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Sistema de Apoyo para la Calibración de Instrumentos de Protecciones (SACIP)

Javier Moreno Román, Daniel Iván Zamorano Acosta, María Antonieta Solano Cuadros, Cindy Delgado Solís, Luis Fernando Sánchez Berrelleza, Marco Vinicio González Gómez1

Abstract

The support system for the calibration of instruments protections (SACIP) is an information system that allows information management equipment calibrations power plants, such as relays, energy meters and transducers. This system allows queries web reports and calibration programs, equipment catalogs, lifetimes of equipment, authorized personnel to calibrate equipment settings, graphic historical behavior of the absolute error, queries, procedures, manuals, and other types of queries and reports.

El SACIP es un siste-ma de información que permite la gestión de la información de las cali-braciones de equipos de centrales generadoras de energía.

Introducción

La Gerencia de Gestión Integral de Procesos (GGIP) del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) ha desarrollado sistemas de adquisición de datos para monitorear de manera remota, las protecciones y los medidores de energía de centrales generadoras de la Comisión Federal de Electricidad (CFE). Tomando como base la experiencia adquirida por la GGIP, la CFE solicitó desarrollar aplicaciones para la calibra-ción automatizada de relevadores de protecciones, medidores de energía y transductores, utilizando NI Developer Suite (LabVIEW) como plataforma de desarrollo. Inicialmente se desarrollaron las aplicacio-nes para los relevadores de protección de generadores Beckwith M-3425 y SEL300G, para equipos de me-dición de la calidad de la energía Power Measurement ION8600 y ARTECHE DM9200, así como para los transductores Yokogawa, Transdate y Ametek.

1 Comisión Federal de Electricidad

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Posteriormente se desarrolló una aplicación web que incluye una base de datos y un portal para el almacenamiento, visualización, consultas de informes de calibración de equipos de protección y medición, utilizando como plataforma de desarrollo SQL Server 2005 y ASP.NET.

Propósito de los sistemas

• Reducir el tiempo dedicado al proceso de calibración de equipos de protec-ción y medición de cuatro días a cuatro horas, disminuyendo la duración de las actividades de mantenimiento en las centrales generadoras.

• Evitar la modificación manual de ajustes que pueden impactar en el fun-cionamiento de los equipos.

• Eliminar la necesidad de generar los informes de calibración de forma ma-nual, reduciendo así la posibilidad de errores debido a la captura manual de información.

• Evitar la dependencia de las herramientas de software de los distintos fabri-cantes para realizar configuraciones y ajustes a los equipos.

• Evitar la falta de mecanismos de administración y control de los informes históricos de las calibraciones.

• Evitar la falta de acceso de forma inmediata a la información de las calibra-ciones realizadas y a la información requerida para llevar a cabo las calibra-ciones como procedimientos, formatos, manuales, entre otros.

• Evitar la falta de mecanismos para la rastreabilidad de los equipos.

Objetivo de los sistemas

Desarrollo en LabVIEW de los mecanismos de calibración automatizada, utilizando las Dyna-mic-Link Library (DLLs) disponibles en un si-mulador de sistemas de potencia que ejecutan ac-ciones predefinidas, dependiendo de la función a calibrar en el equipo (espécimen), implementarlos sobre equipos de medición de energía (ION8600, ARTECHE DM9200), relevadores de protección (Beckwith 3425, 3425A, 3425AE, SEL 300G, SEL311C, SEL311L, SEL700G y SEL387) y transductores Yokogawa, Transdate y Ametek, ade-más de la generación del informe de calibración en los formatos de los procedimientos del Sistema In-tegrado de Gestión (SIG) de la CFE.

Reto de los sistemas

• Conocimiento y dominio de los protocolos de comunicación, así como de los distintos esque-mas para obtener la información (protocolos propietarios, mapeos de memoria, interpreta-ción de líneas de texto y comandos), tanto de medidores, relevadores y equipo de pruebas.

• Integración de los mecanismos de la comunica-ción en una interfaz.

• Aprendizaje de teoría y metodología de instru-mentos de protecciones de centrales generado-ras de energía.

Figura 1. Sistema de apoyo para la calibración de instru-mentos de protecciones.

Figura 2. Diagrama conceptual del SACIP.

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Calibración de instrumentos de protecciones de centrales generadoras

Proceso de calibración

La calibración puede ser considerada como el con-junto de operaciones que establecen, en condicio-nes específicas, la relación que existe entre los va-lores indicados por un instrumento o sistema de medida y los correspondientes valores conocidos, aplicados por un sistema de referencia.

Existen términos como validar, verificar, confirmar, comprobar, probar, corroborar, etc., con significa-dos muy similares no siempre uniformes.

Calibración (VIM, 2012). Establece una relación entre los valores y sus incertidumbres de medi-da asociadas, obtenidas a partir de los patrones de medida y las correspondientes indicaciones con sus incertidumbres asociadas, para establecer una rela-ción que permita obtener un resultado de medida a partir de una indicación.

Ajuste de un sistema de medida (VIM, 2012). Conjunto de operaciones realizadas sobre un siste-ma de medida para que proporcione indicaciones prescritas, correspondientes a valores dados de la magnitud a medir.

Verificación (VIM, 2012). Aportación de evidencia objetiva de que un elemento satisface los requisitos especificados. Cumple o no cumple.

Calibración manual

La figura 3 muestra la arquitectura de la calibración que realiza en forma ma-nual el personal especializado en protecciones eléctricas en la CFE, durante los periodos de mantenimiento de una protección de un generador. La arquitec-tura está conformada por un equipo simulador de potencia Doble F6150, una red de comunicación vía puerto serie con protocolo RS232, un relevador SEL 300G y los software propietarios de cada equipo.

Calibración automatizada

Son aplicaciones especializadas en la verificación automática del estado opera-cional de los medidores de energía (ION, ARTECHE) y relevadores de pro-tección de generación y de línea (Beckwith, SEL), con el fin de garantizar su correcto funcionamiento, de acuerdo a las normativas y estándares de la CFE.

Las aplicaciones de calibración descargan los ajustes a calibrar directamente de los relevadores y medidores, garantizando así que son los ajustes reales de ope-ración, realiza los cálculos de las funciones a calibrar y genera, a través de un simulador de potencia, las señales de voltajes y corrientes correspondientes a cada prueba.

De la base de datos del sistema SACIP se obtienen los datos del relevador, el número de folio, la vigencia de la calibración, los datos del equipo patrón, del simulador de potencia, información del laboratorio, del personal autorizado para calibrar y autorizar el informe, así como de la central a la que pertenece el equipo. Al final de cada calibración se genera un reporte en el formato del SIG de la CFE y se actualiza en el servidor del SACIP.

Las aplicaciones de calibración automatizada son independientes del software del fabricante y proporcionan elementos tecnológicos en hardware (llave elec-trónica programable USB) y controles en software (usuario y contraseña) aso-ciados a la seguridad cibernética solicitada por la CFE.

Figura 3. Esquema de calibración manual de una protección de un generador.

Figura 4. Esquema de calibración automatizada de una protección de un generador.

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Caso de estudio: calibración de la función de protección de elementos de distancia entre fases 21P Z1 sobre el equipo SEL311L

Se presenta la calibración automatizada de la función entre fases 21P en la zo-na 1 Z1 del relevador de protección de línea SEL311L. Primero se describe el principio de operación de la protección.

En un relevador digital de elemento MHO, se prueba el ángulo entre líneas referenciado a su voltaje y polarización, usando los siguientes conceptos:

El voltaje y la corriente muestreada son representados en el relevador como vectores, usando la muestra más reciente como el componente real y el cuarto de ciclo anterior como la componente imaginaria.

• Si son y 2 2 2 los vectores, entonces

• ( ) [ ] ( )21212121 <•=•=• VVVVconjugadoVV [1]

• El ángulo del vector resultante 21•VV será el ángulo de prueba del elemento MHO.

• En la prueba de 21•VV con el punto balanceado 21 =0 para el cálculo de Sin( )21 .

• En un relevador digital, esto se hace examinando el signo (+ ó –) de la componente imaginaria de Im( 21•VV )

• En la prueba de 21•VV con el punto balanceado 21 =090 para el cálculo de Cos( )21 .

• En un relevador digital, esto se hace examinando el signo (+ ó –) de la componente real Re( 21•VV ).

• Durante la operación

• El torque entre fases es definido como:

( )( )*

*1

1ReRe

ABAB

ABAB

VIZVVmAB••<

•= [2]

Donde:mAB = Torque entre fasesVAB1 = Voltaje de prueba o falla1 < Z = Ángulo de la impedancia del punto de balanceIAB = Corriente de fase

Por cuestiones prácticas propias del equipo de prueba, se toman los valores de voltajes como vectores constantes, haciendo variar la magnitud del vector de corriente. El caso de estudio contempla a la característica de impedancia colo-cada en el primer cuadrante y segundo cuadrante complejo, como se muestra en la figura 5.

Figura 5. Característica MHO programada en el relevador.

Teniendo como ajustes:

Z1ang: 83.97 Ángulo de restricción de líneaZ1P: 0.8 Diámetro de la MHO o punto

de balanceZ1PD 0 Ciclos

Dirección de la prueba = Forward

Voltaje de prueba = Secuencia positiva a 10 volts constantes

Partiendo de que la impedancia compleja es:

=IVZL Vector de impedancia. [3]

Dado el ángulo de prueba de la impedancia Angprueba, se calcula el vector complejo de la misma sobre el círculo de la característica, donde la magnitud es representada por el límite de la característica MHO en dicho ángulo. Esto se hace resolviendo Z de [2].

Después es necesario encontrar la corriente de ope-ración de [3], esta corriente es aplicada por el si-mulador de sistemas de potencia al relevador, y a su vez el simulador retroalimenta al software con la corriente real de operación, de esta forma, la im-pedancia real de prueba es recalculada y es posible aplicar los criterios de aceptación del fabricante que es del 5% de error.

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100% •= AJUSTERESULTADOAJUSTEError ( ) [4]

Los resultados de la calibración de esta función de protección se muestran en la tabla 1 y la figura 6 muestra la zona real de operación del relevador.

Gestión de la información de la calibración de equipos

Para la gestión de la información relacionada con la calibración de equipos, se desarrolló la aplicación web del SACIP, la cual concentra en una base de datos, la información necesaria para la calibración de equipos de protección y medición, así como la información generada por las aplicaciones automa-tizadas de calibración. Esto permite contar con la información requerida en el proceso de calibración y durante las auditorías del SIG.

Estructura del SACIP

Está conformada por una serie de elementos dis-tribuidos en el servidor de aplicaciones y el cliente (figura 8). Las flechas indican las transferencias de datos que se llevan a cabo entre los componentes que integran el sistema, en donde la base de datos (BD) juega el papel principal al almacenar y pro-veer toda la información necesaria para controlar la calibración de equipos de protección y medición.

De acuerdo a la estructura del SACIP, en el lado del servidor se tiene la base de datos y el servidor web con el motor de ASP.NET 2.0 que habilita su ejecución y las páginas activas, así como el sitio FTP, al cual se transfieren los informes de calibración creados por las aplicaciones automatizadas para tal fin.

En el servidor también se tienen tareas programadas para ejecutar dos progra-mas desarrollados en LabVIEW:

• El programa que realiza la conversión del informe de calibración en formato XLS a PDF, para lo cual lleva a cabo una consulta a la BD para obtener el lis-tado de los informes autorizados y pendientes por convertir a formato PDF.

Figura 6. Zona de operación del relevador.

Ángulo Corriente ajuste

Corriente prueba

Impedancia ajuste

Impedancia prueba

Exactitud fabricante

Exactitud prueba

Cumple

0 118.992 Fuera de rango 0.084 Fuera de

rango -- No Operó

No Operó

10 45.267 Fuera de rango 0.221 Fuera de

rango -- No Operó

No Operó

20 28.484 28.4 0.351 0.352 5% 0.32% Sí

30 21.251 21.24 0.471 0.471 5% 0.04% Sí

40 17.368 17.38 0.576 0.575 5% 0.11% Sí

50 15.072 15.08 0.663 0.663 5% 0.02% Sí

60 13.68 13.68 0.731 0.731 5% 0.00% Sí

70 12.881 12.88 0.776 0.776 5% 0.05% Sí

80 12.53 12.54 0.798 0.797 5% 0.07% Sí

90 12.57 12.58 0.796 0.795 5% 0.14% Sí

100 13.006 13.01 0.769 0.769 5% 0.05% Sí

110 13.911 13.92 0.719 0.718 5% 0.09% Sí

120 15.457 15.47 0.647 0.646 5% 0.09% Sí

130 18.004 18.02 0.555 0.555 5% 0.01% Sí

140 22.371 22.39 0.447 0.447 5% 0.08% Sí

150 30.769 Fuera de rango 0.325 Fuera de

rango -- No Operó

No Operó

160 51.778 Fuera de rango 0.193 Fuera de

rango -- No Operó

No Operó

170 180.547 Fuera de rango 0.055 Fuera de

rango -- No Operó

No Operó

180 Inf Fuera de rango 0 Fuera de

rango -- No Operó

No Operó

Tabla 1. Resultados de la calibración.

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Este programa también es el encargado de colocar la fecha en que se autorizó el informe en el archivo XLS y de colocar las firmas manuscritas digitalizadas.

• El programa que realiza el envío de correos sobre las calibraciones usando un servidor de correos externo. Este programa utiliza dos procedimientos almacenados para obtener el listado de los correos que se enviarán (título del correo, cuerpo del correo y el o los correos a los que se enviará).

La BD del SACIP provee información actualizada a las aplicaciones de ca-libración, sobre el equipo a calibrar y del patrón a utilizar, y permite ob-

tener el siguiente folio para asignar al informe de calibración.

La figura 9 muestra la estructura (mapa) del sitio.

• Consultas. Contiene una serie de consultas sobre información relacionada a la calibración de equi-pos de proceso y patrón, con la opción de filtrarlas por diferentes atributos y de exportación a Excel.

• Reportes. En este módulo se pueden generar los reportes del SIG en formatos oficiales, con opción de exportar a PDF y XLS.

• Registros. Permite aplicar extensiones de vigen-cia de equipos, registrar las calibraciones de los patrones, así como autorizar/rechazar informes.

• Cargadearchivos. Módulo para transferir di-versos archivos al servidor del SACIP (manua-les, constancia, archivos de configuración, etc.).

• Administración. Permite la administración de todos los catálogos necesarios para la gestión.

El acceso a las opciones de la aplicación se admi-nistra de acuerdo a tipos de usuarios (tabla 2) esta-blecidos a partir de la identificación de los distintos roles y a los permisos otorgados.

Contiene un módulo de administración en donde se tienen todas las opciones para administrar los catálo-gos necesarios para la aplicación: Gerencias, Subge-rencias, Centrales, Equipos, Usuarios, etc. (figura 10).

La información sobre calibraciones se tiene centraliza-da y disponible para descarga o consulta (figura 11).

Permite generar informes en los formatos requeri-dos para auditorías, de acuerdo al SIG de la CFE (figura 12).

Mantiene el historial de los movimientos realizados a un equipo, por ejemplo: bajas, cambios de pun-to de instalación, calibraciones, envío a fabricante (figura 13).

Mantiene información actualizada de la vigencia de los equipos, lo que permite programar calibraciones y gestionar el envío de correos electrónicos para no-tificar estados de la calibración (tabla 3).

Figura 7. Portal web del sistema SACIP.

Figura 8. Estructura del SACIP.

Figura 9. Estructura del sitio.

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Tiposdeusuarios Rol Permisosqueselespuedeotorgar

Administrador Encargado de la administración del sistema.

Menús: Administración, carga de archivos, consultas, registros, reportes.

Jefe de laboratorio secundario

Responsable de la auditoría de equipos de proceso y de autorizar las extensiones de calibración de equipos patrones.

Menús : consultas y reportesOpción de autorizar extensiones de patrones.

Jefe de laboratorio terciario Responsable de las calibraciones de equi-pos de proceso y patrones.

Menús: Administración, carga de archivos, consultas, registros y reportes.Opciones de autorizar extensiones de equipos de proceso y de cambiar el estado de una calibración.

Metrólogo Encargados de realizar las calibraciones de equipos de proceso y enviarlas a autorizar.

Menú: carga de archivos, consultas, registros y reportes.

Superintendente Encargado de la planta Menú: consultas y reportes

Invitado Usuario externo Menú: consultas y reportes

Tabla 2 Tipos de usuarios.

Figura 10. Administración de catálogos.Figura 11. Consulta folios de equipos.

Figura 12. Lista maestra de equipo patrón.

Figura 13. Detalle de movimientos de equipo.

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• Contar con aplicaciones independientes y distribuibles para las marcas y modelos ya programados.

• Manejar protocolos propietarios de distintos fa-bricantes, integrándolos en una sola plataforma.

• Contar con aplicaciones escalables a otras mar-cas, siempre y cuando los equipos tengan co-municación por red.

• Mantener actualizadas sus listas maestras y vi-gencias de equipos.

• Controlar los cambios de puntos de instalación de los equipos de proceso.

• Facilitar el proceso de auditoría.

Referencias

F6x Protocol Specification, Doble Engineering Company, 2005.

FICDUseandDeployment.doc, F Series Components Detailed Design Specification. Comunications DLL’s For Developers Use & Deployment, Doble Engineering Company, 1999.

DOBLECOM-INI.doc. Instrument Communication Detailed Design Specification, Doble Engineering Company, 2003.

FInstInter.chm. F Instrument Interface DLLs Documentation, Doble Engineering Company. March 2007.

F6000 Manual, 2000.

Archivo de ayuda Protest 2.05.1, 2002.

SEL-300G. Multifunction Generator Relay, Instruction Ma-nual, Rev 20070607, 2007.

Vocabulario Internacional de Metrología, conceptos fundamen-tales y generales y términos asociados, tercera edición 2012.

Reconocimientos

Los autores agradecen a las siguientes personas de la CFE su apoyo en el desarrollo de este trabajo: Marco Vinicio González Gómez, Arturo Ahumada Zúñiga y Carlos Moreno Fierro.

Título del correo Destinatario (s)SACIP: 1 día para vencer calibración

Jefe de laboratorio de la central propietaria del equipo, usuario tipo administrador

SACIP: Hoy se termina vigencia de equipo (s)

Jefe de laboratorio de la central propietaria del equipo, usuario tipo administrador

SACIP: Equipo (s) con fecha de calibración vencida

Jefe de laboratorio de la central propietaria del equipo, usuario tipo administrador

SACIP: Calibraciones próximas a vencer

Jefe de laboratorio de la central propietaria del equipo, usuario tipo administrador

SACIP: Informe rechazado

Metrólogo

SACIP: Se ha cambiado el status de calibración

Jefe de laboratorio de la central propietaria del equipo, metrólogo

SACIP: Informes pen-dientes de autorizar

Personal designado para autorizar el informe

Tabla 3. Notificaciones de correo.

Trabajos futuros

• Desarrollo de aplicaciones para la calibración automatizada de equipos de medición y protección de nuevas marcas y modelos.

• Desarrollo de una suite para la calibración automatizada de medidores de energía y relevadores de protección.

• Calibración de Unidades de Medición Fasorial (PMU).

• Manejo de firmas electrónicas en los formatos del SIG generados por la aplicación web del SACIP.

• Aplicación del SACIP en otras áreas de la CFE.

Conclusiones

Con las aplicaciones de calibración automatizada de medidores de energía y relevadores de protección y la aplicación web del SACIP, la Comisión Federal de Electricidad logró:

• Mejorar la productividad del proceso de calibración.

• Reducir los tiempos destinados a la calibración de cuatro días, a cuatro horas.

• Contar con reportes confiables.

• No depender del software de los fabricantes de los equipos.

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CINDYDELGADOSOLÍS

Maestra en Ciencias de la Computación por el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET). Licenciada en Informática por la Universidad Autónoma de Sinaloa. Cuenta con experiencia en el área de bases de datos, administración de servidores y desarrollo de aplicaciones web. Durante 2009, 2010 y 2011 participó en el desarrollo del Sistema de Apoyo para la Calibración de Instrumentos de Protecciones (SACIP) y en el desarrollo de mejoras del para el Sistema de Monitoreo Remoto de Protecciones (SARP). Actualmente colabora como investigadora en la Gerencia de Gestión Integral de Procesos (GIP).

DANIELIVÁNZAMORANOACOSTA[daniel.zamorano@iie.org.mx]

Maestro en Ingeniería en Mecatrónica por el por el Centro Nacional de Inves-tigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET), Ingeniero en Electrónica por el Instituto Tecnológico de Los Mochis. Ingresó al IIE en 2012 y cuenta con expe-riencia en el área de calibración de relevadores de protección, programación de fuentes simuladoras de sistemas de poder y de equipos de adquisición de datos, así como programación en LabView. De 2007 al 2010 participó en el desarrollo de aplicaciones de calibración, personalización de funciones del SARP y aplica-ciones para la adquisición y visualización de unidades de medición fasorial, en la Gerencia de Gestión Integral de Procesos (GIP) del IIE.

JAVIERMORENOROMÁN[jmoreno@iie.org.mx]

Maestro en Ciencias con especialidad en Sistemas Digitales por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM) en 1992. Ingeniero Mecánico Electricista por la Uni-versidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Ingresó al Instituto de Investigaciones Eléctricas en 1986, donde ha desa-rrollado sistemas de interfaz en tiempo real basado en computa-doras para centrales termoeléctricas, así como la personalización de equipo nuclear para la Central Nucleoeléctrica Laguna Verde (CNLV). Ha participado en proyectos para la Comisión Fede-ral de Electricidad (CFE), la extinta Luz y Fuerza del Centro (LyFC), y Caminos y Puentes Federales (CAPUFE). A princi-pios del año 2000 coordinó los trabajos para la calificación en la Norma de Garantía de Calidad 10CFR50 y a finales de ese mismo año se encargó de llevar al IIE a obtener el certificado ISO9001, con alcance a los productos y servicios de la Gerencia de Gestión Integral de Procesos (GIP). Ha colaborado en pro-yectos relacionados con seguridad que desarrolla la GIP en la Gerencia de Centrales Nucleares de Laguna Verde y desde 2005 es Jefe de Proyecto en el desarrollo de sistemas de monitoreo re-moto de protecciones.

LUISFERNANDOSÁNCHEZBERRELLEZA

Ingeniero en Electrónica con especialidad en Sistemas Digitales por el Instituto Tecnológico de Los Mochis, Sinaloa. Trabajó en el Instituto Politécnico Nacional (IPN) en el diseño y desarrollo de sen-sores de gases tóxicos con dispositivos semiconductores para sensado de hidrogeno, en el diseño del amplificador para aplicación práctica de sensores, y en el diseño de estructuras de silicio poroso con baños de óxido de paladio. Trabajó en el departamento de proyectos de la empresa Schneider Electric, en Tijuana, Baja California, desarrollando equipos automatizados mediante la plataforma de progra-mación LabVIEW y controladores Lógicos Programables (PLC). Desde 2011 trabaja en la Gerencia de Gestión Integral de Procesos del IIE como investigador por honorarios, desarrollando aplicaciones de calibración automatizada para equipos de protecciones de centrales generadoras.

MARÍAANTONIETASOLANOCUADROS[masolano@iie.org.mx]

Ingeniera Química por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM). En 1999 fue contratada por el Instituto para el proyecto: auditoría de cumplimiento con año 2000 del nuevo equipamiento, y software de peaje de CAPUFE. En 2000 se incorpora al IIE como investigadora en la Gerencia de Gestión Integral de Procesos (GIP) para apoyar en el proceso de calificación ante la Norma de Garantía de Calidad 10CFR50. Asimismo colabora en el proceso de certificación de la GIP ante la Norma ISO 9001:1994 (NMX-CC-003:1995). Cuenta con conocimientos en programación en LabView y desde 2005 ha participado en el desarrollo de sistemas de monitoreo remoto de protecciones.

De izquierda a derecha: Luis Fernando Sánchez Berrelleza, Daniel Iván Zamorano Acosta, María Antonieta Solano Cuadros y Javier Moreno Román.