Merging unit (unidad de fusión): IEC 61869-9, 9-2LE y pruebas

Qué es una merging unit y dónde se ubica

La merging unit, o unidad de fusión (MU), es el equipo que convierte las señales de los transformadores de medida en datos. Recibe las corrientes de los CT (transformadores de corriente) y las tensiones de los PT (transformadores de tensión), las muestra con una base de tiempo común y publica el resultado como un flujo de valores muestreados (SV) IEC 61850 por el bus de proceso.

Se instala cerca del equipo primario: en gabinetes de patio de una subestación AIS, en el gabinete de control local de una GIS o de un módulo híbrido, o dentro de las celdas de media tensión. Es la pieza que hace posible la subestación digital IEC 61850.

Partes principales

• Entradas analógicas de corriente y tensión desde CT y PT convencionales, o entradas de baja potencia desde transformadores de medida no convencionales.
• Convertidores analógico-digitales, filtros y calibración que compensan errores de magnitud y fase.
• Entrada de sincronización: PTP por la propia red o, en equipos de la generación 9-2LE, una señal 1PPS por fibra dedicada.
• Puertos Ethernet de fibra, a menudo con redundancia PRP o HSR.
• Entradas y salidas binarias, cuando además cumple funciones de IED de interruptor.
• Fuente de alimentación desde el sistema de corriente continua de la subestación (banco de baterías y cargador).

Cómo funciona

1. La MU muestrea las señales y les asigna un contador de muestra, SmpCnt, que vale cero en el inicio de cada segundo y avanza con cada muestra. Así cada muestra corresponde a un instante conocido dentro del segundo.
2. Publica tramas SV multicast de capa 2. Con la guía 9-2LE son 80 muestras por ciclo (4000 por segundo a 50 Hz y 4800 a 60 Hz), una muestra por trama y un conjunto fijo de cuatro corrientes (IA, IB, IC, IN) y cuatro tensiones (VA, VB, VC, VN), cada una con su calidad. La guía 9-2LE también definía un perfil de 256 muestras por ciclo para medida. Con IEC 61869-9 la configuración preferida es 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 aplicaciones de calidad de potencia.
3. Cada trama lleva el indicador smpSynch: 0 sin sincronización, 1 sincronizada a un reloj local y 2 sincronizada a un reloj global de alta exactitud (mejor que 1 µs).
4. El relé suscrito espera las muestras con el mismo SmpCnt de todas las MU que necesita, las alinea y ejecuta sus funciones.

El tráfico no es menor: en un ejemplo publicado por un fabricante, una trama 9-2LE típica ocupa 146 bytes y a 4800 tramas por segundo cada flujo consume unos 5,6 Mbps, de modo que unos 18 flujos saturan un enlace de 100 Mbps. Por eso el bus de proceso se diseña con VLAN, filtrado multicast y enlaces adecuados.

Variantes y diferencias

• SAMU (unidad de fusión independiente, IEC 61869-13). Recibe salidas analógicas normalizadas de CT y PT convencionales (por ejemplo 1 A, 5 A o 100 V/√3) y entrega la salida digital de IEC 61869-9. Es la opción para digitalizar subestaciones existentes.
• MU integrada en un transformador de medida no convencional. Sensores de baja potencia (bobinas Rogowski, divisores, ópticos) con su electrónica; la exactitud se especifica para el conjunto.
• IED de interruptor (breaker IED). Lee posiciones y alarmas del interruptor y los seccionadores, publica GOOSE y ejecuta los mandos y disparos recibidos por GOOSE. IEC 61869-13 admite combinar la función de SAMU con la de controlador de aparamenta de IEC 62271-3 o con funciones de IED de IEC 60255, y varios fabricantes venden un solo equipo con ambas.
• Frente a la bahía convencional. Desaparecen los cables de CT y PT hasta la casa de control, pero la protección pasa a depender de la red y del tiempo.

Datos clave de especificación

• Norma de la interfaz digital (IEC 61869-9 o compatibilidad 9-2LE) y perfiles de publicación soportados.
• Número de canales de corriente y tensión, y clases de exactitud de medida y protección.
• Entradas nominales (1 A o 5 A; tensión secundaria) para una SAMU.
• Métodos de sincronización (PTP según IEC/IEEE 61850-9-3, 1PPS) y tiempo de retención (holdover).
• Retardo máximo de procesamiento, según la norma y el fabricante.
• Redundancia de red (PRP, HSR) y cumplimiento ambiental para patio.
• Entradas y salidas binarias si actúa como IED de interruptor.

Un punto a revisar: cuando la MU y el CT son de fabricantes distintos, cada uno tiene su clase de exactitud y la combinación debe evaluarse para la aplicación.

Integración con protección y control

La MU contiene los nodos lógicos TCTR (corriente) y TVTR (tensión), que alimentan el flujo SV. El relé se suscribe y supervisa la recepción con LSVS; sus funciones de protección terminan en PTRC, que publica el disparo por GOOSE hacia el XCBR del IED de interruptor. Las posiciones que el IED de interruptor publica por GOOSE las usan el controlador de bahía para los enclavamientos y la RTU o gateway para el centro de control. Si llegan muestras con calidad inválida o con smpSynch distinto entre MU, el relé bloquea las funciones afectadas según su lógica.

Pruebas en puesta en servicio y mantenimiento

• Exactitud de magnitud y ángulo: se inyecta corriente y tensión en las entradas de la MU y se compara con lo que publica, usando un suscriptor SV. Ver inyección secundaria.
• Retardo de procesamiento: tiempo entre el inicio del segundo y la publicación de la muestra con SmpCnt igual a cero.
• Intervalo entre tramas y fluctuación (jitter).
• Muestras perdidas, fuera de secuencia o corruptas.
• smpSynch ante pérdida y recuperación del tiempo, y comportamiento durante el holdover.
• GOOSE de disparo y posiciones hasta las bobinas del interruptor.

Fallas comunes y qué revisar primero

• Bloqueo de la diferencial por sincronización: smpSynch de cada MU, estado del reloj y de los switches con PTP.
• Relación o polaridad mal configuradas en la MU: la medida publicada no coincide con la inyectada.
• Suscripción caída por cambio de identificador o revisión de configuración sin actualizar el SCD.
• Pérdida de tramas por saturación del bus de proceso o fibras dañadas.
• Canal con calidad inválida por falla de hardware o de una entrada.
• Falla de alimentación de la MU, que deja sin medidas a todos los relés suscritos.

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Referencias

• IEC 61869-9: transformadores de medida, interfaz digital para transformadores de medida.
• IEC 61869-13: transformadores de medida, unidad de fusión independiente (SAMU).
• IEC 61869-6: requisitos generales adicionales para transformadores de medida de baja potencia.
• IEC 61850-9-2: valores muestreados sobre ISO/IEC 8802-3.
• IEC/IEEE 61850-9-3: perfil PTP para la automatización de sistemas de potencia.
• IEC 61850-7-4: nodos lógicos compatibles.
• IEC 62271-3: interfaces digitales de la aparamenta de alta tensión basadas en IEC 61850.
• UCA International Users Group: guía de implementación para la interfaz digital de transformadores de medida con IEC 61850-9-2 (9-2LE), 2004.

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