Sistema de alivio de carga para las subestaciones de energía de la empresa eléctrica Quito mediante el protocolo MQTT y la Norma IEC 61850

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Resumen: Este documento presenta los resultados de la implementáción de un sistema de alivio de carga por contingencia basado en el broker MQTT, diseñado para abordar posibles fallas en el sistema de Subtransmisión de 46KV en forma de anillo en la empresa Eléctrica Quito. La empresa opera un sistema SCAD A que supervisa 50 subestaciones para garantizar la entrega de energía eléctrica dentro de los parámetros regulados. Cada subestación está equipada con una red LAN que aloja equipos de monitoreo y control (IED) para los equipos primarios, todos conectados en una red WAN. Las fallas pueden incluir sobrecargas en tramos de líneas entre subestaciones y desconexiones de transformadores, lo que podría afectar la generación hidráulica de las centrales. Conforme a esto se ha implementado un sistema de deslastre de carga utilizando equipos Weintek, Gateways industriales conectados a la misma donde se obtiene la información para la lógica de contingencia de los lEDs siguiendo el Protocolo IEC 61850. Este permite etiquetar los datos asignando nombres a las señales según el nodo lógico al que pertenecen, siguiendo la normativa, de esta forma se garantiza que el sistema brinde una solución eficiente para abordar contingencias en el sistema de subtransmisión eléctrica.

Palabras-clave: MQTT; Alivio de carga; MMS; IED IEC 61850; Weintek.

Abstract: This paper presents the results of the implementation of a contingency load shedding system based on the MQTT broker, designed to address potential disturbances in the 46KV ring-shaped subtransmission system of Eléctrica Quito. The company operates a SCADA system that monitors 50 substations to ensure power delivery within regulated parameters. Each substation is equipped with a LAN network that houses primary equipment monitoring and control devices (lEDs), all connected to a WAN network. Failures can include overloads on lines between substations and transformer shutdowns, which can affect the hydraulic generation of the power plants. Accordingly, a load shedding system has been implemented using Weintek equipment connected to industrial gateways, where the information for the contingency logic of the lEDs is obtained according to the IEC 61850 protocol. This makes it possible to label the data by assigning names to the signals according to the logic node to which they belong, in accordance with the standards, thus ensuring that the system provides an efficient solution for dealing with contingencies in the electrical subtransmission system.

Keywords: MQTT; Load Relief; MMS; IEC 61850 IED; Weintek.

1. Introducción

El crecimiento continuo de la demanda y la carga en los sistemas eléctricos, esenciales en la vida moderna, ha elevado la energía eléctrica a un recurso fundamental en múltiples áreas. A pesar de esta relevancia, el incremento de la demanda ha llevado a los equipos a operar en la cercanía de sus límites, incrementando el riesgo de contingencias que pueden provocar el colapso del sistema. Por esta razón, se realizan análisis de contingencia N-i y N-2 a nivel de 46 kV para reconfigurar la red y asegurar su óptimo funcionamiento.

Estos análisis abarcan diversas situaciones, considerando diferentes niveles de demanda y se ejecutan tanto en días laborables como en fines de semana. Las contingencias N-i se refieren a las líneas de Subtransmisión, mientras que las N-2 involucran a los transformadores 138/46 kV. Para mantener una reserva de potencia adecuada, se implementan deslastres de carga y reconfiguraciones del sistema en caso de sobrecarga y desconexión de transformadores.

A pesar de que la implementáción de estos sistemas se ha venido desarrollando localmente durante años, la interconexión de redes ha permitido abarcar distintas zonas del sistema. Además, los dispositivos inteligentes (IED) han sido incorporados para el control, protección y medición de parámetros esenciales en las subestaciones. (CarreñoPérez et al., 2019)

Los IED recopilan señales analógicas y digitales de equipos de campo, digitalizándolas para ser accesibles según la Norma IEC 6i85o(Vargas-Torres et al., 2019). Esta comunicación con los equipos de control y protección se establece en función de las condiciones y valores, definidas mediante programación en Codesys, donde se determinan los límites que activan la contingencia y la desconexión de la carga por subestación.

El sistema de alivio de carga juega un rol crucial en la prevención de cortes y sobrecargas de energía. Se basa en el monitoreo continuo del consumo eléctrico y, al detectar sobrecargas, ajusta automáticamente el consumo. La implementáción de este sistema contribuye a la eficiencia energética y la reducción de costos. El protocolo MQTT es esencial en este contexto, ya que posibilita la comunicación eficiente entre dispositivos y sistemas(Castillo Badillo, 2022). La norma IEC 61850, por otro lado, establece estándares para la comunicación en subestaciones, garantizando la transmisión de datos en tiempo real. La combinación de MQTT y la norma IEC 61850 mejora la eficiencia y seguridad del sistema eléctrico (Zambrano Valverde, 2019).

2. Antecedentes y Arquitectura del proyecto

La implementáción de medidas de contingencia con el propósito de prevenirla sobrecarga en los componentes de la red desempeña un papel crucial en garantizar la estabilidad operativa del sistema eléctrico. Estas acciones proactivas tienen como objetivo evitar situaciones en las cuales los perfiles de voltaje puedan exceder los límites establecidos por los organismos reguladores. Esta estrategia de contingencia es esencial para salvaguardar el correcto funcionamiento de la red eléctrica y garantizar un suministro de energía confiable y seguro para los usuarios finales.

En el contexto actual, las subestaciones eléctricas han avanzado en términos de conectividad y comunicación. Se ha implementado una red WAN (Wide Area Networks) que posibilita la interconexión entre las diversas subestaciones, permitiendo la comunicación y el intercambio de información entre los equipos instalados en ubicaciones geográficamente dispersas. Además, una red LAN (Local Area Networks) facilita la comunicación localizada con los dispositivos encargados de recolectar información en cada subestación. Esta infraestructura de comunicación en dos niveles contribuye a una operación más eficiente y a un monitoreo en tiempo real de los parámetros críticos de la red(Herrera & Herrera, 2016).

Con el fin de aprovechar los avances tecnológicos que permiten la interoperabilidad de dispositivos que operan bajo distintos protocolos de comunicación, se ha optado por incorporar un controlador lógico programable diseñado específicamente para el entorno de HOT (Internet Industrial de las Cosas). Este controlador, que integra la plataforma Codesys, desempeña un papel esencial en la ejecución de tareas de programación y en la gestión de datos provenientes de múltiples dispositivos. Esto habilita la adaptabilidad de la red a las cambiantes condiciones operativas y la implementáción de respuestas automáticas en caso de contingencia.

Entonces, el protocolo MQTT, diseñado para facilitar la comunicación en el contexto de IIOT, desempeña un papel esencial en la transmisión de datos. En este proyecto, MQTT actúa como un intermediario entre suscriptores y publicadores, permitiendo la transmisión eficiente y confiable de información. La inclusión de un dispositivo conocido como Broker optimiza la gestión de datos, facilitando la distribución precisa de la información a los dispositivos relevantes en la red(Buetas Sanjuan, 2021).

Por su parte, la herramienta de programación Codesys adquiere un rol fundamental en la ej ecución de esta implementáción. A través de esta plataforma, se diseñan y programan las lógicas necesarias para activar las medidas de contingencia. El controlador seleccionado para este proyecto es el equipo Weintek de la serie cMT-CTRLoi, el cual, una vez que los dispositivos están conectados en la red que alberga a los IED (Dispositivos Electrónicos Inteligentes), recopila información de los Tags y la publica en un Broker MQTT. Este último se encarga de distribuir los mensajes a los clientes suscritos, que son los otros dispositivos presentes en la red.

Mediante la transmisión en tiempo real de datos a los dispositivos encargados de la lógica de alivio de carga, se asegura que las medidas de contingencia se activen de manera oportuna y precisa. Esto sucede cuando los valores de las señales experimentan cambios o alcanzan los límites predeterminados en la programación. En respuesta, se activa una salida física en un módulo integrado en el equipo cMT-CTRLoi, la cual está asociada a un disyuntor que desconecta la carga. La secuencia de estas acciones obedece a la lógica de programación, adaptándose a los diferentes escenarios que pueden presentarse en cada subestación.

La información generada y compartida en esta implementáción debe ser estructurada y modelada con precisión. Esta estructura se encuentra fundamentada en la Norma IEC 61850 como se ve representada en la Figura 1, que establece una estructura de intercambio vertical entre dispositivos. Este estándar utiliza el protocolo MMS para asegurar la transmisión fluida y confiable de datos entre los componentes(Aceved°Cardozo et al., 2019).

La norma IEC 61850 opera bajo un enfoque orientado a objetos, lo que implica que cada dispositivo físico está asociado a un equivalente lógico. Esta relación está estandarizada y se manifiesta en la Figura 2. Además, se pueden identificar múltiples nodos lógicos que representan los equipos físicos en una subestación. Por ejemplo, el interruptor XCBR se identifica mediante una asignación basada en su función y posición, lo que contribuye a la precisión en la recolección de datos.

En el entorno actual, marcado por avances tecnológicos, los equipos industriales están diseñados para establecer comunicación tanto a nivel local como remoto. Esto promueve la interacción colaborativa entre los dispositivos, optimizando los procesos y evitando pérdidas innecesarias. Además, posibilita un monitoreo en tiempo real de parámetros críticos, lo que es esencial para la toma de decisiones informadas.

En resumen, la implementáción de estrategias de contingencia es esencial para prevenir sobrecargas en la red eléctrica y asegurar la integridad del sistema. El uso de redes de comunicación interconectadas, como WAN y LAN, facilita la interacción entre dispositivos en ubicaciones diversas. La adopción de controladores lógicos programables y la utilización del protocolo MQTT optimizan la gestión de datos y la activación de medidas de contingencia. La herramienta de programación Codesys es esencial en la configuración de lógicas operativas, y el controlador cMT-CTRLoi de Weintek, junto con los IED, desempeñan un papel central en la recopilación y distribución de información. La adhesión a la Norma IEC 61850 garantiza la estructuración precisa de la información en el entorno de intercambio de datos. La continua evolución tecnológica potencia la comunicación entre equipos y la optimización de procesos, generando resultados más efectivos y minimizando pérdidas potenciales.

3. Implementáción

3.1. Adquisición de la Información

En el contexto del tema abordado, se contemplan siete subestaciones, de las cuales se obtienen datos etiquetados (Tags) a través de la red LAN a la que están conectados los Dispositivos Electrónicos Inteligentes (lEDs). Esta operación se muestra en la Figura 2, que representa la estructura física en el entorno de la red de subestación. La recolección de información desde los dispositivos cMT-CTRLoi se realizó empleando el software EasyBuilder, una herramienta desarrollada por Weintek específicamente para la configuración de equipos industriales Gateway, las Interfaces Hombre-Máquina (HMI) y cMT-FHD (Broker).

Para la selección de las señales que se extrajeron de los lEDs se hizo referencia a las señales que se muestran en la Tabla i correspondientes a estados de equipos para realzar la visualization en el HMI y en la interface general de sistema.

Teniendo en cuenta que esta misma acción se llevará a cabo para todos los equipos conectados en la red, se utilizará la subestación como ejemplo, independientemente de si se trata del HMI, ya que la extracción de datos se realiza de manera similar

3.2. Configuración MQTT

En la sección de configuración, se deben ajustar algunas opciones esenciales, mientras que otras ya vienen predeterminadas en el software. En el campo del protocolo, se opta por la versión MQTT V3.1.1, que es la más actual entre las dos alternativas disponibles. La dirección IP del servidor corresponde al equipo cMT-FHD, que desempeña la función de intermediario (Broker). El puerto 1883 utiliza el protocolo de control de transmisión en redes TCP/IP y no requiere cambios, ya que está configurado por defecto como se muestra en la Figura 3.

Al designar el nombre del tópico, se considera la nomenclatura del equipo según la norma ANSI, que es '52', y se agrega el número de subestación junto con el número del equipo de patio (1, 2, 3, etc.) para facilitar la identificación de la subestación correspondiente al tópico al suscribirse a los datos.

Se elige el modo de envío, que puede ser basado en el valor de disparo (envío cuando cambia el valor del dato) o basado en el tiempo (con un intervalo seleccionado). Se recomienda un valor mínimo de un segundo para evitar el envío innecesario de datos. En cuanto a la calidad de servicio (QoS), se selecciona QoS 2, que asegura la retransmisión de mensajes a clientes con sesiones preestablecidas que se reconectan.

Se puede observar la ventana de configuración de servidores MQTT, de manera similar a como se configuró el dispositivo cMT-CTRLoi. Los parámetros que se modificarán son la versión del protocolo, que se establece en V3.1.1; el puerto, que se configura automáticamente por defecto; la dirección IP, que ya se configuró previamente a través del acceso web. Además, dado que este equipo funciona como servidor, no se llenará este campo. Por último, la ID del Cliente se genera aleatoriamente mediante el uso del signo de porcentaje (%) seguido del número dos (%2).

Una vez que se aceptan los cambios, se regresa a la ventana que contiene los tópicos MQTT tanto para publicación como para suscripción. Este equipo se encarga de suscribirse a los dispositivos que están publicando los Tags como datos, los cuales se comparten y muestran en un diagrama unifilar diseñado en el mismo equipo. Este diagrama está conectado directamente a un monitor mediante un cable HDMI donde aparecerán los nombres de los dispositivos instalados en el campo. Cuando se crea un nuevo tópico, se realiza de manera similar al modelo CTRLoi, con la diferencia de que los tópicos se ubicarán en una memoria LW del equipo. Por lo tanto, es necesario crear una tabla, similar a la Tabla 2, que muestre el nombre exacto del tópico y el tipo de señal al que se está suscribiendo, ya que esto afectará la lectura de los datos.

3.3. Programación de lógica

El programa empleado para desarrollar la lógica que activará el plan de contingencia es Codesys, la cual es una aplicación de programación utilizada en la automatización industrial a nivel de integración de sistemas eléctricos.

Una vez que todas las señales de los equipos instalados en la subestación estén publicadas y los equipos que requieren señales de otras subestaciones se hayan suscrito a ellas, se podrá iniciar la transferencia de datos al software. En esta etapa, se construirá la lógica de control utilizando diversas variables, que incluyen el estado de los transformadores (conectado o desconectado), el estado de los equipos de patio (disyuntores de línea), valores analógicos como corriente y voltaje, información relacionada con el tiempo como meses del año (periodo lluvioso o estiaje), días de la semana (entre semana o fin de semana) y el tipo de demanda (horas durante el día).

Teniendo en cuenta estos datos, se programarán valores máximos de corriente y supervisión del estado (abierto o cerrado) de los equipos de patio. Estos valores estarán asociados a fechas específicas que determinarán si el sistema debe actuar o no en una contingencia. Se cargaron las bibliotecas que contienen las funciones que se utilizarán en este caso, específicamente "SysTimeRtc= SysTimeRtc, 3.5.5.o (System)" para la función de tiempo (horas, días y meses). En caso necesario, se recomienda actualizar las bibliotecas para que sean compatibles con el Real Time Clock, cuyo bloque se ilustra en la Figura 4.

La programación de la lógica se llevó a cabo utilizando el lenguaje gráfico Ladder. Antes de comenzar el trabajo, se definieron las variables, especificando su tipo (por ejemplo, BOOL, STRING, WORD, etc.) en función del tipo de dato con el que se está trabajando. Es importante asegurarse de que el formato de datos sea coherente con el de los diferentes dispositivos de los cuales se extrae la información.

Esta programación genera un archivo .XML, el cual se crea y almacena en la misma carpeta en la que se guardó el proyecto. En el programa creado en EasyBuilder y asociado al programa en Codesys, es necesario cargar este archivo en el dispositivo que se agregó como Weintek Built-in Codesys, importando los tags con las variables generadas en Codesys que están vinculadas a la adquisición de datos compartidos a través de MQTT.

4. Análisis de resultados.

Una vez que se obtuvieron los tags de información de los lEDs, se identificó el tipo de dato y el formato en el que se estaban extrayendo. En consecuencia, se realizaron pruebas de visualización de los datos en el HMI con el propósito de diseñar una pantalla que muestre los valores deseados, tal como se ilustra en la Figura 5.

La Figura 6 presenta un HMI diseñado para visualizar tanto los datos obtenidos a través de los tags como aquellos compartidos mediante el protocolo MQTT. Esto incluye datos que se obtienen mediante suscripción y aquellos que se adquieren localmente, especialmente en el caso de la subestación vicentina en las cuales se han instalado pantallas táctiles. Estas pantallas permiten al usuario seleccionar la subestación de la cual desean ver los datos.

Al acceder al archivo del programa en Codesys y autenticarse con el dispositivo, se pudo visualizar los datos en tiempo real en el bloque PLC_PRG. Este bloque también exhibe las variables de tiempo, como días, meses y horas del día, que determinan en qué intervalo temporal se encuentra para habilitar o deshabilitar la contingencia. Con esta seguridad, se procedió a realizar las pruebas.

Se efectuó una prueba de los contactos del módulo de salidas, simulando el cierre de la salida para verificar si cambiaba su estado y si coincidía con la salida asignada en la lógica en relación con la salida física de los equipos instalados en la subestación. Estas pruebas se realizaron al simular las señales que podrían variar o estableciendo límites en los valores que se medirían. Cada contingencia ya había sido definida y resumida en tablas para permitir ajustar los valores y determinar la activación de las salidas en el módulo.

Adicionalmente, se diseñó un bloque que permite ingresar tanto el valor medido como el valor asignado manualmente. Este bloque cuenta con una entrada llamada "simular" que cambia de FALSE a TRUE, momento en el cual descarta los valores medidos y emplea los valores ingresados manualmente. Este bloque se muestra en la Figura 7.

Con el propósito de lograr una mejor comprensión de los eventos, se ha implementado una ventana configurada específicamente para la señalización de alarmas y eventos. Esta ventana muestra el funcionamiento del sistema y la activación de las salidas en cada módulo del equipo instalado en la subestación.

Para simular las contingencias y evaluar el peor escenario posible, es decir, cuando se produce una sobrecarga en el sistema y los niveles de voltaje disminuyen, se requieren aproximadamente 5 segundos. Considerando esta premisa, se han calculado los tiempos que demoraría la señal desde el dispositivo del cual se extrae el Tag hasta que se efectúe el cierre del contacto en el módulo de salidas, como se detalla en la Tabla 3.

En total el tiempo que se estima la actuación del Sistema es de 1.5 segundos lo que indica que el deslastre de carga se realizará antes de una sobrecarga en el sistema de Subtransmisión.

4. Conclusiones

Haciendo referencia al Estándar IEC 61850-8-1, se habilita la posibilidad de que un cliente MMS (Manufacturing Message Specification), como el Gateway cMT-CTRLoi, acceda verticalmente a la información y obtenga los tags de los lEDs, lo que elimina la necesidad de cableado físico de señales.

Se pudo comprobar que al descargar los datos de los lEDs que cumplen con la edición 1 del estándar IEC 61850, algunos nodos lógicos no son visibles en comparación con la edición 2.

Weintek ofrece una amplia gama de equipos para la automatización industrial, especialmente para IIoT (Internet Industrial de las Cosas). El software EasyBuilder ha introducido numerosas innovaciones que simplifican la programación y amplían las aplicaciones en equipos de todas las series de Weintek.

Gracias a la presencia de dos puertos Ethernet en los equipos, se puede acceder a la red LAN a través del puerto Ethernet 1 para monitorear los lEDs, y mediante el puerto Ethernet 2, se puede conectar a la red WAN para comunicarse con dispositivos instalados en otras subestaciones.

El protocolo MQTT de publicación-suscripción facilitó la compartición de datos entre equipos debido a su ligereza y su configuración relativamente sencilla. Esto permitió la visualization en tiempo real de los datos en los HMI (cMT-3090) y en el esquemático general diseñado en el dispositivo cMT-FHD para observar los datos compartidos y el funcionamiento del sistema configurado en diversas ventanas.

Las pruebas se realizaron simulando los valores analógicos y digitales en el software Codesys para que actúen de acuerdo a la contingencia y las salidas binarias funcionen como corresponde, asegurando así que el sistema responda al cambio de las variables programadas.

References

Referencias

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