CAPÍTULO 7 Comparación técnica y económica 80
7.2 Comparación económica 110
7.2.5 Balance económico 117
Como bien se sabe, cualquier producto de las características del SHF que ya ha estado una cierta cantidad de años en el mercado tiende a reducir su costo de manera significativa, por tal motivo adoptamos una reducción del 50% de su costo como precio a futuro.
El costo de mano de obra en México, es susceptible a distintas variables económicas y políticas. La actividad económica del país, el tipo de cambio de la moneda nacional respecto del dólar, el lugar geográfico de la obra, etc; hacen que estos costos varíen.
Por último, el costo de los cables está directamente relacionado con el precio del cobre. Como para la mayoría de la materia prima, se espera que para el futuro tenga un crecimiento sostenido.
A continuación se muestran tres escenarios futuros suponiendo cambios en el SHF, costo del cobre y el costo de mano de obra.
Tabla 7. 13 Costos de los escenarios futuros
Descripción
Consideraciones actuales
Escenarios 1 Escenario 2 Escenario 3
SHF= 50% SHF= 50% SHF= 50%
Cobre= 100% Cobre= 100% Cobre= 200%
Montaje= 100% Montaje= 200% Montaje= 100%
Equipos ($) Montaje ($) Total ($) Equipos ($) Montaje ($) Total ($) Equipos ($) Montaje ($) Total ($) Equipos ($) Montaje ($) Total ($) SHF $ 758,924 $ 162,400 $ 921,324 $ 379,462 $ 162,400 $ 541,862 $ 379,462 $ 324,800 $ 704,262 $ 379,462 $ 162,400 $ 541,862 Convencional $ 695,640 $ 265,408 $ 961,048 $ 695,640 $ 265,408 $ 961,048 $ 695,640 $ 530,816 $ 1,226,456 $ 1,391,281 $ 265,408 $ 1,656,689
Un punto muy importante es notar que los costos y tiempos de ejecución del montaje del sistema de control, protección y medición se reducen notablemente gracias a la facilidad de instalación del SHF y a la disminución de la cantidad de cables a conectar. Respecto a los tiempos para la ejecución, indicados en la Tabla 7. 12 Costos totales y tiempos de ejecución, notamos que ahorramos 9 días entre tendidos y conexionado, lo que no es nada despreciable para una obra de estas características.
Capítulo
7
Comparación
técnicay
económica
118
Por otro lado según se muestra en la Tabla 7. 13 Costos de los escenarios futuros el sistema convencional resulta ser un poco más caro que el SHF por una diferencia mínima de $39,724 para una comparación actual. Conforme se van cambiando los escenarios se puede observar que el valor del SHF se va reduciendo notablemente, en comparación con el sistema convencional debido al aumento en el costo del cobre y a la disminución del precio del SHF, por lo que se puede decir que el ahorro económico, en el escenario actual, no es muy notable en cuanto a los costos totales.
Conclusiones
119
Conclusiones
Es innegable que el estándar IEC 61850 es una tendencia muy fuerte y representa el futuro de los sistemas de control, protección y medición de las subestaciones eléctricas. Actualmente la gran mayoría de los fabricantes de DEI’s ofrecen un puerto de comunicaciones bajo, el estándar IEC61850 y las empresas dedicadas a la operación de las subestaciones ya lo están usando parcialmente. El uso del Bus de Proceso implica pasar señales analógicas y disparos a través de un sistema de comunicaciones, lo cual representa un gran cambio al que el sector eléctrico deberá adaptarse.
La aplicación del Bus de Proceso inicialmente hará uso de las MU’s para que el equipamiento primario tradicional pueda interaccionar con el mundo de las comunicaciones. Con estos dispositivos se podrá cubrir la transición, hasta que los equipos primarios puedan integrarse directamente con el Bus de Proceso.
El Sistema HardFiber desarrollado por GE Multilin es un producto basado en el Bus de Proceso del estándar IEC61850. Ante todo, es un sistema que acompaña el gran avance tecnológico que se está desarrollando en las áreas de control, protección y medición a través del estándar mencionado. Sus principales ventajas son robustez, facilidad de montaje e instalación y que su uso reduce una gran cantidad de cables de cobre, así como también los tiempos de ejecución y el personal necesario para realizar un proyecto.
En lo referente a la arquitectura de comunicaciones para el bus de proceso, podríamos concluir que una topología punto a punto puede ser la opción más adecuada para un número pequeño de conexiones entre los equipos que conforman el bus de proceso. A medida que crece el número de equipos que deben intercambiar información en el bus de proceso, debiéramos desplegar una topología punto a multipunto.
Conclusiones
120
De la implementación del Bus de Proceso para el esquema de protección de la línea de transmisión MAG-93C30-CRU de 230 kV, de la subestación eléctrica Magdalena; se encontró que, el sistema HardFiber reduce una gran cantidad de los cables de cobre, así como también resulta un poco más económico.
Con lo que corresponde a los costos de implementación se puede decir que, el SHF no es un sistema muy económico con respecto al sistema convencional puesto que, el ahorro económico no es muy alto, por el contrario, los ahorros se ven reflejados en los tiempos de ejecución y en la mano de obra utilizada para montar el sistema.
Sin embargo, analizando posibles escenarios futuros, se suponen posibles reducciones en el precio de los equipos a utilizar en el SHF, variaciones en el costo de la mano de obra dependiendo de la situación económica del país y aumentos en el costo del cobre por el hecho de ser materia prima. Suponiendo lo anterior, se observa que los costos totales de la implementación del SHF se reducirán notablemente con el transcurso del tiempo.
De las pruebas, se observa que el SHF tiene un pequeño retraso en el tiempo de apertura del interruptor comparado con un sistema convencional. Por su parte, el tiempo de operación del sistema convencional y del SHF es prácticamente el mismo, cabe mencionar que dicho tiempo está por debajo de 25ms, valor necesario para proteger una línea de transmisión de 230 kV según la norma NRF-041-210 de la CFE. De acuerdo a esto, se concluye que éste retraso sería debido al tiempo que toma el Brick en convertir la señal analógica a digital y viceversa.
De las capturas fasoriales podemos observar que en la medición de ambos sistemas, no existe desviación significativa entre ambas mediciones con la misma señal aplicada, pues al compararlas en la misma referencia de tiempo, las mediciones de tensión y corriente son prácticamente iguales. Además, la localización de fallas del SHF, es similar a la localización con el sistema convencional, pues las magnitudes adquiridas por ambos sistemas son prácticamente las mismas.
Conclusiones
121
De manera general, el desempeño de un relevador que usa señales convencionales y otro que usa el SHF es el mismo, pues no se observa variación en la respuesta de los relevadores ante la aplicación de fallas, es decir, el SHF no afecta absolutamente en nada los algoritmos de protección del DEI.
Por último debemos recordar que el objetivo principal del estándar IEC 61850 es lograr la interoperabilidad entre DEI’s de diferentes fabricantes y el Bus de Proceso representa un paso hacia a esta tendencia. Por lo cual, podemos concluir que la implementación del Bus de Proceso es viable, confiable y aunque por el momento su costo sea muy similar al sistema convencional el SHF representa una gran inversión y ésta se verá reflejada en el instante que se requiera llevar a la subestación Magdalena a la modernización completa al aplicar los demás pasos del estándar IEC 61850.
Bibliografía
122
Bibliografía
[1].Lars Andersson, Klaus-Peter Brand, Dieter Fuechsle ¨Optimized architectures for process bus with IEC61850-9-2”, ABB Switzerland ltd , Switzerland, paper.
[2].B. Kasztenny J. Mazereeuw D. Mcginn S.Hodder, M. Adamiak. “Considerations for IEC 61850 process bus deployment in real-world protection and control systems: a business analysis”, General Electric U.S.A., General Electric Canada, paper.
[3].B. Kasztenny, D. Mcginn, S. Hodder, D. Ma, J. Mazereeuw, M. Goraj*, “A practical IEC 61850-9-2 process bus architecture driven by topology of the primary equipment” General Electric Canada Spain, paper.
[4].D. Mcginn, S. Hodder, B. Kasztenny, “Constraints and solutions in testing IEC 61850 process bus protection and control systems” General Electric, Canada, paper.
[5].Mark Adamiak, Vijay Muthukrishnan, David McGinn, “Designing Copper Wiring Out of High Voltage Substations: A Practical Solution and Actual Installation” General Electric- Multilin, paper.
[6].Christoph Brunner, “IEC 61850 PROCESS BUS – CHALLENGES AND BENEFITS” UTInnovation, Switzerland, paper
Bibliografía
123
[7].Bogdan Kasztenny, James Whatley, Eric A. Udren, John Burger, Dale Finney, Mark Adamiak. “Unanswered Questions About IEC 61850 What needs to happen to realize the vision”. General Electric, Hydro one, KEMA T&D consulting, paper.
[8].GE Digital Energy ‐ Multilin. (2008). HardFiber. Process Bus System ‐ Reference manual.
[9].IEC ‐ International Electrotechnical Commission. (2003). IEC TR 61850‐1:2003(E). Communication networks and systems in substations.
Índice
de
tablas
y
figuras
124
Índice de tablas y figuras
Figura 1. 1 Sistema Eléctrico de Potencia ... 4
Figura 1. 2 Subsistemas del Sistema Eléctrico de Potencia ... 6
Figura 1. 3 Generador ... 6
Figura 1. 4 Barras ... 7
Figura 1. 5 Líneas de Transmisión ... 7
Figura 1. 6 Interruptor ... 8
Figura 1. 7 Transformador de Potencia ... 8
Figura 1. 8 Transformadores de Instrumento ... 8
Figura 1. 9 Relevadores de Protección ... 9
Tabla 1. 1Niveles de tensión para líneas de transmisión en Comisión Federal de Electricidad (NRF-041- 2010)... 13
Figura 2. 1 Esquema normalizado de protección para una línea de transmisión de 230/400kV ... 18
Figura 3. 1Elementos de la fibra óptica ... 20
Figura 3. 2 Representación de una fibra óptica Multimodo ... 20
Figura 3. 3 Representación de una fibra óptica monomodo ... 21
Figura 4. 1 Modelo de interfaces de comunicación en IEC 61850 ... 24
Figura 4. 2 Ejemplo de relación de nodos lógicos, funciones y dispositivos físicos ... 26
Tabla 4. 1Tabla de asignación de prioridades a los mensajes ... 27
Figura 4. 3 Disposición de interfaces físicas (buses) y lógicas. ... 28
Figura 4. 4 Concepto de Merging Unit ... 32
Figura 4. 5 Bus de Proceso basado en una topología punto a punto. ... 33
Figura 4. 6 Bus de Proceso basado en una topología punto a multipunto. ... 34
Figura 4. 7 Envío simultáneo de información por dos redes independientes ... 34
Figura 5. 1Diagrama esquemático de los componentes del SHF. ... 39
Figura 5. 2 Sistema HardFiber ... 41
Figura 5. 3 Representación física del Brick... 41
Tabla 5. 1 Tipos de Brick según sus entradas de CA. ... 42
Figura 5. 4 Diagrama interno del Brick. ... 43
Figura 5. 5 Indicadores LED ... 44
Tabla 5. 2 Operación de los LED indicadores de estado ... 45
Tabla 5. 3 Especificaciones de las entradas de CA ... 46
Figura 5. 6 Opciones de conexión de las entradas de corriente directa. ... 47
Figura 5. 7 Bricks conectados en paralelo. ... 48
Figura 5. 8 Contactos de salida del Brick. ... 49
Figura 5. 9 Dimensiones del Brick ... 50
Figura 5. 10 Alambrado del BRICK-4-HI-CC11 ... 51
Figura 5. 11 Alambrado del BRICK-4-HI-CC55 ... 52
Índice
de
tablas
y
figuras
125
Figura 5. 13 Alambrado del BRICK-4-HI-CV10 ... 54
Figura 5. 14 Cable de cobre. ... 55
Figura 5. 15 Sección transversal del cable de fibra a la intemperie. ... 56
Figura 5. 16 Terminal del cable de fibra a la intemperie que se conecta al Administrador de fibras ... 56
Figura 5. 17 Sección transversal del cable de fibra al interior. ... 57
Figura 5. 18 Terminales de FO del cable de fibra al interior conectadas al DEI. ... 57
Figura 5. 19 Administrador de fibras. ... 58
Figura 5. 20 Dimensiones del Administradores de fibras. ... 59
Figura 5. 21 Descripción de los componentes de la tarjeta de proceso. ... 60
Figura 5. 22 Un Brick compartido por dos relés de protección. Uno en servicio y otro en modo prueba. . 64
Figura 5. 23 Prueba de relés con SHF. El relé queda aislado del resto del sistema. ... 65
Figura 5. 24 Prueba de Bricks. El dispositivo se puede probar en forma aislada del resto. ... 66
Figura 6. 1 Diagrama Unifilar de la Subestación Eléctrica Magdalena en 230 kV. ... 69
Figura 6. 2 Dibujo de Planta de la Subestación. ... 70
Figura 6. 3 Caseta de control de la subestación eléctrica Magdalena ... 71
Figura 6. 4 Diagrama Unifilar de Protecciones de la línea MAG-93C30-CRU ... 72
Figura 6. 5 Diagrama Trifilar de corrientes ... 73
Figura 6. 6 Diferencia entre los dos conceptos. Arriba, el sistema actual. Abajo, la aplicación del sistema HardFiber. ... 74
Tabla 6. 1 Dispositivos normalizados de protección ... 75
Figura 6. 7 Diagrama unifilar de línea... 76
Tabla 6. 2 Entradas y Salidas que se intercambian a través del SHF ... 77
Figura 6. 8 Diferentes cables del SHF ... 78
Tabla 6. 3 Longitudes necesarias para los cables del sistema Hard Fiber ... 79
Figura 7. 1 Magnitudes de corriente y tensión inyectadas para la simulación de una falla monofásica ... 81
Figura 7. 2 Magnitudes de corriente y tensión inyectadas para la simulación de una falla bifásica ... 82
Figura 7. 3 Magnitudes de corriente y tensión inyectadas para la simulación de una falla trifásica ... 83
Figura 7. 4 Menú Recursos Remotos ... 84
Figura 7. 5 Configuración de las unidades de campo, de los bancos de CA y de las fuentes. ... 85
Figura 7. 6 Configuración de los contactos de entrada. ... 86
Figura 7. 7 Configuración de los contactos de salida. ... 87
Figura 7. 8 Localización y tipo de falla ... 88
Figura 7. 9 Tiempo de operación de la unidad ... 89
Figura 7. 10 Tiempo de apertura del interruptor ... 90
Figura 7. 11 Fasores obtenidos de tensión y corriente ... 91
Figura 7. 12 Localización y tipo de falla ... 91
Figura 7. 13 Tiempo de operación de la unidad ... 92
Figura 7. 14 Tiempo de apertura del interruptor ... 93
Figura 7. 15 Fasores obtenidos de tensión y corriente ... 94
Figura 7. 16 Localización y tipo de falla ... 94
Figura 7. 17 Tiempo de operación de la unidad ... 95
Figura 7. 18 Tiempo de apertura del interruptor ... 96
Figura 7. 19 Fasores obtenidos de tensión y corriente ... 97
Índice
de
tablas
y
figuras
126
Tabla 7. 2 Resultados obtenidos para el D60 convencional falla bifásica ... 98
Tabla 7. 3 Resultados obtenidos para el D60 convencional falla trifásica ... 98
Figura 7. 20 Localización y tipo de falla ... 99
Figura 7. 21 Tiempo de operación de la unidad ... 100
Figura 7. 22 Tiempo de apertura del interruptor ... 101
Figura 7. 23 Fasores obtenidos de tensión y corriente ... 102
Figura 7. 24 Localización y tipo de falla ... 102
Figura 7. 25 Tiempo de operación de la unidad ... 103
Figura 7. 26 Tiempo de apertura del interruptor ... 104
Figura 7. 27 Fasores obtenidos de tensión y corriente ... 105
Figura 7. 28 Localización y tipo de falla ... 105
Figura 7. 29 Tiempo de operación de la unidad ... 106
Figura 7. 30 Tiempo de apertura del interruptor ... 107
Figura 7. 31 Fasores obtenidos de tensión y corriente ... 108
Tabla 7. 4 Resultados obtenidos para el D60 Brick falla monofásica ... 108
Tabla 7. 5 Resultados obtenidos para el D60 Brick falla bifásica ... 109
Tabla 7. 6 Resultados obtenidos para el D60 Brick falla trifásica ... 109
Tabla 7. 7 Promedios de los resultados obtenidos de ambos sistemas ... 110
Figura 7. 32 Sistema HardFiber ... 111
Figura 7. 33 Sistema Convencional ... 111
Tabla 7. 8 Costo total de los conductores y equipos utilizados para la implementación del sistema convencional ... 113
Tabla 7. 9 Tiempos y costos de las actividades e instalación del sistema convencional ... 114
Tabla 7. 10 Costo total de los equipos utilizados para la implementación del SHF ... 115
Tabla 7. 11 Tiempo y costo del montaje e instalación del SHF ... 116
Tabla 7. 12 Costos totales y tiempos de ejecución ... 116