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Subestaciones Digitales: 6
pilares para digitalizar una
subestación
siemens.com/digital-substationUnrestricted © Siemens AG 2019
Unrestricted © Siemens AG 2019
January 2019Page 2 Smart Infrastructures | Digital Grid
Principales factores que impulsan
la revolución de los sistemas de energía…
Sector energético
centrado en el
prosumidor
Page 2
Descarbonización“All electric world” – Fluctuating infeed – e-Mobility
C
O
2
La generación de las energía renovables
Aumentarán un 300% entre el 2010 y el 2030, y su
participación se elevara a un 40% en el 2030
DescentralizaciónGeneración Distribuida – Microredes – Autonomía Energética
Nuevas instalaciones de Generación Distribuida
Aumentarán hasta un 150% entre el 2010 y el 2030, y su
participación se elevara hasta un 67% en el 2030
DigitalizaciónConectividad – Grid edge – Principio E2E
Nuevas instalaciones de medidores inteligentes
Aumentarán en un 200% entre el 2015 y el 2025
Llegando a 100 millones por año en el 2025
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January 2019Page 3 Smart Infrastructures | Digital Grid
Subestación digital –
Asignación de los 6 aspectos
Digitalización del
nivel de proceso2
Digitalización del
nivel de estación1
CiberSeguridad
3
Gestión de
activos4
Operación de la
red5
Ingeniería
integrada6
Instrumentos de medición No-
convencionales (LPITs)Provee valores primarios a las MUs
basándose en nuevos principios
2Merging Units (MU)Convierte valores análógicos
primarios de los LPITs en
información digital
(Sampled Measured Values –
SMV’s)
2
Bus de ProcesoComunica la información de bahía al
Sistema de control y protección
basado en IEC 61850-9-2
2
SensoresProvee más información del estado
actual del equipamiento eléctrico
4
IoTAplicaciones centrales de valor añadido
Análisis Big data integración IT/OT
3
Sala de Control DigitalProtección digital y automatización
con bus de estación basado en IEC 61850
1
Sala de Control DigitalMás adquisición de datos, aplicaciones
decentralizadas inteligentes, ciberseguridad
3
4 5
64 5
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January 2019Page 5 Smart Infrastructures | Digital Grid
Comunicación IEC 61850 en una Subestación
Control Center
IEC 608705-104
Digital
Merging
Unit
Parallel wiring
Substation Controller
Station bus MMS – Client/Server (Part 7/8)
Sampled Values (Part 9)
GOOSE (Part 7/8)
IEC
61
850
DNP3 TCP
3rd party
device
CT
VT
Digital and
analog
Merging Unit
Process bus
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January 2019Page 7 Smart Infrastructures | Digital Grid
Nivel digital de proceso
Reducción de tamaño en 30% y en peso -1.500 kg
Transformadores Inductivos de Tensión y Corriente
(convencional)
Sensor de tensión y corriente
(no-convencional)
Figura mostrada: GIS Clean Air 145 kV
3.7 m
2.9
m
LPIT
3.2
m
5.5 m
CT VT
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January 2019Page 8 Smart Infrastructures | Digital Grid
Nivel digital de proceso
Resumen - Mostrado: GIS Clean Air 145 kV
Anteriormente
Controlador
de subestación
Centro de Control
Cableado paralelo
Bus de estación
Caseta de protección
50 – 250 m5 m
3.2
m
Valores analógicos
Cableado de cobre
Bus de proceso basado en IEC61850-9-2
Centro de Control
Bus de estación
Caseta de protección
IEC
61850
Ethernet
IEC 61850-9-2
Cableado de
fibra óptica
Merging
UnitLPIT
2.9
m
3.5 m
Digital
Controlador
de subestación
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January 2019Page 9 Smart Infrastructures | Digital Grid
DIGITALIZACIÓN DEL NIVEL DE PROCESO - GIS LPIT
Convencional /Instrumento de baja potencia de Transformador-
Tecnología
Transformador de tensión inductiva (VT) Transformador de corriente inductiva(CT)
Tecnología de Instrumento de medición convencional
Tecnología de Instrumento de medición de baja potencia (LPIT)
1 x Probeta de campo eléctrico
para Medición de Tensión
2 x Bobinas Rogowski para Medición
de Corriente (redundante)
Corte de resina moldeada con sensores
de tensión y corriente integrados
+
+ =
3.2
m
5.5 m
2.9
m
3.7 m
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January 2019Page 10 Smart Infrastructures | Digital Grid
Merging
UnitSensor
Sistema de
contacto
trifásico
Convencional e Instrumento de medición de baja potencia
Imágenes CIGRE 2014
Mediciones:
2 x mediciones de corriente por fase;
1 x medición de tensión por fase.
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January 2019Page 11 Smart Infrastructures | Digital Grid
Funcionalidad Clase de precisión
para medición de
corriente con bobina de
Rogowski
Clase de precisión
para medición de tensión
con Electric Field Probe
Medición 0.2 0.2
Protección 5P, 5TPE 3P
Para el logro de estos resultados precisos es necesario una calibración de los sesores LPIT
durante las pruebas rutinarias de fábrica.
Precisión de medición
2. TCs ópticos para AISEstado actual de la tecnología - presentación del producto
www.trench-group.comUnrestricted © Trench Germany GmbH
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January 2019Page 13 Smart Infrastructures | Digital Grid
Medición de corriente óptica
Principio físico: Efecto Faraday
Efecto Faraday en el campo magnético.
Path
sdHV
INV ~Efecto Faraday con lazo cerrado alrededor de conductor eléctrico.
El efecto Faraday describe una
interacción entre la luz y el campo
magnético (fenómeno magneto-
óptico)
Una onda polarizada lineal (luz) se
gira cuando se mueve a través de un
medio adecuado
El ángulo de rotación está en
relación directa con la corriente
eléctrica “I”
…Faraday rotation angle [rad/A] V…Material parameter (Verdet constant) [rad/T•m] H….Magnetic field strength [A/m] N….Number of turns I…Electrical current [A]
Ey
Ex
Ey
Ex
Polarización de entradaPolarización de salidagirado por un ángulo Rotación de Faraday
α
La corriente “I” a través del conductor
causa un campo magnético
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January 2019Page 14 Smart Infrastructures | Digital Grid
Esquema de instalación propuesto para futuros pilotos y
proyectos reales.
Basado en un nuevo desarrollo de MU – procedente de 2019 Q3
IO245 para TOCTs
Patch
panels
Relé de protección con entrada de
bus de proceso (SIP5)
Sin
cro
niz
ac
ión
de
tie
mp
o
Master clockG
PS
ante
nn
a
Syn
c
tra
nsce
ive
r
Opción: Ethernet-Switch
(RSG 2288)
Or PTP/IEE1588
Opción: Medidor con interface
process bus
Al aire libre Interiores
1 km
CTs ópticos
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January 2019Page 16 Smart Infrastructures | Digital Grid
SIPROTEC 5 Merging Unit –
Un módulo base se adapta con todos los tipos de sensores
Funciones clave
• Digitalización de todos los datos
primarios cercanos al proceso
• Se adapta a todos los sensores
• Disparo directo de CB
• Supervisión del circuito de
disparo
• Backup de funciones de
protección
• Monitoreo del interruptor
• Se adapta a sus necesidades
6MU85
equipado conCT VT
Rogowski
Coil
Field Probe,
RC-Divider
R-Divider
CT
ÓpticoBI BO
IO207 19 10
IO201 4 11 9
IO202 4 4 11 9
IO211 8 3 2
IO240 4 4 3 2
IO245 3 3 2
SIPROTEC
6MU85
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January 2019Page 17 Smart Infrastructures | Digital Grid
SIPROTEC 5 Merging Unit –
Ajuste perfectamente adaptado a sus necesidades
Ajuste perfectamente
adaptado
• Adaptable a múltiples entradas
CT, VT, LPIT
• BI y BO escalables
• Disparo directo a alta velocidad
del interruptor <1 ms
• Recopilación de datos
adicionales (temperatura,
presión, posiciones del
cambiador de tomas, etc)
• Fuente de alimentación
redundante
• Se puede reemplazar por una
segunda fila
Aux-PS Simple
CT 4 Rogowski
VT 4 Field Probe
BI 19
BO-STD 9
BO-HS 4
Aux-PS Redundante
CT12 PCIT
4 MCIT
VT 4 CIT
BI 111
BO-STD 91
BO-HS 8
4 … 20 mA 4
Aux-PS Redundante
CT 8 PCIT
VT 4 CIT
BI 35
BO-STD 15
BO-HS 8
Aux-PS Simple
CT 8 Ópticos
VT 8 CIT
BI 11
BO-STD 7
4 … 20 mA 4
RTD 12
TR 1200 IP
PCIT … Protección CIT, MCIT … Medida CIT
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January 2019Page 18 Smart Infrastructures | Digital Grid
La modularidad de SIPROTEC 5 Merging Unit 6MU85 es
compatible con asignaciones de núcleo CIT y LPIT
personalizadas
Una MU por núcleo CIT
Main 1
Main 2
Busbar
protection
Metering
Main 1
Main 2
Busbar
protection
Metering
MU redundante para todos los
núcleos CIT
Main 1 and 2,
Busbar
protection,
Metering
Núcleos redundantes de MU y
LPIT
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January 2019Page 19 Smart Infrastructures | Digital Grid
Transformadores de instrumentos
convencionales
SAMU
Plataforma SIPROTEC 5
Con módulo de comunicación SMV
Interoperable
Propietario
Transformadores de instrumentos
no convencionales
Rogowsky Coil
Field Probe
GIS
Estándar de terceros
Merging Units
3rd party
MU
Ba
se
IO2
45
IO2
40
DIGITALIZACIÓN DESDE EL NIVEL DE PROCESOS HASTA EL
NIVEL DE ESTACIÓN BASADO EN MUs E IEDs SIPROTEC 5
AIS
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January 2019Page 20 Smart Infrastructures | Digital Grid
SIPROTEC 5 Merging Units
Protección multi alimentador
Bus de Proceso
6MU85
6MU85
Fuente CIT
Fuente SMV via Bus de Proceso
FG VI
3ph 1
FG Circuit
Breaker 1
FG VI
3ph 2
FG Circuit
Breaker 2
27
59
50BF
CTRL
50
51
27
59
50BF
CTRL
50
51
FG VI
3ph 1
FG Circuit
Breaker 1
FG VI
3ph 2
FG Circuit
Breaker 2
27
59
50BF
CTRL
50
51
27
59
50BF
CTRL
50
51
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January 2019Page 21 Smart Infrastructures | Digital Grid
7UT86
FG Circuit
Breaker 1FG Transf.
50BF
CTRL
87
FG Transf.
side 1
FG Transf.
side 2
50
51
50
51
FG Transf.
side 3
50
51
FG
Bus 1 Disc.
50BFCTRL
FG
Bus 2 Disc.
50BFCTRL
FG
Sec Side Disc.
CTRL
FG
Third Side Disc.
CTRL
FG
Earth Switch
CTRL
Protección del alimentador del transformador
Bus de Proceso HSR
IEC 61850-9-2, GOOSE, IEEE 1588
6MU85
6MU85
Bus de estación PRP
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January 2019Page 22 Smart Infrastructures | Digital Grid
SIPROTEC 5 bus de proceso
Beneficios al utilizar el bus de proceso.
1. Ya no hay tensión secundaria o corriente en los terminales.
2. Sin cableado secundario en relés de protección o armarios
secundarios.
3. Operación más segura de la subestación como menos fallas de
mantenimiento.
4. Menos mantenimiento - más barato de ejecutar (reduce OPEX).
5. Menos cajas (reduce CAPEX).
6. Medición de energía a través del mismo bus de proceso, por
ejemplo, Landis + Gyr E880.
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January 2019Page 24 Smart Infrastructures | Digital Grid
La seguridad cibernética
Las amenazas son reales.
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January 2019Page 25 Smart Infrastructures | Digital Grid
La seguridad cibernética
Las amenazas son reales.
Posibles atacantes
• Organizaciones criminales
• Estados
• Activistas políticos
• Personas que desconocen el
sistema
• Personal interno
Nivel de estación
Nivel de campo
Switch Switch Switch Switch
Switch
Switch
Centro de control
Red insegura
Acceso Remoto
PC de servicioHMI
PC Controlador de estación
IEDs
Protección y
dispositivos de campo
Router! !
!
!
! Acceso no autorizado ! Mal uso de derechos de
administrador! Ataques via Internet ! Malware Firmware alterado!
!
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January 2019Page 26 Smart Infrastructures | Digital Grid
La seguridad cibernética
Las amenazas son reales.
Condiciones:
• Infraestructura crítica
• Operación 24 h
• Componentes estándar de
Windows y Linux.
• Interfaces para redes no
seguras
• Interfaces para redes de oficina
• Mezcla de componentes de
diferentes proveedores con
diferentes tecnologías.
Nivel de estación
Nivel de campo
Switch Switch Switch Switch
Switch
Switch
Centro de control
Red insegura
Acceso Remoto
PC de servicioHMI
PC Controlador de estación
IEDs
Protección y
dispositivos de campo
Router! !
!
!
! Acceso no autorizado ! Mal uso de derechos de
administrador! Ataques via Internet ! Malware Firmware alterado!
!
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January 2019Page 27 Smart Infrastructures | Digital Grid
Medidas de seguridad
cibernética
Seguridad cibernética: seguridad del sistema mejorada con
un marco de subestación seguro certificado basado en IEC
62443
Control de acceso y gestión de
cuentas.
Registro y monitoreo de seguridad.
Endurecimiento del sistema
Parches de seguridad, copia de
seguridad y restauración
Protección de malware
Protección de datos, integridad de
datos y arquitectura del sistema.
Acceso remoto seguro
LOG
El marco de la
Subestación segura de
Siemens está
certificado por TÜV
SÜD según
-IEC 62443-2-4 -
Procesos integradores
-IEC 62443-3-3 -
Funcionalidades
técnicas.
ImplementAssess Manage
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January 2019Page 29 Smart Infrastructures | Digital Grid
Gestión de activos
Conectividad de IoT a Energy IP
Substation Device Management (SDM)
Beneficios
• Transparencia de la base
instalada actual.
• Documentación e informes
simplificados.
• Gestión eficiente de parches de
seguridad cibernética
• Facilitador de soporte, gestión
de activos de actividades de
campo.
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January 2019Page 30 Smart Infrastructures | Digital Grid
Descripción general de la arquitectura - Administración de
dispositivos de subestaciones
Substation Automation & ProtectionAssets
Monitorización remota y análisis
Monitoring and analysis platform EnergyIP™
Protection relay Substation PC RTU Router/Switch …
EnergyIP™ ISDM – Local Collector
Advanced Device Management …EnergyIP™SDMConnection to
SVM DB (CERT)
Protocols: IEC 61850, SNMP, WMI
Substation Data (Version information)
Siemens
Enterprise Private Cloud
On premise
SDM se ejecuta en :
Siemens Private Cloud
Long video on the SDM website:
http://www.siemens.com/substation-device-management
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January 2019Page 31 Smart Infrastructures | Digital Grid
EnergyIP™ ISDM – Información de activos
Información enviada por EnergyIP™ ISDM
via protocolos estándar, automaticamente de dispositivos compatibles
Atributos principales(automático)
• Nombre de componente
• Número serial
• Version Software / Firmware
• Número de orden(MLFB)
• Nombre de vendedor
• Dirección IP
• Versión de Hardware (si es enviada por el dispositivo)
Atributos adicionales(entrada manual)
• Información topológica (subestación / nivel de tensión / bahía)
• Versión esperada SW/FW
4. Soluciones de Red IoTPARA SUBESTACIÓN DIGITAL
siemens.com/digitalgridUnrestricted© Siemens AG 2019
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January 2019Page 33 Smart Infrastructures | Digital Grid
Sistema de automatización de subestación (Hoy)
Red típica con estación IEC 61850 sin conectividad IoT
IEC 61850
IEC 60870-5-104
SIPROTEC 5 SIPROTEC 4 SIPROTEC
Compact
SICAM A8000 SICAM PQ
Q200/Q100
SICAM PAS SICAM SCC
SPECTRUM 5/7
Niv
el
de
CC
ON
ive
l d
e E
sta
ció
nN
ive
l d
e P
roc
es
o
5%
Cantidad seleccionada de Data Objects:
• Estatus de mensajes (Equipamiento primario)
• Alarmas y fallas como grupo de alarmas (Equipamiento
primario y secundario)
• Valores medidos (corriente, tensión, frecuencia)
~ 50 Data Objects / IED
15%
Cantidad requerida de Data Objects:
• Estatus de mensajes (Equipamiento secundario)
• Alarmas y fallas también como mensajes simples
• Mensajes de protección (por ejemplo excitación general,
registro de fallas, ubicación de fallas)
• Valores medidos (V, I, Z, Temperatura, presión, etc.)
~ 150 Data Objects / IED
100%
Gran cantidad de Data disponible:
• Valores medidos (V, I, Z, Temp, etc.), valores calculados
que incluyen resultados parciales de protección y funciones
automatizadas
• Ajustes de parámetros
• Mensajes de protección detallados (i.e., fases de excitación,
dirección y bucle de información) & mensajes de estatus
~ 1000 Data Objects / IED
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January 2019Page 34 Smart Infrastructures | Digital Grid
Sistema de automatización de subestación (Futuro de hoy)
Desbloquear Máximo Potencial – Subestación digital V4.0 con IoT
IEC 61850
IEC 60870-5-104
SIPROTEC 5 SIPROTEC 4 SIPROTEC
Compact
SICAM A8000 SICAM PQ
Q200/Q100
SICAM PAS SICAM SCC
SPECTRUM 5/7
Niv
el
de
CC
ON
ive
l d
e E
sta
ció
nN
ive
l d
e P
roc
es
o
IEC 61850, Modbus, IEC 60870-5-103, …
SICAM A8000
IoT Gateway
…3rd
Party
• Consolidación de data y visualización
• Aplicaciones, e.g. SIPROTEC Dashboard
• Servicios de valor añadido (e.g. Análisis
de datos)
95%
EnergyIPpowered by MindSphere
OPC UA PubSub
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January 2019Page 35 Smart Infrastructures | Digital Grid
Servicios de Red IoT
Piloto escalable que ofrece beneficios – Ejemplo Ilustrado
Co
mp
añ
ía A
Co
mp
añ
ía B
Operación tradicional
Transparencia parcial de los
activos de la reda través de
información tradicional y limitada:
Valores medidos
Alarmas
Mensajes de protección
Etc.
Mantenimiento tradicional
Mantenimiento programado
Ciclos independientes de
‘Operación real’ y condiciones de
equipamiento/dispositivos:
Mantenimiento preventive
frecuente
Mantenimiento correctivo
Fallas recurrentes
Etc.
Transparencia
Transparencia mejorada de
los activos de red a través del
uso de análisis y vistas de
cuadro de mandos:
Data Object medido
Data Object calculado
Data Objects controlable
Valores enteros, etc.
Entendimiento
Mejoramiento en el
entendimiento del activo:
Equipps/Datos especificos de
equipos
Tendencias y ciclos
Correlaciones
21th14th7th 28th
Verb
rau
ch
Erz
eu
gu
ng
Mejora e Incremento de
eficiencia
Incrementar eficiencia,calidad
y resultados a traves de
medidas objetivo basadas en
el analisis de datos:
Reducir OpeX
Reducir Capex
Maximizar ganancias
Med
ició
n
Producción
Línea 1
Línea 2
Hoy
Hoy
01110111
01110111
01110111
EnergyIPpowered by MindSphere
1-2 años.
95%
1-2 años
15%
01110111
01110111
01110111
EnergyIPpowered by MindSphere
01110111
3-5 años
95%
3-5 años
15%
Mantenimiento mejorado
Mantenimiento programado de
‘Operaciones activos reales’:
Mantenimiento frecuente
adaptado.
Menos piezas de repuestos y
consumibles
Menos mantenimiento
correctivo
Etc.
Exploración de nuevos
modelos de negocio
Optimización de los gastos
operativos y de mantenimiento
Mejor planificación de los
gastos de capital
Negocio tradicional
Incremento de costos de OpeX
debido al envejecimiento del
equipamiento y condiciones
desfavorables de operación
(incluye severas fallas)
Hacer inversión de capital
basado en ‘Entendimiento
Tradicional’ de ciclos de vida del
equipamiento
01110111
EnergyIPpowered by MindSphere
Proyect piloto Red IoT
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January 2019Page 37 Smart Infrastructures | Digital Grid
DIGITAL TWIN
Exportar archivos de simulación
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January 2019Page 38 Smart Infrastructures | Digital Grid
SIPROTEC 5 – DIGITAL TWIN
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January 2019Page 39 Smart Infrastructures | Digital Grid
SIPROTEC DigitalTwin
Application Scenarios
Control Center
Station
Level
Field
Level
Process
Level
Integration in
SICAM systems
Substation
AutomationSICAM
SCC
Human
Machine
Interface
SICAM
PQS
Power Quality
Analysis
DIGSIFirewall
Station busCommunication
Testing of protection interface
DIGSI 5
Online Testing
SICAM
PAS
Process Simulation
Device Testing
Device Training
GOOSE Testing
SIPROTEC
DigitalTwin
Remote Substation
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January 2019Page 40 Smart Infrastructures | Digital Grid
Primera liberación en Hannover Fair 2019
Entrenamiento de manejo del dispositivo
Simulación de información de proceso (valores analógicos y digitales)
Prueba de la lógica CFC y aplicación específica para el cliente
Prueba de comunicación
hacia SICAM el Sistema de automatización de la subestación
IEC 61850 GOOSE entre dispositivos e.i. interbloqueos
Interfaz de protección de información
De PC de ingeniería con DIGSI 5
Análisis de fallas e.i. visualización de registros
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January 2019Page 42 Smart Infrastructures | Digital Grid
5 Grid Operation Support
Monitoreo de área extensa con SIGUARD PDP y PMU
Beneficios
• Rápido monitoreo en tiempo de
la red
• Detección automatizada de
oscilación de potencia, modo
isla y sobrecarga(blackout)
• Archivamiento de data de red
dinámica
• Reporte preciso y condensado
de información
• Conocimiento de la situación a
primera vista
• Soporte de toma de decisions
para mejor utilización
de la red
SIPROTEC
2 PMU
SIPROTEC 2 PMU
SIPROTEC 2 PMU
SIPROTEC 2 PMU
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January 2019Page 43 Smart Infrastructures | Digital Grid
6 | Digitalización del proceso de ingeniería
Ingeniería con SITIPE
Beneficios
• Uso eficiente de típicos
e información de proyecto
• Un solo maestro de información
es designado para todos los
pasos de trabajo
• Intercambio de datos estable y
automático entre pasos de
ingeniería
• Alto grado de calidad de la
información
• Tiempo reducido de operación
• Renovación optimizada
al actualizar fácilmente la
documentación y
las pruebas
Ingeniería
Primaria
Ingeniería
Secundaria
Ajustes de
protección
Configuración
RTU
Simulación y
Pruebas
Ingeniería de
Prueba
Análisis de
Datos
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January 2019Page 44 Smart Infrastructures | Digital Grid
Gracias por su atención
José Francisco Sánchez Hernández
Principal Key Expert Engineering
Siemens S.A.
Smart Infraestructures - Digital Grid
Teléfono: +57 320 8998607
E-mail: [email protected]
www. siemens.com