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PTP, NTP o IRIG-B: qué sincronización usa cada aplicación

PTP frente a NTP e IRIG-B en subestaciones: exactitud que pide cada aplicación según IEC 61850-5, cableado frente a red, holdover y tabla de elección.

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

reloj maestro GNSSIRIG-Breléswitch TCNTPPTPgatewayMUexactitud (escala logarítmica)1 msT1100 µsT225 µsT34 µsT41 µsT5NTPIRIG-B: según formato y cablePTPeventos: 1 ms · valores muestreados: 1 µsTiempoGNSSRelojRed o cableIED© tizagrp.comreloj maestro GNSSIRIG-Breléswitch TCNTPPTPgatewayMUexactitud (escala logarítmica)1 msT1100 µsT225 µsT34 µsT41 µsT5NTPIRIG-B: según formato y cablePTPeventos: 1 ms · valores muestreados: 1 µsTiempoGNSSRelojRed o cableIED© tizagrp.com
PTP, NTP o IRIG-B: cómo llega la hora a cada IED y con qué exactitud. 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

La sincronización se elige por la exactitud que pide la aplicación. Para estampar eventos al milisegundo bastan NTP o SNTP por la red o IRIG-B por cable. Para valores muestreados, sincrofasores y localización por onda viajera se necesita un microsegundo o mejor, y eso lo dan PTP con el perfil de potencia o 1PPS. IRIG-B sigue siendo útil para equipos que no tienen PTP.

La pregunta correcta: qué exactitud pide la aplicación

No hay un método de sincronización mejor para todo. Cada aplicación de la subestación necesita una exactitud distinta, y la elección del método sale de ahí. IEC 61850-5 lo ordena con clases de desempeño de tiempo:

ClaseExactitudUso
T1±1 msEstampa de eventos
T2±100 µsEstampa de cruces por cero y sincronismo distribuido
T3±25 µsSincronización de transformadores de medida
T4±4 µsSincronización de transformadores de medida
T5±1 µsSincronización de transformadores de medida; nivel de valores muestreados, sincrofasores y onda viajera

Para dimensionar: a 60 Hz, un error de 1 µs equivale a unos 0,02 grados de ángulo; un error de 1 ms, a más de 21 grados. Ordenar eventos tolera el milisegundo; comparar muestras de corriente de dos unidades de fusión, no.

Las tres opciones

NTP y SNTP. Viajan por la red Ethernet existente. El cliente intercambia mensajes con el servidor y estima el desfase suponiendo que la ida y la vuelta tardan lo mismo. En una red de subestación quedan del orden del milisegundo, que cumple la clase T1. No necesitan cableado adicional ni switches especiales. Los detalles están en IRIG-B y SNTP.

IRIG-B. Un código de tiempo que viaja por un cable dedicado, coaxial o par trenzado, desde el reloj hasta cada equipo. Su exactitud depende del formato (el no modulado es mejor que el modulado en amplitud), de la calidad del reloj y de la longitud del cableado. Es el método tradicional para relés y registradores, y muchos equipos lo siguen pidiendo. Su costo está en el cableado: un hilo por equipo o por cadena de equipos.

PTP (IEEE 1588) con perfil de potencia. Viaja por la red, pero con dos diferencias frente a NTP: cada switch, como reloj transparente, mide y corrige el tiempo que la trama pasa en él, y cada enlace mide su propio retardo. El perfil IEC/IEEE 61850-9-3 apunta a un error inferior a 1 µs después de varios saltos. IEEE C37.238-2017 agrega información de calidad del tiempo. Exige switches y IED compatibles. Ver PTP IEEE 1588 perfil de potencia.

1PPS. Un pulso por segundo por cable, que marca el inicio exacto del segundo sin dar la hora. Se usa junto con otra fuente de la hora para las clases más exigentes en equipos que no tienen PTP.

Tabla de elección por aplicación

AplicaciónExactitud que necesitaMétodo habitual
Estampa de eventos y alarmas (SOE)Clase T1, milisegundoSNTP, NTP o IRIG-B
Registro de oscilografías para comparar extremosMilisegundo o mejorIRIG-B o PTP
Sincrofasores (PMU)MicrosegundoPTP o IRIG-B de buena calidad con 1PPS, según el equipo
Valores muestreados en bus de procesoClase T5, ±1 µsPTP con perfil de potencia o 1PPS
Diferencial de línea con referencia externaMicrosegundoGNSS en cada extremo, con PTP o IRIG-B local
Localización por onda viajeraSubmicrosegundoPTP o reloj dedicado del equipo

La tabla describe la práctica habitual. La especificación del fabricante de cada IED dice qué entradas de tiempo acepta y con qué exactitud.

Qué sincronización elegir
  • ¿Alguna función necesita un microsegundo o mejor (SV, PMU, onda viajera)?
    • Sí¿Los IED y switches soportan PTP con perfil de potencia?
      • SíPTP IEC/IEEE 61850-9-3 o C37.238-2017
      • NoIRIG-B con 1PPS desde el reloj, cableado a cada equipo
    • No, solo eventos al milisegundo¿Los equipos tienen entrada IRIG-B y se quiere independencia de la red?
      • SíIRIG-B por cable
      • NoSNTP o NTP por la red

Topología del tiempo

  • Reloj maestro GNSS en la casa de control, con antena en un lugar con vista despejada del cielo. En alta y extra alta tensión es común duplicarlo.
  • Distribución por cable (IRIG-B, 1PPS) con amplificadores o distribuidores cuando hay muchos equipos, cuidando la longitud y las terminaciones.
  • Distribución por red (NTP, PTP) por el bus de estación o de proceso. En PTP, todos los switches del camino deben actuar como relojes transparentes o de frontera; un switch sin PTP en el medio degrada la exactitud.
  • Redundancia de red. PTP funciona sobre PRP y HSR con relojes que reconocen las dos rutas.

Retención (holdover)

Si el reloj pierde la señal GNSS, sigue con su oscilador interno. Un oscilador de cuarzo deriva más rápido que uno de rubidio o un cuarzo de horno. Lo que importa es cuánto tiempo puede mantener la exactitud que pide la aplicación más exigente. En PTP, el perfil obliga al reloj a avisar el cambio de estado con su clase de reloj, de modo que las unidades de fusión y los IED sepan si el tiempo sigue siendo confiable. La guía de sincronización de tiempo en subestaciones detalla las clases y alarmas.

Errores frecuentes

  • Pedir PTP en toda la subestación cuando solo hay eventos al milisegundo, con un costo de switches que no hacía falta.
  • Lo contrario: un bus de proceso con SNTP.
  • Un switch sin reloj transparente en medio de una red PTP.
  • Antena GNSS mal ubicada o sin protección contra sobretensiones.
  • Zona horaria y hora local configuradas distinto en IED, gateway y SCADA, que desordenan los eventos. El síntoma y su diagnóstico están en pérdida de sincronización de tiempo.

Sincronización de tiempo con Tiza Group

Configuramos relojes, perfiles PTP, IRIG-B y SNTP en IED, switches y gateways, y probamos la exactitud y la retención en la puesta en servicio, dentro de nuestro servicio de ingeniería IEC 61850, en media, alta y extra alta tensión, en subestaciones e industria. Si el problema está en la configuración de tiempo de un relé, lo revisamos con la configuración remota de relés. Escríbanos con las aplicaciones de su subestación.

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Referencias

  • IEC 61850-5: requisitos de comunicación, clases de desempeño de tiempo.
  • IEC/IEEE 61850-9-3:2016: perfil PTP para la automatización de sistemas de potencia.
  • IEEE C37.238-2017: perfil PTP para aplicaciones de sistemas de potencia.
  • IEEE 1588: protocolo de sincronización de relojes de precisión.
  • IEC/IEEE 60255-118-1: medición de sincrofasores.
  • IRIG Standard 200: formatos de código de tiempo.

Preguntas frecuentes

¿Qué es más exacto, PTP o NTP?

PTP con perfil de potencia, porque los switches miden y corrigen el tiempo que la trama pasa en ellos y cada enlace mide su retardo; así llega a menos de un microsegundo. NTP y SNTP no corrigen el retardo dentro de los switches y en una red local quedan del orden del milisegundo, suficiente para eventos pero no para valores muestreados.

¿Puedo reemplazar IRIG-B por PTP en una subestación existente?

Sí, si los IED tienen PTP con el perfil adecuado y los switches actúan como relojes transparentes. En la transición es común que el reloj entregue PTP por la red e IRIG-B por cable a los equipos antiguos, o usar convertidores de PTP a IRIG-B.

¿Qué pasa si se pierde la señal GNSS del reloj?

El reloj entra en retención (holdover) y sigue con su oscilador interno, que deriva con el tiempo. La exactitud que mantiene depende del oscilador. En PTP el reloj cambia su clase para avisar a los equipos; si sale de especificación, las funciones que dependen del microsegundo pueden bloquearse.

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