/2006
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Protección integrada de energía
Tecnologías de sistemas integrados
ducción al consumo. Un criterio básico
para la caracterización de un sistema integrado, o de un componente del sistema, es su capacidad para reaccionar ante sucesos o condiciones del proceso en
una franja determinista de tiempo. Estas
aplicaciones en tiempo real tienen una
ejecución típicamente cíclica. El tiempo
de ciclo determina la mayor rapidez de
la respuesta y, por consiguiente, ha de
ser diseñado específicamente para la
aplicación. En general, las aplicaciones
más cercanas al proceso de suministro
de energía requieren tiempos de ciclo
más cortos que las aplicaciones situadas
en lugares remotos, como son los centros de control de la red. La figura pequeña representa una estructura típica
de suministro eléctrico que incluye varias aplicaciones de automatización con
diferentes características. En general, la
funcionalidad básica de la automatización de sistemas eléctricos incluye la
protección del equipo del sistema eléctrico, el control del flujo de potencia, la
monitorización del proceso de suministro energético y la supervisión del estado del equipo.
Central eléctrica
El control industrial es la tecnología de
automatización predominante en una
central eléctrica. Sin embargo, los equipos con mayores tensiones, como los
generadores de potencia, utilizan dispositivos de automatización de sistemas
eléctricos, entre cuyas funciones suelen
estar las siguientes:
Protección y control de generadores
Funciones de control del funcionamiento síncrono (Synchrocheck), que
garantizan una temporización correcta cuando el generador está conectado a la red de transmisión de energía
Protección y control de interruptores
Todos los dispositivos de automatización de los sistemas eléctricos están
integrados por lo general en el sistema de automatización de las centrales
eléctricas, permitiendo controlar
centralizadamente toda la estación.
Red de transmisión de energía
Típicamente, en cada extremo de una
línea de transporte de energía eléctrica
hay situada una subestación. La aplicación más característica en la red de
transmisión es la función de protección
de la línea de transporte, integrada como tarea dedicada en el sistema de au20
tomatización instalado en la subestación.
La protección diferencial de la línea se
basa en dos dispositivos electrónicos
que miden la tensión y la corriente en
ambos extremos de la línea. Enlaces de
comunicación especializados transmiten
estas mediciones, que en condiciones
normales de operación no deben mostrar diferencia alguna. Una diferencia en
las cantidades indicaría un fallo en la línea y se activarían (dispararían) los interruptores en cuestión de milisegundos,
desconectando la línea de la red de
transmisión. Tales fallos pueden ser
temporales, en caso de un rayo, o permanentes, como cuando cae un árbol.
En caso de fallo temporal, las funciones
de automatización reconectarán la línea
automáticamente.
Otra aplicación común es la protección
de distancia que realiza una función similar, pero basada en la impedancia de
la línea y no en las diferencias de tensión o de intensidad. En caso de producirse un fallo en la línea, el dispositivo
integrado no sólo la desconectará, sino
que también dará alguna indicación de
a qué distancia de la subestación se ha
producido el fallo.
Todos los dispositivos de automatización en una subestación están conectados típicamente a una terminal o pasarela (gateway) de comunicación remota,
que intercambia información con el centro de control de la red.
Aunque la red de transmisión opera con
corriente alterna (AC), para la transmisión de energía a largas distancias generalmente se emplea corriente continua
de alta tensión (HVDC). La energía se
ha de convertir en ambos extremos de
la línea, de alterna a continua y de continua a alterna, mediante convertidores
controlados por tiristores. Estos circuitos
requieren equipos de control y protección muy refinados y potentes, que opera en tiempos muy pequeños, del orden
de 100 nanosegundos.
Subestación de transmisión
En la subestación, grandes transformadores de potencia aislados con aceite
convierten los niveles de tensión desde
una tensión de transmisión de 240 kV a
110 kV, por ejemplo. Sistemas específicos de interruptores permiten controlar
fiablemente el flujo de potencia. Son
muchos los sistemas integrados que se
instalan con fines de automatización. En
general, cabe distinguir entre funciones
de protección de objetos, como es la
protección de líneas, transformadores o
interruptores, y las funciones de protección de sistemas, por ejemplo de las barras colectoras. Los cortocircuitos en la
subestación pueden alcanzar valores de
hasta 100.000 amperios. Por tanto, los
dispositivos de protección tienen que
reaccionar en 10 a 20 ms para desconectar la parte defectuosa de la estación.
Por razones de seguridad de funcionamiento, se suelen utilizar dispositivos
integrados independientes para la protección y el control. Así pues, una subestación puede necesitar muchas docenas de dispositivos de automatización,
que en grandes estaciones pueden llegar a ser varios cientos. Los dispositivos
de automatización son componentes de
sistemas modulares con una cantidad
variable de entradas y salidas de proceso y con diversas potencias de cálculo.
Subestación de distribución primaria
La subestación de distribución primaria
realiza las mismas funciones que una
subestación de transmisión pero a niveles
inferiores de tensión. Transformadores
más pequeños de potencia convierten los
niveles de tensión de 110 kV a 38 kV,
por ejemplo. A este nivel, la protección y
el control suelen estar integrados en un
único dispositivo que ejecuta simultáneamente todas las funciones. La energía
afectada por una avería es menos vital
que en un sistema de transmisión y, por
consiguiente, los requisitos de respuesta
en tiempo real son algo menos estrictos.
No obstante, los tiempos de operación siguen estando en el rango de algunas
decenas de milisegundos.
Subestación de distribución secundaria
La subestación de distribución secundaria está situada más cerca de los consumidores y opera a niveles más bajos de
tensión. Puede incluir o no un transformador, y el sistema completo es considerablemente menos complejo que en
una subestación primaria.
La sofisticación de la automatización está
también muy limitada y casi siempre se
reduce a funciones sencillas de protección. Los dispositivos están estandarizados y disponibles a muy bajo coste. Por
lo general no se emplea comunicación
en este nivel de la red de distribución.
Estación generadora de potencia
distribuida
La aplicación más común de un generador de potencia distribuida es servir coRevista ABB 2/2006
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Tecnologías de sistemas integrados
mo fuente de energía de reserva en caso
de emergencia para consumidores críticos con especiales necesidades de electricidad, como pueden ser hospitales,
diversas aplicaciones industriales o una
infraestructura con carácter crítico. Una
aplicación esencial en tales estaciones
es el conmutador de transferencia desde
la fuente de energía normal a la fuente
de reserva. La integración de funciones
apropiadas de automatización garantiza
la ejecución correcta de las funciones de
todos los dispositivos utilizados, como
son, entre otras, desconectar la línea
de energía, arrancar el generador y conectar este último al consumidor crítico.
En caso de que el suministro de energía
deba mantenerse sin interrupción, como
normalmente se requiere en centros de
servidores de información, se utilizarían
grandes baterías o tecnología de volantes de inercia para acumular energía y
vencer el retardo en el arranque del generador. Las operaciones de transferencia se pueden ejecutar de forma rápida
y completa en pocos milisegundos,
manteniendo sin interrupción el equipo
informático vital.
Automatización de alimentadores
La aplicación de dispositivos de protección y control fuera de la subestación y
en la línea de distribución de potencia
se conoce como automatización de alimentadores. Entre sus funciones típicas
están la protección contra sobrecorrientes, la localización de averías y la reconexión de interruptores. La restauración
rápida e inteligente de alimentadores de
distribución averiados es otro buen
ejemplo de las modernas funciones
integradas de automatización.
Red industrial
Tecnología de automatización de subestaciones
Los primeros dispositivos de protección
y control numérico de sistemas eléctricos utilizaban unidades especiales de
proceso de señales digitales (DSP). Las
implementaciones actuales están impulsando la gran potencia de cálculo
disponible en unidades de proceso central (CPU) de propósito general. En este
sentido, los microcontroladores
PowerPC proporcionan una gran potencia de cálculo con bajo consumo de
energía y, por consiguiente, baja disipación de potencia. Se utiliza memoria de
acceso aleatorio (RAM) para ejecutar
programas, mientras que la memoria de
sólo lectura, programable y borrable
(EPROM), almacena información de
programas y de configuración. Una
configuración típica puede incluir un
microcontrolador PowerPC a 400 MHz,
64 Mbytes de EPROM y 64 Mbytes de
RAM. La CPU puede comprender ade-
más matrices de puertas programables
por el usuario (FPGA, Field Programmable Gate Array) que integran funcionalidad lógica y de preproceso de señales. Un dispositivo de automatización
incluye generalmente varias placas de
circuito impreso (PCBA, Printed Circuit
Board Assembly) en consonancia con
los requisitos correspondientes a la diversidad y número de circuitos diferentes de entrada y salida. La comunicación entre módulos tiene lugar en serie,
a alta velocidad, permitiendo a la CPU
enviar y adquirir datos desde/hacia los
módulos de entrada y salida. Se diseñan
circuitos de aplicaciones específicas para optimizar los objetivos técnicos y
económicos globales. La figura inferior
muestra un ejemplo de un módulo CPU
de alto rendimiento conectado a un
módulo de comunicación Ethernet con
entrada binaria.
e
Dispositivo Ethernet multipuerto con acceso
óptico y eléctrico de 100 Mbits/s a Ethernet
f
18 entradas binarias de 300 V
g
Entrada binaria de procesado ASIC
a
EPROM
b
FPGA, preprocesado de señales
c
Dispositivo interno de
comunicación a 100 bits/s
Alimentación de energía
h
RAM
i
Microcontrolador PowerPC
d
c
b
h
a
i
d
e
Los grandes consumidores de energía
eléctrica, como parques industriales,
plantas químicas y fábricas, mantienen
su red de distribución de potencia in
situ para alimentar motores y otros
grandes equipos. Para ello se instala un
gran número de dispositivos que realizan funciones de protección, control y
medición. Todos estos dispositivos de
automatización de sistemas eléctricos
suelen estar integrados en el sistema de
control del proceso global.
Centro de control de la red
El centro de control de la red es el emplazamiento central desde donde se
dirige el funcionamiento de la red. Potentes sistemas de adquisición de datos
y control supervisor (SCADA) recogen
información de todas las subestaciones
y realizan cálculos complejos. En este
nivel se ejecutan aplicaciones de gestión de la energía, habilitando la operación correcta y estable de los generadores, red de transmisión y consumidores. En él se realizan cálculos complejos del flujo de potencia para supervisar las condiciones críticas y permitir
que el personal de control de la red
tome las medidas apropiadas.
Los dispositivos integrados de automatización de sistemas eléctricos realizan funciones vitales en tiempo real
en todos los niveles del sistema y de
la jerarquía de control. El gráfico de la
figura 1 clasifica las aplicaciones antes mencionadas de acuerdo con su
requisito de respuesta en tiempo real.
g
Tendencias tecnológicas
f
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El futuro de los componentes integrados en la automatización de sistemas
eléctricos estará determinado por tres
tendencias tecnológicas distintas.
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Protección integrada de energía
Tecnologías de sistemas integrados
Requisitos de tiempo real para aplicaciones integradas en una jerarquía de sistemas eléctricos
1
Ciclo de aplicación típica
1s
100ms
10ms
1ms
1ms
HVDC, 100ns
Centro de
control de
la red
Red de
transmisión
Subestaciones
primarias
Generación
distribuida de
energía
Subestaciones
secundarias
Redes
industriales
Red de
baja
tensión
Sincronización temporal: adquisición de datos analógicos: 1..30 s
Eventos en el sistema: 1 ms
Integración electrónica
A medida que avance la tecnología de
circuitos integrados, se irán incorporando cada vez más funciones en un único
dispositivo de automatización. Como
consecuencia del aumento de velocidad
del reloj de la CPU y de una mayor memoria, un solo dispositivo integrado será
capaz de ejecutar nuevas funciones adicionales, que actualmente se procesan
con diversos dispositivos o incluso fuera
de línea. Además, las modernas implementaciones de sistemas se basan en
plataformas más genéricas de electrónica y de software, permitiendo así una
configuración sumamente económica
para aplicaciones específicas.
establecida. Ya se han comercializado
los primeros interruptores inteligentes
para aplicaciones de tensión media con
una buena aceptación por parte del
mercado. Está en marcha la investigación necesaria para los niveles de alta
tensión y ha de mejorar la aceptación
del mercado 2 . Sin embargo, todas las
áreas de aplicación tienen en común el
continuo impulso hacia una mayor integración, aunque cada campo progrese
de forma diferente.
Comunicación de datos
La tendencia más fuerte, sin embargo,
lleva hacia una comunicación más intensa y más rápida, que en general
conlleva la implementación de Industrial Ethernet. El nuevo estándar
IEC61850 del sector de compañías
eléctricas promueve la interoperabilidad en todos los niveles de un siste-
ma de automatización de energía eléctrica, ampliando las ventajas y la
aceptación de la tecnología de comunicación base. Los dispositivos futuros
incluirán funcionalidad integrada de
redes multipuerto como, por ejemplo,
capacidades de encaminamiento y
conmutación, así como temporización
de alta precisión. Además, la mayoría
de los protocolos de uso más común,
como Modbus y DNP, se ampliarán
para la interconexión Ethernet, permitiendo la utilización de una multitud
de protocolos estándar en una única
red Ethernet.
Los actuales dispositivos de protección y control tienen el potencial para
convertirse en nodos de redes con
plena capacidad de comunicación y
con funcionalidad de automatización.
Tendencias futuras en tecnología de
protección eléctrica integrada
Son muchos los sistemas integrados
muy avanzados que se emplean en el
proceso de suministro de energía
eléctrica a todos los niveles. La función de estos sistemas es proteger los
componentes del sistema eléctrico, el
control del flujo de potencia y la monitorización del proceso, además del
estado de su equipo.Los dispositivos
de automatización de sistemas eléctricos se integran en redes de comunicación para intercambiar información
entre varios de estos dispositivos, así
como con sistemas supervisores.
Nivel de integración
Las tendencias tecnológicas predicen
un nivel aún mayor de complejidad
Integración de equipos de conmutación
funcional para cada dispositivo y tamLos sistemas integrados se incorporarán
bién una integración más profunda
también al propio equipo de conmutacon aparatos de alta y media tensión.
ción. Actualmente, los dispositivos de
La necesidad de automatización y coautomatización se instalan en paneles
municación crecerá continuamente.
de los equipos de conmutaPara responder a esta demanción y se conectan al aparato
da futura, los dispositivos de
2 Integración de dispositivos en relación con los niveles de tensión
mediante un extenso cableaautomatización tendrán que
do. Por tanto, el aparato y sus
contar con una refinada capafunciones de automatización
cidad de comunicación de daBaja tensión
Media tensión
Alta tensión
< 1 kV
1..20 kV
10..52 kV
> 70 kV
constituyen una unidad funtos y de interconexión.
cional global, conocida también como aparato inteligente.
Actividades de ingeniería de
hardware, como diseño y cableado, serán sustituidas por
Kornel Scherrer
ingeniería de software y confiDistribution Automation
guración. La electrónica inteABB Management Services Ltd.
grada en equipos de baja tenZürich, Suiza
sión está sólidamente [email protected]
da y es una tecnología bien
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