Una red de sincrofasores lleva las medidas de las PMU, fasores de tensión y corriente con estampa de tiempo absoluta, hasta concentradores de datos (PDC) que las alinean por tiempo y las entregan a las aplicaciones de monitoreo de área amplia (WAMS). El transporte habitual es el protocolo de IEEE C37.118.2 sobre redes IP, y todo depende de que cada PMU tenga una referencia de tiempo de microsegundos.
Qué es una red de sincrofasores
Una red de sincrofasores une unidades de medición fasorial (PMU) instaladas en subestaciones y centrales con concentradores de datos fasoriales (PDC) y, a través de ellos, con las aplicaciones del centro de control. A diferencia del SCADA, que actualiza cada pocos segundos, las PMU reportan decenas de veces por segundo y cada medida lleva una estampa de tiempo absoluta, de modo que se pueden comparar ángulos de puntos alejados de la red.
La PMU puede ser un equipo dedicado o una función dentro de un relé o de un registrador de fallas, donde se explican la medida, las clases P y M y el error vectorial total. Este artículo trata la red: cómo viajan los datos y qué exige cada tramo.
El conjunto de PMU, PDC, red y aplicaciones se llama WAMS (wide area monitoring system); cuando además actúa sobre el sistema, protección y control de área amplia (WAMPAC).
Qué tráfico lleva
IEEE C37.118.2. Es el protocolo de transferencia de sincrofasores más usado. Define tipos de mensaje, su contenido y formatos de datos para el intercambio en tiempo real entre PMU, PDC y aplicaciones, y puede viajar sobre cualquier protocolo de comunicación adecuado, en la práctica TCP o UDP sobre IP. Distingue tramas de datos (fasores, frecuencia, ROCOF, estado), de configuración (qué mide la PMU y en qué formato), de encabezado y de comando (por ejemplo, iniciar o detener el envío). La edición de 2011 fue reemplazada por la de 2024, que trata la ciberseguridad pero la deja fuera de su alcance.
IEC TR 61850-90-5. Describe cómo llevar sincrofasores según el modelo de IEEE C37.118 con conceptos IEC 61850, y define perfiles enrutables de GOOSE y valores muestreados que pueden atravesar redes IP. Así una PMU puede publicar sus datos con IEC 61850 a través de la WAN.
Tiempo. Cada PMU necesita su propia referencia: reloj GNSS, IRIG-B con extensiones IEEE 1344/C37.118, 1PPS o PTP. Las opciones se comparan en sincronización de tiempo.
Topología y redundancia
Dentro de la arquitectura de comunicaciones, la cadena típica es: PMU en la bahía → bus de estación → PDC local o directamente el router de la subestación → WAN → PDC del centro de control → aplicaciones y almacenamiento. Los PDC pueden encadenarse en varios niveles, y cada nivel suma espera y retardo.
- 01PMU en la bahíaFasores con estampa de tiempo absoluta
- 02Bus de estaciónRed de comunicaciones de la subestación
- 03PDC local o routerConcentra en la subestación o pasa directo a la WAN
- 04WANRed de área amplia hacia el centro de control
- 05PDC del centro de controlAlinea por tiempo las tramas de todas las PMU
- 06Aplicaciones y almacenamientoUso y archivo de los datos en el centro de control
IEEE C37.247 (2019) define las funciones mínimas de un PDC, sus requisitos de desempeño y cómo probarlas. La función central es la alineación por tiempo: el PDC espera las tramas de todas las PMU con la misma estampa antes de entregarlas juntas.
La redundancia se logra con dos caminos de WAN, PDC duplicados o en espejo y, dentro de la subestación, con la misma redundancia de la red de comunicaciones. Un informe del Departamento de Energía de EE. UU. (2016) cita una red de sincrofasores regional diseñada con latencia menor de 30 ms y disponibilidad mayor de 99,99 %.
Requisitos de tiempo y ancho de banda
- Tasas de reporte: IEEE C37.118.1 fija 10, 25 y 50 tramas por segundo en sistemas de 50 Hz y 10, 12, 15, 20, 30 y 60 en sistemas de 60 Hz.
- Contenido observable: la tasa limita qué se puede ver; con 30 tramas por segundo el límite es 15 Hz.
- Tiempo: el 1 % de error vectorial total equivale a 0,01 rad de ángulo; a 60 Hz eso son unos 26 µs de error de tiempo (unos 32 µs a 50 Hz), que consumirían por sí solos todo el margen.
- Ancho de banda por PMU: pequeño frente a los valores muestreados. Depende del número de fasores, de los canales analógicos y digitales, del formato (entero o coma flotante) y de la tasa.
NASPI propone describir cada aplicación por su tiempo de transferencia de extremo a extremo, su tasa de mensajes, su ventana de datos y su tolerancia a la pérdida de datos. Un PDC que espera demasiado poco convierte el retardo de la red en datos perdidos.
Criterios de diseño
- Partir de las aplicaciones: monitoreo de oscilaciones, estimación de estado, estabilidad de tensión, validación de modelos de generadores o esquemas automáticos. Cada una pide distinta tasa, latencia y tolerancia a pérdidas.
- Ubicación de las PMU según lo que se quiere observar: interconexiones, centrales y bordes del sistema.
- Identificadores únicos de PMU y nombres de canales coherentes en toda la red.
- Tiempo de espera del PDC acorde con la latencia real de la WAN.
- Seguridad: los sincrofasores salen de la subestación, así que necesitan segmentación, firewall y, si es posible, cifrado en la WAN. IEEE C37.118.2 deja la ciberseguridad fuera de su alcance.
Convencional frente a digital
En una subestación convencional la PMU toma corrientes y tensiones de los CT y PT por cable y envía C37.118.2 por la red IP. En una subestación digital la función PMU puede suscribirse a los valores muestreados del bus de proceso y publicar con los perfiles de IEC TR 61850-90-5. Lo que no cambia es la dependencia del tiempo absoluto.
Problemas típicos y diagnóstico
- Bit de sincronización en falso o ángulos que derivan respecto a otra subestación: antena GNSS, reloj en retención o formato IRIG-B.
- Datos faltantes en el PDC: latencia de WAN, tiempo de espera corto o pérdida de paquetes UDP.
- El PDC rechaza la PMU: configuración cambiada en la PMU sin actualizarla en el PDC, o identificador duplicado.
- Firewall que bloquea los puertos o el sentido del tráfico.
- Fasores con signo o relación errados: polaridad o relación de CT o PT configurada mal.
Para diagnosticar: captura con Wireshark (tiene disector para C37.118), las estadísticas de completitud y latencia que guarda el PDC y la comparación de ángulos con otro extremo.
Pruebas y puesta en servicio
- Cumplimiento de la PMU con un equipo de prueba según IEC/IEEE 60255-118-1: magnitud, ángulo, frecuencia y respuesta dinámica.
- Cableado de CT y PT con inyección y verificación de secuencia de fases.
- Tiempo: estado del reloj y comportamiento ante pérdida de GNSS.
- Extremo a extremo: que cada canal llegue al PDC con su nombre, tasa y latencia, sin pérdidas.
- Coherencia de ángulos entre subestaciones con carga.
¿Tiene PMU que no llegan al concentrador o datos con ángulos que no cuadran? En Tiza Group revisamos la configuración de la función PMU y de las comunicaciones con nuestra configuración remota de relés, o en sitio con nuestra ingeniería IEC 61850, en alta y extra alta tensión, en subestaciones e industria.
Referencias
- IEEE C37.118.1 e IEC/IEEE 60255-118-1: medición de sincrofasores.
- IEEE C37.118.2: transferencia de datos de sincrofasores (ediciones 2011 y 2024).
- IEC TR 61850-90-5: uso de IEC 61850 para transmitir sincrofasores según IEEE C37.118.
- IEEE C37.247: concentradores de datos fasoriales.
- NASPI, PNNL-28197 (2018): categorización de PMU por requisitos de datos de las aplicaciones.
- U.S. Department of Energy (2016): Advancement of Synchrophasor Technology.
Preguntas frecuentes
¿Qué diferencia hay entre una PMU y un PDC?
La PMU mide: calcula fasores, frecuencia y su tasa de cambio con estampa de tiempo y los envía a una tasa fija. El PDC no mide: recibe los flujos de varias PMU, los alinea por estampa de tiempo y los reenvía a aplicaciones o a otro PDC.
¿Por qué un PDC marca datos perdidos si la PMU sí los envió?
Porque el PDC espera cada estampa de tiempo solo durante un tiempo configurado. Si la trama llega tarde por la red, la descarta o la marca como faltante. También influyen la pérdida de paquetes, un firewall que bloquea el tráfico o una configuración de PMU que no coincide con la que tiene el PDC.
¿Una PMU con 30 tramas por segundo ve cualquier oscilación?
No. Con 30 tramas por segundo solo se representan sin aliasing fenómenos por debajo de 15 Hz, la mitad de la tasa. Las oscilaciones electromecánicas entre áreas quedan muy por debajo de ese límite, pero fenómenos más rápidos necesitan tasas mayores o registros de forma de onda.