Diseño y evaluación de una red de telecomunicaciones de acuerdo con los requerimientos establecidos para redes eléctricas inteligentes que vinculen la generación distribuida

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(1)IEM-29-07-10. DISEÑO Y EVALUACIÓN DE UNA RED DE TELECOMUNICACIONES DE ACUERDO CON LOS REQUERIMIENTOS ESTABLECIDOS PARA REDES ELÉCTRICAS INTELIGENTES QUE VINCULEN LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA. ALVARO ACUÑA CELY. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA BOGOTA D.C. 2010.

(2) IEM-29-07-10. DISEÑO Y EVALUACIÓN DE UNA RED DE TELECOMUNICACIONES DE ACUERDO CON LOS REQUERIMIENTOS ESTABLECIDOS PARA REDES ELÉCTRICAS INTELIGENTES QUE VINCULEN LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA. ALVARO ACUÑA CELY. Trabajo de grado para optar al título de: Magister en Ingeniería Electrónica y de Computadores. Director: ROBERTO BUSTAMANTE MILLER, Ph.D.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA BOGOTA D.C. 2010.

(3) IEM-29-07-10. Para Alvaro, Gilma y Raco. i.

(4) IEM-29-07-10. Tabla de contenidos 1. Resumen. 1. 2. Introducción. 2. 3. REDES INTELIGENTES. 4. 3.1.. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. 3.2.. Denición. 4. 3.3.. Entornos y funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 3.4.. Iniciativas internacionales. 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. REQUERIMIENTOS DE CALIDAD DE SERVICIO (QoS) PARA EL INTERCAMBIO DE INFORMACIÓN 8 4.1.. Monitoreo y supervisión. 4.2.. Aplicaciones de control en los sistemas de potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. 8. 4.3.. Estándares internacionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10. 5. EVALUACIÓN DE TECNOLOGÍAS DE TELECOMUNICACIONES 12 5.1.. TCP/IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12. 5.2.. Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13. 5.3.. MPLS 5.3.1.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulación de MPLS en NS-2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6. ESCENARIO DE UNA RED INTELIGENTE. 13 15. 19. 6.1.. Red de distribución eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19. 6.2.. Escenario real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21. 6.3.. Red de telecomunicaciones propuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23. 6.4.. Simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25. 6.4.1.. Aplicaciones a simular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. 6.4.2.. Servicio de acceso a internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32. 6.5.. 7. ANÁLISIS. 49 ii.

(5) IEM-29-07-10. 8. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO. 55. Appendices. 57. A. Código en lenguaje TCL para la simulación en NS-2 de la red de telecomunicaciones evaluada 57. iii.

(6) IEM-29-07-10. Índice de guras. 3.1.. Esquema General y entornos de una Red Inteligente [8]. . . . . . . . . .. 4.1.. Tiempos para la ejecución de una acción de control. 4.2.. Tiempos para la transmisión de datos por aplicaciones establecidos en. 4.3.. Tiempos para la transmisión de mensajes establecidos en IEC-61850 [ ?]. 5.1.. Esquema de telecomunicaciones para un sistema de Automatización en . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13. 5.2.. Estructura de red MPLS de área amplia [21]. . . . . . . . . . . . . . . .. 14. 5.3.. Modelo en NS-2 de un Router MPLS [18] . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16. 5.4.. Evaluación de la diferenciación de servicios y tiempos de restauración para tecnologías IP y MPLS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17. 5.5.. Comparación de tecnologías evaluadas, cobertura y tiempos de retardo.. 17. 5.6.. Tiempos de restauración evaluados para IP y MPLS.. 18. 6.1.. BUS 4, sistema eléctrico de distribución de pruebas RTS [28].. 6.2.. Distribución de los consumidores en cada una de las líneas de alimentación. 21. 6.3.. Ubicación geográca, en Bogotá, de las subestaciones de CODENSA.. .. 22. 6.4.. Red de telecomunicaciones propuesta, a evaluar en NS-2. . . . . . . . .. 24. 6.5.. Implementación de BPL sobre línea de alimentación F1.. . . . . . . . .. 25. 6.6.. Implementación de BPL sobre línea de alimentación F2.. . . . . . . . .. 26. 6.7.. Implementación de BPL sobre línea de alimentación F3.. . . . . . . . .. 26. 6.8.. Implementación de BPL sobre línea de alimentación F4.. . . . . . . . .. 27. 6.9.. loss. power angle stability. [36]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. IEEE1646 [3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. subestaciones [35].. 6. . . . . . . . . . . . . . . .. 10 11 11. 20. Implementación de BPL sobre línea de alimentación F5.. . . . . . . . .. 27. 6.10. Implementación de BPL sobre línea de alimentación F6.. . . . . . . . .. 28. 6.11. Implementación de BPL sobre línea de alimentación F7.. . . . . . . . .. 28. 6.12. Asignación de las aplicaciones de red inteligente sobre los puntos de carga. 31 6.13. Medición del tráco de navegación en Internet. . . . . . . . . . . . . . .. 31. 6.14. Tráco total de acceso a Internet en el Feeder 1. . . . . . . . . . . . . .. 33. 6.15. Tráco total de acceso a Internet en el Feeder 2. . . . . . . . . . . . . .. 34. v. i.

(7) IEM-29-07-10. 6.16. Tráco total de acceso a Internet en el Feeder 3. . . . . . . . . . . . . .. 35. 6.17. Tráco total de acceso a Internet en el Feeder 4. . . . . . . . . . . . . .. 36. 6.18. Tráco total de acceso a Internet en el Feeder 5. . . . . . . . . . . . . .. 37. 6.19. Tráco total de acceso a Internet en el Feeder 6. . . . . . . . . . . . . .. 38. 6.20. Tráco total de acceso a Internet en el Feeder 7. . . . . . . . . . . . . .. 39. 6.21. Retardo de los paquetes de monitoreo desde el Feeder 1.. . . . . . . . .. 40. 6.22. Retardo de los paquetes de monitoreo desde el Feeder 1.. . . . . . . . .. 41. 6.23. Retardo de los paquetes de monitoreo desde el Feeder 2.. . . . . . . . .. 42. 6.24. Retardo de los paquetes de monitoreo desde el Feeder 2.. . . . . . . . .. 43. 6.25. Retardo de los paquetes de monitoreo desde el Feeder 3.. . . . . . . . .. 44. 6.26. Retardo de los paquetes de monitoreo desde el Feeder 3.. . . . . . . . .. 45. 6.27. Tiempo de transmisión de paquetes de conexión de GD desde la subred Feeder 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46. 6.28. Tiempo de transmisión de paquetes para Relaying Applications en los abonados del Feeder 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48. Medición del tráco de navegación en Internet, F1.. . . . . . . . . . . .. 50. 7.2.. Medicióndel tráco de las aplicaciones de red inteligente, F1. . . . . . .. 51. 7.3.. Retardos promedios y máximos medidos en las líneas de alimentación. 7.4.. Retardos en la transmisión de paquetes de monitoreo para diferentes. 7.5.. Retardos en la transmisión de paquetes para el control de cargas vs.. 7.6.. Evaluación de tasas de pérdidas por cada aplicación para diferentes ve-. 7.1.. para cada aplicación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . velocidades en los enlaces de la red. Backbone.. Diferentes velocidades en los enlaces de la red. . . . . . . . . . . . . . .. Backbone.. locidades de transmisión en los enlaces de la red. v. . . . . . . . .. Backbone.. . . . . . . .. 51 52 53 54.

(8) IEM-29-07-10. Capítulo 1. Resumen La importancia de los sistemas de telecomunicaciones en el diseño de redes eléctricas inteligentes radica en la conabilidad del despacho de datos para el monitoreo y control de la red en tiempo real, y la prestación de servicios de acceso con Calidad de Servicio (QoS) a los consumidores. Hasta ahora las evaluaciones de tecnologías con este propósito no abordan todas las capacidades y funcionalidades esperadas dentro de las redes inteligentes. En este artículo se resumen los requerimientos de QoS más importantes, en las tecnologías de telecomunicaciones, a tener en cuenta para la implementación de una red eléctrica inteligente, y el impacto de estos en el desempeño de las redes de potencia. Con base en un sistema de distribución eléctrica real se propone una red de telecomunicaciones completa (red de acceso y. backbone ). para la evaluación simultánea. de la ejecución de las aplicaciones de la red inteligente y la prestación del servicio de acceso a Internet. El desempeño encontrado en el sistema propuesto, cumpliendo los requerimientos de QoS, abre el panorama para la implementación de redes inteligentes sobre la infraestructura (eléctrica y de telecomunicaciones) ya existente, sin incurrir en costos de construcción de una nueva; haciendo posible la generación de oportunidades de negocio entre propietarios y operadores de las redes de telecomunicaciones y las compañías del sector energético.. 1.

(9) IEM-29-07-10. Capítulo 2 Introducción. El desempeño óptimo de un sistema para la transmisión y distribución de energía eléctrica radica en la estabilidad de cada uno de sus parámetros bajo cualquier tipo de condición, con el n de ofrecer un servicio eléctrico para cada uno de los consumidores de forma conable, evitando al máximo las interrupciones y apagones generales (. Black-. outs ). Los parámetros más importantes a controlar sobre una red eléctrica son: el nivel de tensión (voltaje), el ujo de corriente, la frecuencia natural de oscilación del sistema y los ujos de potencia activa y reactiva.. A partir de las fallas en el suministro de energía ocurridas a nivel mundial en los últimos años, y los análisis posteriores que han develado las causas de éstas, se ha incentivado el desarrollo de sistemas de control y protección de área amplia WAPaC. Wide Area Protection and Control ) para responder a cualquier tipo contingencia sobre. (. los sistema de potencia [23]. Uno de los casos tratados en la literatura es el apagón sobre el sistema de transmisión en la costa del Pacíco Noroeste de los Estados Unidos en Agosto de 1996, causado por fallas en el manejo de la estabilidad del voltaje entre los sistemas del Pacíco noroeste y el sur de California [14]. Hoy en día, el desarrollo de los sistemas de control sobre los sistemas de potencia se encuentra en una etapa transitoria entre los sistemas centralizados y los sistemas distribuidos [17]. A partir de la estimación de parámetros, basados en mediciones previas, se dispone de procedimientos de control para perturbaciones especícas [13]; esto es una limitante para el desempeño de los sistemas de control y protección. Hacia el futuro se espera en los sistemas de supervisión que de forma descentralizada se realice procesamiento y análisis de datos en tiempo real, haciendo uso de avanzadas técnicas de medición, distribución de las aplicaciones de control y un uso eciente de la disponibilidad de recursos computacionales [17]. Una manera de lograr entender en mayor detalle el papel que juegan los sistemas de telecomunicaciones es revisando su participación en aplicaciones avanzadas de control, monitoreo y de gestión de las redes eléctricas de hoy; y de esta manera establecer los requerimientos (lo que se exige) de las redes de telecomunicaciones para la prestación de servicios de protección y supervisión sobre sistemas de transmisión y distribución eléctrica. En [36] se evalúa la factibilidad operativa de la tecnología ATM (Asynchronous 2.

(10) IEM-29-07-10. transfer Mode) para el control de cargas sobre un sistema de área amplia; en [34] y [15] se evalúan las ventajas del protocolo IP para la prestación de servicios de monitoreo sobre sistemas de potencia de área amplia. Sin embargo, no se han encontrado trabajos que de forma integral evalúen la prestación de servicios de protección sobre las redes eléctricas y servicios de acceso a la información directamente para los consumidores bajo un mismo esquema de telecomunicaciones, siendo éste el propósito a desarrollar a través de las redes inteligentes. A través del trabajo realizado como proyecto de tesis de maestría, se investigó sobre cuáles son los requerimientos esperados de un sistema de telecomunicaciones para la prestación de servicios, en el entorno de los sistemas de potencia y hacia el desarrollo de las redes eléctricas inteligentes. Se resaltaron las ventajas (y desventajas) de algunas tecnologías para el despacho de datos dentro de los límites de QoS, bajo diferentes entornos: redes de área amplia y redes de área local. Como resultado del trabajo se propone (y se evalúa) un esquema de telecomunicaciones de cobertura metropolitana (implementado sobre un escenario real) que soporta de manera eciente el tráco de información relacionado con el desempeño de la red inteligente y servicios de acceso a Internet para los consumidores.. 3.

(11) IEM-29-07-10. Capítulo 3. REDES INTELIGENTES 3.1.. Introducción. Los sistemas de generación, transmisión y distribución de energía eléctrica se pueden considerar hoy en día como los sistemas de mayor penetración a nivel mundial, pues es evidente el uso que a diario y continuamente se hace de la electricidad. Sin embargo su infraestructura y estrategias de operación se han mantenido intactas en los últimos 40 a 50 años: como un sistema centralizado de despacho energético [8] [17]. Este factor ha sido la piedra angular para la consolidación de un nuevo concepto: las redes inteligentes (Smart. Grids ),. deniéndolas a partir de la integración y el desarrollo tecnológico con-. junto en las áreas de potencia, control y telecomunicaciones, que permita implementar sobre las redes de distribución eléctrica sistemas para el intercambio bidireccional de energía e información desde los diferentes puntos de la red eléctrica hacia las subestaciones de forma automática y conable, garantizando la prestación de un servicio con calidad.. 3.2.. Denición. Las rede inteligentes es un concepto aun en desarrollo, sus inicios lo mostraban más como una visión de lo que se espera en el funcionamiento de los sistemas de potencia; deniendo nuevas estrategías en la operación de la red eléctrica, un portafolio más amplio de servicios para los consumidores. En el Acto del Congreso de los Estados Unidos EISA (Energy. Independence and Security Act of 2007 ). se denió un concepto de Red. Inteligente (Smart grid) como: "La modernización de los sistemas de transmisión y distribución de electricidad de la Nación para mantener una infraestructura eléctrica segura y conable que pueda soportar el crecimiento de la demanda en el futuro"[8].. National Electrical Manufacturers Association (NEMA) y el Congressional Research Service (CRS) indican: .El objetivo es usar avanzadas tecnologías. Paralelamente La. de información para incrementar la eciencia, conabilidad y exibilidad de la red de potencia y reducir la tasa de construcción de nueva infraestructura eléctrica"[8].. 4.

(12) IEM-29-07-10. Recientemente el Departamento de Energía (DOE) de los Estados Unidos, a través de la. Federal Smart Grid Task Force ,. han establecido esta denición para las redes. eléctricas inteligentes: Üna red inteligente hace uso de las tecnologías de la información para mejorar el ujo de la electricidad desde las plantas hacia los consumidores, permitiéndoles a estos interactuar en el manejo de la red e integrando nuevas y mejoradas tecnologías en la operación de la red. Dentro de los benecios de una red inteligente se incluyen mejores respuestas a la demanda de energía, manejo más inteligente de contingencias (apagones) y una mejor integración de fuentes renovables de energía"[1].. 3.3.. Entornos y funciones. Dentro de sus objetivos las redes eléctricas inteligentes buscan hacer un gran uso de la cobertura disponible a través de los sistemas de telecomunicaciones para establecer enlaces más directos con los consumidores y hacerlos participes del proceso de despacho energético [8]; permitiéndoles conocer su consumo energético en tiempo real y abriéndoles la posibilidad de conectarse a un generador distribuido de acuerdo con el precio en bolsa de la energía. El cambio de estado sobre un generador ocasionando un transiente, la desconexión de un número signicativo de cargas desbalanceando el ujo de energía (y afectando a su vez en valor nominal de la frecuencia del sistema. −60Hz−),. y oscilaciones en el. nivel de tensión por falta de fuentes reactivas [23], son algunas de la perturbaciones más comunes sobre los sistemas de potencia. Price. etal.. proponen una estrategia avanzada conocida como WAMPC (. Wide Area. Monitoring Protection and Control ) la cual bajo una misma operación integra el monitoreo, control y protección a lo largo de todo un sistema de potencia diferenciando, dos entornos especícos: aplicaciones locales a nivel de subestación (distribución) y aplicaciones de operación del sistema (transmisión) [26]. La ejecución de acciones de control y protección para mantener estabilidad sobre un segmento de la red eléctrica asociado a una subestación, junto con la supervisión del estado de los equipos asociados, se enmarca dentro de lo que se conoce como los sistemas de automatización en subestaciones SA (. Substation Automation ). En los años recientes. se ha visto un amplio desarrollo tecnológico en esta área gracias a su funcionalidad en la prestación del servicio (eléctrico)[27] [32]. Por un lado a través de los sistemas SA se descentraliza la supervisión de las redes de distribución eléctrica, aliviando la carga operativa del centro de control; también se facilita en manejo de la información proveniente desde cada uno de los puntos conectados a la red (usuarios, transformadores, equipos de medición, etc.) [27] [17].. Automatic Meter Reading. (AMR) es la tecnología utilizada en la recopilación re-. mota de los datos de consumo (eléctrico, gas y agua) de cada hogar, para procesos de facturación [38]. Su principal objetivo radica en facilitar la lectura de la medición de cada hogar, ahorrando el costo y la demora de la recopilación física de la información. 5.

(13) IEM-29-07-10. Figura 3.1: Esquema General y entornos de una Red Inteligente [8].. 6.

(14) IEM-29-07-10. Tradicionalmente las lecturas mensuales no ofrecían a los consumidores incentivos por la regulación de su consumo, sin embargo a través de la recopilación periódica (e. j. cada 15 minutos) y automática, se abre un espacio para la implementación de programas de respuesta de la demanda ( demmand. de consumo (time-of-use. 3.4.. rates ). response ). o tarifas de acuerdo al tiempo. [8] [20].. Iniciativas internacionales. A nivel internacional diferentes iniciativas han dado los primeros pasos en el camino hacia la modernización de los sistemas actuales de distribución eléctrica. La. Grid Initiative. Modern. (MGI) desarrollada por el Departamento de Energía de los Estados. Unidos (DOE) busca el diseño de una red eléctrica del siglo 21 que ofrezca valores agregados y benecios tanto para el operador de red como para los consumidores: mejoras en la calidad y eventual conabilidad, localización de interrupciones, energía a un menor costo, entre otros [9]. Igualmente compañías del sector energético han desarrollado de forma independiente estrategias para la prestación de un servicio eléctrico innovador:. Utility of the Future (Duke Energy - USA) [24], Circuit of the Future (Southern California Edison - USA) [25], Microgrid Concept (CERTS - USA) [7], European SmartGrids Technology Platform (European Commission ) [6].. 7.

(15) IEM-29-07-10. Capítulo 4. REQUERIMIENTOS DE CALIDAD DE SERVICIO (QoS) PARA EL INTERCAMBIO DE INFORMACIÓN Las aplicaciones para el control y monitoreo de parámetros en los sistemas de potencia demandan requerimientos de calidad de servició (QoS) en cuanto al despacho de datos entre los dispositivos a lo largo de toda la red de distribución (y transmisión). Las acciones de control, principalmente, requieren tiempos mínimos de ejecución antes de que se genere la acción en cadena de una falla local por inestabilidad en uno o más parámetros. La selección de un sistema de telecomunicaciones que facilite el intercambio bidireccional de información dentro de la red inteligente debe estar sujeta al cumplimiento de estos requerimientos (e. j. tiempos mínimos de retardo en el envío de datos).. 4.1.. Monitoreo y supervisión. Los sistemas de monitoreo y supervisión de área amplia recopilan en tiempo real toda la información relacionada al desempeño de los sistemas de transmisión y distribución, y concentran todos los datos en una sola ubicación (generalmente un centro de control), utilizando técnicas avanzadas para el muestreo de los parámetros conocidas como mediciones de fasores sincronizados. A continuación se describirá en qué consiste esta moderna técnica de medición y algunos de los retos del sistema de telecomunicaciones para el manejo de esta información. Un sistema WAPS (. Wide Area Protection System. ) puede constar de múltiples. unidades de medición fasorial conocidas como PMUs (Phasor Measurement Units) distribuidas a lo largo del sistema de transmisión; en general se pueden ubicar PMUs en cada subestación de alta a media tensión, aunque existen trabajos que estudian la ubicación óptima de estos dispositivos [30]. Las mediciones de fasores sincronizados consisten en muestras de los fasores de corriente y voltaje (magnitud y fase) a tasas que pueden variar de 10 a 100 muestras por segundo, de acuerdo con las característi-. 8.

(16) IEM-29-07-10. cas propias del sistema de potencia; por ejemplo en [36] se propone para un sistema eléctrico a 60Hz se utilice una tasa de 30 muestras por segundo. Las diferentes PMUs instaladas sobre un sistema eléctrico se encuentran considerablemente separadas unas de otras, con el n de mantener igualdad temporal entre las mediciones realizadas sobre puntos remotos, las PMUs utilizan el sistema de referencia global GPS para sincronizar las estampas de tiempo de las mediciones; dentro de las normas internacionales para mediciones de fasores sincronizados se establece un margen de tolerancia de hasta. 10µs. entre mediciones remotas [4]. PMUs instaladas sobre un sector de la red concentran la información muestreada en un PDC (Phasor Data concentrator), éste último se encarga de organizar la información recopilada de acuerdo a las estampas de tiempo antes de enviar las tramas de datos hacia un centro de control, una vez allí toda la información es publicada a través de una herramienta de visualización que sirve de apoyo a los operarios [36]. En caso de alguna perturbación detectada, comandos de control serán generados hacia los dispositivos remotos RTUs (. Remote Terminal Units ) con el n de. estabilizar los parámetros afectados. Algunos de estos comandos pueden ser: actualización de. setpoints. para generadores (distribuidos) activación de interruptores para. la reconexión o el aislamiento de un sector de la red (. trip command ), o activación de. generadores de potencia reactiva [23].. 4.2.. Aplicaciones de control en los sistemas de potencia. La estabilidad en los parámetros de una red de transmisión y distribución, de acuerdo al tipo de perturbación, está sujeta a los tiempos de ejecución de las acciones de control respectivas, incluyendo la medición de las variables, el procesamiento de los datos y la transmisión de información entre dispositivos remotos. Por ejemplo: la inestabilidad en un transiente debe atenderse en un intervalo de tiempo menor a 1 segundo, la inestabilidad en la frecuencia nominal del sistema puede atenderse dentro de algunos segundos, o la inestabilidad en el nivel de tensión puede tolerar algunos minutos para la activación de una fuente de potencia reactiva [23]. En el trabajo [13] se propone un sistema WACS (. Wide Area Control System ), en. este documento se desarrolla y establece que la ejecución de una acción de aislamiento (o. trip command ) debe darse dentro de los. 0,3. segundos siguientes a la detección de. alguna perturbación; dentro de este intervalo de tiempo se estima que la transmisión de datos (asumiendo un sistema compuesto por enlaces de bra óptica) no debe superar los 33ms por paquete de información.. trip command ) sobre Wide Area Protection System ) para el manejo de la frecuencia en el ángulo de potencia ( power angle stability loss ). Bajo el peor de los casos la estabilidad en Xu. etal.. Estudian en [36] la ejecución de una acción de relé (. un sistema WAPS (. el sistema puede garantizarse si la acción de relé tiene lugar dentro de los. 0,5. segundos. siguientes a la perturbación [23], asumiendo como mínimo 2 muestras requeridas para la detección certera de la perturbación (a una tasa de muestreo de 30Hz), y un tiempo 9.

(17) IEM-29-07-10. Figura 4.1: Tiempos para la ejecución de una acción de control. loss. power angle stability. [36].. de procesamiento de datos no superior a. 50ms,. el tiempo máximo permitido para la. transmisión bidireccional de datos, incluyendo la carga de las muestras y la generación del comando de control, debe ser 383ms. (383ms = 500ms − 66,6ms − 50ms). [36].. En [31] se evalúa el impacto de la calidad en la transmisión de datos sobre un sistema de control SVC ( Static Var Compensator ) para un sistema WAMC ( Wide Area Monitoring and Control ). Como resultado establecen que un tiempo de transmisión de mediciones sobre el nivel de tensión superior a los 150 milisegundos no garantiza la estabilidad sobre el parámetro de salida del SVC.. 4.3.. Estándares internacionales. IEEE 1646, Standard Communication Delivery Time performance Requirements for Electric Power Substation Automation [3], publicado en el El estándar internacional. año 2004, establece criterios para la evaluación de desempeño de diferentes tecnologías de telecomunicaciones implementadas en sistemas de Automatización en Subestaciones (SA). Principalmente dene aplicaciones generales con requerimientos de alta, media y baja velocidad de transmisión, teniendo en cuenta los tiempos de propagación en el medio de transmisión y el tiempo de procesamiento de datos. Sobre un sistema SA existen aplicaciones de protección, monitoreo, control y conguración remota de equipos. Los tiempos máximos de respuesta requeridos por estas aplicaciones se resumen en la gura 4.2, teniendo en cuenta dos escenarios: dentro y fuera de la subestación. El estándar IEC-61850,. tems. Communication Standard for Substation Automation Sys-. (SAS) [2] dene los requerimientos y características para el intercambio de in-. formación entre IEDs ( Intelligent. Electronic Devices ). dentro de un sistema de autom-. atización en subestaciones. Utilizando una plataforma orientada a objetos, establece el desempeño y los requerimientos de calidad de servicio para los diferentes mensajes generados tanto para la protección de la red de distribución como para la supervisión de equipos.Un ejemplo son los mensajes GOOSE ( generic. event ). object oriented substation. que notican en tiempo real un cambio de estado sobre un parámetro o equipo. especícos [11]. Algunos de los requerimientos establecidos en el estándar IEC-61850 para el retardo máximo en la transmisión de paquetes se resumen en la gura 4.3 de 10.

(18) IEM-29-07-10. Figura 4.2: Tiempos para la transmisión de datos por aplicaciones establecidos en IEEE1646 [3]. Figura 4.3: Tiempos para la transmisión de mensajes establecidos en IEC-61850 [ ?]. acuerdo a los tipos de mensajes y las aplicaciones con que estén relacionados.. 11.

(19) IEM-29-07-10. Capítulo 5. EVALUACIÓN DE TECNOLOGÍAS DE TELECOMUNICACIONES De los trabajos y artículos estudiados, se seleccionaron algunos en los que se hiciera un análisis más detallado respecto al papel de las telecomunicaciones en sistemas de automatización en subestaciones, sistemas de control y monitoreo sobre redes eléctricas y redes inteligentes. Algunos de estos trabajos evaluaron tecnologías especícas de. telecomunicaciones para el cumplimiento de requerimientos de QoS [35] [ ?] [34] [33] [18] [19] [21]. Se validaron los resultados de cada uno de estos trabajos utilizando el simulador NS-2 [5]. A través de los resultados obtenidos se identicaron las ventajas (y desventajas) de las tecnologías TCP/IP, MPLS y Ethernet, para la prestación de servicios de intercambio de información en tiempo real. Se vericó la validez de los resultados con relación a otros simuladores, como OPNET, utilizado en la mayoría de los trabajos consultados.. 5.1.. TCP/IP. En [34] se propone un sistema para el monitoreo remoto de una turbina eólica ubicada a más de 100km de distancia del centro de control. La recopilación en un servidor de las mediciones hechas sobre la turbina se realiza a través de un enlace inalámbrico, y el acceso a esta información desde el centro de control se realiza a través de Internet. La disposición geográca de este sistema favorece la viabilidad de Internet como medio para la transmisión de información, sin embargo la evaluación de esta tecnología basada en TCP/IP no garantiza el despacho de datos en tiempo real (debido a la congestión de la red Internet y los tiempos de transmisión medidos). El desempeño de TCP para el despacho conable de paquetes y el manejo de retransmisiones por paquetes perdidos inuye también en estos resultados.. 12.

(20) IEM-29-07-10. Figura 5.1: Esquema de telecomunicaciones para un sistema de Automatización en subestaciones [35].. 5.2.. Ethernet. El estándar IEC-61850 establece Ethernet como la tecnología más apropiada para soportar el ujo de tráco dentro de los sistemas SA (interconectando los niveles de Procesos, Bahías y Estación, denidos también en IEC-61850). En los documentos [35] y [33] se proponen esquemas de telecomunicaciones, que interconectan las bahías dentro de una subestación, para evaluar el desempeño de la tecnología Ethernet de 10 y 100Mbps que soporte las aplicaciones de monitoreo y protección al interior de una subestación. En la gura 5.1 se muestra un esquema para la interconexión de bahías en un sistema SA. La evaluación de los tiempos de transmisión de paquetes dentro y entre bahías corrobora la viabilidad de Ethernet en los sistemas de automatización en subestaciones, cumpliendo con los requerimientos de QoS establecidos en el estándar IEC-61850, y garantizando el despacho de datos en tiempo real con muy bajos tiempos de retardo.. 5.3.. MPLS. Multi-protocol label switching (MPLS) es una tecnología de redes de telecomunica-. ciones basada en la conmutación de etiquetas para el enrutamiento de paquetes dentro. de una red. Consiste en adjuntar una etiqueta (Label) entre los encabezados de capa 2 y capa 3 de cada paquete, y con base en la información de esta etiqueta enrutar el 13.

(21) IEM-29-07-10. Figura 5.2: Estructura de red MPLS de área amplia [21].. paquete de datos a través de la red (dentro del dominio MPLS) utilizando rutas óptimas o múltiples caminos hacia un nodo destino, ofreciendo así un mejor desempeño en cuanto a la Calidad del Servicio (QoS). Un modelo de red MPLS se ve en la gura 5.2 en donde diversas redes (de diferentes tecnologías) se interconectan a través de una red (de área amplia) o dominio MPLS. Entre el origen y el destino de un ujo de información los paquetes son direccionados utilizando una estrategia de enrutamiento de capa 2 (intercambio de etiquetas); en las redes IP convencionales los paquetes son direccionados al nodo siguiente de acuerdo con la información contenida en el encabezado de la capa de Red, o enrutamiento de capa 3. Esta diferencia en el direccionamiento de paquetes se considera como la ventaja más relevante de la tecnología MPLS sobre las demás tecnologías. Algunos términos muy familiares dentro de la dinámica MPLS se denen a continuación: LSR (Label switch router): router dentro del dominio MPLS encargado de realizar la conmutación de etiquetas de los paquetes que uyan a través de la red. LER (Edge label switch router): router ubicado en los extremos o bordes del dominio MPLS, se encarga de asignar una etiqueta especíca (FEC) a cada uno de los paquetes que ingresan al dominio MPLS, para su posterior direccionamiento. FEC (Forwarding equivalent class): asignación que se le realiza a cada paquete de acuerdo con sus características de manejo o requisitos de QoS, corresponde con la misma etiqueta utilizada para el enrutamiento dentro del dominio MPLS. LSP (Label switching path): Çamino"dentro del dominio MPLS (secuencia de routers) que siguen los paquetes asignados a una FEC especíca desde que ingresan hasta que salen de la red MPLS. LDP (Label distribution protocol): Estrategia utilizada dentro del dominio MPLS para la creación de las tablas de direccionamiento (LIBs) en cada uno de los routers, en las que. 14.

(22) IEM-29-07-10. se especican las interfaces de entrada/salida para las diferentes etiquetas o FECs. LIB (Label information base): Tabla de direccionamiento en cada uno de los routers MPLS, que relaciona una etiqueta e interfaz de entrada con una etiqueta e interfaz de salida para realizar el correcto direccionamiento de paquetes dentro del dominio MPLS. Algunas ventajas que ofrece MPLS sobre otras tecnologías convencionales de enrutamiento de paquetes son: El direccionamiento MPLS se realiza únicamente basándose en la etiqueta (FEC) de cada paquete, sin requerir que se evalúa la información contenida en el encabezado de la capa de red. La asignación de un FEC a cada paquete se realiza únicamente en el router de entrada al dominio MPLS; en el protocolo IP cada router dentro de la red asigna una FEC a cada paquete que llega antes de direccionarlo al paso siguiente. Paquetes que requieren un tratamiento especial en cuanto a QoS pueden especicar una ruta especíca dentro de la red.. 5.3.1. Simulación de MPLS en NS-2 NS-2, network simulator, es una herramienta software de uso libre [5] basada en eventos discretos de amplio uso en la investigación, simulación y evaluación de redes de telecomunicaciones, haciendo gran énfasis en tecnologías basadas en IP. El módulo MPLS para NS-2 (MNS) modica la estructura de los nodos IP del simulador agregando un 'Clasicador' MPLS a la entrada de los paquetes de información y un agente LDP. En la gura 5.3 se muestra la composición de un nodo MPLS en NS-2. El Clasicador MPLS se encarga de identicar la etiqueta de cada paquete que entra al nodo, dependiendo de la FEC en la etiqueta direcciona el paquete a la interfaz de salida adecuada intercambiando la etiqueta de acuerdo con la información en la LIB, a este proceso se le llama enrutamiento de capa 2, en el caso de que un paquete no tenga etiqueta (cuando ingresa al dominio MPLS) el Clasicador le asigna una etiqueta de acuerdo con la información del encabezado IP; si la etiqueta de salida de un paquete, leída en la LIB indica que está a punto de salir del dominio MPLS, el Clasicador MPLS direcciona el paquete hacia el Address Classier el cual efectúa enrutamiento de capa 3 al paquete hacia el nodo destino. El Agente LDP se encarga del envío de mensajes hacia los demás nodos MPLS indicando las interfaces entrada/salida para los diferentes FECs, la asignación de una ruta especíca o LSP, y la nalización de un enlace temporal o VPN, en resumen como su nombre lo indica, este agente se encarga del intercambio de mensajes que permitan ejecutar el protocolo de distribución de etiquetas (LDP). MPLS facilita el control sobre el ujo de información a través de una red de área amplia, permitiendo implementar múltiples caminos ( explicit. routes ). y manejar prior-. itariamente el ujo de paquetes. En [18] y [19] se utiliza la herramienta MNS ( MPLS 15.

(23) IEM-29-07-10. Figura 5.3: Modelo en NS-2 de un Router MPLS [18]. Network Simulator ) desarrollada sobre NS-2, para la evaluación de redes en tecnología MPLS. Sobre un esquema como el que se muestra en la gura 5.2 [21], se evalúa el desempeño de una red de área amplia con tecnologías IP y MPLS para la prestación de servicios bajo cualquier condición (e. j. la caída de un enlace) y garantizando calidad en el servicio. Los Routers IP facilitan la asignación de recursos para la diferenciación de servicios (. DiServ ). de acuerdo a los requerimientos de QoS, pero su desempeño. se ve afectado al presentarse una falla sobre la red, tomando varios segundos para la restauración de conexiones [16]. MPLS ofrece ventajas de ingeniería de tráco para el redireccionamiento de paquetes y la asignación de caminos para garantizar QoS. En la gura 5.4 se aprecia la diferenciación de servicios a través de IP y MPLS para dos ujos (UDP y TCP); es muy importante notar también que para el caso IP el tiempo de restauración de las conexiones es considerable, mientras que bajo MPLS el redireccionamiento de paquetes y la asignación de un nuevo camino garantiza la prestación del servicio en todo momento. En las en las guras 5.5 y 5.6 se resume y compara el desempeño evaluado para las diferentes tecnologías a través de las validaciones hechas en NS-2. Se indican los tiempos medidos para la transmisión de paquetes, y los tiempos de restauración (gura 5.4); también se destacan las ventajas de cada tecnología para la prestación de servicios de intercambio de información de utilidad en las redes inteligentes.. 16.

(24) IEM-29-07-10. Figura 5.4: Evaluación de la diferenciación de servicios y tiempos de restauración para tecnologías IP y MPLS.. Figura 5.5: Comparación de tecnologías evaluadas, cobertura y tiempos de retardo.. 17.

(25) IEM-29-07-10. Figura 5.6: Tiempos de restauración evaluados para IP y MPLS.. 18.

(26) IEM-29-07-10. Capítulo 6. ESCENARIO DE UNA RED INTELIGENTE 6.1.. Red de distribución eléctrica. Se seleccionó el sistema eléctrico de pruebas RTS (. Reliability Test System ) disponible. en la base de datos de la IEEE [29] [28]. Este modelo de una red de transmisión y distribución eléctrica fue diseñado y publicado en 1979 por la. the Application of Probability Methods. IEEE Subcommittee on. (APM) con el n de proveer a estudiantes e. investigadores la información suciente para evaluar diversas técnicas (o algoritmos) para evaluaciones de conabilidad y capacidad de generación. Sin embargo para nuestro propósito de diseño únicamente se tendrá en cuenta la información relacionada con la disposición geográca de la red y los usuarios conectados. El Bus 4 del sistema completo de pruebas RTS [28], mostrado en la gura 6.1, consta de 3 subestaciones de distribución (33kV/11kV) enumeradas como SP1, SP2, y SP3, y 7 líneas de alimentación en media tensión (F1, F2, etc.) distribuidas radialmente desde las subestaciones. Conectados a lo largo de las líneas de alimentación se encuentran 38 puntos de carga,. loadpoints,. (LP1, LP2, etc.) que corresponden a los puntos de. acople común para los consumidores conectados aguas abajo. Al nal de cada línea se denen puntos de seccionalización, cada uno con un interruptor (breaker) en estado de apertura por defecto. Dichos puntos permiten la conexión entre líneas aledañas, como una estrategia para garantizar la prestación del servicio eléctrico bajo cualquier circunstancia. A partir de la información disponible en [28] se pudo caracterizar el sistema de la gura 6.1, deniendo la longitud de cada una de las líneas de alimentación, los tipos de usuarios (residenciales, comerciales e industriales) y la cantidad de consumidores conectados en cada punto de carga. Por ejemplo, las cargas denidas como usuarios industriales albergan un solo consumidor de este tipo, estas se identican (en la gura 6.1) por estar conectadas directamente a la línea de media tensión; las cargas de tipo comercial y residencial albergan un mayor número de consumidores por punto de carga (10 en el caso comercial y hasta 220 residenciales), se identican por estar conectadas en el lado de baja tensión de cada uno de los transformadores conectados a las líneas de alimentación. 19.

(27) IEM-29-07-10. Figura 6.1: BUS 4, sistema eléctrico de distribución de pruebas RTS [28].. 20.

(28) IEM-29-07-10. Figura 6.2: Distribución de los consumidores en cada una de las líneas de alimentación.. En la tabla de la gura 6.2 se resume la distribución de consumidores para cada una de las líneas de alimentación junto con la longitud de cada una. Más adelante esta información será de utilidad para denir la cobertura del sistema de telecomunicaciones propuesto y las aplicaciones de red inteligente que se implementarán en cada punto de carga, de acuerdo al tipo de usuario y al número de consumidores abonados; se denirán los modelos de tráco de datos asociados a estas aplicaciones.. 6.2.. Escenario real. Con el n de establecer una red de telecomunicaciones de cobertura metropolitana que entrelace las tres subestaciones del sistema de distribución seleccionado, se utilizará como referencia la distribución geográca de las subestaciones de CODENSA en Bogotá. Estas subestaciones están interconectadas a través de anillos de bra óptica, un anillo principal a través de las subestaciones de 115kV y anillos internos entre las demás subestaciones, sin embargo haciendo caso omiso de la topología real de la red de bra óptica existente, se asumirá que se dispone de conexiones de alta capacidad entre las subestaciones, la distribución geográca de las subestaciones de CODENSA y las interconexiones propuestas se pueden ver en la gura 6.3 Teniendo en cuenta la separación entre las subestaciones del sistema de la gura 6.1, estimada a partir de la longitud de cada una de las líneas de alimentación, se hizo una asociación entre estas subestaciones y tres de las ubicadas en el sistema de CODENSA de la siguiente forma: SP1: Subestación Calle 67 SP2: Subestación La Paz 21.

(29) IEM-29-07-10. Figura 6.3: Ubicación geográca, en Bogotá, de las subestaciones de CODENSA.. 22.

(30) IEM-29-07-10. SP3: Subestación Calle primera Se denió también un centro de control general, ubicado en la subestación Autopista, que corresponde con la ubicación real del centro de control de CODENSA. Esta asociación es validad hacerla teniendo en cuenta que la distribución de consumidores descrita en el sistema RTS puede aproximarse a la distribución de población en los sectores seleccionados de Bogotá; un punto carga de tipo residencial en el sistema RTS puede asemejarse a un grupo de casas o un edicio de apartamentos ubicado en el sector aledaño a la subestación.. 6.3.. Red de telecomunicaciones propuesto. La interconexión entre las subestaciones y el centro de control se realiza a través de los enlaces de bra óptica que se mostraron en la gura 6.3, utilizando routers MPLS (LSR) en cada subestación para el redireccionamiento de paquetes, se asume una velocidad de transmisión en los enlaces no superior a 50Mbps. A esta red. Backbone. se conectan cada una de las redes LAN en tecnología Ethernet de cada subestación y del centro de control, junto con las redes de acceso para cada línea de alimentación, implementadas en tecnología BPL (. Broadband over Powerline ), a través del respectivo. router de borde MPLS (LER). En cada subestación hay instalado (sobre la red LAN) un nodo con funciones de control local, a este nodo llega la información relacionada únicamente con las líneas conectadas a la subestación respectiva; en el centro de control se ubican (conectados a la red LAN) un nodo con funciones de servidor, un nodo de visualización o monitoreo de la red completa y un nodo con funciones de operador de la red eléctrica. (ver gura 6.4) Las redes de acceso para cada uno de los puntos de carga de la red de distribución se denieron en tecnología BPL a través de las líneas de media tensión, de tal forma que no se requiere la instalación de nueva infraestructura para las redes de acceso. En las guras 6.5, 6.6, 6.7, 6.8, 6.9, 6.10 y 6.11 se muestra la topología sobre cada una de las líneas de alimentación, a ellas se conectan los puntos de carga correspondientes a través de un MV Gateway, localizados en el transformador de media a baja tensión, el control de acceso al medio (MAC) de acuerdo con [10] se puede asumir. IEEE−802,3 (CSMA/CD) ya que se. trata de un acceso a un medio compartido (el cable de media tensión), y de acuerdo con el trabajo estudiado en [12], en el que evalúan la capacidad de las líneas de transmisión eléctricas como medio para la transferencia de datos, la velocidad de transmisión a lo largo de la línea de alimentación se puede estimar a partir de la frecuencia utilizada para la transmisión de información, el número de ramicaciones ( branches) que existan a lo largo de la línea, la potencia de entrada en la señal de información y limitaciones en las bandas de frecuencia habilitadas para la transmisión de información a través de redes eléctricas, establecidas por entidades internacionales especializadas como la BBC, la NATO o la FCC (. Federal Communications Commission ) [12]; para este caso se han 23.

(31) IEM-29-07-10. Figura 6.4: Red de telecomunicaciones propuesta, a evaluar en NS-2.. 24.

(32) IEM-29-07-10. Figura 6.5: Implementación de BPL sobre línea de alimentación F1.. asumido velocidades de transmisión de 125Mbps sobre las líneas F2, F5 y F6, y 90Mbps para las restantes, transmitiendo en la banda de frecuencias de 30MHz. Es importante tener claro que la cobertura del sistema de telecomunicaciones que se propone llega hasta cada uno de los puntos de carga de la red de distribución, y no hasta los consumidores conectados a los puntos de carga; esto se debe a al hecho de que algunas de las cargas albergan un gran número de consumidores (e. j. residenciales) y entrar en el detalle de cada uno incrementaría considerablemente el proceso de análisis de desempeño que se efectúa más adelante, por esta razón se tuvo cuidado al denir los modelos de tráco de las aplicaciones de tal forma que se generen tramas de información equivalentes al número de consumidores conectados a cada uno de los puntos de carga, hasta 220 consumidores residenciales, 10 consumidores comerciales o 1 solo consumidor industrial por abonado.. 6.4.. Simulación. Se utilizó NS-2 [5] para evaluar el desempeño del sistema de telecomunicaciones completo con respecto a los requerimientos de QoS que se establecieron para las aplicaciones y/o funciones dentro de una red inteligente. La red de. Backbone. se denió. como un dominio MPLS con enlaces de alta capacidad (hasta 50Mbps), gracias a las ventajas en cuanto a ingeniería de tráco que se pudieron apreciar en las validaciones hechas para esta tecnología; las redes LAN en las subestaciones y el centro de control se implementaron utilizando Ethernet de 100Mbps ( IEEE. − 802,3). dado el óptimo. desempeño que se pudo observar para esta tecnología en el entorno de los sistemas de automatización en subestaciones siguiendo las recomendaciones del estándar IEC25.

(33) IEM-29-07-10. Figura 6.6: Implementación de BPL sobre línea de alimentación F2.. Figura 6.7: Implementación de BPL sobre línea de alimentación F3.. 26.



(36) IEM-29-07-10. 61850; el modelo para simular las redes de acceso en tecnología BPL se asumió como una topología LAN con protocolo MAC. IEEE − 802,3,. por tratarse del acceso a un. medio compartido, las velocidades de transmisión se asumieron de 90Mbps y 125Mbps de acuerdo con los análisis estudiados en [10] y [12], en este modelo se asume también que existen módulos amplicadores de las señales de información (sobre las líneas de media tensión) en intervalos de 1km a lo largo de la línea de alimentación, el tratamiento realizado sobre las señales se limita a la capa física y por esta razón su efecto no se incluye dentro del modelo a simular en NS-2.. 6.4.1. Aplicaciones a simular Sobre cada uno de los puntos de carga de la red de distribución eléctrica de pruebas se implementarán fuentes de tráco relacionadas con aplicaciones que caracterizan el desempeño de una red eléctrica inteligente. Estas aplicaciones son: monitoreo de la red en general, medición automática de consumo energético AMR, conexión remota de generadores distribuidos, control de cargas ( relaying applications ) y protección del sistema de distribución bajo fallas; también se incluyen fuentes de tráco para el intercambio de archivos de gran volumen, y servicio de acceso a Internet. La aplicación de monitoreo genera desde cada uno de los puntos de carga, incluyendo los puntos de seccionalización, paquetes de datos a una tasa de 1440 muestras por segundo [33], cada muestra consiste de un paquete de tipo Ethernet-packet como se dene en el estándar IEC-61850 [2] [35]; se utiliza UDP como protocolo de transporte para el despacho de los datos medidos en tiempo real. Sobre el panel de visualización ubicado en el centro de control se deben actualizar los estados de la red completa por lo menos cada segundo [13] [37]. La información para este propósito proviene desde cada uno de los puntos de carga y los puntos de seccionalización (hacia el nodo de visualización en el centro de control) a una tasa de 20 muestras por segundo [35] [33]; se utiliza TCP en pro de garantizar el despacho conable de los datos. El monitoreo debe realizarse de forma continua sobre la totalidad del sistema de distribución, sea bajo los entornos normales de funcionamiento o bajo los efectos de alguna perturbación o falla sobre la red. La recopilación automática de la información de todos los usuarios residenciales (4700 en total) se realiza en intervalos de 15 minutos. Para efectos de simular el tráco de información de esta aplicación, se generarán desde cada uno de los puntos de carga residenciales paquetes de. 1kByte. a través de una aplicación FTP con los datos de. consumo energético de cada hogar, el número de paquetes a generar debe ser igual al número de consumidores asociados al punto de carga. Toda esta información se almacena en el servidor ubicado en el centro de control, para su posterior publicación a través de Internet. Con el n de ofrecer este servicio para la totalidad de los usuarios de forma equitativa y conable se utilizará TCP como tecnología de transporte.. 29.

(37) IEM-29-07-10. Los puntos de carga que tengan asociados generadores distribuidos, eventualmente pueden desconectarse del suministro eléctrico y autoabastecerse (dependiendo del precio en bolsa de la energía eléctrica), incluso pueden vender a la red los excedentes de generación y alimentar algunas cargas cercanas. Para llevar a cabo esta aplicación, el punto de carga con GD debe comunicar a la subestación respectiva el proceso de aislamiento de la red a través de un mensaje tipo GOOSE, seguidamente el controlador local podrá efectuar la desconexión remota sin afectar el desempeño del sistema; el comando de desconexión es enviado a través de un mensaje GOOSE [ ?].. Cuando la red de distribución funciona con el apoyo de generadores distribuidos en algunos de los puntos de carga, es necesario ejecutar acciones de control sobre cada generador, estabilizando la potencia generada con respecto a la demanda; de esta forma se mantiene la frecuencia del sistema en su valor nominal (60 Hz) y se evita que el sistema de potencia entre en estado "fuera de paso"( out-of-step ) [36]; las aplicaciones conocidas como. Realying Applications. controlan las cargas conectadas a la red para. evitar que la red entre en este estado. En caso de presentarse algún tipo de perturbación o falla sobre una (o más de una) de las líneas de alimentación de la red de distribución, deben efectuarse las aplicaciones de protección pertinentes para aislar el sector afectado y evitar una propagación en cadena que pudiera ocasionar un apagón general. El conocimiento de una falla y la ejecución de los procesos para su identicación y aislamiento deben realizarse de manera coordinada desde el centro de control y el controlador de la subestación respectiva, La noticación de una falla desde cualquier punto de carga de la red hacia el centro de control y la subestación se realiza a través de un mensaje tipo GOOSE, debido a la alta prioridad requerida. Dado el evento, se envían cuatro paquetes de 16 bytes cada uno, a n de asegurar la noticación tanto al operador de red como al controlador local; estos mensajes se envían a través de UDP. En la tabla de la gura 6.12 se resume la distribución de las aplicaciones sobre los puntos de carga del sistema de distribución de pruebas.. 6.4.2. Servicio de acceso a internet Dentro de la simulación, para evaluar el desempeño del sistema de telecomunicaciones propuesto, se incluyeron fuentes de tráco de navegación en Internet asociadas a cada uno de los abonados (puntos de carga). Esto con el n de evaluar el desempeño de la red para la prestación simultánea de los servicios de red inteligente y el servicio acceso a Internet. Para cada uno de los abonados de la red se instaló un modelo de tráco Internet como el que se propone en [22] el cual detalla las fuentes de tráco y las aplicaciones vistas a través de una red de área local con acceso a Internet (HTTP, FTP, POP3, SMTP y SSH) [22].. 30.

(38) IEM-29-07-10. Figura 6.12: Asignación de las aplicaciones de red inteligente sobre los puntos de carga.. Figura 6.13: Medición del tráco de navegación en Internet.. 31.

(39) IEM-29-07-10. 6.5.. Resultados. La evaluación de desempeño de la red propuesta debe realizarse de forma separada para cada una de las aplicaciones que se simularon, puesto que cada aplicación tiene requerimientos especícos de QoS. En primer lugar se diferenciarán los ujos de tráco de navegación en Internet recibidos en cada abonado de la red y los ujos de información relacionados con las aplicaciones de la red eléctrica inteligente en cada punto de carga ( loadpoint ). De esta forma se podrá apreciar el acceso a la red de telecomunicaciones efectuado por cada grupo de abonados. El ujo de información de navegación en Internet recibido en los abonados residenciales y comerciales (medido en bits recibidos por unidad de tiempo [bps]) a lo largo del tiempo de simulación se aprecia en la gura 6.14. Los abonados residenciales en esta subred (5 en total) experimentan tráco de acceso a Internet de forma aleatoria, cada abonado recibe ráfagas de hasta 10Mbps; cabe anotar que el tráco de navegación en internet que recibe un solo abonado se distribuye entre el número de consumidores que este conectados al punto de carga respectivo, en el caso de un abonado residencial el tráco recibido se repartiría entre los diferentes consumidores (e. j. 220 usuarios) dentro de un conjunto residencial. En la gura 6.15 se aprecia el tráco de acceso a internet experimentado por los abonados conectados a la subred asociada con el Feeder 2, estos abonados son de tipo Industrial y son 3 en total. Los casos siguientes correspondientes a las líneas de alimentación F3, F4, F5, F6, y F7 experimentan ujos similares a los dos casos vistos antes, tanto en los usuarios residenciales, comerciales e industriales. Estos se pueden ver en las guras 6.16 a 6.20. Las aplicaciones de monitoreo implementadas en todos los nodos abonados de la red, transmiten paquetes hacia la unidad de control ubicada en la subestación respectiva a una tasa de 59kbps aproximadamente, también transmiten paquetes de monitoreo hacia el nodo de visualización en el centro de control a una tasa de 5.12kbps. Para estas dos aplicaciones se evalúa el tiempo de transmisión desde el instante de tiempo en que se genere el paquete en el nodo de origen hasta ser correctamente recibido en el nodo destino, para cada uno de los abonados conectados a la red. Como resultado se gracará el promedio de los tiempos de transmisión experimentados por cada abonado en cada Feeder, de forma independiente para los paquetes con destino en la subestación y en el centro de control. Para Feeder 1 el promedio de la transmisión de paquetes de monitoreo hacia la unidad de control en la subestación se puede apreciar en la gura 6.21, en ella se ve que durante el intervalo de tiempo en que aumenta el ujo de información el tiempo de transmisión de paquetes aumenta considerablemente a un valor de hasta 4ms, en general el tiempo de transmisión dentro de la subestación no supera los 0.5ms, un valor acorde con trabajos ya estudiados sobre sistemas de Automatización en Subestaciones. 32.

(40) IEM-29-07-10. Figura 6.14: Tráco total de acceso a Internet en el Feeder 1.. 33.







(47) IEM-29-07-10. Figura 6.21: Retardo de los paquetes de monitoreo desde el Feeder 1.. [33] [35]. La transmisión promedio de paquetes de monitoreo hacia el centro de control desde el Feeder 1 presenta un comportamiento similar al visto en la gura 6.21, se aprecia un incremento en el retardo cercano a los 5 segundos de simulación, debido a la mayor congestión que se presento en toda la red, como se ve en la gura 6.22. Las aplicaciones de monitoreo instaladas en los abonados de la subred del Feeder 2, que consiste únicamente de usuarios industriales, presentan un retardo promedio de 0.1ms con destino la unidad de control en la subestación (gura 6.23), y un retardo promedio de hasta 1.5ms con destino el centro de control (gura 6.24) En general los retardos de los paquetes provenientes de las aplicaciones de monitoreo experimentan un desempeño similar al visto en las guras 6.21, 6.22, 6.23, 6.24, 6.25 y 6.26 a lo largo de todas las líneas de alimentación. La conexión y desconexión de generadores distribuidos debe darse dentro de los. límites de tiempo establecidos para las operaciones de Islanding [?], dentro de este tiempo debe incluirse la transmisión bidireccional de información desde los nodos con GD hacia la unidad de control, indicando la intención de desconectarse del suministro 40.

(48) IEM-29-07-10. Figura 6.22: Retardo de los paquetes de monitoreo desde el Feeder 1.. 41.





(53) IEM-29-07-10. Figura 6.27: Tiempo de transmisión de paquetes de conexión de GD desde la subred Feeder 2.. de la red, y la transmisión del comando de desconexión desde la unidad de control hacia cada GD. En cada una de las subredes simuladas existió un nodo abonado con GD, a continuación se muestra el tiempo de transmisión de paquetes desde el nodo con GD en el Feeder 2 (línea azul), junto con el tiempo de transmisión de paquetes desde la unidad de control hacia el generador distribuido (línea roja). En la gura 6.27 se puede ver que el tiempo de transmisión bidireccional de los paquetes para conexión de GD no supera los 20ms, esto es teniendo en cuenta la suma de los tiempos desde el nodo con GD hacia la subestación y el envío de comando desde la subestación hacia el nodo con GD. Las aplicaciones de control de cargas o. Relaying Applications. envían paquetes de. datos desde las unidades control en cada subestación hacia cada uno de los nodos abonados correspondientes. De acuerdo con el trabajo en [36] para este tipo de aplicaciones el retardo en una dirección no debe superar los 150ms para evitar que el sistema eléctrico. 46.

(54) IEM-29-07-10. entre en estado fuera de paso ( out-of-step. state ).. En la gura 6.28 se detalla el retardo en el envío de paquetes para esta aplicación experimentado por cada uno de los abonados conectados a la línea de alimentación F1, esta aplicación envía por cada abonado 10 paquetes de datos, por lo cual el retardo evaluado corresponde a cada paquete transmitido.. 47.

(55) IEM-29-07-10. Figura 6.28: Tiempo de transmisión de paquetes para Relaying Applications en los abonados del Feeder 1.. 48.

(56) IEM-29-07-10. Capítulo 7. ANÁLISIS En general, el ujo de información de navegación en Internet (medido en bits recibidos por unidad de tiempo [bps]) recibido en los abonados residenciales y comerciales conectados a las línea de alimentación F1 se puede apreciar en la gura 7.1. Los abonados residenciales (correspondiendo a 5 puntos de carga) experimentan tráco de acceso a Internet de forma aleatoria, cada abonado recibe ráfagas de hasta 10Mbps que bajo un factor de reuso de 20 a 1 (bandwidth ratio) equivale a un servicio de acceso a Internet no mayor a 909kbps para cada uno de los 220 consumidores conectados (220/20 = 11 usuarios; 10Mbps/11 = 909.09kbps). Para los abonados de tipo comercial el tráco de acceso a Internet visto en la gura 9 equivale a un servicio de hasta 4Mbps por consumidor, utilizando un factor de reuso de 4 a 1. Evaluando ahora únicamente el tráco de datos relacionado con las aplicaciones de la red inteligente, se puede ver en la gura 7.2 que a lo largo del tiempo de simulación existe un tráco constante de información (316kbps aproximadamente) correspondiente con las aplicaciones de monitoreo, continuas a lo largo de la simulación. Los abonados residenciales experimentan un incremento en el tráco en los segundos 1 y 8, correspondiendo con la transmisión de los paquetes de la aplicación AMR desde los abonados conectados a esta línea de alimentación, y la transmisión de archivos (FTP) de actualización y/o reconguración en la subestación SP1. Para las aplicaciones de monitoreo, conexión de GDs, control de cargas y manejo de fallas se evaluó el retardo punto a punto en la transmisión de paquetes. De acuerdo a los requerimientos de QoS establecidos al comienzo de este trabajo, las aplicaciones de manejo de fallas y el control de cargas demandan tiempos de ejecución (y por supuesto de transmisión) más estrictos: 8 milisegundos para la ejecución de un trip command [?] y 190 milisegundos para la apertura de un relé [36]. La conexión de un generador distribuido a la red de suministro es equivalente a la ejecución de una operación de Islanding que de acuerdo al estándar IEC-61850 puede tolerar hasta 300 milisegundos en la transmisión del comando de control. En la tabla de la gura 7.3 se resumen los resultados obtenidos en los tiempos de transmisión para las aplicaciones mencionadas anteriormente. Estos resultados se obtuvieron bajo el mejor escenario, disponiendo de hasta 50Mbps en los enlaces de la 49.

(57) IEM-29-07-10. Figura 7.1: Medición del tráco de navegación en Internet, F1.. red. Backbone.. Sin embargo el efecto de este valor se evaluó para las aplicaciones de. monitoreo y control de cargas sobre el retardo punto a punto. En las guras 7.4 y 7.5 se muestran estos resultados (sobre la línea F1) para diferentes valores de la velocidad de transmisión sobre la red. Backbone;. por debajo de 5Mbps el desempeño de la red deja. de cumplir los requerimientos mínimos de QoS. En la gura 7.6 se presenta la evaluación de la tasa de pérdida de paquetes, sobre la red completa, para cada una de las aplicaciones implementadas y el desempeño visto para diferentes valores de la velocidad de transmisión sobre la red backbone. Este resultado indica que bajo el peor escenario (utilizando 1Mbps) se pierden menos del. 3%. de paquetes de una sola aplicación (monitoreo). Pero como ya se vio en los resultados de las guras 7.4 y 7.5 bajo este mismo escenario no se cumplen los requerimientos de QoS.. 50.

(58) IEM-29-07-10. Figura 7.2: Medicióndel tráco de las aplicaciones de red inteligente, F1.. Figura 7.3: Retardos promedios y máximos medidos en las líneas de alimentación para cada aplicación.. 51.

(59) IEM-29-07-10. Figura 7.4: Retardos en la transmisión de paquetes de monitoreo para diferentes velocidades en los enlaces de la red. Backbone.. 52.

(60) IEM-29-07-10. Figura 7.5: Retardos en la transmisión de paquetes para el control de cargas vs. Diferentes velocidades en los enlaces de la red. Backbone.. 53.

(61) IEM-29-07-10. Figura 7.6: Evaluación de tasas de pérdidas por cada aplicación para diferentes velocidades de transmisión en los enlaces de la red. 54. Backbone..

(62) IEM-29-07-10. Capítulo 8. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO Integrando los entornos de los sistemas de control y monitoreo de área amplia, y los sistemas de automatización en subestaciones, se propuso un esquema de telecomunicaciones que soporte con QoS los ujos de información asociados al desempeño de una red eléctrica inteligente, junto con la prestación de servicios de acceso para los consumidores (e. j. Navegación en Internet). Con el n de garantizar cobertura sobre la totalidad del sistema de distribución seleccionado, se decidió utilizar BPL como tecnología de acceso, haciendo uso de las líneas de media tensión existentes y evitando el costo de construcción de nueva infraestructura. Se utilizó MPLS sobre la red de. Backbone. (formada a. partir de las conexiones existente en bra óptica entre las subestaciones) aprovechando las ventajas que ofrece esta tecnología en cuanto a ingeniería de tráco con respecto a tecnologías como IP o ATM. La evaluación de desempeño del sistema de telecomunicaciones propuesto, demostró factibilidad operativa para la prestación simultánea de los servicios de control, monitoreo, protección, y demás aplicaciones dentro de una red inteligente, cumpliendo con los requerimientos de calidad de servicio establecidos para éstas, junto con la prestación de un servicio básico de acceso a Internet. El desempeño evaluado de las tecnologías de telecomunicaciones disponibles hoy en día cumple con los requerimientos de QoS para las redes inteligentes, tanto para la supervisión del desempeño de la red como para la prestación de servicios a los consumidores. Los tiempos de transmisión evaluados permiten la ejecución de aplicaciones de protección (más estrictas) sobre la red eléctrica, para garantizar la prestación del servicio en todo momento. El desempeño, dentro de los límites de QoS, de cada una de las aplicaciones simuladas, comprobó la efectividad de MPLS para el manejo y diferenciación de tráco, en el despacho de información dentro de una red inteligente. Las bajas tasas de pérdidas para ujos bidireccionales a través de un medio compartido, demostraron la factibilidad operativa de la tecnología BPL para la prestación de servicios con QoS (y cobertura) dentro de una red eléctrica inteligente. El alcance de esta solución llegó únicamente hasta los puntos de acople común sobre el sistema de distribución eléctrica, dejando una ventana para el diseño y evaluación de redes de acceso hasta los consumidores; por ejemplo, a través de tecnologías inalámbricas o celulares siempre y cuando se cumplan con los requerimientos de QoS. 55.

(63) IEM-29-07-10. A partir de la evaluación realizada de las aplicaciones AMR será posible diseñar (y evaluar) sistemas AMI (Advanced Metering Infrastructure) los cuales proveen nuevas capacidades basadas en el ujo bidireccional de información, enviando por ejemplo datos o comandos desde y hacia los medidores (smart meters) con instrucciones para la desconexión automática de la red. El desarrollo tecnológico, visto en el marco de las redes inteligentes, vincula muy estrechamente las áreas de potencia y las telecomunicaciones haciendo posible la prestación de servicios conjuntos. Esto abre la ventana para generar oportunidades de negocio entre las compañías del sector energético (generadoras, distribuidoras y comercializadoras) y los entes propietarios u operadores de las redes actuales de telecomunicaciones (empresas telefónicas o prestadoras de servicios de entretenimiento), con el n aprovechar de forma más eciente los recursos disponibles (infraestructuras, tecnologías, etc.). 56.

(64) IEM-29-07-10. Apéndice A. Código en lenguaje TCL para la simulación en NS-2 de la red de telecomunicaciones evaluada En este Apéndice se ncluye el código utilizado para la evaluación de desempeño de la red de telecomunicaciones propuesta para soportar el tráco de la red inteligente. Se detallan cada una de las aplicaciones imuladas y las tecnologías denidas. Este código funciona correctamente en el simulador NS-2 [5]. 57.