SchneiderElectric Smart Grids

Automatización de Subestaciones Electricas con IEC

CANAME 2012 Querétaro, México Abril 2012 Pablo Alfonso Rodríguez & Alfredo Arriola

Agenda Perspectiva de Schneider Electric para Smart Grid ●Desafíos y necesidades Identificados ●Respuesta a la Demanda ●

Automatización de la Red. ●Equipos Inteligentes ●Integración entre equipos. ●

Seguridad Cibernética

●

Conclusiones

●

Schneider Electric – CFE Redes Inteligentes

Alrededor del mundo las redes eléctricas se han vuelto más complejas, pero menos estables! Para balancear eficientemente el suministro y la demanda, las redes deben ser INTELIGENTES

motivos

aceleradores

Crecimiento de la demanda

Disponibilidad de la tecnología

Reducción de emisiones CO2

Gobiernos y Regulaciones

Limitantes de las redes existentes

Usuarios finales

Conseguir una Red Inteligente Schneider Electric – CFE Redes Inteligentes

Defi De fini nien endo do Sm Smar artt Gri Grid d Smart Grid Integra: Eneg egíía Elec ecttric ica a e inf infra rae estru ruc ctur ura a IT para pa ra in inte tegr grar ar e int inter erco cone nect ctar ar a los los us usua uari rios os,, Y asi balancear la oferta

demanda de electricidad

en una red compleja que no para de crecer.

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La red se vuelve inteligente a todos los niveles. Comunicación y software a todos niveles “Smart Grid”

4

Generación Centralizada

Transmisión

Red de Dist.

Consumidores

Distribución

Consumidores Active

3 Residencial

Consumidores Active Industria

3 Edificios

Data Centres

Vehículos Eléctricos & Almacenamiento de energía

Infraestructura

1

2 Plantas Energía Renovable

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Eficiencia de la Energía: Visibilidad de la Energía & Medios para actuar

1 Generación Distribuida

Soluciones de Smart Grid Red de Dist.

Consumidores

Generación Centralizada

Transmisión

Residencial

Distribución

Casa Eficiente Residencial

Industria

Commercial & Industrial Empresa Eficiente

Edificios

Data Centres

Infraestructura

Plantas de Energías Renovables

Distribución Flexible Schneider Electric – CFE Redes Inteligentes

Generación Distribuida

Integración de “Renovables”

Soluciones Usuario Final

Respuesta a Demanda

Desafíos & necesidades

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1

2

3

4

Los 4 principales desafíos

 Inc Increme rement nto o de la de dem man anda da de en ener ergí gía a y elect lectri rici cida dad d 

La demanda de energía en el mundo crecerá aprox 55% entre 2005 y 2030 .



Méxi México co esp espera era dobla oblarr el con consum sumo entr entre e 2008 2008 y 2024 2024..



Incr Increm emen ento to del del sect sector or eléc eléctr tric ico o en el merca ercad do de ener energí gía a

 Cambio

hacia un mercado amigable (menos emisiones renovable….)

de energía ambientalmente de carbono, mas energía



Las emisiones de CO2 crecen más rápido que la demanda de energía (65.8% de la generación en México al 2008 es con hidrocarburos)



Incremento de energía renovable en la generación (19.6% en xcoa



Integ Integrar rar tecn tecnol olog ogía ías s exis existen tentes tes con con las las nuev nuevas as

 Volatilidad del precio de la energía y pérdi rdida de energía 

Una cadena de escasa eficiencia energética con dos terceras partes de pérdida de energía primaria debido a la conversión de energía



Entre un 7% y un 16% de electricidad generada se pierde en las redes redes de dist distrib ribuc ució ión n eléc eléctri trica ca

 Rede Redes s em emer erge gent ntes es regi region onal ales es de tran transm smis isió ión n de en ener ergí gía a 

Gara Garant ntiz izar ar el sumi sumini nist stro ro y redu reducc cció ión n de prec precio ios s



Liderazg razgo o para hacer fren rente a las dificultades del incremento en la comp comple leji jida dad d de las las rede redes. s.

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Aumento de complejidad de la red 

Satisfacer las necesidades existentes  Confiabilidad y calidad Garantizar el suministro, confiabilidad en las redes, y la calidad de la energía  Estabilidad Monitorear las oscilaciones y administrar la red para evitar interrupciones interrupciones en el el suministro electrico y maximizar la disponibilidad de la energía  Preocupaciones ambientales

impacto ambiental.  Eficiencia energética Entregar el máximo de electricidad al usuario final, a partir de la energía disponible y de las instalaciones existentes.  Eficiencia del mercado Establecer herramientas herramientas y procesos para habilitar completamente los mercados energéticos Participación dinámica de los clientes y usuarios finales

Aumento de complejidad de la red  Schneider Electric – CFE Redes Inteligentes

Respuesta a la Demanda

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Automatización de la Red  Automatización de la Subestación: Sistema Integrado de Monitoreo y Control de Subestación Relevadores Digitales de Protección

Easergy – Automatizacion de Alimentador

Recloser

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Energías Renovables

Tableros de MV/LV para subestaciones secundarias

Administración de energía en las micro redes

●

Mane Ma nejo jo de las las re rede des s el eléc éctr tric icas as in indu dust stri rial ales es y de insta instala laci cion ones es in inte telig ligen ente tes s ● ● ● ●

Reducción de la interrupción de energía a menos de 500 ms Gestió Ges tión n int inteli eligen gente te de los generador generadores es Integración Integr ación de alarmas remotas remotas a través de SMS, Web, Pagers etc. Cumple los estándares de seguridad de las instalaciones de salud y las recomendaciones de seguridad en túneles.

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Mejorar la confianza y eficiencia a través de la automatización avanzada  Cómo la red se automatiza, la reunión de información y la

toma de decisiones debe ser delegada a la subestación ( Auto Au toma mati tiza zaci ción ón de Su Sube best stac ació ión n)  El centro de control supervisa la gestión estratégica de la red,

mientras que la inteligencia distribuida ope pera raci cion ones es tác ácti tica cas s en ti tie emp mpo o re rea al.

maneja

l as

 Ambos funcionan juntos como una solución integrada de

apoyo a la red inteligente.

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Aplicaciones SMART GRID  IEC 61850  Reducción de Interrupciones  Calidad de la Energía  Distribución de la Generación y Recursos Renovables  Seguridad cibernética

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IEC 61850

Substation Automation Solution Key Evolution Systems 

Era Pionera

Era IEC 61850

RTU

OI

Era Smart Grid

GW

CC

VPP

DNP3/T103/… Private Ethernet

P

P

P

P

MU BC SAS

DG SAS

Comunicación Serial y/o Protocolo Propietario

Nativo o através de un Gateway

Estandarización Estandarización de la Automatización

Más allá de la subestación  Integración de la semántica 

Sistema de Sistemas CC: Centro de Control DG: Distribution Generation “Energias Renovables” VPP: Virtual Power Producer

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IEC 61850 Herramientas de Gran Alcance  ●

Servicios de Comunicaciones: Como Intercambiar Datos ●

●

GOOSE, i.e. Enlace peer-to-peer

Proporcionar una comunicación para la subestación y varios puntos del sistema (entre s/s, hidros, viento, etc.)

describir y facilitar el modelado de objetos Permi rmitir tir Int Intero eroper perabi abilid lidad ad per pero o no ● Pe Intercambiabilidad ● Lenguaje de configuración: Como compartir referencias de datos ●

Formato de intercambio de archivos de XML entre las herramientas de ingeniería

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IEC61850

Interoperabilidad 

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Protocolo de comunicación inteligente ●

Protocolos como el IEC61850 permiten : ●

Comunicación estándar estándar y procesos dentro de la estación y entre estaciones (integración horizontal y vertica vertical) l) (8-1) permite permite reducir cableado y desarrollar desarrollar un ●Station Bus (8-1) nuevo esquema de automatizac automatización ión distribuido. (9-2), diseñada para ser la interfaz con los ●Process Bus (9-2), transformadores transformadore s de instrumento no convencionales podría cambiar radicalmente las arquitecturas tradicionales.

De comunicación serial a Ethernet de alta velocidad. ● De maestro/esclavo a cliente servidor. accionamientos s manuales a esquemas adaptables de protección y ● De accionamiento control. ● De comunicación comunicación centralizada centralizada a uni/multi/broadca uni/multi/broadcasting sting de un modo modo más rápido y más confiable ● Fácilmente expandible ● Mejora la precisión debido al monitoreo de los mensajes de automatismo rápido. ●

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Protocolo Inteligente de comunicación y herramientas de ingeniería Gran ahorro de tiempo en la ingeniería y la puesta en marcha debido a la utilización de templates. ● Los estándares del protocolo proporcionan la base para la interoperabilidad ●

●

Ingenieria Ingen ieria y herramien herramientas tas de puesta puesta en marcha. marcha. ●

Herramientas Herramienta s de ingeniería contribuirán a la optimización del costo total de

●

Minimizado de cableado y documentación

●

Rápida puesta en marcha y menor tiempo de inactividad

●

Mejor monitoreo

●

Mejora en la seguridad operacional

●

Proporcionar el uso a largo plazo de datos de ingeniería

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Detección de Fallas y Rest Re stau aura raci ción ón de dell su sumi mins nstr tro o e c r co.

Detección de Fallas ●

Red Superficial Panel de Control ● Easergy T200P ● ADVC Indicado Indi cadores res de Falla ● Flite

Red Subterranea

●

1 2 ●

3

Unidad de Cont Unidad Control rol ● Ease Easergy rgy T200 T200II ● Indi Indicado cadores res de Falla Falla ● Flair Reles Rele s de Proc Procesam esamien iento to Digi Digital tal ● MiCOM, SEP S EPAM, AM, VAMP ● Calidad de la Energía ● ION Metering ●

4 5 ●

6 7 Schneider Electric – CFE Redes Inteligentes

Bajo Baj o Cos Costo to x Alt Alto o Benef Benefici icio o ● Fací Facíll Insta Instalaci lación, ón, configur conf iguraci ación ón y mantenimiento ● Flexible y Modular

Detección de Fallas Oferta UTR’s Inteligentes, Radios, Reclosers, fault passage pass age indicator indicators s con comunicac comunicación ión y load break switches Cons nsul ulto tori ria a pa para ra es estr trat ateg egia ias s de co comu muni nica caci ción ón ● Co ● In Inte tegr grac ació ión n de se serv rvic icio ios s IT ●

Beneficios Mayor Calidad Mayor Calidad en el el servic servicio io ● Reducción de costos operativos y capitales ● Flexible and modular approach Faci cill In Inte tegr grac ació ión n co con n si sist stem emas as SC SCAD ADA A ● Fa ●

Diferenciadores: -Costo -Escalable -Facil -Facil Integr Integrac ación ión a SCADA SCADA

Referencias: North East Utilities: over x overhead and Reclosers and switches Georgia Power Co: Automation of ● Fault Detectors, x Reclosers and switches Alabama Power Co: Automation of ● Fault Detectors Hydro One Brampton: Fault detectors ● and system current analysis. ●

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Calidad de la la Energía

Arqu Ar quit itec ectu tura ra de Si Sist stem ema a

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p m zac n o y on onservac n de funciones de sistema reducción de redu re ducc cció ión n de vol volta taje jes. s. ●

●

●

●

Monito Moni tore red d de Ali Alime ment ntad ador ores es en Tiem Tiempo po Re Real al medi median ante te se sens nsor ores es en linea Monito Moni tore reo o en Ti Tiem empo po Re Real al de ba banc ncos os de ca capa paci cito tore res s y re regu gula lado dore res s de volt vo ltaj aje e me medi dian ante te co cont ntro rola lado dore res. s. Monito Moni tore reo o en Ti Tiem empo po Re Real al de lo los s ali alime ment ntad ador ores es y la la int integ egra raci ción ón de la info in form rmac ació ión n al siste sistema ma SC SCAD ADA. A. Los ope Los opera rado dore res s cu cuen enta tan n co con n la la opci opción ón de in inic icia iarr re redu ducc ccio ione nes s de vo volt ltaj aje e para pa ra fa faci cililita tarr la lilimi mita taci ción ón de pi pico cos s en el su sumi mini nistr stro o el elec ectr tric ico. o.

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Distri Dist ribu buci ción ón de la Ge Gene nera raci ción ón En r i R n v l

Dynamic Line Rating Tempe emperatu ratura ra Am Ambient biente e Corri Co rrien ente te en Linea

110kV Par ue Eolico 30MW, 30MW, 33kV 33k V Wind Farm

Curtail if >95% Trip if >99%

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Sistemas de Mo Monitoreo Ener En ergi gias as Re Reno nova vabl bles es ●

Sistem Sist emas as de moin mointo tore reo o re remo moto to Multi-Sitios Kerwin Medi Me dio o de Comunicación

… y Tambien Tambien Multip Multiples les Aplic Aplicacione aciones s

Eolicas Schneider Electric – CFE Redes Inteligentes

Hydro plant

El monitoreo desde el panel solar hasta la Red Subestación de Conversion

Array Box

Inverters (Xantrex)

Array Box

Estación de Enlace

Supervisión Remota

Sistema de Protección PMUs

Array Box

Acopladores de Red (SM6) PMU

Array Box        l      a        i      r      e        S

GSM / GPRS ADSL

Estación Atmosférica

Switchgear

Medición + acoplamiento on oreo

Ethernet (fibra óptica)

Supervisión Local

Array Box Array Box

Subestación de Conversión

Array Box

….

Array Box Schneider Electric – CFE Redes Inteligentes

Red Eléctrica

Automatización de i n El ri

Automatización de SE Oferta: IEC 61850

EHV & HV

HV & MV

Beneficios Solución 100% Escala Solución Escalable ble Facíl íl Int Integr egraci ación ón y Prueb Pruebas, as, Uti Utiliz lizand ando o her herrmi rmient entas as de Inge Ingenie nieria ria ● Fac Comu muni nica caci ción ón ab abie iert rta a pa para ra se serr integ integra rada da co con n equi equipo pos s te terc rcer eros os ● Co ●

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Modelación IEC en Plantas Eólicas

Feeder / Incoming Protection Turbine Controller

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IEC61400-25 / IEC61850

De hoy al mañana

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Tres Tipos de comunicaciones definidas ●

IEC61850 MMS: Comunicación a SCADA, HMI, etc. ● Utiliza Arquitectura Client/Server (buffered or unbuffered) ●

●

IEC61850 GOOSE: Inter-protection, Reemplaza cableado de I/O. ● Broadcast Ethernet Frames, no acknowledgements, not enrutable rqu ec ur ura u s er u scr er ● ●

●

IEC61850-9-2 Ejemplos Ejemplos de valores: Nueva edicion a desarrollar. ● Datos Digitales de medicion, con alta velocidad de muestreo, de los CTs y PTs a los los relevadores relevadores de proteccion proteccion . ●

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GOOSE Aplicaciones “Protección y Automatización” Interlocking ● Automatic recloser co-ordination ● Disturbance recorder coordination ● MV Busbar protection ●

Frequency load shedding ● Generation/ Load unbalance adaptive load shedding ● Sequences ● etc. ●

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PACiS Devices OI-- PACi OI ACiS S Operator Operator Interfac Interface e Software Software

C264-- Mi C264 MiCO COM M Cx64 Cx64 Co Comp mpute uters rs • Hxxx - Mi MiCO COM M Eth Ether ernet net Sw Swit itch ch

A300 - Mi MiCO COM M Gate Gatewa way y Soft Softwa ware re Schneider Electric – CFE Redes Inteligentes

PACiS Tools SMT - PACiS System Management Management Tool Tool

SCE - PACiS System System Confi Configuratio guration n Editor Editor

ES - PACi ACiS S Equipmen Equipmentt Simulat Simulator or

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Pacis SUI 1 minuto de video

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PACiS Esquemas de Automatización Esquemas de automatizacion prediseñados MiCOM C264 level  Automatic Voltage Regulator  Synchro-check  Autorecloser PACiS Niveles de aplicacion  Fast Load shedding  Interlocking 



 Programas personalizados Usando el IEC61850 GOOSE peer-to-peer (rapida transferencia de datos)  Esquema logico programable  IEC61131-3 (ISAGRAF)



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Self-Healing Ring

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Dual-Homing

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Soluciones de acuerdo a las necesidades del usuario final 1

Solución compatible con los estándares más recientes del sector

●

2

IEC61850 - EMCS (Ges IEC61850 (Gestion tion de la energia Y sistema de control) y Proteccion ● Shell DEP Certified Solution ● Certificado Cyber security

Fast Load Shedding ( 15 años de experiencia en Energy Dedicados a la gestion de proyectos e ingenieria para ofrecer soluciones

● ●

Interfaz de usuario avanzada para conocimiento de la situacion de los operadores. ● Herramientas de ingenieria con tecnologia de punta para mtto. y actualizacion

Aplicaciones de EMCS ●

EMS level ●

Manage primary electrical elements via IED (protection, measurement, PLC, etc..) Guarantee Guarante e the electrical process ● ●

●

Maintain 1 ms time synchronizat synchronization ion (S.O.E)

●

Present the Electrical application ● ● ●

●

● ●

●

In an an eas eas to unde underst rstand and format format Dynamic single line diagrams Alarm, Archive and trend curve management

Run electrical automation schemes ●

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Full redundancy management No data loss process

Interlocking Synchro-check Voltage regulation

Provide Post-mortem analysis (Disturbance)

Principales Arquitecturas Contro e Ingenieria IHM

Gateways o servidor Scada

100 Mbps Ethernet / EC 61850

MiCOM C264

MiCOM or Others

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MiCOM C264

MiCOM or Others

Motor protection Generator interface

Motor protection Generator interface

Motor protection Generator interface

EMCS – Ar EMCS Arqu quit itec ectu tura ra Pri Princ ncip ipal al (Multiples Loops)

●

Multiple loops are used for large l arge systems ● ● ● ●

To Enhance performance Installation constraints Project phases Faults confinement

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●

Multiple loops are interconnected using proxy gateways or switches

●

●

● Single or redundant With or without data filtering

Multiple loops simplify maintenance process

Seguridad Cibernética “En “Energy rgy con contro trol syst system ems s are subj subje ect to ta targ rge ete ted d cyb cyber  attacks. Potential adversaries have pursued progressively devious  means to exploit flaws in system components, telecommunicat cation methods, and common operating  systems found in modern energy systems with the intent to  infiltrate and sabotage vulnerable control systems. Sophisticat cate cyber attack tools require little technica  knowledge to use and can be found on the Internet, as can  manufacturers’ technical specifications for popular control  system equipment.”  Source: Roadmap to Secure Control Systems in the Energy Sector, The Department of Homeland Security and US Department of Energy 

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Conclusión ●

Subest Sub estaci ación ón Int Inteli eligen gente te Soluciones inteligentes dentro de la subestación contribuyen sign si gnif ific icat ativ ivam amen ente te a : ●Las decisiones distribuidas en los equipos dentro del Smart Grid ayudan a mantener la eficiencia energética mediante la integración y gestión de la generación distribuida y las microredes. Solu luci cion ones es am ambi bien enta talm lmen ente te am amis isto tosa sas s en la las s su sube best stac acio ione nes s ●So ● Redes rápidas de comunicación basadas en protocolos estandarizados ermiten soluciones basadas en sistemas DEI´s inteli entes. ● Nu Nuev evas as ap aplilica caci cion ones es y so solu luci cion ones es su surg rgir irán án pr pron onto to.. ● El control y monitoreo remoto de la red ayudará a aislar la falla y a min mi nim imiz izar ar el ti tiem empo po de in inte terrru rupc pció ión n del ser ervi vic cio io.. ●

Los estándares deberán ser muy claros para lograr la integración real de los equipos en la red y la seguridad cibernética deberá ser parte fundamental. ● Para lograr una red inteligente se debe integrar en este proceso a los usua us uari rios os fi fina nale les s ●

…….el viaje hacia las redes inteligentes apenas comienza Schneider Electric – CFE Redes Inteligentes