REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA. UNIVERSIDAD RAFAEL BELLOSO CHACIN. FACULTAD DE INGENIERIA. ESCUELA DE INGENIERIA EN ELECTRONICA. Sistema de comunicación entre Subestaciones Eléctricas y el Sistema de Adquisición de Datos utilizando OPGW. TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA MENCIÓN TELECOMUNICACIONES. ELABORADO POR: ING. GUZMAN VELASQUEZ, JOSÉ ANTONIO. TSU. PRIETO SULBARAN, IVONNE DEL CARMEN. BR. TERAN RODRIGUEZ, ANTONIO JOSÉ. TUTOR ACADEMICO MGS. GABRIEL VILLA. ASESORA METODOLOGIA MGS. MARIBEL ORDOÑEZ MARACAIBO, MARZO DE 2011.
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Sistema de comunicación entre Subestaciones Eléctricas y ...
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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA.
UNIVERSIDAD RAFAEL BELLOSO CHACIN.
FACULTAD DE INGENIERIA.
ESCUELA DE INGENIERIA EN ELECTRONICA.
Sistema de comunicación entre Subestaciones Eléctricas y el Sistema de Adquisición de Datos utilizando OPGW.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA MENCIÓN TELECOMUNICACIONES.
ELABORADO POR:
ING. GUZMAN VELASQUEZ, JOSÉ ANTONIO.
TSU. PRIETO SULBARAN, IVONNE DEL CARMEN.
BR. TERAN RODRIGUEZ, ANTONIO JOSÉ.
TUTOR ACADEMICO
MGS. GABRIEL VILLA.
ASESORA METODOLOGIA
MGS. MARIBEL ORDOÑEZ
MARACAIBO, MARZO DE 2011.
SISTEMA DE COMUNICACIÓN ENTRE SUBESTACIONES ELÉCTRICAS Y EL SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS UTILIZANDO OPGW.
iii
iv
v
DEDICATORIA
A Dios Todopoderoso por la sabiduría que me dio para culminar este
trabajo y mi carrera.
A mi esposa Nury, gracias por la paciencia y el amor que me tienes.
A mi hija Isabella Antonia, por ser la luz de mi vida.
A mis padres Leris y Domingo, que por su lucha conmigo, me orientaron
a la culminación de mi carrera y así tener unos modelos a quien admirar.
A mis hermanos Domingo, Alejandro y Rafael, que desde la distancia
fueron mis grandes e inseparables amigos, porque siempre me
ayudaron sin recibir nada a cambio.
A mi 2da mamá la Sra. Gabriela, muchísimas gracias porque siempre me
mantuvo en sus oraciones.
A todos ustedes, MUCHÍSIMAS GRACIAS
JOSE A. GUZMÁN V.
vi
DEDICATORIA
Dedico este proyecto y toda mi carrera universitaria a Dios por ser quien ha
estado a mi lado en todo momento dándome la fuerza necesaria para seguir
luchando día tras día y seguir adelante rompiendo todas las barreras que se me
presenten.
Le agradezco a mi familia y especialmente a mi abuelita Bertha ya que
gracias a ellos soy quien soy hoy en día, fueron los que me dieron ese cariño y
calor humano necesario, son los que han velado por mi salud, mis estudios, mi
educación, alimentación entre otros, son a ellos a quien le debo todo, horas de
consejo, de regaños, de reprimendas, de tristezas y de alegrías de las cuales
estoy muy segura que las han hecho con todo el amor del mundo para formarme
como un ser integral y de las cuales me siento extremadamente orgullosa.
IVONNE PRIETO S.
vii
DEDICATORIA
A mi madre, por ser un apoyo incondicional, por creer siempre en mi y por
todos y cada uno de sus consejos los cuales fueron la mejor guía ante la
adversidad, quien a pesar de las dificultades siempre mostro ese incansable
deseo de verme realizado, al poseer un tan excepcional espíritu luchador fue una
inagotable fuente de inspiración y motivación que me acompaño en los momentos
más difíciles siendo un factor determinante en la culminación de esta meta.
A mi padre por apoyarme de muchas maneras, por influir en mí durante
toda mi formación, quien gracias a su intachable perfil de investigador fue una
fuente infinita de sabiduría y un modelo a seguir.
También agradezco a todas las personas que de alguna u otra forma
influyeron en la elaboración de este proyecto, quienes aun sin ser mencionados
están muy presentes en este momento, y con los cuales estaré agradecido
siempre.
ANTONIO J. TERAN R.
viii
AGRADECIMIENTOS
Primero agradecer a la Universidad Rafael Belloso Chacin por permitirnos
estudiar en sus instalaciones.
A todos los profesores que de una u otra forma nos formaron y guiaron para
culminar esta carrera.
Agradecemos a todas aquellas personas que de una u otra forma nos
ayudaron a seguir adelante para la culminación de la carrera y de este trabajo:
Cecilia de Molero, Gabriel Villa, Maribel Ordoñez, Norvelia Granadillos,
Daliana Echtay, José Luis León, Richard Galiz, Cesar Hernández, Breilys
Rodríguez, Ricardo Bracho, Niliana Etienne.
ix
INDICE GENERAL
Pagina
VEREDICTO iii
DEDICATORIA vi
AGRADECIMIENTOS ix
INDICE GENERAL x
INDICE DE FIGURAS xviii
INDICE DE TABLAS xix
RESUMEN xx
ABSTRACT xxi
INTRODUCCION 1
CAPITULO I. EL PROBLEMA
1. DESCRIPCIÓN DE LA SITUACIÓN OBJETO DE ESTUDIO. 4
1.1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. 6
2. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 7
2.1. OBJETIVO GENERAL. 7
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 7
3. JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN. 8
4. DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN. 9
CAPITULO II. MARCO TEORICO.
1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN. 11
2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA. 13
2.1. ANTECEDENTES DE LAS COMUNICACIONES. 14
2.2. MODELO DE INTERCONEXIÓN DE SISTEMAS ABIERTOS
(OSI).
15
2.3. MEDIOS DE TRANSMISIÓN FÍSICO. 17
2.3.1. PAR TRENZADO. 17
2.3.1.1. CARACTERÍSTICAS. 18
2.3.1.2. TIPOS. 18
2.3.1.3. CATEGORÍAS DE CABLES. 20
2.3.1.4. CARACTERÍSTICAS DE TRANSMISIÓN. 21
2.3.2. CABLE COAXIAL. 22
2.3.2.1. CARACTERÍSTICAS. 22
2.3.2.2. TIPOS. 23
2.3.2.3. CARACTERÍSTICAS DE TRANSMISIÓN. 24
2.3.3. FIBRA OPTICA. 24
2.3.3.1. CARACTERÍSTICAS. 26
2.3.3.2. TIPOS. 28
2.3.3.3. CLASES DE FIBRA OPTICA. 32
2.3.3.4. CARACTERÍSTICAS DE TRANSMISIÓN. 36
2.4. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES. 39
2.4.1. DISTRIBUTED NETWORK PROTOCOL (DNP) 3.00 40
2.4.2. FIELDBUS 42
2.4.3. PROFIBUS. 43
2.4.4. MODBUS. 44
2.4.5. USER COMMUNICATION ARQUITECTURE (UCA) 45
2.4.6. INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMISIÓN
(IEC) 61850
47
2.4.7. INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMISIÓN
(IEC) 60870-5.
55
2.4.8. TCP/IP 56
2.5. TOPOLOGÍAS DE REDES. 60
2.5.1. PUNTO A PUNTO 60
2.5.2. MULTIPUNTO. 61
2.6. SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA (SEP) 65
2.6.1. GENERACIÓN. 66
2.6.1.1. DEFINICIÓN. 66
2.6.1.2. CARACTERÍSTICAS 66
2.6.1.3. TIPOS DE CENTRALES ELÉCTRICAS. 66
2.6.2. TRANSMISIÓN. 69
2.6.2.1. DEFINICIÓN. 69
2.6.2.2. CARACTERÍSTICAS. 70
2.6.2.3. PROTECCIÓN DE LÍNEAS ELÉCTRICAS. 72
2.6.3. DISTRIBUCIÓN. 75
2.6.3.1. DEFINICIÓN. 75
2.6.3.2. CARACTERÍSTICAS. 76
2.6.3.3. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE
DISTRIBUCIÓN.
77
2.6.4. SUBESTACIONES ELÉCTRICAS 78
2.6.4.1. DEFINICIÓN 78
2.6.4.2. TIPOS DE CONFIGURACIONES. 79
2.7. SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS 87
2.7.1. DEFINICIÓN. 87
2.7.2. TIPOS DE SISTEMAS. 89
3. SISTEMA DE VARIABLES 90
4. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS. 91
CAPITULO III. MARCO METODOLOGICO
1. TIPO DE INVESTIGACIÓN. 97
2. POBLACIÓN, MUESTRA Y TIPO DE MUESTREO. 98
3. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS. 100
4. METODOLOGÍA SELECCIONADA 101
CAPITULO IV. RESULTADOS DE LA INVESTIGACION
1. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 106
2. DISCUSION DE LOS RESULTADOS 123
CONCLUSIONES 125
RECOMENDACIONES 128
BIBLIOGRAFÍA 131
ANEXOS 135
INDICE DE FIGURAS
Figura Pagina
1 MODELO OSI 15
2 VISTA INTERNA DE UN CABLE UTP 19
3 VISTA INTERNA DE UN CABLE STP 19
4 VISTA INTERNA DE UN CABLE FTP 20
5 VISTA INTERNA DE UN CABLE COAXIAL. 22
6 VISTA INTERNA DE UN CABLE DE FIBRA ÓPTICA TIPO
MONOMODO
30
7 VISTA INTERNA DE UN CABLE DE FIBRA ÓPTICA TIPO
MULTIMODO
31
8 VISTA INTERNA DE UN CABLE DE FIBRA ÓPTICA DE
ESTRUCTURA HOLGADA
32
9 VISTA INTERNA DE UN CABLE DE FIBRA ÓPTICA DE
ESTRUCTURA AJUSTADA
33
10 VISTA INTERNA DE UN CABLE DE FIBRA ÓPTICA BLINDADA 34
11 VISTA INTERNA DE UN CABLE DE FIBRA ÓPTICA AÉREO. 35
12 VISTA INTERNA DE UN CABLE DE FIBRA ÓPTICA SUBMARINO. 35
13 VISTA INTERNA DE UN CABLE OPGW 36
14 FORMATO DE BITS DEL DNP 41
15 EVOLUCIÓN DE LOS PROTOCOLOS DE COMUNICACIONES. 48
16 INTERFAZ LÓGICA DE UN SAS. 49
17 MODELO DE INTERFAZ EN SAS. 50
18 ESTRUCTURA DE UNA SAS Y SU AMBIENTE. 52
19 MODELO OSI PARA EL IEC 61850 54
20 RELACIÓN DEL MODELO TCP/IP CON EL MODELO OSI 57
21 MODELO DE CAPAS DE TCP/IP 57
22 CONEXIÓN PUNTO A PUNTO 61
23 CONEXIÓN MULTIPUNTO TIPO BUS 62
24 CONEXIÓN MULTIPUNTO TIPO ESTRELLA 62
25 CONEXIÓN MULTIPUNTO TIPO CIRCULO O ANILLO 63
26 CONEXIÓN MULTIPUNTO TIPO ÁRBOL 63
27 CONEXIÓN MULTIPUNTO TIPO JERÁRQUICA 64
28 CONEXIÓN MULTIPUNTO TIPO MALLA 64
29 CONEXIÓN MULTIPUNTO TIPO ESTRELLA-ESTRELLA 64
30 CONEXIÓN MULTIPUNTO TIPO ANILLO-ESTRELLA 65
31 REPRESENTACIÓN DE UN SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA 65
32 LÍNEAS DE TRANSMISIÓN ELÉCTRICA AÉREAS 71
33 REPRESENTACIÓN DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN
SUBTERRÁNEA
72
34 UBICACIÓN DEL CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE ALTA
TENSIÓN. 72
35 MÉTODO DE ÁNGULO FIJO. 73
36 MÉTODO ELECTROGEOMETRICO 74
37 CARACTERÍSTICAS DE UN CABLE DE GUARDA CON FIBRA
ÓPTICA.
75
38 CONFIGURACIÓN BARRA SENCILLA 80
39 CONFIGURACIÓN EN “H” 80
40 CONFIGURACIÓN BARRA PRINCIPAL Y DE TRANSFERENCIA 81
41 CONFIGURACIÓN DOBLE BARRA 82
42 CONFIGURACIÓN DOBLE BARRA MÁS SECCIONADOR DE “BY-
PASS”
83
43 CONFIGURACIÓN DOBLE BARRA MÁS SECCIONADOR DE
TRANSFERENCIA
83
44 CONFIGURACIÓN DOBLE BARRA MÁS BARRA TRANSFERENCIA 84
45 CONFIGURACIÓN ANILLO 85
46 CONFIGURACIÓN INTERRUPTOR Y MEDIO 86
47 CONFIGURACIÓN DOBLE BARRA CON DOBLE INTERRUPTOR 86
48 CONFIGURACIÓN ANILLO CRUZADO 87
49 TOPOLOGÍA EN UNA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA. 108
50 CONEXIÓN DESDE LA SUBESTACIÓN HASTA CENTRO DE
CONTROL
110
51 CONFIGURACIÓN DE COMUNICACIÓN EN SUBESTACIÓN
ELÉCTRICA UTILIZANDO IEC 61850 CON FIBRA ÓPTICA.
116
52 CONEXIONADO DEL CABLE OPGW 117
53 CONEXIONADO Y DISTRIBUCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL. 118
54 GRAFICO DE LA PRIMERA PREGUNTA DE LA ENCUESTA. 119
55 GRAFICO DE LA SEGUNDA PREGUNTA DE LA ENCUESTA. 120
56 GRAFICO DE LA TERCERA PREGUNTA DE LA ENCUESTA. 120
57 GRAFICO DE LA CUARTA PREGUNTA DE LA ENCUESTA. 121
58 GRAFICO DE LA QUINTA PREGUNTA DE LA ENCUESTA. 122
59 GRAFICO DE LA SEXTA PREGUNTA DE LA ENCUESTA. 122
60 GRAFICO DE LA SÉPTIMA PREGUNTA DE LA ENCUESTA. 123
INDICE DE TABLAS
Tabla Pagina
1 CARACTERÍSTICAS DE LA FAMILIA PROFIBUS 44
2 DESCRIPCIÓN DE PROTOCOLOS UTILIZADOS EN
SUBESTACIONES ELÉCTRICAS
135
3 CARACTERÍSTICAS DE PROTOCOLOS UTILIZADOS EN
SUBESTACIONES ELÉCTRICAS
136
4 CARACTERÍSTICAS DE PROTOCOLOS UTILIZADOS EN
MANEJADORES DE ENERGÍA
137
5 DESCRIPCIÓN DE MEDIOS DE COMUNICACIÓN 138
GUZMAN VELASQUEZ, José Antonio; PRIETO SULBARAN, Ivonne del Carmen; TERAN RODRIGUEZ, Antonio José. Sistema de comunicación entre Subestaciones Eléctricas y el sistema de Adquisición de Datos utilizando OPGW. Universidad Rafael Belloso Chacin, Facultad de Ingeniería, Escuela de Electrónica. Maracaibo 2011
RESUMEN
La investigación se basa en determinar los dispositivos y protocolos de
comunicaciones a utilizar a la hora de reemplazar las microondas terrestres por
fibra óptica como medio de comunicación entre las subestaciones eléctricas y el
centro de monitoreo o SCADA. Se fundamento en documentación obtenida de la
Comisión Internacional de Electrotecnia IEC, Siemens, ABB, entre otros y
entrevista a expertos en la materia. El tipo de investigación es aplicada, descriptiva
y de campo utilizando una metodología en base a los pasos de Jerry Fitzgeral y
como instrumento de recolección de datos utilizamos la entrevista no estructurada.
Los resultados obtenidos satisfacen a todos las personas que interactúan de una u
otra forma con el desarrollo de automatización de subestaciones eléctricas y
programación y mantenimiento del sistema de adquisición de datos.
xx
GUZMAN VELASQUEZ, José Antonio; PRIETO SULBARAN, Ivonne del Carmen; TERAN RODRIGUEZ, Antonio José. Communication system between electrical substation and the data acquisition system using OPGW. Rafael Belloso Chacin University, School of Engineering, Electronic’s School. Maracaibo 2011
ABSTRACT
The investigation is based on determining the devices and the
communication protocol to use when will replace the microwave communication
system to optical fiber to used has a communication ways between electrical
substation and the monitoring center or SCADA. It is based in information founded
and provided for the International Electrotechnial Commission IEC, Siemens, ABB,
amongst others and interviews with experts. The investigation is applied
descriptive and field application, using the methodology based in the Jerry
Fitzgeral steps and a instrument of data collection was unstructured interview. The
results satisfy all the people who interact in one way or another whit the
development of the electrical substation automations and the programmers and
maintenances of the data acquisition system.
xx
INTRODUCCIÓN
Gracias a la automatización de las subestaciones eléctricas, hoy en día las
fallas que se puedan presentar en un sistema de transmisión eléctrico no sólo son
despejadas con mayor eficiencia sino que además se puede obtener información
sobre la localización, duración, tipo de fallas y valores de voltaje y corriente
alcanzados durante la misma. La información que es suministrada por los equipos
de protección debe ser codificada para poder ser procesada.
Debido a los problemas que presentan las empresas del ramo en cuanto a
la transmisión de datos vía microondas, en cuanto a la pérdida de datos y
generación de falsas alarmas por el efecto del clima, ubicación de antenas, entre
otros problemas, se creó un cable de fibra óptica dentro del cable de guarda del
tendido eléctrico denominado OPGW.
Debido a que este sistema tiene poco tiempo en el mercado se presenta la
necesidad de conocer cuáles son los mejores equipos, configuraciones y
protocolos de comunicaciones para realizar una instalación adecuada sin afectar
el funcionamiento del sistema actual y que sea reemplazado sin mayores tramites
y configuraciones.
Basado en lo antes expuesto, se realiza la presente investigación con el
propósito de realizar un sistema de comunicaciones entre subestaciones eléctricas
y el sistema de monitoreo utilizando OPGW, dicho estudio se encuentra
estructurado de la siguiente forma:
En el capítulo I se abarca el planteamiento y formulación del problema,
objetivos generales y específicos, la justificación y delimitación de la investigación.
El capítulo II, está conformado por las bases teóricas que sirvieron de
fundamento para el desarrollo de la misma.
En el capítulo III se presenta el tipo de investigación y la metodología
implementada la cual consta de tres fases: Análisis, Diseño e Implementación.
El capítulo IV comprende el análisis de los resultados obtenidos durante la
investigación.
Finalmente se presenta las conclusiones y recomendaciones para dicho