La carga de un enlace del bus de proceso se estima sumando los flujos que lo atraviesan: cada flujo de valores muestreados aporta su número de tramas por segundo por el tamaño de cada trama en la línea, y los GOOSE aportan poco en reposo pero mucho en ráfaga. Con la guía 9-2LE cada merging unit publica miles de tramas por segundo, de modo que pocas decenas de flujos llenan un enlace de 100 Mbit/s; en un anillo HSR cada enlace transporta todo el tráfico del anillo. Por eso el bus de proceso se diseña con 1 Gbit/s, VLAN y filtrado.
Por qué el ancho de banda importa en el bus de proceso
En el bus de proceso, las merging units digitalizan las corrientes y tensiones de los transformadores de medida y las publican como Sampled Values (SV): tramas multicast de capa 2 que se envían miles de veces por segundo, sin pausa. A diferencia del bus de estación, donde el tráfico es moderado y llega en ráfagas, el bus de proceso tiene una carga continua y alta. Si un enlace se satura, se pierden muestras, y el relé que las usa bloquea su protección, como se explica en valores muestreados perdidos en el bus de proceso.
Por eso la carga de cada enlace se estima en la ingeniería, antes de elegir la velocidad de los puertos, la topología y la segmentación.
El tráfico de Sampled Values
Cada flujo SV se caracteriza por dos números: cuántas tramas por segundo publica y cuántos bytes ocupa cada trama.
Tasa de tramas. Depende del perfil:
- Guía 9-2LE (UCA, 2004): 80 muestras por ciclo para protección, una muestra por trama, con un conjunto fijo de cuatro corrientes y cuatro tensiones. Son 4000 tramas por segundo a 50 Hz y 4800 a 60 Hz. La guía también definía un perfil de 256 muestras por ciclo para medida.
- IEC 61869-9: la configuración preferida para protección es de 4800 muestras por segundo con dos muestras por trama, es decir 2400 tramas por segundo, independiente de la frecuencia de la red. La norma prevé tasas mayores para calidad de potencia.
Tamaño de trama. Lo forman la cabecera Ethernet, la etiqueta VLAN, la cabecera de SV, una o varias muestras (cada una con sus canales y su calidad) y, en redes redundantes, la etiqueta de PRP o de HSR. A eso se suma lo que la trama ocupa en la línea aunque no sea contenido: el preámbulo y el intervalo mínimo entre tramas, que en Ethernet añaden 20 bytes por trama.
La carga de un flujo es entonces:
carga (bit/s) = tramas por segundo × (bytes de la trama + 20) × 8
El tamaño de una trama 9-2LE no es fijo: crece con la longitud del svID, con la etiqueta VLAN (4 bytes) y, en redes PRP o HSR, con la etiqueta de redundancia (6 bytes). Con un svID de 10 caracteres y sin etiqueta de redundancia ronda los 130 bytes, y un ejemplo publicado por un fabricante da 146 bytes. Con esos 146 bytes, a 4800 tramas por segundo el flujo consume unos 5,6 Mbit/s sin contar el preámbulo y el intervalo, y unos 6,4 Mbit/s contándolos, de modo que unos 15 a 18 flujos llenan un enlace de 100 Mbit/s sin dejar margen para nada más. Puede hacer el cálculo con su svID, su tasa y su redundancia en nuestra herramienta gratuita de red de bus de proceso.
El tráfico GOOSE
El GOOSE se comporta de otra manera. En reposo, cada publicador repite su mensaje con un intervalo largo, y la carga es pequeña. Ante un cambio de estado, el publicador envía una ráfaga con intervalos muy cortos que se van alargando. Si una falla hace que muchos IED cambien a la vez (arranques, disparos, cambios de posición), las ráfagas coinciden.
Por eso el GOOSE se dimensiona por su peor caso: todos los publicadores relevantes en ráfaga al mismo tiempo. Su carga sigue siendo menor que la de los SV, pero llega justo cuando la red debe entregar disparos sin retardo, y compite con los SV por las colas de los switches. Aquí entra la prioridad de VLAN y prioridad IEEE 802.1Q: el tráfico de disparo no debe esperar detrás de tramas de menor importancia.
El efecto de la redundancia
La redundancia multiplica la carga de forma distinta según el protocolo, como se explica en PRP y HSR:
| Topología | Qué transporta cada enlace |
|---|---|
| Estrella con filtrado | Solo los flujos destinados a los equipos detrás de ese puerto |
| PRP (dos LAN) | Cada LAN transporta todo el tráfico, una vez; las tramas llevan una cola de redundancia |
| Anillo HSR | Cada enlace transporta, en cada sentido, todo el tráfico multicast que se inyecta en el anillo |
| Anillo RSTP | El tráfico del anillo por el camino activo; tras una falla, por el camino alternativo |
El caso HSR es el que más sorprende. Cada nodo envía cada trama en los dos sentidos, y cada copia recorre el anillo completo hasta que el nodo de origen la retira. El resultado es que todos los enlaces del anillo llevan la suma de los flujos de todos los nodos. Si un anillo HSR de 100 Mbit/s tiene varias merging units 9-2LE, se llena con pocas de ellas. Por eso los anillos HSR del bus de proceso suelen ir a 1 Gbit/s o dividirse en varios anillos.
- 01Inventario de flujosMerging units, perfil SV, publicadores GOOSE y tráfico de fondo
- 02Carga por flujoTramas por segundo por tamaño en línea
- 03RecorridoQué flujos atraviesan cada enlace según la topología y el filtrado
- 04Peor casoSV continuos más ráfaga GOOSE simultánea más fondo
- 05ComparaciónUtilización frente al criterio de diseño y la velocidad del enlace
Lo que se suma al fondo
El bus de proceso no lleva solo SV y GOOSE. También circulan los mensajes de PTP para la sincronización de las merging units, la gestión de los equipos de red y, en arquitecturas que unen bus de proceso y bus de estación, el tráfico MMS. Su carga es pequeña, pero se incluye en el cálculo con un margen.
Criterios de diseño
- Velocidad de los enlaces: 1 Gbit/s en troncales y anillos cuando hay varias merging units; 100 Mbit/s puede bastar en enlaces de acceso que llevan pocos flujos.
- Segmentación: VLAN por bahía o por función y filtrado multicast en los switches, para que cada puerto reciba solo los flujos que necesita.
- Margen: la utilización se compara contra un criterio de diseño conservador, que la ingeniería fija y documenta; no se diseña al límite.
- Latencia: cada salto añade el tiempo de almacenar y reenviar la trama más el de conmutación, y una trama de disparo puede esperar detrás de una trama larga. Con muchos saltos, la suma se compara con la clase de tiempo de transferencia exigida.
- Pruebas: la estimación se confirma con mediciones en la FAT, con todos los flujos activos.
Las direcciones MAC, APPID y VLAN de cada flujo se pueden asignar con nuestra herramienta gratuita de direcciones GOOSE y SV, que ayuda a ordenar la segmentación.
Cómo le ayudamos
El dimensionamiento del bus de proceso es parte de la ingeniería de una subestación digital, y es más barato corregirlo en el papel que en la FAT. En Tiza Group hacemos la ingeniería de comunicaciones de subestaciones digitales de alta y extra alta tensión: arquitectura del bus de proceso y de estación, redundancia, segmentación y estimación de carga y latencia. Es un trabajo que hacemos de forma remota. Cuéntenos su proyecto.
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Referencias
- IEC 61850-9-2, Specific communication service mapping (SCSM) – Sampled values over ISO/IEC 8802-3.
- IEC 61869-9, Instrument transformers – Part 9: Digital interface for instrument transformers.
- UCA International Users Group, Implementation guideline for digital interface to instrument transformers using IEC 61850-9-2 (9-2LE), 2004.
- IEC 62439-3, Parallel Redundancy Protocol (PRP) and High-availability Seamless Redundancy (HSR).
- IEC TR 61850-90-4:2020, Network engineering guidelines.
- IEC 61850-5, Communication requirements for functions and device models.
- IEEE 802.3, Standard for Ethernet.
Preguntas frecuentes
¿Cuántos flujos de Sampled Values caben en un enlace de 100 Mbit/s?
Depende del tamaño de la trama, de la tasa y del margen de diseño. En un ejemplo publicado por un fabricante, un flujo 9-2LE a 4800 tramas por segundo ocupa unos 5,6 Mbit/s, de modo que unos 18 flujos saturan 100 Mbit/s. En la práctica se deja un margen amplio y se usa 1 Gbit/s en los troncales.
¿Por qué un anillo HSR se llena antes que una red en estrella?
Porque en HSR cada nodo envía cada trama en los dos sentidos del anillo y cada copia recorre el anillo completo hasta volver al origen. Así, cada enlace transporta en cada sentido todo el tráfico multicast que se inyecta en el anillo, y el número de merging units que caben en un anillo queda limitado por la velocidad del enlace.
¿El GOOSE ocupa mucho ancho de banda?
En reposo, poco: cada publicador repite su mensaje con un intervalo largo. Ante un evento, el publicador envía una ráfaga con intervalos cortos, y si muchos IED cambian a la vez la carga sube de golpe. El dimensionamiento considera ese caso, no el promedio.