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Implementación del Bus de Proceso
en las Subestaciones Eléctricas

El Bus de Estación es ya una realidad en las numerosas subestaciones eléctricas construidas en todo el mundo de acuerdo al estándar IEC 61850, constituyendo un éxito desde el punto de vista tanto de la funcionalidad como de la fiabilidad y la interoperabilidad. El siguiente paso será la implementación del Bus de Proceso, lo cual representará otro gran salto cualitativo en el diseño de subestaciones, y supondrá la aplicación de la norma IEC 61850 en toda su extensión.

Los elementos básicos que constituyen el Bus de Proceso son los equipos primarios con interface Ethernet, que se conectan mediante las llamadas "Merging Units" (MU) con los IEDs de Protección, Control y Medida, y la propia Arquitectura de Comunicaciones (AC) que permite comunicar ambos dispositivos.

Las "Merging Units" tienen el reto de sustituir con una o varias fibras ópticas los cables de cobre que conectan actualmente los equipos primarios (transformadores de intensidad y de tensión, interruptores, seccionadores, etc.) con los IEDs que constituyen el sistema de Protección, Control y Medida.


Arquitectura del Bus de Proceso para las distintas topologías de red

En las primeras implementaciones del bus de proceso, se pueden observar en la industria dos tendencias bien diferenciadas. Algunos fabricantes abogan por un bus de proceso basado en una topología punto a punto, en la que no existe red de comunicaciones. Otros apuestan por una topología punto a multipunto, basada en una red de comunicaciones fiable. Ambas topologías comparten la tecnología base: Ethernet.

En las conexiones punto a punto, los IEDs (Intelligent Electronic Devices) de protección tienen una conexión directa con todas y cada una de las MUs cuyas muestras requieren. Esta topología implica, como se muestra en la Figura 1, que los IEDs tengan tantas interfaces de comunicación punto a punto como conexiones sea necesario establecer con las MUs. Del mismo modo, las MUs necesitan disponer de tantas interfaces de comunicación como conexiones tengan que establecer para dar servicio a los distintos IEDs de protección y control.

Como se muestra en la Figura 1, el IED1 (que participa en el bus de proceso) dispone de 3 conexiones directas con las MU1, MU2 y MU3. La MU2 necesita cuatro puertos Ethernet para poder establecer conexiones directas con los IED1, IED4, IED5 e IED6.

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Figura 1. Bus de proceso basado en una topología punto a punto.

En las conexiones punto a multipunto, los IEDs de protección se conectan a una red de comunicaciones (switch en estrella representado en la Figura 2), a la que, a su vez, se conectan las distintas MUs. La topología representada en la Figura 2 presenta redundancia en el bus de proceso, esto es, todos los equipos se conectan a través de dos redes independientes (dos switches Ethernet NO conectados entre sí).

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Figura 2. Bus de proceso basado en una topología punto a multipunto.

La conexión de los equipos a la red principal se representa en línea continua, y la conexión de los equipos a la red de backup se representa en línea discontinua.

La solución de redundancia representada en la Figura 2 se basa en el estándar IEC 62439 PRP (Parallel Redundancy Protocol). Esta solución es muy atractiva, ya que la misma hace realidad el concepto de "bumpless redundancy", esto es, los tiempos de recuperación ante fallos unitarios de la red son nulos. La base de funcionamiento de este protocolo se representa en el esquema superior.

Una MU envía, a través de dos redes Ethernet no conectadas entre sí (principal y backup), la misma trama Ethernet. El IED de protección recibe las dos tramas, y descarta una de ellas. De este modo, en el caso de que hubiera cualquier tipo de problema en una de las dos redes Ethernet, el dispositivo de protección seguiría recibiendo las tramas Ethernet, y lo que es más importante, el tiempo de recuperación ante fallos de red es cero.

También merece la pena resaltar que el IED de protección en todo momento conoce el estado de ambas redes de comunicaciones, pudiendo notificar alarmas en el caso de detectar un fallo de red (por ejemplo, que no reciba tramas procedentes de dicha red en un período de tiempo preestablecido).

Por lo tanto, la cuestión que las distintas compañías eléctricas deben plantearse en este punto es: "¿Queremos un bus de proceso basado en una red de comunicaciones o nos olvidamos de la red de comunicaciones y conectamos todos con todos?".

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Conclusiones

Parece que el bus de proceso será indefectiblemente una realidad en los próximos años. En la actualidad, se están empezando a desarrollar, tanto en Chile como en otros países, las primeras experiencias piloto. De hecho, ya hay algunas exitosas en nuestro país.

Esta primera será una etapa intermedia en la que se utilicen MUs conectadas a transformadores de medida convencionales. Esto exigirá que se resuelvan aspectos de las comunicaciones, pero no habrá de requerir cambios en la algoritmia de los IEDs de protección y medida.

En una segunda etapa, probablemente se utilizarán MUs conectadas a transformadores no convencionales. Los aspectos de comunicaciones ya estarán resueltos previamente, y los desarrollos se enfocarán en la adaptación de los IEDs a la respuesta eléctrica de estos transformadores no convencionales.

Y en lo referente a la arquitectura de comunicaciones para el bus de proceso, podríamos concluir que una topología punto a punto puede ser la opción más adecuada para un número pequeño de conexiones entre los equipos que conforman el bus de proceso (cuatro podría ser el número de interfaces adecuado para un IED / MU). A medida que crece el número de equipos que deben intercambiar información en el bus de proceso, debiéramos desplegar una topología punto a multipunto.

Artículo gentileza de ZIV.
Raimond Silva, Ingeniero Eléctrico de Comulsa.
comulsa@comulsa.cl    -   www.comulsa.cl
Enero 2011
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Comentarios acerca de este artículo
douglas jose corpoelec (26/06/2017)
como definimos un bus de proceso, estoy comenzando con este tema
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