Niveles e interfaces de IEC 61850: estación, bahía, proceso

Tres niveles para repartir las funciones

IEC 61850 parte de una idea: las funciones de un sistema de automatización de subestación (SAS) son control y supervisión, protección y monitoreo del equipo primario y de la red, más las funciones del propio sistema, como la supervisión de la comunicación. Para ordenarlas, la norma las asigna lógicamente a tres niveles, según la parte 1 y la parte 5 en su edición 1:

• Nivel de proceso. Todo lo que se conecta con el equipo primario: entradas y salidas remotas, sensores inteligentes y actuadores. Aquí están los datos instantáneos de los transformadores de corriente y de tensión y las órdenes a los equipos de maniobra.
• Nivel de bahía. Unidades de control, protección o monitoreo por bahía. Sus funciones usan sobre todo los datos de una bahía y actúan sobre el equipo primario de esa bahía.
• Nivel de estación. El computador de la subestación con su base de datos, el puesto del operador y las interfaces de comunicación remota.

El nivel de estación tiene dos clases de funciones. Las relacionadas con el proceso usan datos de más de una bahía o de toda la subestación y actúan sobre varias bahías; un enclavamiento general de la subestación es el ejemplo típico. Las relacionadas con interfaces representan la conexión del sistema con el operador local, con el centro de control remoto y con la ingeniería remota de monitoreo y mantenimiento.

Las diez interfaces lógicas

Entre los niveles la norma numera las interfaces de IF1 a IF10. La numeración sirve para nombrarlas en las demás partes de la serie y para calcular el flujo de datos; los números no tienen otro significado.

Dos puntos de esta tabla suelen pasarse por alto. Primero, IF2 e IF10 no los cubre la parte 5 en su edición 1: para el centro de control, la parte 5 remite a las normas IEC 60870-5-101 y 104. Segundo, IF4 e IF5 pueden ser cableados; la norma los admite, pero fuera de su alcance. Es decir, una subestación puede ser IEC 61850 en estación y bahía y seguir usando cableado de cobre hacia el patio.

Asignación lógica y asignación física

La norma separa dos preguntas: en qué nivel está una función (asignación lógica) y en qué equipo se ejecuta (asignación física). La parte 1 es explícita: la asignación de funciones a dispositivos y a niveles de control no es fija, y depende de requisitos de disponibilidad, rendimiento, costo, estado de la tecnología y filosofía de cada empresa. Por eso la norma debe admitir cualquier asignación.

Algunos ejemplos de esa libertad, tomados de la parte 5:

• El computador de la estación puede actuar solo como cliente, con las funciones básicas de operador y de telecontrol. Las demás funciones de estación pueden repartirse por completo entre los equipos de bahía; entonces la interfaz IF8 es la columna vertebral del sistema.
• O al contrario: funciones de toda la subestación, como el enclavamiento, pueden residir en el computador de estación, que actúa como cliente y servidor. Entonces IF1 e IF6 asumen todo lo que haría IF8.
• Las funciones de bahía pueden ir en equipos dedicados de protección o de control, con o sin redundancia, o en equipos combinados de protección y control. Algunas pueden bajar físicamente al nivel de proceso.
• Si no existen las interfaces seriales IF4 e IF5, las funciones del nivel de proceso se implementan dentro de los equipos de bahía.

Una consecuencia práctica: la ubicación de las funciones es una decisión de ingeniería del proyecto, no un dato que traiga la norma. Quien especifica o revisa un sistema debe poder decir en qué equipo está cada nodo lógico y por cuál interfaz habla.

De la interfaz lógica a la red física

Las interfaces lógicas pueden implementarse como conectores dedicados, combinarse dos o más en una sola interfaz física, o llevarse a una o varias redes locales. Los requisitos dependen de cómo se hayan asignado las funciones.

En la práctica, según la parte 5, se combinan con frecuencia las interfaces 1, 6, 3, 9 y 8 en el bus de estación, que conecta la estación con la bahía y a los equipos de bahía entre sí. Las interfaces 4 y 5 se combinan en el bus de proceso, que conecta la bahía con el proceso y a los equipos de proceso entre sí; muy a menudo el bus de proceso se limita a una sola bahía. Si se extiende a otras bahías, puede asumir también el papel de IF8, al menos para datos crudos.

La interfaz IF8 es la que más pesa en la decisión: según se lleve al bus de estación o al de proceso cambia el rendimiento que se exige a cada uno. La parte 1 añade que llevar todas las interfaces a un solo bus es posible si cumple los requisitos de rendimiento. No todas las interfaces tienen que existir en una subestación; ese enfoque flexible permite tanto modernizar una subestación existente como construir una nueva.

Los mensajes que viajan por cada interfaz se clasifican por velocidad y función; esa clasificación está en tipos de mensaje y clases de desempeño, y los protocolos que los transportan, en GOOSE, MMS y valores muestreados.

Funciones distribuidas y pérdida de comunicación

Una función es distribuida cuando la ejecutan dos o más nodos lógicos ubicados en equipos distintos. La parte 1 advierte que la frontera entre función local y distribuida no es unívoca: depende de cómo se definan los pasos funcionales hasta completarla.

Cuando se implementa una función distribuida, la norma exige prever la reacción ante la pérdida de un nodo lógico o de un enlace: según el caso, la función se bloquea por completo o muestra una degradación gradual. La forma de lograrlo queda fuera de la serie, es decir, la norma exige que el proyecto lo resuelva, no dice cómo. Ese es un punto que conviene fijar por escrito en la especificación; la disponibilidad del sistema se trata en confiabilidad y disponibilidad del SAS.

Qué significa para un proyecto

• Especificación. Conviene que la lista de señales y funciones indique el nivel, el equipo y la interfaz de cada intercambio. Con esa información se comprueba que ningún bus quede sobrecargado.
• Ingeniería. El archivo de configuración del sistema describe qué equipos intercambian qué datos; las interfaces son el lenguaje para revisar ese diseño. Vea archivos SCL.
• Pruebas. Conocer qué interfaces se implementan indica qué hay que probar de punta a punta: datos de proceso hacia la bahía, órdenes desde la estación y mensajes entre bahías para enclavamientos y disparos.
• Retrofit. La norma admite subestaciones con parte del cableado conservado, por ejemplo con proceso cableado y bahía y estación en IEC 61850.

La visión de conjunto del sistema está en automatización de subestaciones, y la arquitectura con proceso digital en subestación digital IEC 61850.

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Referencias

• IEC TR 61850-1 (edición 1, 2003): introducción y visión general, cláusula 6 y anexo A.
• IEC 61850-5 (edición 1, 2003): requisitos de comunicación para funciones y modelos de dispositivos, cláusula 5.

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