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Comunicaciones de subestación por nivel de tensión

Qué cambia en las comunicaciones de una subestación de media, alta y extra alta tensión: protocolos, topología, redundancia, tiempo y teleprotección.

Por Shadai García, ingeniero electricista, fundador y CEO de Tiza Group. Revisado por el equipo de ingeniería de Tiza Group · .

MTATEATestrellaanilloLAN A y BMTATEATTopologíaestrellaanillodos LANRedundancianingunaanillo RSTPPRPTiempoSNTPGNSS + IRIG-B2 × PTPCanalcelularfibra, 1042 rutas TPmismos bloques: crece la redundancia con la tensiónEAT: cada trama viaja por LAN A y LAN BMT: un canal y un switch suelen bastarRedTopologíaRedundanciaTiempoCanal© tizagrp.comMTATEATestrellaanilloLAN A y BMTATEATTopologíaestrellaanillodos LANRedundancianingunaanillo RSTPPRPTiempoSNTPGNSS + IRIG-B2 × PTPCanalcelularfibra, 1042 rutas TPmismos bloques: crece la redundancia con la tensiónEAT: cada trama viaja por LAN A y LAN BMT: un canal y un switch suelen bastarRedTopologíaRedundanciaTiempoCanal© tizagrp.com
Comunicaciones de la subestación según el nivel de tensión. Ubicación en el sistema, principio de funcionamiento e IEC 61850. Ilustrativo: los valores reales salen de la placa y del manual del fabricante.
Respuesta corta

Las comunicaciones de una subestación usan los mismos bloques en todos los niveles (IED, switch, reloj, gateway y canal hacia afuera), pero cambian la redundancia, el protocolo y la exactitud de tiempo. En media tensión predominan Modbus o DNP3 y enlaces sin redundancia; en alta tensión, IEC 61850 con RSTP o PRP e IEC 104 al centro de control; en extra alta tensión, PRP, teleprotección duplicada por rutas distintas y PTP.

Qué es igual en todas las subestaciones

Cualquier subestación, de 13,2 kV o de 500 kV, tiene los mismos bloques de comunicaciones:

  • IED de protección, control y medida en cada bahía.
  • Switch o equipo concentrador que los une.
  • Reloj que da la hora a todos.
  • Gateway o RTU que traduce los datos hacia el centro de control.
  • Canal hacia afuera: fibra, radio, celular, onda portadora o una red de transporte, para el SCADA remoto y para la teleprotección.

Lo que cambia con el nivel de tensión es cuánta redundancia se exige, qué protocolo se usa dentro y fuera, qué tan exacta debe ser la hora y cuántos canales de teleprotección hay. La red de comunicaciones de subestación describe esos bloques uno por uno; aquí se compara cómo se combinan en cada nivel.

Media tensión y distribución

En subestaciones de distribución, celdas de media tensión, reconectadores y subestaciones industriales pequeñas predomina la sencillez:

  • Protocolos: Modbus RTU o TCP hacia el SCADA local y DNP3 o IEC 60870-5-104 hacia el centro de control de la distribuidora. IEC 61850 aparece en celdas nuevas, a veces solo para GOOSE entre celdas.
  • Red: estrella simple o un anillo con RSTP. Una interrupción breve de la red suele ser aceptable porque el disparo va cableado del relé al interruptor.
  • Canal hacia afuera: fibra cuando la hay; si no, radio o celular, frecuentes en reconectadores y subestaciones rurales.
  • Tiempo: SNTP o IRIG-B; basta la exactitud de milisegundo para ordenar eventos.
  • Teleprotección: poco común; cuando existe, suele ser un esquema simple sobre fibra o radio.

Alta tensión

En alta tensión la subestación forma parte del sistema de transmisión o de la red regional, y las exigencias suben:

  • Protocolos: IEC 61850 dentro de la subestación, con MMS hacia el sistema de control y GOOSE para enclavamientos y, en proyectos recientes, para disparos. Hacia el centro de control, normalmente IEC 60870-5-104, con una lista de señales acordada con el operador.
  • Red: anillo con RSTP o doble estrella con PRP, según si la filosofía admite que la red se reconfigure durante unos milisegundos.
  • Tiempo: reloj GNSS con IRIG-B o SNTP para la estampa de eventos; PTP si hay sincrofasores o se prepara un bus de proceso.
  • Teleprotección: al menos un canal por línea, sobre fibra (directa o multiplexada) u onda portadora, para los esquemas de distancia y la diferencial de línea.

Extra alta tensión

En extra alta tensión la regla de diseño es que ninguna falla simple de un equipo de comunicaciones deje una línea sin protección:

  • Red: PRP con dos LAN físicamente separadas, con fuentes y rutas de fibra distintas, o HSR en el bus de proceso cuando lo hay.
  • Protección principal 1 y principal 2 con caminos de comunicación independientes.
  • Teleprotección duplicada por rutas distintas: por ejemplo, un canal por la fibra de la línea y otro por una ruta alterna o por onda portadora.
  • Tiempo: dos relojes GNSS con PTP y su perfil de potencia cuando hay valores muestreados o sincrofasores, más IRIG-B para equipos que lo piden.
  • Bus de proceso en subestaciones digitales, con unidades de fusión y valores muestreados. Con bus de proceso aparece además la opción de reunir las funciones de varias bahías en uno o dos equipos, la protección y control centralizado, que traslada la exigencia de redundancia a la red y al reloj.

Tabla de lo que varía

AspectoMedia tensiónAlta tensiónExtra alta tensión
Protocolo internoModbus, DNP3; IEC 61850 en celdas nuevasIEC 61850 MMS y GOOSEIEC 61850 MMS, GOOSE y, en subestación digital, SV
Hacia el centro de controlDNP3 o IEC 104, a veces por radio o celularIEC 104 por fibra o red de transporteIEC 104 con enlaces redundantes
TopologíaEstrella o anillo simpleAnillo o doble estrellaDoble estrella PRP, anillos HSR en el bus de proceso
RedundanciaNinguna o RSTPRSTP o PRPPRP, con P1 y P2 independientes
TiempoSNTP o IRIG-B (milisegundo)IRIG-B, SNTP y, a veces, PTPPTP de perfil de potencia, relojes duplicados
TeleprotecciónPoco comúnUn canal por líneaDos canales por rutas distintas

La tabla describe la práctica habitual, no un requisito de norma. Cada operador fija su filosofía, y una subestación de alta tensión crítica puede diseñarse con criterios de extra alta.

Qué se agrega al subir de nivel de tensión
  1. 01Media tensiónIED, switch, reloj y gateway; un camino
  2. 02Alta tensiónIEC 61850, anillo o doble estrella, IEC 104 y un canal de teleprotección
  3. 03Extra alta tensiónPRP, P1 y P2 independientes, teleprotección por dos rutas y PTP
  4. 04Subestación digitalBus de proceso con valores muestreados y unidades de fusión

Plantas industriales y solares

Una planta industrial o un parque solar con subestación propia tiene el mismo bloque, con dos diferencias:

  • Dos destinos de datos. El SCADA de la planta y el centro de control del operador de red o del transmisor. Cada uno pide su protocolo y su lista de señales, y entre ambos va un gateway con un firewall que separa las redes. Lo explica la guía para integrar la subestación al SCADA de la planta.
  • Requisitos regulatorios de supervisión. En Colombia, las plantas de generación conectadas al SIN deben quedar supervisadas en tiempo real por el CND, con las señales y medidas que fijan la regulación y los acuerdos del CNO. Las plantas renovables tienen además requisitos de sincrofasores: vea supervisión SCADA y PMU para plantas renovables.

En industria, el control de procesos suele hablar Modbus, PROFINET o EtherNet/IP, y la subestación, IEC 61850. El punto de unión es un gateway o un PLC con ambos protocolos; IEC 61850 en plantas industriales trata ese caso.

Errores de especificación frecuentes

  • Copiar la arquitectura de extra alta tensión en media tensión, con un costo que el proyecto no necesita.
  • Lo contrario: una subestación de alta tensión con disparos por GOOSE sobre un anillo RSTP sin evaluar el tiempo de reconfiguración.
  • Reloj sin redundancia en una subestación que depende de valores muestreados.
  • Teleprotección principal y de respaldo por la misma fibra, que deja de ser redundante cuando se corta el cable.
  • Lista de señales acordada tarde con el centro de control, lo que obliga a rehacer el gateway.

Diseño de comunicaciones con Tiza Group

La arquitectura correcta depende del nivel de tensión, del operador y del crecimiento previsto. Nuestro equipo diseña la red, la redundancia, el tiempo y los canales de teleprotección de subestaciones de media, alta y extra alta tensión, en el sector eléctrico y en industria, como parte de la ingeniería de comunicaciones. El diseño se hace de forma remota, sin desplazamientos. Si ya tiene los equipos, configuramos sus IED con la configuración remota de relés. Escríbanos con el nivel de tensión y la configuración de su subestación.

Guías relacionadas

Referencias

  • IEC TR 61850-90-4:2020, Communication networks and systems for power utility automation – Network engineering guidelines.
  • IEC 61850-5, Communication requirements for functions and device models.
  • IEC 62439-2 e IEC 62439-3: redundancia MRP, PRP y HSR.
  • IEC/IEEE 61850-9-3:2016: perfil PTP para la automatización de sistemas de potencia.
  • IEC 60870-5-104 e IEEE 1815 (DNP3).
  • IEC 60834-1: equipos de teleprotección, sistemas de comando.

Preguntas frecuentes

¿Una subestación de media tensión necesita IEC 61850?

No es obligatorio. Muchas subestaciones de distribución e industriales funcionan con Modbus o DNP3 y un solo enlace. IEC 61850 se justifica cuando hay enclavamientos entre bahías por GOOSE, varios fabricantes que deben integrarse o un plan de crecimiento hacia una subestación digital.

¿Por qué en extra alta tensión se duplica todo?

Porque una falla no despejada a tiempo en ese nivel compromete la estabilidad del sistema. Por eso se separan los caminos de la protección principal 1 y la principal 2, desde la red de la subestación hasta el canal de teleprotección, y ninguna falla simple de un equipo de comunicaciones debe dejar sin protección a la línea.

¿Qué cambia en una planta solar o industrial frente a una subestación de la empresa de energía?

El bloque es el mismo, pero aparecen dos destinos: el SCADA propio de la planta y el centro de control del operador o de la empresa de transmisión, cada uno con su protocolo y su lista de señales. La frontera entre ambos se resuelve con un gateway y un firewall.

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