Sincronización de tiempos en sistemas de control o automatización de procesos industriales.

Método de sincronización de tiempos de una pluralidad de dispositivos (2,

10, 20, 30) de un sistema de control o automatización de procesos industriales interconectados a través de una red de comunicación (1), en el que un dispositivo de reloj maestro (2) distribuye mensajes de sincronización de tiempos que comprenden un tiempo de referencia del sistema a través de una red de comunicaciones a los dispositivos esclavos (10, 20, 30), que comprende

- registro, mediante un dispositivo del sistema, de un histórico de desviación entre el tiempo de referencia del sistema y un reloj local en el dispositivo,

- deducción, por el dispositivo, de una previsión de desviación en base al histórico de desviación registrado,

- cálculo, por el dispositivo y tras la interrupción del tiempo de referencia del sistema, de un tiempo de referencia del sistema transitorio en base al reloj local y a la previsión de desviación y

- distribución, por el dispositivo, de mensajes de sincronización de tiempos que incluyen el tiempo de referencia del sistema transitorio a los otros dispositivos del sistema,

caracterizado por que el método comprende

- la deducción de una primera previsión de desviación de acuerdo con una primera técnica de predicción para una primera duración de la interrupción y una segunda previsión de desviación de acuerdo con una segunda técnica de predicción para una segunda duración de interrupción que exceda a la primera duración de interrupción.

Sincronización de tiempos en sistemas de control o automatización de procesos industriales Campo de la invención La invención se refiere al campo de la sincronización de tiempos de una pluralidad de dispositivos de un sistema de control o automatización de procesos industriales y, en particular, de sistemas de Automatización de Subestaciones de una subestación del sistema de transmisión de energía eléctrica.

Antecedentes de la invención La subestaciones en las redes eléctricas de alta y media tensión incluyen dispositivos primarios tales como cables eléctricos, líneas, embarrados, interruptores, transformadores de potencia y transformadores de medida, que se disponen en general en parques de maniobra y/o calles. Estos dispositivos primarios se accionan en una forma automatizada a través de un sistema de Automatización de Subestaciones (SA, del inglés "Substation Automation") . El sistema de SA comprende dispositivos secundarios, denominados dispositivos electrónicos inteligentes (IED, del inglés "Intelligent Electronic Devices") , responsables de la protección, control y supervisión de los dispositivos primarios. Los IED pueden estar asignados a niveles jerárquicos, por ejemplo al nivel de estación, al nivel de calle, y al nivel de proceso, siendo este último separado del nivel de calle por la denominada interfaz de proceso. El nivel de estación del sistema de SA incluye una estación de trabajo del operador (OWS, del inglés "Operator Work Station") con una interfaz hombre máquina (HMI, del inglés "Human-Machine Interface") y una pasarela al centro de control de la red (NCC, del inglés "Network Control Centre") . Los IED en el nivel de calle, también se denominan unidades de calle, a su vez se conectan entre sí así como a los IED del nivel de estación a través de un bus entre calles o de estación que sirve principalmente al propósito de intercambiar órdenes e información de estado. Los IED en el nivel de proceso comprenden sensores electrónicos de la tensión (VT) , intensidad (CT) y mediciones de densidad de gas, sondas de contacto para la detección de las posiciones de interruptores y del cambiador de tomas del transformador y/o actuadores inteligentes (I/O) para el control de los conmutadores tales como interruptores o seccionadores.

Generalmente, el reloj local interno de un IED de estación puede presentar una deriva de hasta 0, 1 ms por segundo, mientras que para un PC con un reloj de calidad media, una deriva de 0, 015 ms por segundo es normal. Sin embargo, para el propósito de sincronización con otros datos internos, el muestreo de señales analógicas por el convertidor Analógico a Digital (AD) de un IED tal como unos transformadores del intensidad y tensión no convencionales que tengan una salida digital, las unidades de mezcla dedicada, o las unidades de calle, requieren un marcado de tiempos correcto. Para este fin, los IED como clientes o esclavos del reloj intercambian periódicamente mensajes con un reloj servidor o maestro conectado a la red de comunicación del sistema de SA para evaluar la desviación relativa y deriva de su reloj local. La norma de protocolos de sincronización de tiempos bidireccional tal como la IEEE 1588 (norma IEEE 1588-2002, Norma IEEE de Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems) define métodos para dispositivos de sincronización a través de la red de comunicaciones tales como una Red de Área Local (LAN) , de una alta precisión (superior a un microsegundo) .

Desde un punto de vista de la sincronización de tiempos, un sistema de SA típico tiene la siguiente arquitectura tal como se representa en la Fig. 1. Se recibe una señal GPS por parte de un dispositivo de red, denominado el gran reloj maestro, dentro del sistema de SA. El gran reloj maestro transmite el tiempo GPS usando el protocolo IEEE 1588 a los dispositivos (principalmente IED pero también los PC de la estación, pasarelas, registradores de transitorios de faltas) conectados a la red a través de TCP/IP.

En la arquitectura descrita, la señal GPS y su parte receptora representa un único punto de fallo dado que la pérdida del GPS significa que el gran reloj maestro está funcionando con su propio reloj, local que es de una menor precisión que el reloj GPS. Como ejemplo, las consecuencias de los vientos solares, perturbaciones atmosféricas o tormentas que inciden en la antena GPS pueden provocar la pérdida del tiempo correcto. De la misma manera, el aislamiento temporal, por razones políticas, de seguridad de los sistemas de información o mantenimiento, del sistema de SA mediante la desconexión deliberada de una Red de Área Grande puede provocar que el gran reloj maestro funcione aislado. Como consecuencia, la desincronización de sistemas de SA distantes geográficamente puede convertir las funciones de protección diferencial en inoperativas.

Convencionalmente, en el caso de un fallo transitorio de la señal GPS, se elegirá un nuevo reloj maestro, denominado maestro transitorio, entre los dispositivos y propagará su propio tiempo en la red. Debido a las condiciones medioambientales (por ejemplo temperatura y presión) o imperfecciones del hardware (por ejemplo calidad del cuarzo) , el reloj maestro transitorio derivará respecto al reloj GPS. Una vez que vuelve la señal GPS y el gran reloj maestro toma de nuevo el control, aparecerá una desviación entre el tiempo enviado por el GPS y el presente en la red. Esto puede conducir a una situación en la que todos los dispositivos tengan que pasar a través de una etapa de resincronización. Una etapa de resincronización implica una interrupción de las funciones de control y protección en ejecución en los dispositivos, así como un cambio abrupto del tiempo base de los dispositivos que a su vez puede conducir a un defecto de funcionamiento de los algoritmos de protección que dependen de los valores instantáneos de los datos con tiempos marcados.

El documento US 4602375 se interesa en un sistema de corrección de reloj de satélite a bordo del tipo en el que se determinan los errores de fase entre el reloj de satélite y el reloj basado en tierra y se envía un valor de corrección del reloj al satélite. El valor de corrección del reloj se determina mediante un ajuste de curvas de los errores de fase determinados de acuerdo con una función polinómica, actualizando los coeficientes de la función polinómica de modo que se minimice la discrepancia entre los errores de fase determinados y aquellos de acuerdo con la función polinómica, y prediciendo una deriva del reloj de acuerdo con la función polinómica y calculando un valor de corrección de error de acuerdo con la deriva de reloj predicha.

El documento US 2001/0021196 describe un primer usuario que transmite unos primeros mensajes de referencia con una información de una primera base de tiempos a través de un bus (TTCAN) a un segundo usuario y el segundo usuario actúa como un temporizador si la información del primer usuario no ha llegado al segundo usuario antes de la expiración de una marca de tiempos. El segundo usuario puede transmitir su visión de un tiempo global, que se determina en base a una desviación constante supuesta.

El documento US 6157957 describe un método de sincronización de reloj para la conversión de un tiempo de nodo local en una base de tiempos maestra, mediante el intercambio de información de tiempos, registro de una secuencia de datos de tiempos y cálculo de una función de conversión local a maestra en base a los datos de tiempos.

Descripción de la invención Es un objetivo de la invención mejorar la disponibilidad de las funciones de protección y control de tiempo crítico configuradas en dispositivos de un sistema de control o automatización de procesos industriales. Este objetivo se consigue mediante un método de sincronización de tiempos y un sistema de control o automatización de procesos industriales, de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 8. Las realizaciones preferidas adicionales son evidentes a partir de las reivindicaciones de la patente dependientes.

De acuerdo con la invención, se proporciona una sincronización de tiempos mejorada entre los dispositivos de un sistema de control o automatización de procesos industriales durante una ausencia temporal de un tiempo de referencia del sistema. Por lo tanto, se evita la interrupción de las funciones de protección y control de tiempo crítico debidas a la resincronización que sigue a la ausencia temporal del tiempo de referencia del sistema y se incrementa la disponibilidad de las funciones de tiempo crítico configuradas en los dispositivos. Durante el funcionamiento normal, un dispositivo... [Seguir leyendo]

1. Método de sincronización de tiempos de una pluralidad de dispositivos (2, 10, 20, 30) de un sistema de control o automatización de procesos industriales interconectados a través de una red de comunicación (1) , en el que un dispositivo de reloj maestro (2) distribuye mensajes de sincronización de tiempos que comprenden un tiempo de referencia del sistema a través de una red de comunicaciones a los dispositivos esclavos (10, 20, 30) , que comprende

- registro, mediante un dispositivo del sistema, de un histórico de desviación entre el tiempo de referencia del

sistema y un reloj local en el dispositivo, -deducción, por el dispositivo, de una previsión de desviación en base al histórico de desviación registrado, -cálculo, por el dispositivo y tras la interrupción del tiempo de referencia del sistema, de un tiempo de referencia del sistema transitorio en base al reloj local y a la previsión de desviación y -distribución, por el dispositivo, de mensajes de sincronización de tiempos que incluyen el tiempo de referencia del sistema transitorio a los otros dispositivos del sistema, caracterizado por que el método comprende

- la deducción de una primera previsión de desviación de acuerdo con una primera técnica de predicción para

una primera duración de la interrupción y una segunda previsión de desviación de acuerdo con una segunda técnica de predicción para una segunda duración de interrupción que exceda a la primera duración de interrupción.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende -el registro, por una pluralidad de dispositivos esclavos del sistema, de desviaciones individuales entre el tiempo de referencia del sistema y los relojes locales en los dispositivos esclavos y -la selección de un reloj maestro transitorio de entre los dispositivos esclavos que realizan el registro.

30 3. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende

- la medición y registro de una magnitud atmosférica junto con la desviación y -la deducción de la previsión de desviación en base a una predicción de la magnitud atmosférica.

35 4. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la primera técnica de predicción se basa en un enfoque estadístico y en el que la segunda técnica de predicción se basa en un enfoque de series de tiempos.

5. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el sistema de automatización es un sistema de Automatización de Subestaciones SA de una subestación de un sistema de transmisión de energía eléctrica. 40

6. Un sistema de control o automatización de procesos industriales con una pluralidad de dispositivos (2, 10, 20, 30) interconectados a través de una red de comunicación (1) , en el que un dispositivo de reloj maestro (2) distribuye mensajes de sincronización de tiempos que comprenden un tiempo de referencia del sistema a través de la red de comunicaciones a los dispositivos esclavos (10, 20, 30) , y estando uno o más de los dispositivos (2, 10, 20, 30) del 45 sistema adaptado para

- registrar un histórico de desviación entre el tiempo de referencia del sistema y un reloj del dispositivo local, -deducir una primera y una segunda previsión de desviación en base al histórico de desviación registrado y de acuerdo con una primera técnica de predicción para una primera duración de la interrupción y de acuerdo

50 con una segunda técnica de predicción para una segunda duración de la interrupción que exceda a la primera duración de la interrupción, respectivamente, -calcular, tras la interrupción del tiempo de referencia del sistema, de un tiempo de referencia del sistema transitorio en base al reloj del dispositivo local y a una previsión de desviación y -distribuir mensajes de sincronización de tiempos que incluyen el tiempo de referencia del sistema transitorio 55 a los otros dispositivos del sistema,