Gestión rentable de estaciones digitales de la red local:

Introducción

Los principales retos que plantea el despliegue a gran escala son bien conocidos en el mundo de las TI. El mundo de las tecnologías de la información está aún menos acostumbrado a soluciones que ayuden a gestionar los retos que se plantean actualmente en las redes inteligentes de MT/BT.

1. El sistema de gestión y operaciones permite un despliegue eficaz, escalable y rentable de las subestaciones secundarias. Permite al DSO reducir los costes de explotación por subestación secundaria durante el despliegue en curso y posteriormente durante las operaciones.
2. Por lo tanto, para cumplir los nuevos requisitos de las subestaciones secundarias digitales son necesarios nuevos dispositivos potentes, como las PIDU, con el EOR-3DS como unidad de digitalización:

• Es necesario gestionar y desplegar eficientemente un gran número de dispositivos
• El rendimiento del hardware debe estar preparado para el futuro
• Debe ajustarse a los requisitos de espacio limitado dentro de las unidades principales de anillo
• Compatibilidad con protocolos de comunicación modernos
• Integración de funcionalidades distribuidas en un solo dispositivo (por ejemplo, detección de fallos, control,
• medición)
• Implementación de funciones de seguridad [1].
• Conectividad para sensores de transformador de instrumentos de baja potencia (LPIT)

Arquitectura del sistema

Es un hecho ampliamente aceptado que la gestión eficiente de las futuras redes de distribución implicará un gran número de dispositivos de automatización inteligentes e interoperativos, muy probablemente con un nivel creciente de funcionamiento autónomo [2].

En Netze BW se calcula que aproximadamente el 10-20% de todas las nuevas subestaciones secundarias proyectadas deberán ser de naturaleza digital y, por tanto, estar conectadas mediante una conexión en red.

Teniendo en cuenta el número correspondiente de varios miles de dispositivos conectados en red en la red, los procesos manuales de gestión y operación alcanzan rápidamente un límite aceptable de tiempo y recursos. Además, como las actualizaciones de seguridad de los dispositivos son críticas, las medidas a corto plazo son vitales para garantizar la seguridad informática continua en la red. En este sentido, las mejores prácticas y los procedimientos establecidos para el despliegue masivo de firmware conocidos en sectores como las telecomunicaciones, la industria [3] o el entorno de los contadores inteligentes [4] pueden servir de modelo arquitectónico también para la red de distribución.

Desde el punto de vista de la implementación tecnológica, los dispositivos que disponen de una función de actualización integrada están ampliamente establecidos hoy en día en las áreas de controladores, sensores, actuadores y dispositivos de comunicación. Sólo a través de las actualizaciones es posible implementar desarrollos funcionales incrementales de forma eficiente cuando existe una gran base de dispositivos. Las mejoras funcionales se derivan principalmente de dos temas diferentes:

1. Necesidad de aplicar futuras mejoras funcionales relacionadas con la red (por ejemplo, automatización inteligente).
2. Necesidad de cumplir requisitos no funcionales como registro, análisis del tráfico de datos, procedimientos de autenticación digital, etc.

En el pasado, cualquier mejora de los dispositivos, tanto funcional como no funcional, obligaba a instalar nuevos dispositivos in situ, a sustituir los existentes sobre el terreno o, si las capacidades de los dispositivos lo permitían, a actualizarlos manualmente. Para realizar las mejoras de forma eficiente y sin interrupciones en el funcionamiento de la red, es necesaria una nueva arquitectura holística del sistema.

A tal efecto, Netze BW ha desarrollado un nuevo estándar operativo de segunda generación para subestaciones secundarias notificadas y controladas a distancia, denominado FF-U 2.0, en el que el EOR-3DS se utiliza como centro de conmutación y señalización.

En esencia, este estándar operativo permite desplegar y operar todos los dispositivos de forma altamente escalable a través de una plataforma de gestión adecuada.

Al mismo tiempo, los datos de medición y los estados de funcionamiento de los sensores se ponen a disposición de varios receptores de datos (denominados «Usuario de datos» en la Figura 1) a través de una plataforma de datos independiente que utiliza un broker MQTT (denominado «Broker» en la Figura 1). El almacenamiento de los datos es responsabilidad de los propios receptores de datos, ya que en función de la tarea son de interés diferentes series temporales. Los brokers de datos se mantienen completamente separados de la propia plataforma operativa.

Se definió un espacio de nombres uniforme (UNS) para poder proporcionar datos a diferentes usuarios de datos y poder estandarizarlos en el lado de la subestación secundaria. Gracias a la mejor escalabilidad de la arquitectura general del sistema, la recogida de datos se caracteriza por un nivel de flexibilidad y granularidad mucho mayor en comparación con los sistemas SCADA tradicionales.

El SCADA tradicional también se utiliza, pero actúa de forma independiente y permanece completamente al margen del nuevo mecanismo de intermediación de datos FF-U 2.0. La figura 1 muestra un esquema de la arquitectura general del sistema.

Además de los valores medidos clásicos, como la temperatura del aceite del transformador, el estado del contacto de la puerta o los valores de carga de corriente conectados en baja tensión, los sensores también incluyen parámetros de calidad de la energía. Gracias al diseño modular, es posible recoger variables de medición adicionales en cualquier momento, procesarlas localmente y enviarlas a la central. En el sistema de media tensión también se utilizan las denominadas unidades de proceso y detección (PIDU), que permiten la localización de averías y combinan los valores medidos y las funcionalidades de control. De este modo, contribuyen de forma importante a la transparencia en el nivel de media tensión. A través de la pasarela IIoT pueden integrarse de forma flexible sensores adicionales.

Papel de la plataforma de Gestión y Operaciones (G&O)

Una gestión centralizada de dispositivos y parches es absolutamente vital para garantizar un sistema altamente escalable, adecuado para el despliegue en toda la red y para un funcionamiento seguro desde el punto de vista informático. Desde el punto de vista del usuario, se aspiraba a una plataforma uniforme y estandarizada para todos los dispositivos empleados en FF-U 2.0.

La necesidad de integrar múltiples fabricantes de dispositivos plantea un reto especial a la hora de implantar esta plataforma. Lograr una integración homogénea a través de las fronteras entre fabricantes reduce significativamente el esfuerzo de formación del personal operativo, ya que entonces sólo hay que gestionar una única plataforma unificada. La unificación se consigue imponiendo una interfaz de mando normalizada entre la plataforma central y todos los dispositivos de campo.

Además, la plataforma M&O permite programar procesos en muchos dispositivos en paralelo. Esto incluye, por ejemplo, las tareas de despliegue de parches o la consulta de información sobre los dispositivos. Sin embargo, los distintos fabricantes pueden utilizar diferentes archivos y metadatos de dispositivos propietarios procedentes de sus herramientas específicas. La unificación se obtiene poniendo a disposición de la plataforma M&O todos los diferentes archivos y recursos de dispositivos a través de mecanismos automatizados de sincronización de datos.

La Figura 2 muestra la correspondiente vista lógica de los intercambios de archivos entre la plataforma central y los dispositivos de diferentes fabricantes.

Consideraciones económicas

Process Interface and Detection Unit (PIDU)

El EOR-3DS utilizado en la estación de red local digital FF-U 2.0 también cumple otra serie de características para satisfacer los requisitos de las subestaciones secundarias del futuro, con comunicación y control remotos, y también para poder seguir gestionando el número de dispositivos sobre el terreno. Estas ampliaciones funcionales convierten un puro indicador de cortocircuitos y derivaciones a tierra en una clase de aparato completamente nueva: el EOR-3DS como unidad de digitalización para subestaciones secundarias.

SCADA

Además de un protocolo SCADA clásico como el IEC 60870-5-104 orientado al centro de control (Figura 1, ruta roja), una PIDU de tipo FF-U 2.0 cuenta con dos protocolos adicionales basados en el estándar MQTT, que se ejecutan dentro del dispositivo en paralelo.

La función «Gestión y Operaciones» (Figura 1, ruta verde, «M&O» para abreviar) puede utilizarse para llevar a cabo actualizaciones de parámetros y firmware con la ayuda de una plataforma central de M&O. Dichas actualizaciones pueden tener lugar como actualizaciones de flota, actualizaciones de software o actualizaciones de software. Estas actualizaciones pueden realizarse como actualizaciones de flota en un gran número de dispositivos al mismo tiempo o de forma escalonada en el tiempo. Además, a través del software IoT central se supervisan parámetros adicionales de la PIDU, como el latido del corazón, la carga de la CPU, el número de lotes, etc.

Como también se ha indicado anteriormente, se necesita una cuota de aproximadamente el 10-20% de subestaciones secundarias digitales para obtener una transparencia de red adecuada y una capacidad de control remoto suficiente en una red de distribución típica. En cifras absolutas, esto puede significar una flota de dispositivos de varios miles de PIDU en las empresas de servicios públicos más grandes, lo que subraya claramente una vez más la necesidad de una plataforma central de M&O.

A través de una ruta IIoT independiente (ruta azul en la figura 1), los datos de medición y los mensajes EF/SC de todos los nodos se envían a un intermediario central para su posterior evaluación en tiempo real. Esta función de supervisión abre nuevas posibilidades para diversos departamentos del operador de la red de distribución, como la gestión de activos o la planificación de la red.

El papel de PIDU de FF-U 2.0 lo desempeña un EOR-3DS de A. Eberle GmbH & Co. KG. Este dispositivo es capaz de proporcionar los tres protocolos en una interfaz Ethernet. Alternativamente, es posible dividir los datos entre dos conexiones de red físicas separadas, por ejemplo, utilizando una red para M&O y SCADA y una segunda red separada para IIoT.

Las conexiones físicas cruzadas de señales binarias utilizadas habitualmente en el interior de la aparamenta son obsoletas en este concepto, debido a la conectividad de red omnipresente. Todas las señales son procesadas directamente en su campo de origen por la PIDU asociada y, a continuación, se transmiten a través de Ethernet.

Conmutación remota

Los interruptores de corte en carga y los interruptores de puesta a tierra de los alimentadores individuales de cables y transformadores se registran mediante PIDU y se notifican como mensajes dobles. Además, los interruptores-seccionadores de todos los campos de cables pueden controlarse a distancia mediante el protocolo IEC 60870-5-104. Basándose en la libre programabilidad (funcionalidad PLC) de la PIDU, se implementaron varias funciones avanzadas de conmutación y supervisión de interruptores en carga.

Como resultado, se ignoran las solicitudes de conmutación erróneas basadas en la posición de fallo/intermedia y la supervisión del tiempo de realimentación del interruptor-seccionador, así como de su accionamiento de motor.

Medición e indicación de fallos

Gracias a un elemento PT100 integrado en cada SIBushing, la PIDU también puede determinar con precisión la temperatura del casquillo para cada fase individualmente. Esta característica permite evaluar el estado de los sensores de los casquillos y los correspondientes planes de mantenimiento predictivo.

La alta precisión de medida de SIBushing y PIDU, tanto para corrientes como para tensiones, permite el uso del método wattmétrico de localización de faltas a tierra, al tiempo que elimina la necesidad de costosos transformadores de corriente de núcleo equilibrado (CBCT). Además, se utilizan el algoritmo qu2 transitorio robusto y los métodos de localización de impulsos.

Seguridad informática

Todas las vías de comunicación del estándar FF-U 2.0 están totalmente basadas en Ethernet. No se emplean protocolos heredados como Modbus RTU en ninguna parte.

Para garantizar una seguridad informática adecuada, cada PIDU está preequipada con certificados de fabricante individuales firmados por el operador de la red de distribución y se entrega con un cortafuegos activado. Esto significa que, tras la entrega por parte del fabricante A. Eberle, las PIDU no pueden modificarse manualmente a través de la interfaz de usuario local ni a través del software de configuración AEToolbox del fabricante sin la autenticación adecuada.

Una vez instalada la PIDU en la red y en la red de comunicación propia del DSO, se instala en la PIDU un certificado de operador válido. Este paso permite el uso con la plataforma central de M&O.

Cualquier ajuste de la PIDU sólo puede modificarse a través de esta plataforma central, evitando manipulaciones no deseadas de los ajustes del dispositivo a lo largo de la cadena de suministro.

Para garantizar un cambio sin esfuerzo de los certificados de operador, se pueden cargar hasta cinco certificados diferentes en la PIDU, además del certificado de fabricante existente. Además, el registro inicial en la red del operador de la red de distribución está protegido por una autenticación de 2 factores (2FA) mediante un código QR impreso en el dispositivo.

Traducción realizada con la versión gratuita del traductor www.DeepL.com/Translator

Perspectives

Grâce aux performances matérielles du PIDU, le gestionnaire du réseau de distribution est en mesure d’améliorer les appareils en leur apportant de nombreuses améliorations fonctionnelles et non fonctionnelles tout au long de leur durée de vie.

Les exemples correspondants comprennent des mesures de la qualité de l’énergie au niveau de la moyenne tension, des fonctions d’intelligence avancées dans chaque domaine ou de nouveaux algorithmes de détection des défauts à la terre. Des scénarios de délestage flexibles et automatisés pour les lignes de départ surchargées par l’e-mobilité sont également possibles.

Les extensions non fonctionnelles concernent les correctifs de sécurité informatique et les mises à niveau des systèmes d’exploitation, ainsi que les mises à jour des protocoles de communication. Cela permettrait le déploiement d’innovations dans le domaine des protocoles MQTT/IIoT/M&O, voire l’inclusion du MMS IEC 61850 si nécessaire.

Traduit avec www.DeepL.com/Translator (version gratuite)

Conclusión

Mantener un alto nivel de disponibilidad de la red en la sociedad electrificada del futuro crea la necesidad de funciones avanzadas de supervisión y control en nuestras redes de distribución eléctrica.

La arquitectura de operación de subestaciones secundarias FF-U 2.0 presentada en este artículo representa una solución de futuro para satisfacer estos requisitos, incluso en redes muy afectadas por la transición energética y que se enfrentan al cambio hacia la generación descentralizada.

En cuanto a sus capacidades de monitorización y control remotos, la FF-U 2.0 supera claramente a las soluciones tradicionales y a los dispositivos de subestación convencionales disponibles actualmente en el mercado. Su principal objetivo es proporcionar un sistema altamente escalable y permitir procesos sencillos en una plataforma orientada al futuro para el DSO.

Así, una plataforma central de M&O es esencial para el despliegue eficaz y económico de actualizaciones, así como para el funcionamiento eficiente de miles de dispositivos inteligentes.

El uso de las PIDU como parte del ecosistema FF-U 2.0 amplía la finalidad de los indicadores convencionales de cortocircuito y falta a tierra más allá de la mera detección de fallos. La gama de posibles funciones adicionales se amplía significativamente gracias a los campos de cables controlables individualmente a distancia en la aparamenta de media tensión y a las mediciones de media tensión de alta precisión.

Las PIDUs permiten una conexión simultánea al centro de control, a una plataforma de gestión central y la disposición de todos los datos a un broker MQTT adicional. Además, las PIDU reducen el esfuerzo y la complejidad del cableado dentro de la subestación secundaria y simplifican el proceso de puesta en servicio.

Las funciones de seguridad, como la autenticación basada en certificados y las funciones de cortafuegos integradas conocidas del entorno informático, se implementan para proteger las conexiones de comunicación OT a nivel de red. Es posible actualizar el firmware a distancia, lo que permite realizar actualizaciones funcionales y no funcionales sin necesidad de costosas actualizaciones de hardware.

Las subestaciones secundarias digitales desempeñarán un papel clave en la creación de redes de distribución altamente flexibles y estables. La correspondiente evolución funcional de la red se consigue proporcionando una base de hardware preparada para el futuro y amplias capacidades de computación de borde a través de los dispositivos PIDU empleados.

Referencias

1. “Whitepaper: Requirements for Secure Control and Telecommunication Systems”, BDEW, Berlin, Germany 2018
2.  “VDE Impuls Systematisierung der Autonomiestufen in der Netzbetriebsführung”, VDE ETG Germany 2020
3. “Security Architecture for Open Systems Interconnection For CCIT Applications – Recommendation X.800”, ITU International Telecommunications Union, 1991
4. “Das Smart Meter Gateway – Cyber – Sicherheit für die Digitalisierung der Energiewirtschaft”, Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik, Germany
5. “ISO/IEC 27001:2022 Information security, cybersecurity and privacy protection — Information security management systems — Requirements”, International Organization for Standardization, 2022

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