INGENIERO ELÉCTRICO Por

Protecciones Adaptativas para la Operación en Isla de Generación Distribuida: Diseño básico de infraestructuras

Eléctrica y de Telecomunicaciones.

1

PROYECTO DE GRADO

Presentado a:

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES,

FACULTAD DE INGENIERÍA,

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

Para Obtener el título de:

INGENIERO ELÉCTRICO

Por:

Julián David Pardo Sierra

Protecciones Adaptativas para la Operación en isla de Generación

Distribuida: Diseño básico de infraestructuras Eléctrica y de

Telecomunicaciones.

Asesor: Mario Alberto Ríos, Profesor Asociado, Universidad de los Andes.

Co-Asesor: Roberto Bustamante, Profesor Asociado, Universidad de los Andes



2

Tabla de Contenidos

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 5

1.1 INTRODUCCIÓN Y JUSTIFICACIÓN ................................................................................................ 5

1.2 OBJETIVOS GENERALES ............................................................................................................... 6

1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................................................................. 6

1.4 ALCANCE ..................................................................................................................................... 6

CAPÍTULO 2. PROTECCIONES ADAPTATIVAS .......................................................................................... 6

2.1 PROTECCIÓN PARA GD SINCRÓNICA ........................................................................................... 6

2.2 OPERACIÓN EN ISLA E INTERCONEXIÓN ....................................................................................... 7

2.3 ESQUEMAS Y EQUIPOS DE PROTECCIÓN ....................................................................................... 8

2.3.1 Esquemas de Protección ........................................................................................................................ 8

2.3.2 Equipos de Protección ......................................................................................................................... 10

2.4 RED DE TELECOMUNICACIONES ................................................................................................. 11

CAPÍTULO 3. AJUSTE DE LAS PROTECCIONES ELÉCTRICAS .................................................................... 13

3.1 CASO DE ESTUDIO ..................................................................................................................... 13

3.2 UBICACIÓN DE PROTECCIONES .................................................................................................. 14

3.3 COORDINACIÓN DE PROTECCIONES ........................................................................................... 16

3.3.1 Coordinación para la Configuración Inicial........................................................................................... 16

3.3.2 Implementación del algoritmo para el reconectador 11 ..................................................................... 23

CAPÍTULO 4. RED DE COMUNICACIONES. ............................................................................................. 25

4.1 REQUERIMIENTOS DEL DISEÑO DE LA RED ................................................................................. 25

4.1.1 Requerimientos de una Red de Telecominicaciones en Subestaciones ............................................... 25

4.1.2 Requerimientos de una Red de Telecomunicaciones 3G UMTS-HSDPA .................................................... 26

4.2 TOPOLOGÍA DE LA RED .............................................................................................................. 27

4.3 ARQUITECTURA DE LA RED ....................................................................................................... 29

4.4 IMPLEMENTACIÓN EN NS2 ......................................................................................................... 30

CONCLUSIONES .............................................................................................................................. 34

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................. 35

ANEXOS A ............................................................................................................................................ 37

ANEXOS B ............................................................................................................................................ 40

ANEXOS C ............................................................................................................................................ 44

ANEXOS D ............................................................................................................................................ 52



3

LISTA DE FIGURAS

FIG. 1 ESQUEMAS DE CONEXIÓN DE UNIDADES DE GD A LA RED [5]. ..................................................................... 8

FIG. 2 ESQUEMAS DE PROTECCIÓN PARA GENERADORES [9]. ............................................................................... 9

FIG. 3 ESQUEMA DE PROTECCIÓN SWITCHGEAR [9]. ........................................................................................... 9

FIG. 4 ESQUEMA DE PROTECCIÓN PARA FEEDERS [9]. ........................................................................................ 10

FIG. 5 DIAGRAMA UNIFILAR DEL SISTEMA RBTS 4 IMPLEMENTADO EN ETAP ....................................................... 13

FIG. 6 IDENTIFICACIÓN DE LOS RAMALES DEL SISTEMA. ...................................................................................... 13

FIG. 7 PROTECCIONES AÑADIDAS A F1 DEL SISTEMA TOMADO DE [8]. ................................................................. 14



FIG. 10 DIAGRAMA DE ESTADOS DEL ALGORITMO, REPRESENTACIÓN CONCEPTUAL. .............................................. 16

FIG. 11 CÓDIGO DEL ALGORITMO DE LA FIGURA 9 APLICADO AL RECONECTADOR 11 EN MATLAB ......................... 24

FIG. 12 APLICACIÓN DEL CONCEPTO DE NODOS AL CASO DE ESTUDIO. ................................................................. 26

FIG. 13 TOPOLOGÍA PARA F1 O F3. ............................................................................................................... 27

FIG. 14 TOPOLOGÍA EN F2. ............................................................................................................................ 28

FIG. 15 TOPOLOGÍA PARA EL CASO BASE. ......................................................................................................... 28

FIG. 16 PERFIL DE COMUNICACIONES [17]. ..................................................................................................... 29

LISTA DE FIGURAS ANEXAS

FIGURA ANEXA 1 SISTEMA RBTS. .................................................................................................................... 37

FIGURA ANEXA 2 POSIBLE ISLA EN F1. .............................................................................................................. 37

FIGURA ANEXA 3 CONFIGURACIÓN 1 DE UNA POSIBLE ISLA EN F2 ........................................................................ 38

FIGURA ANEXA 4 CONFIGURACIÓN 2 DE UNA POSIBLE ISLA EN F2. ....................................................................... 38

FIGURA ANEXA 5 CONFIGURACIÓN 3 DE UNA POSIBLE ISLA EN F2. ....................................................................... 39

FIGURA ANEXA 6 POSIBLE ISLA EN F3. .............................................................................................................. 39

FIGURA ANEXA 7. MODELO DE TRAZA, SALIDA DE SIMULACIÓN EN NS2. .............................................................. 40

FIGURA ANEXA 8. INTERFAZ DEL PROGRAMA DESARROLLADO. ............................................................................. 51



4

LISTA DE TABLAS

TABLA I RESULTADOS DEL FLUJO DE CARGA PARA F2 CON LOS DOS GENERADORES LOCALES ................................... 17

TABLA II RESULTADOS DEL FLUJO DE CARGA PARA EL GENERADOR DE LA ISLA EN F1 ............................................... 17

TABLA III RESULTADOS DEL FLUJO DE CARGA PARA LAS CARGAS DE LA ISLA EN F1 .................................................. 17

TABLA IV RESULTADOS DEL FLUJO DE CARGA PARA EL GENERADOR DE LA ISLA EN LA FIGURA ANEXA 3 ...................... 18

TABLA V RESULTADOS DEL FLUJO DE CARGA PARA LAS CARGAS DE LA ISLA EN LA FIGURA ANEXA 3. .......................... 18

TABLA VI RESULTADOS DEL FLUJO DE CARGA PARA EL GENERADOR DE LA ISLA EN LA FIGURA ANEXA 4. ..................... 18

TABLA VII RESULTADOS DEL FLUJO DE CARGA PARA LAS CARGAS DE LA ISLA EN LA FIGURA ANEXA 4. ........................ 18

TABLA VIII RESULTADOS DEL FLUJO DE CARGA PARA EL GENERADOR DE LA ISLA EN LA FIGURA ANEXA 5. ................... 18

TABLA IX RESULTADOS DEL FLUJO DE CARGA PARA LAS CARGAS DE LA ISLA EN LA FIGURA ANEXA 5. ......................... 18

TABLA X RESULTADOS DEL FLUJO DE CARGA PARA EL GENERADOR DE LA ISLA EN LA FIGURA ANEXA 6. ...................... 18

TABLA XI RESULTADOS DEL FLUJO DE CARGA PARA LAS CARGAS DE LA ISLA EN LA FIGURA ANEXA 6. ......................... 18

TABLA XII PARÁMETROS DEL SISTEMA PARA EL AJUSTE DE LAS PROTECCIONES EN F1 (CONFIGURACIÓN INICIAL). ...... 19

TABLA XIII PARÁMETROS DEL AJUSTE DE LAS PROTECCIONES EN F1 (CONFIGURACIÓN INICIAL). .............................. 20

TABLA XIV PARÁMETROS DEL SISTEMA PARA EL AJUSTE DE LAS PROTECCIONES EN F2 CON GENERADOR EN EL TRONCO

DE LA RAMA (CONFIGURACIÓN INICIAL). .................................................................................................. 20

TABLA XV PARÁMETROS DEL AJUSTE DE LAS PROTECCIONES EN F2 CON GENERADOR EN EL TRONCO DE LA RAMA

(CONFIGURACIÓN INICIAL). ..................................................................................................................... 21

TABLA XVI PARÁMETROS DEL SISTEMA PARA EL AJUSTE DE LAS PROTECCIONES EN F2 CON GENERADOR EN EL TRONCO

Y AL FINAL DE LA RAMA (CONFIGURACIÓN INICIAL). ................................................................................... 21

TABLA XVII PARÁMETROS DEL AJUSTE DE LAS PROTECCIONES EN F2 CON GENERADORES EN EL TRONCO Y AL FINAL DE

LA RAMA (CONFIGURACIÓN INICIAL). ....................................................................................................... 21

TABLA XVIII PARÁMETROS DEL SISTEMA PARA EL AJUSTE DE LAS PROTECCIONES EN F3 CON GENERADOR AL FINAL DE LA

RAMA (CONFIGURACIÓN INICIAL). ........................................................................................................... 22

TABLA XIX PARÁMETROS DEL AJUSTE DE LAS PROTECCIONES EN F2 CON GENERADOR AL FINAL DE LA RAMA

(CONFIGURACIÓN INICIAL). .................................................................................................................... 22

TABLA XX PARÁMETROS DEL SISTEMA PARA EL AJUSTE DE LAS PROTECCIONES EN F3 (CONFIGURACIÓN INICIAL). ...... 22

TABLA XXI PARÁMETROS DEL AJUSTE DE LAS PROTECCIONES EN F3 (CONFIGURACIÓN INICIAL). .............................. 23

TABLA XXII ARQUITECTURA DE COMUNICACIONES. ........................................................................................... 30

TABLA XXIII. TIEMPOS DE RETARDO PROMEDIO PARA LA TOPOLOGÍA DE LA FIGURA 13. ......................................... 31

TABLA XXIV TIEMPOS DE RETARDO PROMEDIO PARA LA TOPOLOGÍA DE LA FIGURA 14. .......................................... 32

TABLA XXV. TIEMPOS DE RETARDO PARA LA TOPOLOGÍA DE LA FIGURA 15 CON LOS EQUIPOS DE LOS RAMALES F1 Y F3

A 3KM DEL NODO BS. ............................................................................................................................ 32

TABLA XXVI. TIEMPOS DE RETARDO PARA LA TOPOLOGÍA DE LA FIGURA 15 CON LOS EQUIPOS DE LOS RAMALES F1 Y F3

A 4KM DEL NODO BS. ............................................................................................................................ 33

LISTA DE TABLAS ANEXAS

TABLA ANEXA I. SIMBOLOGÍA PARA RELÉS Y OTROS ELEMENTOS DE LAS NORMAS ANSI E IEC. ................................ 40

TABLA ANEXA II. NIVELES DE CORTO CIRCUITO PARA F2 CON EL GEN 30 Y GEN 33 CONECTADOS AL SISTEMA. ........ 41

TABLA ANEXA III. PERFIL A [17] ..................................................................................................................... 42

TABLA ANEXA IV. PERFIL T [17]. ..................................................................................................................... 42

TABLA ANEXA V. DESCRIPCIÓN DE LOS NODOS LÓGICOS USADOS PARA EL DISEÑO DE LA RED. ................................. 43



5

CAPÍTULO 1. Introducción

1.1 Introducción y Justificación

La naturaleza de sistemas de distribución ha sido tradicionalmente radial y desbalanceada.

Consiste en una red con secciones de línea de una sola fase, dos fases y tres fases. La carga en

los respectivos buses puede ser desbalanceada también. Por lo tanto, todo análisis en sistemas

de distribución ha sido esencialmente el análisis de una red trifásica desbalanceada alimentada

por una fuente trifásica simple. En los sistemas de protecciones predominan principalmente los

interruptores ubicados en las líneas principales de alimentación coordinados con fusibles a los

laterales.

La generación distribuida es por definición la generación de tamaño limitado (de algunos

kilovatios a algunos megavatios) e interconectada a nivel de subestaciones, líneas de

alimentación o carga de clientes. Las tecnologías de GD incluyen paneles fotovoltaicos, turbinas

de viento, micro turbinas, celdas de combustible, turbinas de gas y motores de combustión

interna. El costo en transmisión y distribución está aumentando, pero el costo de las tecnologías

de GD está disminuyendo. Esto hace que el incremento en la carga, conectada a la GD hacia

líneas de alimentación en distribución, sea más económico por encima de ampliar instalaciones

de distribución y de transmisión [1].

La implementación de un nuevo sistema de generación trae consigo grandes problemas y retos a

la espera de una solución. Si bien la introducción masiva de GD aún no es una realidad en la

mayoría de sistemas a escala mundial. En este nuevo escenario, sumado al desarrollo

tecnológico de estas alternativas de generación se abren nuevos desafíos en la definición de

marcos regulatorios, esquemas de operación y creación de nuevos productos y servicios [2].

Los reconectadores convencionales y los fusibles no tienen un modo de operación compatible

con la dirección del flujo, sin embargo los relés pueden ser fácilmente sensibles a esta dirección.

Sería económicamente impráctico cambiar todos los fusibles y reconectadores por dispositivos

de protección sensibles a la dirección del flujo a lo largo de todo el sistema de distribución. Por

esto, un análisis más detallado es requerido para identificar exactamente el problema en

coordinación fusible-fusible y fusible-reconectador en sistemas con alta penetración de GD.

En este contexto, este documento describe una posible solución a algunos de los problemas

mencionados anteriormente, brindando una propuesta clara para el estudio de la GD en un

sistema de distribución radial. Para una operación viable en isla o interconectado al sistema de

potencia se requiere:

Ajuste y coordinación de protecciones adaptativas dependiendo de la condición de operación del

sistema; se debe considerar, para la operación en isla del sistema, que la potencia consumida por

la carga no puede ser mayor a la suministrada por el generador local.

Diseñar la red de comunicaciones que permita el intercambio de información entre los

equipos de protección.

Considerar las restricciones legales y operativas existentes actualmente con el fin de

generar una propuesta completa de conexión a la red de distribución.



6

1.2 Objetivos Generales

Diseñar un esquema de protecciones capaz de formar una isla, al momento de una falla en el

sistema de distribución, con un GD de 2MW.

Diseñar la coordinación de protecciones adaptativas para sistemas de distribución bajo

diferentes condiciones de la Generación Distribuida.

Diseñar el esquema básico de la red de Telecomunicaciones UMTS-HSDPA que permita la

operación de las protecciones involucradas en la operación del GD.

1.3 Objetivos Específicos

Realizar una revisión del estado de arte de los esquemas de protecciones adaptativas en

sistemas de Distribución con Generación Distribuida.

Realizar una revisión del estado de arte del diseño y aplicaciones de redes de

telecomunicaciones aplicadas a sistemas de protecciones adaptativas y gestión de redes.

Establecer la metodología apropiada para la definición de isla atendible por un generador

local.

Determinar los equipos de protección requeridos y realizar el ajuste de los mismos.

Planteamiento del diseño básico del sistema, para esto se especificarán los equipos

eléctricos requeridos.

Planteamiento conceptual de la red UMTS-HSDPA.

Diseño Básico de la red de Telecomunicaciones.

Realización de informe y sustentación de los resultados.

1.4 Alcance

El alcance de este proyecto se centra en el diseño básico de un sistema de protecciones

adaptativas de sobrecorriente (infraestructura eléctrica y red de telecomunicaciones) para la

operación de GD, esto se realizará por medio del análisis completo del sistema de prueba

teniendo en cuenta diferentes parámetros presentados por varios casos de estudio.

CAPÍTULO 2. Protecciones Adaptativas

2.1 Protección para GD Sincrónica

La Generación Distribuida en Colombia se define como aquel tipo de generación eléctrica a

pequeña escala, con una capacidad efectiva menor a 20MW, conectada a un sistema de

distribución local (SDL) que no tiene acceso directo a la red de transmisión y cumple con los

requisitos de conexión [3]. Por otro lado, un dispositivo de protección eléctrica es aquel que

cumple con el objetivo de detectar las fallas o condiciones anormales de operación del sistema

eléctrico y aislar lo más rápidamente posible la falla conservando en servicio la mayor parte

posible del sistema. Las protecciones eléctricas adaptativas son aquellas que modifican sus

parámetros de ajuste automáticamente con base en las condiciones operativas del sistema [4].



7

Como se establece en [4] los requerimientos de un sistema de protección son:

1. Selectividad: Es el requerimiento que asegura a los usuarios máxima continuidad del

servicio, al operar de forma adecuada el sistema de protección, en situaciones que así lo

ameriten. El ajuste de la selectividad se alcanza mediante la coordinación de protecciones.

2. Velocidad: Es el requerimiento que asegura una duración mínima de las fallas, para

minimizar los daños en el sistema.

3. Sensitividad: Se refiere a la detección de las fallas a tiempo.

4. Confiabilidad: Se refiere a la habilidad del sistema de protecciones de operar

correctamente.

La operación ideal de cualquier esquema de protección es aislar únicamente la sección afectada

por una falla en el sistema. Para dispositivos como fusibles o breakers esto resulta imposible y

la coordinación entre estos se pierde en presencia de GD. Por otro lado los fusibles no pueden

ser controlados por una señal externa, por ende no podrían ser activados por dispositivos como

relés. La mejor aproximación para obtener nuestro esquema de protección en presencia de un

GD es dividir el sistema en zonas como se explica a continuación [1].

2.2 Operación en Isla e Interconexión

Operación en Isla

En muchos sistemas de distribución actuales se tienen conectados diferentes clases de

generación distribuida (GD) por ejemplo los parques eólicos, paneles solares y generación

mediante diesel u otro combustible. Al ocurrir una falla en el sistema de distribución, esta es

generalmente detectada y aislada mediante el sistema de protección más cercana al punto

fallado del sistema, resultando en la desconexión de una parte o todo el sistema de distribución

del sistema eléctrico. Entonces, el conjunto de unidades de generación distribuida trata de

suministrar su potencia a la parte del sistema de distribución que ha sido desconectado del

sistema eléctrico y en la mayoría de los casos este sistema de GD asume una condición de

sobrecarga, donde se disminuyen el voltaje y la frecuencia operacional del sistema aislado. Esto

trae como resultado a la desconexión definitiva del sistema de GD por sus protecciones de

mínimo voltaje, mínima frecuencia o velocidad máxima/mínima. La desconexión depende

grandemente entre la generación y la demanda del sistema aislado (islanded system). Entonces

cuando se suministra potencia a un grupo de cargas solamente a partir de los generadores

distribuidos, debido a la apertura del interruptor principal, a esa situación se le llama operación

aislada u operación en isla (islanded operation) de la red eléctrica de distribución [3]

Operación en Interconexión con el Sistema de Distribución

De acuerdo con [5], Para la conexión adecuada de generadores locales sincrónicos, los SDL

deben tener en cuenta las posibilidades de esquemas de conexión a la red planteadas en la figura

1.



8

Fig. 1 Esquemas de conexión de unidades de GD a la red [5].

De la gráfica anterior se puede observar que el GD1 se encuentra conectado a un punto PCC de

una red de distribución a través de una línea existente de media tensión; el GD2 -por su parte- se

encuentra conectado directamente a un punto PCC en media tensión por medio de la

construcción de una línea. El GD3 se encuentra conectado a la red de alta tensión por medio de

un punto de transformación, mientras que el GD4 (a parte de la necesidad de instalación de un

transformador) se realiza su conexión a la red de alta tensión por medio de una línea existente.

Finalmente el GD5 se interconecta al conectar una nueva línea de alta tensión a la subestación

[5].

Aunque a nivel internacional encontramos estándares para la operación en interconexión con el

sistema, como la norma IEEE 1547, es importante considerar que éstos aún no se encuentran

definidos específicamente para el caso Colombiano. En este caso es importante considerar la

resolución CREG 070 y la resolución CREG 025, en donde se establecen algunos criterios de

operación que se deben cumplir por parte de cualquier recurso SIN y con esto lograr la

definición de un proceso de evaluación de la operación de estas unidades en Colombia.

2.3 Esquemas y Equipos de Protección

2.3.1 ESQUEMAS DE PROTECCIÓN

En [8] Se pueden apreciar los diferentes esquemas de protección en el sistema (RBTS bus 4)

con diversos casos de penetración de GD. Sin embargo para poder realizar un esquema de

protección adaptativa, es necesario reemplazar algunos de los fusibles por reconectadores

capaces tanto de comunicarse con el puerto de control, como de desconectar la porción del

sistema alimentada por el generador local. Para esto se debe tener en cuenta los siguientes

esquemas de protección:



9

Esquema de Protección de Generadores

Considerando que el generador que se tiene es de mediano tamaño se escogió el siguiente

esquema:

Fig. 2 Esquemas de Protección para generadores [9].

En la figura 2 se propone un sistema de protección que cuenta con protecciones instantáneas y

temporizadas de sobrecorriente, además de las debidas protecciones para sobre y sub voltaje.

También cuenta con una protección de frecuencia ya que es necesario que la fuente de

generación este siempre en fase con el sistema.

Otro aspecto importante es el hecho de que el generador está aterrizado a tierra por medio de

una resistencia, esto con el fin de proteger al personal operativo de tensiones de paso y de

contacto, sin embargo cuando la corriente por esta conexión supera un tiempo determinado,

indica que algo anda mal, por esto es necesario el uso de un relé temporizado de sobrecorriente

a tierra que desconecte la tierra en caso de tener algún problema.

Esquema de Protección SwitchGear

El esquema de protección de la barra SwitchGear se muestra a continuación:

Fig. 3 Esquema de protección SwitchGear [9].



10

Como se puede apreciar en la figura 8 el esquema de protección de la barra SwitchGear se basa

únicamente en relés de sobrecorriente tanto de fase como a tierra, puesto que es el problema

principal que puede afectar la barra.

Esquema de Protección de Red Eléctrica o Feeder

Para la protección del Feeder se tiene el siguiente esquema:

Fig. 4 Esquema de protección para feeders [9].

Para la protección de la alimentación se tienen únicamente relés de sobrecorriente tanto

temporizados como instantáneos, ya que es el único problema que podría afectar la

alimentación. La tabla I, en anexos, nos muestra las definiciones de números de ANSI para los

diferentes dispositivos de protección.

2.3.2 EQUIPOS DE PROTECCIÓN

A lo largo del proyecto se manejarán las protecciones de sobrecorriente ya que es la

consecuencia más común de fallas en un sistema de potencia. Se define como sobrecorriente a

cualquier valor que excede la corriente normal de operación de un dispositivo. Para prevenir un

daño grave en el sistema, los equipos más comunes para la protección de este son:

Relés de sobrecarga: Relés térmicos, imagen térmica.

Fusibles

Interruptores térmicos

Relés de Sobrecorriente.

Ya que la idea es realizar un esquema de protección adaptativo, nos enfocaremos en el último

equipo por facilidad y además, equipos como los fusibles e interruptores no pueden ser

controlados por una señal externa [4]. Debido a que es necesaria una implementación

económica de estas protecciones; se realizó una revisión del estado de arte de algunas

protecciones eléctricas disponibles en el mercado, las cuales pueden ser de ayuda para la

implementación de un esquema adaptativo de protecciones.

Reconectador Siemens vacuum 3AD

Los reconectadores vacuum 3AD son interruptores automáticos diseñados para aperturas y re-

cierres frecuentes en caso de fallas temporales. Estos llevan a cabo esta tarea automáticamente



11

por medio del monitoreo de la línea operando autónomamente. El reconectador se compone de

dos partes: La unidad conmutadora es la parte primaria del reconectador. Se ubica en la parte

alta del poste para conmutar la línea aérea. Por otro lado, el controlador está ubicado en una

celda en la parte baja del poste. El acceso de comunicación a la funcionalidad de relé se realiza

mediante un puerto USB para conexión local o mediante un puerto eléctrico trasero RS485 para

conexión remota [11].

Reconectador GridShield ABB con controlador RER620

Emparejado con el dispositivo electrónico más inteligente de la industria (el RER620), el

reconectador GridShield es producto de una extensa investigación y prueba, con el fin de crear

el más confiable y técnicamente adaptable reconectador del mercado. Ya sea operando en tres o

una fase, conectando generación distribuida al sistema o comunicándose utilizando mensajes

GOOSE bajo IEC61850 [12].

Reconectador Schneider Serie-U ACR

El reconectador automático serie-u usa interruptores vacuum, contenida en bujes de epoxi,

eliminando la necesidad de aisladores como aceite y gas. El mecanismo está contenido en un

tanque de grado 316 de acero inoxidable con una tapa de acero inoxidable. Las ventajas en

cuanto a protección, adquisición de datos y habilidades de comunicación son posibles por la

tecnología guardada en la celda de control. En ella se puede instalar un modem especial o de

radio dependiendo de la necesidad, por defecto viene con un modem V23 FSK [14].

2.4 Red de Telecomunicaciones

Básicamente la red de telecomunicaciones en un sistema de potencia hace referencia a los

sistemas de monitoreo, intercambio de información y control (MIC por sus siglas en ingles) para

GD deben proporcionar soporte de interoperabilidad entre los dispositivos de GD y el área del

sistema de energía eléctrica. Interoperabilidad es la habilidad de 2 o más dispositivos para

intercambiar información y trabajar juntos en un sistema. Esto se logra mediante el uso de

objetos publicados y definiciones de datos, comandos estándares y protocolos estándares.

Visión General

En el estándar IEEE 1547 p. 4.1.6 se establece que cada generador local clase 3 (entre 1.5MVA

y 10MVA) agregado a un punto de acople común dispondrá de medios para el monitoreo de su

estado de conexión, potencia real suministrada, potencia reactiva suministrada y voltaje en el

punto de conexión. Los parámetros de monitoreo pueden encontrarse en varias locaciones como

en controladores separados de GD, en unidades remotas en las terminales, o en otro dispositivo

de comunicación.

Para mantener un sistema de distribución confiable, el operador de la red necesitará controlar el

sistema de GD como es establecido en los acuerdos de conexión. Para mantener el voltaje del

sistema dentro de los rangos requeridos por los estándares, el operador de red debe controlar la

potencia reactiva. Durante picos altos de carga el operador necesitará el generador local



12

operando a máxima potencia. Todos estos ejemplos requerirán un sistema seguro de

comunicación seguro de dos vías y las interfaces adecuadas entre el operador de red y las

instalaciones de GD.

Modelo de Intercambio de Información

La cláusula 7 en [15] no prescribe diseños específicos o implementaciones, pero provee un

modelo conceptual en el cual se pueden encontrar ideas y vocabulario aplicados al MIC en GD.

Este modelo de información intercambiada facilita la asignación a implementaciones

específicas. Estas implementaciones se basan en los estándares de la industria, soluciones

propietarias o en ambas.

Protocolos

Los protocolos varían a través de una amplia gama, desde protocolos completamente propios y

utilizados únicamente por la compañía que los desarrolla, hasta aquellos estandarizados y

usados por muchas industrias. Los protocolos también abarcan varias etapas de ciclos de vida;

algunos son nuevos y emplean los últimos avances tecnológicos, mientras que otros son un poco

antiguos y primitivos en su implementación.

Un protocolo es una descripción formal del formato y reglas del mensaje que dos o más

dispositivos siguen para comunicarse a través de una red. Antes de seleccionar un protocolo, es

necesario comprender la categorización de estos. Una forma común de partición de varios

protocolos es el modelo de referencia ISO OSI de siete capas llamadas: capa de aplicación, capa

de presentación, capa de sesión, capa de transporte, capa de red, capa de enlace de datos y capa

física.

Un protocolo abarca típicamente varias capas. Los protocolos también pueden ser agrupados en

perfiles. Un perfil define los protocolos y características que soportan un modelo de uso

particular como OSI. El perfil de aplicación abarca las tres capas superiores. El perfil de

transporte abarca las dos capas de la mitad y el perfil de datos abarca las dos capas inferiores

[15].

Diseño y aplicaciones de redes de telecomunicaciones en sistemas de protecciones

adaptativas y gestión de redes

Desde el punto de vista de las comunicaciones, las protecciones inteligentes son un ejemplo de

red que permite la comunicación de maquina a máquina (M2M), con unos altos requerimientos

en términos de dependencia (confiabilidad y disponibilidad) y seguridad. El punto inicial para

construir una red inteligente de comunicación puede ser encontrado en una multitud de

protocolos inalámbricos y no inalámbricos, soportando un servicio de calidad diferenciada,

múltiples niveles de redundancia, operación de multidifusión, etc. Un esfuerzo mayor en la

investigación es requerido para integrar estos protocolos en una tecnología de redes versátiles

las cuales puedan soportar una amplia variedad aplicaciones en redes inteligentes que van desde

la respuesta hasta la demanda, la medición inteligente, la distribución y la automatización, a la

micro-red de gestión.



13

CAPÍTULO 3. Ajuste de las Protecciones Eléctricas

3.1 Caso de Estudio

Para realizar el estudio de coordinación de protecciones adaptativas se escogió el sistema RBTS

bus 4 el cual se modificó, como se muestra en la figura 5, para una mayor comodidad. Este

sistema fue diseñado por la universidad de Saskatchewan en Canadá con el fin de desarrollar

estudios de confiabilidad dirigidos por el profesor Roy Billinton y abreviado a su honor como

“Roy Billinton Test System”. La figura anexa 1 muestra el sistema RBTS completo, mientras

que la figura 5 muestra el subsistema del bus 4.

Fig. 5 Diagrama unifilar del sistema RBTS 4 implementado en ETAP

Fig. 6 Identificación de los ramales del sistema en la subestación.



14

El sistema RBTS se puede clasificar como un sistema radial, el cual se define como aquel

sistema o subsistema donde se cumple la existencia de una sola fuente de potencia (fuente

equivalente en un solo punto), y además cumple también con la existencia de una sola

trayectoria para la circulación de corriente normal y de cortocircuito. Es importante destacar que

en una red radial la corriente de cortocircuito disminuye conforme la falla se aleja de la fuente.

Como ya se definió anteriormente, la operación en isla es el término que se utiliza para describir

un escenario en el que una porción de la red de transmisión o distribución (en la cual hay un

generador local) es separada de la red principal de transmisión o distribución. En consecuencia,

el generador local se mantendrá en operación (o en su defecto entrará en operación), para suplir

la carga dentro de la isla. Por lo general, la generación distribuida conectada al sistema suele ser

menor a lo que la carga demanda en ese sistema. Para formar las islas, se tuvo en cuenta sólo

aquellos nodos con tensión igual o menor a la generada por el generador local, es decir, se

excluyeron aquellos nodos de transformación a tensión mayor que la proporcionada por el GD

[16]. La figura 6 muestra la convención de subsistemas del sistema RBTS bus 4, mientras que

las figuras anexas 2 a 6 muestran las posibles islas del sistema RBTS bus 4.

3.2 Ubicación de Protecciones

Como se pudo apreciar en la sección 2.3.1 los esquemas de protección proporcionan una guía

para la ubicación de los equipos en el sistema. Del mismo modo, en la sección anterior se

definieron los casos para la operación en isla del sistema. Siguiendo estos parámetros

establecidos se procederá a la ubicación de los reconectadores controlados por relés 50 ,51 y

51N (tabla 1 de anexos).

Fig. 7 Protecciones añadidas a F1 del sistema tomado de [8].

Las protecciones añadidas en la figura 6 son un relé el cual protege al GD, y un reconectador

aguas arriba del bus 18. Cabe mencionar que los demás equipos de protección fueron

seleccionados, ubicados y coordinados en [8].



15


El subsistema F2 requiere de más protecciones que los demás sistemas debido a que tiene dos

generadores locales; y como se define en las figuras anexas 3 a 5 comprende varias

posibilidades de operación en isla. En rojo se destacan los reconectadores nuevos (el

reconectador 5 reemplazó un fusible).


Al igual que en F1, sólo se adiciona un reconectador (rojo), con el fin de formar la isla de la

figura anexa 6 (de ser necesario).



16

3.3 Coordinación de Protecciones

Debido a los generadores locales es imposible realizar una coordinación de protecciones usual,

ya que el sistema varía dependiendo del comportamiento de los mismos. Es importante

mencionar que cuando el sistema se encuentre operando en isla, los generadores locales

entregaran el cien por ciento de su capacidad. Para solucionar este inconveniente, se pensó el

siguiente algoritmo.

Fig. 10 Diagrama de estados del algoritmo, representación conceptual.

3.3.1 COORDINACIÓN PARA LA CONFIGURACIÓN INICIAL

Antes de realizar la coordinación de las protecciones se debe hacer primero un estudio de flujo

de carga del sistema, operando en isla y en interconexión, y un estudio de cortocircuito del

sistema en interconexión. Los casos de interconexión fueron previamente calculados en [8],

exceptuando el caso en el cual los dos generadores en F2 están conectados al sistema al mismo

tiempo.

De este modo se procederá a realizar el estudio de flujo de carga del subsistema con los 2

generadores conectados al sistema, el estudio de corto circuito del mismo y el flujo de carga de

todos los subsistemas operando en isla; esto con el fin de comprobar que la capacidad de

generación, por parte de los GD, puede suplir la demanda de las respectivas islas.



17

La tabla 1 muestra el flujo de carga del caso adicional (el estudio de corto circuito se presenta en

la tabla II de anexos B), las tablas 2 a 11 muestran los resultados del flujo de carga para las

diferentes islas planteadas en las figuras anexas 2 a 6.

Tabla I Resultados del Flujo de Carga para F2 con los dos Generadores Locales

Tabla II Resultados del flujo de carga para el generador de la isla en F1

Tabla III Resultados del flujo de carga para las cargas de la isla en F1



18

Tabla IV Resultados del flujo de carga para el generador de la isla en la figura anexa 3

Tabla V Resultados del flujo de carga para las cargas de la isla en la figura anexa 3.

Tabla VI Resultados del flujo de carga para el generador de la isla en la figura anexa 4.

Tabla VII Resultados del flujo de carga para las cargas de la isla en la figura anexa 4.

Tabla VIII Resultados del flujo de carga para el generador de la isla en la figura anexa 5.

Tabla IX Resultados del flujo de carga para las cargas de la isla en la figura anexa 5.

Tabla X Resultados del flujo de carga para el generador de la isla en la figura anexa 6.

Tabla XI Resultados del flujo de carga para las cargas de la isla en la figura anexa 6.



19

De las tablas 2 a 11, se puede observar que los conjuntos de carga escogidos para cada isla no

exceden la capacidad de los generadores locales (en todos los casos). Por tanto, se puede

proceder a la coordinación de los relés.

Para la coordinación de los relés y reconectadores, en la configuración inicial, se tuvo en cuenta

la potencia -suministrada por los generadores- que pasa a través de las sub-ramas en donde se

ubican cada uno. Además, se tuvo en cuenta el voltaje nominal con el fin de hallar la corriente a

máxima carga (FLA) implementando la siguiente ecuación.

√

Otro parámetro que se tuvo en cuenta para la coordinación es la Ampacidad mínima de los

conductores, la cual se define como la corriente máxima que puede circular por los respectivos

conductores del sistema sin que estos sufran daño alguno. La Ampacidad se calculó como el

125% de la FLA. Del mismo modo, de [8] se obtuvieron las corrientes de falla en amperios

para cada sub-rama. Finalmente, la relación de vueltas de cada CT se halló de la misma forma

que en [8]. A continuación se describe el procedimiento para hallar las condiciones de operación

de cada relé y reconectador, en cada uno de los casos descritos anteriormente.

Relés en F1.

Tabla XII Parámetros del sistema para el ajuste de las protecciones en F1 (Configuración Inicial).

Teniendo en cuenta los parámetros proporcionados por la tabla XII, la corriente de arranque

para los equipos en F2 se calculó con la ecuación (2).

En donde IarranqueI es el número de veces Inominal al cual se activa el relé instantáneo, IarranqueTI

es el número de veces Inominal al cual se activa el relé de tiempo inverso. Por otro lado, ki y kti

Son los factores que tienen en cuenta las variaciones diarias en la carga, su crecimiento, las

corrientes de energización y el error de medida. El rango de valores de k es 1.0 < k < 2.0. Para

este proyecto se tuvo en cuenta las aproximaciones de las corrientes y las escogencias de los

factores como se plantea en los ejemplos del capítulo 4 de [4] (para coordinación de relés

instantáneos y de tiempo inverso). También se establece 0.5xInominal < IarranqueI < 50xInominal,

en pasos de 0.5; y 0.4xInominal < IarranqueIT < 4.0xInominal, en pasos de 0.05.

Para hallar el DIAL y el tiempo, se implementó la fórmula estipulada por la IEC (4).



20

Se asume la curva de tiempo inversa estándar de la IEC en la que a = 0,14 y n=0,02. Por otro

lado, se asume el Dial en el rango de [0.1 , 1.0], en pasos de 0.05. Una vez hallado el Dial, se

realiza la pertinente aproximación y posteriormente se halla el nuevo tiempo de disparo de los

relés temporizados. Debido a que el relé 5 se encuentra aguas arriba del reconectador 4, para

poder hallar el DIAL de este se debe hallar t de la siguiente manera:

Igualmente, para el resto de relés a lo largo del proyecto, t tomará el valor de 0.1 para aquellas

protecciones que se encuentren más alejadas de los generadores que proporcionan la corriente

que pasa a través de estas. A partir de lo anterior, se procederá a hallar los valores de t para las

protecciones que se encuentre aguas arriba con (5), y asumiendo un tiempo margen de 0.3.

Tabla XIII Parámetros del ajuste de las protecciones en F1 (Configuración Inicial).

Relés en F2.

A continuación se muestran los cálculos de los ajustes de relés realizados con base en el mismo

procedimiento explicado en el ajuste de las protecciones para F1. De la tabla 14 a la tabla 19 se

muestran los cálculos de los ajustes para los posibles casos de F2.

Generador 33 en el tronco del ramal

Tabla XIV Parámetros del sistema para el ajuste de las protecciones en F2 con generador en el tronco

de la rama (Configuración Inicial).



21

Tabla XV Parámetros del ajuste de las protecciones en F2 con generador en el tronco de la rama

(configuración Inicial).

Generador 33 en el tronco y generador 30 al final del ramal

Tabla XVI Parámetros del sistema para el ajuste de las protecciones en F2 con generador en el tronco y

al final de la rama (Configuración Inicial).

Tabla XVII Parámetros del ajuste de las protecciones en F2 con generadores en el tronco y al final de la

rama (Configuración Inicial).



22

Generador 30 Al final del ramal

Tabla XVIII Parámetros del sistema para el ajuste de las protecciones en F3 con generador al final de la

rama (Configuración Inicial).

Tabla XIX Parámetros del ajuste de las protecciones en F2 con generador al final de la rama

(Configuración Inicial).

Relés en F3

Finalmente, se realizó el ajuste para F3 el cual es muy similar al de F1 debido a que sólo se

probó un caso de conexión.

Tabla XX Parámetros del sistema para el ajuste de las protecciones en F3 (Configuración Inicial).



23

Tabla XXI Parámetros del ajuste de las protecciones en F3 (Configuración Inicial).

3.3.2 IMPLEMENTACIÓN DEL ALGORITMO PARA EL RECONECTADOR 11

Como ya se mencionó, la figura 9 proporciona el diagrama de estados del algoritmo pensado

como solución al problema que presentan las protecciones en presencia de GD. Este algoritmo

se implementó en MATLAB (específicamente para el reconectador 11 como ejemplo, con el fin

de indicar una aproximación de cómo deberían actuar los reconectadores frente a varias

configuraciones del sistema.

La función tiene como entrada 14 vectores filas, cada uno compuesto por 3 elementos los cuales

representan la corriente FLA actual que pasa por cada reconectador y cada relé, la corriente de

falla bajo la configuración actual del sistema y finalmente una entrada binaria que indica el

estado de operación del dispositivo, “1” indica que el dispositivo cierra el circuito y “0” indica

que el dispositivo abre el circuito. La salida de la función proporciona un vector fila con 4

elementos los cuales muestran los nuevos valores de operación para el dispositivo; el primer

elemento muestra la corriente de disparo instantánea; el segundo elemento, muestra el valor de

corriente de disparo para el dispositivo temporizado; el tercer elemento, muestra el tiempo de

disparo para el dispositivo temporizado; y finalmente el cuarto elemento, de naturaleza binaria,

muestra en qué estado de operación se encontrará el relé en la nueva configuración.

Si la lectura del dispositivo muestra un valor de corriente que tiende a cero, es decir entre -5 y 5

amperios, las corrientes de operación resultantes no serían aptas para la coordinación de las

protecciones y por ende el dispositivo simplemente funcionará como interruptor si se presenta la

necesidad de aislar una parte del sistema; la salida de la función indicara un vector de 4

elementos con “0” en las tres primeras posiciones y “1” en la cuarta posición. Esto indicará que

el dispositivo debe mantener el circuito cerrado, pero no actuará si se presenta una falla en el

sistema.

Por último, si a la entrada de la función se recibe una señal indicando cualquiera de las

siguientes opciones:

Los relés 1 y 2 se han activado.

Los relés 3 y 4 se han activado.

El relé 5 se ha activado.

La salida de la función tendrá como objetivo avisar que el reconectador 11 se debe abrir con el

fin de aislar el GD en F1, esto sin importar las corrientes que pasen por dicho dispositivo. Estas

condiciones se implementaron en el programa usando algebra booleana para determinar la

función con menor cantidad de variables. En los anexos C se muestra la documentación del

programa realizado para el cálculo de los nuevos parámetros -de operación- para los

reconectadores.



24

Fig. 11 Código del Algoritmo de la figura 9 aplicado al reconectador 11 en MATLAB



25

CAPÍTULO 4. Red de Comunicaciones.

4.1 Requerimientos del diseño de la Red

4.1.1 REQUERIMIENTOS DE UNA RED DE TELECOMINICACIONES EN SUBESTACIONES

La meta del diseño del sistema de comunicaciones -según se describe en [17]- es proporcionar

interoperabilidad entre los dispositivos eléctricos inteligentes (IEDs por sus siglas en inglés) de

diferentes proveedores, más precisamente, entre funciones a ser realizadas en una subestación

las cuales residen en los equipos (dispositivos físicos) de diferentes proveedores. La

interoperabilidad para dispositivos de diferentes proveedores tiene los siguientes aspectos:

Los dispositivos deben ser capaces de conectarse a un bus común mediante un

protocolo común (sintaxis).

Los dispositivos deben ser capaces de entender información provista por otros

dispositivos (semántica).

Los dispositivos deberán realizar entre si una función común o conjunta, si es el caso

(funciones distribuidas).

Con el fin de cumplir con los requerimientos de comunicación, es fundamental cumplir con el

tercer aspecto enunciado arriba. La descripción de funciones considera el enfoque de nodos

lógicos, los cuales residen en uno a más dispositivos físicos. Por tanto, para este proyecto se

definieron los siguientes tipos de funciones.

Protección de Sobrecorriente

Fallo de interruptor.

Adaptación automática de protección

La importancia de la configuración mediante nodos lógicos consiste en que para controlar la

libre asignación y para crear sistemas interoperables, se debe proveer una descripción formal y

sólida de los dispositivos y del sistema para la ingeniería de comunicación. La figura 11 muestra

la relación entre las funciones de la red y los nodos lógicos, indicando cuáles equipos se usarán,

La tabla V en anexos da una explicación más clara de cada nodo lógico [17].



26

Fig. 12 Aplicación del concepto de nodos al caso de Estudio.

4.1.2 REQUERIMIENTOS DE UNA RED DE TELECOMUNICACIONES 3G UMTS-HSDPA

Los requerimientos que una red UMTS debe cumplir están enunciados en el documento

ITUQ.1701. Como primera instancia, la red debe contar con la posibilidad de comunicar dos

entidades de tecnologías diferentes y proveedores diferentes. Para esto, es mucho más sencillo si

se cuenta con un espectro unificado para los dispositivos implementados en el diseño de la red.

Del mismo modo, la red debe ser capaz de soportar comunicación de paquetes (data transport),

criterio que facilita el uso de servicios IP presentes en la internet.

Por otro lado, la red requiere de la incorporación de un Gateway que comunique la red móvil

con redes en externas, para el proyecto es necesaria la comunicación a través del internet. A su

vez, para la confiabilidad del sistema, es necesario en HSDPA que el UE tenga acceso a una

QoS suficiente para cumplir con los tiempos de intercambio de información necesarios para la

aplicación. De la misma manera, se deben soportar tazas de bajada y subida simétricas y

asimétricas, para esto se requiere velocidades altas de descarga (EDGE 384 kbps, HSDPA hasta

10.4 Mbps) y de subida (HSUPA hasta 7.2 Mbps). Finalmente en cuanto a seguridad, la red

debe proporcionar un medio de comunicación impenetrable e incorruptible frente a agentes

externos bajo las características propuestas por las normas.

Con el fin de cumplir con estos requerimientos, es necesario que la red desempeñe ciertas

funciones las cuales se encuentran clasificadas de la siguiente manera.

Plano de Usuario: Esta categoría concierne con la transmisión y el ruteo de la

información, y funciones de desempeño tales como corrección de error y control de

flujo. El plano del usuario funcionalmente comprende conectividad simple y transporte

de información incluyendo ruteo. Del mismo modo, incluye la distribución de servicios

de usuario como fax, acceso web, etc.



27

Plano de Control: Este nivel de clasificación se encarga de la operación a corto plazo de

la red. Originalmente, estaba relacionada con las conexiones de control, incluyendo

establecimiento de la conexión, liberación de la conexión y mantenimiento. Con la

integración de las redes de orientación de paquete, hoy en día el plano de control se

encarga del control de las sesiones de comunicación. De los requerimientos

anteriormente descritos, el plano de control, se encarga de las funciones de seguridad,

QoS, movilidad, carga y control de recursos de radio.

El plano de gestión: Este plano se encarga de las operaciones a largo plazo de la red.

Las funciones de gestión clásicas son llamadas gestión de Fallas, gestión de

Configuración, gestión de la Contabilidad, gestión de Desempeños y gestión de

Seguridad (FCAPS, por sus siglas en inglés).

En algunas circunstancias se encontrarán algunas funciones que aparecen tanto en el plano de

control como en el plano de gestión. Esto se debe a que estas funciones cubren aspectos de largo

y corto plazo [19].

4.2 Topología de la Red

Para el diseño de la topología se tuvo en cuenta varias opciones de conexión. En las figuras 13 a

15 se muestran estas opciones; En la primera opción encontramos una topología diseñada para

F1 o F3 cuando se encuentra únicamente un GD conectado a cualquiera de estos ramales.

Fig. 13 Topología para F1 o F3.

Del mismo modo, en la figura 14 encontramos la topología que conecta los dispositivos

únicamente de F2. Finalmente en la figura 15 se muestra una topología conjunta para los tres

ramales cuando cada uno presenta GD (el ramal dos tendría conectado tanto el generador 30

como el 33). En todos los casos, los relés ubicados en la subestación, están conectados con el

centro de control de la subestación mediante una LAN (local área network). Estas opciones se

diseñaron con el objetivo de estudiar la capacidad de la red con tecnología UMTS-HSDPA para

el caso de estudio.



28

Fig. 14 Topología en F2.

Fig. 15 Topología para el caso base.

La topología de una red está condicionada bajo las especificaciones de la norma 3GPP TS

23.002 para el caso del reléase 99. A continuación se describen los bloques característicos de

una red con tecnología UMTS-HSDPA [19].

Nodo B: Es el encargado de la transmisión de información de información proveniente

tanto del plano de control, como del plano de usuario a través de la interfaz radio. La

importancia de este módulo en las redes de tercera generación radica en que controla

una gran parte de los recursos de radio, también es el encargado de la generación de los

códigos de acceso múltiple, de modular y demodular las señales, y finalmente del

proceso de spreading y despreading correspondientes a la interfaz de radio.

RNC: Al igual que el nodo B, el nodo RCN, también desempeña funciones de control

de los recursos de radio, aunque con una clara inclinación de manejo hacia

procedimientos en un nivel más global y menos local. Este nodo se encarga de la

configuración, mantenimiento y despliegue de las conexiones de radio. Partiendo de las

mediciones actuales de los recursos de radio, el RNC, hace planeación y posteriormente

ejecuta instrucciones con el fin de optimizar el comportamiento de la red.

SGSN: Es el nodo principal en la Core Network. Es el encargado de establecer enlaces

entre el usuario y la red con fines de control y direccionamiento de la información.

Otras funciones desempeñadas por este nodo son de seguridad, QoS y movilidad.

GGSN: Es un Gateway a redes, basadas en conmutación de paquetes, externas. En otras

palabras, es el nodo encargado de traducir los protocolos de UMTS a otros tipos de

lenguaje entendibles por las redes diferentes de UMTS, en este caso la internet. El

GGSN se encarga de proveer la salida a la PDN dependiendo del APN, así como de la

parte de facturación y aplicación de políticas y reglas de navegación.



29

4.3 Arquitectura de la Red

La norma IEC 61850-8-1 establece una manera de diseñar una pila de comunicaciones, para

esto se debe resaltar primero el tipo de mensajes que van a ser intercambiados en nuestra red. En

la misma norma se definen los siguientes tipos de mensajes:

Tipo 1: Fast Messages.

Tipo 1A: Trip.

Tipo 2: Medium Speed Messages.

Tipo 3: Low Speed Messages

Tipo 4: Raw Data Messages.

Tipo 5: File Transfere Functions.

Tipo 6: Time Synchronisation Messages.

En la figura 11 se evidencia cómo estos diferentes tipos de mensajes pueden ser mapeados.

Fig. 16 Perfil de Comunicaciones [17].

Para el proyecto se desarrollará únicamente la arquitectura para el intercambio de los mensajes

2, 3 y 5. Los mensajes tipo 2 deben tener un tiempo total de transmisión menor a 100ms, los

mensajes tipo 3 deben tener un tiempo total de transmisión menor a 500ms, y finalmente los

mensajes tipo 5 no están restringidos pero suelen presentar tiempo de pocos segundos. El

protocolo de comunicaciones MMS -el cual maneja este tipo de mensajes- está desarrollado con

base en el modelo OSI; por tanto, su estructura se conforma por siete niveles o capas:

aplicación, presentación, sesión, transporte, red, conexión de datos y física (las primeras tres

especifican el perfil A y las demás el perfil T). En la actualidad se utiliza el modelo TCP/IP, ya

que existen diferentes técnicas para que aplicaciones del modelo OSI puedan operar sobre

TCP/IP, se implementará el método utilizado en RFC 1006. Las tablas III y IV en anexos

muestran las especificaciones de las capas del modelo OSI.

El estándar MMS (Manufacturing Message Specification, por sus síglas en inglés), proporciona

el modelo de información y de servicios requeridos por el ACSI [18]. Esta capa se encuentra por

encima de la capa de transporte, pero debido a que son similares es necesario especificar una



30

capa intermedia de comunicación. De este modo la tabla XXII muestra el modelo de pila a

implementar.

Tabla XXII Arquitectura de Comunicaciones.

El paquete completo enviado está formado por 212 bytes, de los cuales 14 bytes corresponden

con la cabecera de la capa física, 20 bytes con la cabecera de la capa IP, 32 bytes del

encabezado de TCP, 4 bytes de la capa RFC 1006, 3 bytes de la capa COTP, 12 bytes de la capa

de sesión, 48 bytes de la capa de presentación, 36 bytes de ACSE y 39 de la capa MMS [18].

Para simplicidad en la simulación se asumirá un paquete de 500 bytes en total, dando más de

250 bytes para el segmento de información enviada.

4.4 Implementación en NS2

NS2 (Network Simulator), es un simulador de redes basado en eventos discretos. Se usa

principalmente en ambientes educativos y de investigación. Permite simular tanto protocolos

Unicast como Multicast y se utiliza intensamente en la investigación de redes móviles.

Para el proyecto se implementaron las topologías de las figuras 13 a 15 (en el script de anexos

D). El lenguaje que maneja NS2 es oTcl para interconectar clases creadas en lenguaje C++. En

primera instancia se definieron los nodos Base Station y RNC, característicos de la red UMTS/

HSDPA como se indicó en la sección 4.2, con un ancho de banda máximo de 34kb/s con un

retardo de 10 ms para el enlace ascendente, y un ancho de banda de 1400 kb/s con un retardo de

2ms para el enlace descendente, se nota una clara diferencia ya que el enlace descendente

maneja la tecnología 3G HSDPA (High Speed Downlink Packet Acces) mientras que el enlace

ascendente no. Esto es debido a que como su nombre lo indica HSDPA sólo es para enlaces

descendentes [19]. A continuación se define –en anexos D- las características de conexión entre

el nodo BS y el RNC.

Después de definir el resto de los nodos, se crean los enlaces entre los nodos RNC-SGSN,

SGSN-GGSN y GGSN-control. Los enlaces entre los nodos UMTS tienen asignado por defecto

en Eurane una capacidad de 633Mbit con retardos de15, 0.4 y 10 ms respectivamente. Por otro

lado, como se indica en [17], tanto para los enlaces de la LAN (en la subestación) con el nodo

control y el de este a su vez con el nodo GGSN, se configuró una capacidad de 10Mbit.



31

Posterior a esto, se crean los agentes TCP para el nodo control teniendo en cuenta el tamaño de

paquete a ser enviado (descrito en la sección 4.3), estos agentes son FullTcp, los cuales permiten

en la simulación el envío de paquetes y a su vez el recibimiento de los mismos en un mismo

nodo. Una vez creado los agentes TCP, se prosigue con la creación de las aplicaciones, en este

caso se asignaron aplicaciones de tipo CBR (Constant BitRate) con el fin de emular el

comportamiento de creación de mensajes en una subestación, ya que el sistema necesita ser

monitoreado constantemente. A estas aplicaciones se les asignó la creación de paquetes con

tamaño 500 bytes y a una rata de 64 kb/s (rata generalmente utilizada por dispositivos en este

ámbito).

Ya definidos los agentes CBR, se crean los agentes sumidero, los cuales serán asignados a las

protecciones, también con un agente FullTCP y con aplicaciones CBR de 64kb/s creando

paquetes de 500 bytes. Luego se establece el enlace entre los equipos y el nodo BS con

características de anchos de banda de 384kb/s para enlaces ascendentes y 1400kb/s para enlaces

descendentes, también con retardos de 10 y 2 ms respectivamente.

Finalmente, se crean los enlaces entre el nodo control y los nodos de la LAN y se les asigna un

modelo de propagación, el cual depende de la distancia y número de usuarios. Este modelo se

realizó en Matlab con los archivos descargables de [20]. Cabe mencionar que la simulación se

realizó para 1800 segundos (30 minutos); debido a que este periodo de tiempo es suficiente para

proporcionar información y a su vez, es el límite debido a que los archivos (trazas) que genera la

simulación pueden llegar a ser muy pesados si se simula por más tiempo. Además, para

proporcionar una idea de la distancia que debe haber entre los ramales, se realizaron

simulaciones para la topología de 11 nodos teniendo en cuenta separaciones de 3 km y de 4 km

entre los dispositivos de los ramales F1 y F2 y el nodo BS.

Después de simular se obtienen trazas con el formato de la figura anexa 8 y posteriormente con

el software disponible de [20] se halló el valor para los retardos promedio del envío de paquetes

entre los equipos de protección y el nodo control. Para este caso se omitió el registro de datos de

la LAN puesto que para los propósitos del proyecto sólo son necesario la información del

intercambio de paquetes entre el nodo control y los equipos de protección. En las tablas XXIII a

XXVI se muestra el resultado de la simulación.

Tabla XXIII. Tiempos de retardo promedio para la topología de la figura 13.



32

Tabla XXIV Tiempos de retardo promedio para la topología de la figura 14.

Tabla XXV. Tiempos de retardo para la topología de la figura 15 con los equipos de los ramales F1 y F3

a 3km del nodo BS.



33

Tabla XXVI. Tiempos de retardo para la topología de la figura 15 con los equipos de los ramales F1 y

F3 a 4km del nodo BS.



34

Conclusiones

Inicialmente se debe indicar que la GD, si bien no son una realidad en Colombia, su

implementación podría ayudar al problema de demanda energética en las principales ciudades.

Esto implica a su vez la implementación de protecciones inteligentes capaces de proteger estos

generadores locales. Como se pudo apreciar en los capítulos 3 y 4, para este proyecto la

implementación es viable bajo algunos supuestos y en algunos casos.

En primera instancia, los reconectadores deben tener compatibilidad con la tecnología 3G

HSDPA, tecnología utilizada frecuentemente para telefonía móvil y por tanto las aplicaciones

para redes de distribución son escasas. Por otro lado, el protocolo diseñado funciona

perfectamente para la función principal, el proteger el sistema, sin embargo, para una

implementación en la industria es necesario crear un protocolo de reconexión en caso de falla ya

que este estaba por fuera del alcance del proyecto.

Se debe tener en cuenta también una nueva norma que rija la comunicación entre protecciones

remotas y los puntos de control, puesto que la IEC 61850 es una norma para el diseño de las

redes de comunicación en subestaciones y por lo tanto no proporcionan una clara metodología

del diseño para protecciones con uso de tecnología inalámbrica dejando algunos vacíos en los

márgenes de diseño.

El software NS2, a pesar de ser un software libre, posee sus desventajas ya que con frecuencia

los módulos -creados por grupos de investigación- en muchos casos nos son actualizados

periódicamente como el caso de Eurane. Para poder resolver este problema se acudió a la

versión de NS 2.30 última versión compatible con los módulos.

Finalmente de las tablas XXIII a XXVI se puede observar que la configuración de la topología

propuesta en la figura 13 se cumple con los tiempos de retardo límites para el tipo de paquete 3

y 5. Del mismo modo, la configuración para 7 nodos y para 11 nodos (con los dispositivos de

los ramales F1 y F3 a 3km del nodo BS) cumple con los límites de retardos, sin embargo como

podemos observar en la tabla XXVI, los tiempos de retardo incrementan considerablemente

para esta distancia y el retardo de paquetes provenientes del nodo control hacia los demás nodos

comienza a tomar un valor considerable hasta el punto en el que sólo pueden ser transmitidos

paquetes tipo 5. Como se puede observar ninguna de las configuraciones cumple con el tipo 2

de paquetes y por tal se tendría que realizar un estudio a fondo de cómo podrían operar los

reconectadores sin la necesidad de utilizar este tipo de mensajes.



35

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37

ANEXOS A

Figura Anexa 1 Sistema RBTS.

Figura Anexa 2 Posible isla en F1.



38

Figura Anexa 3 Configuración 1 de una posible isla en F2

Figura Anexa 4 Configuración 2 de una posible isla en F2.



39

Figura Anexa 5 Configuración 3 de una posible isla en F2.

Figura Anexa 6 Posible isla en F3.



40

Figura Anexa 7. Modelo de Traza, salida de simulación en NS2.

ANEXOS B

Tabla Anexa I. Simbología para Relés y otros elementos de las normas ANSI e IEC.



41

Tabla Anexa II. Niveles de Corto Circuito para F2 con el Gen 30 y Gen 33 Conectados al sistema.



42

Tabla Anexa III. Perfil A [17]

Tabla Anexa IV. Perfil T [17].



43

Tabla Anexa V. Descripción de los nodos lógicos usados para el diseño de la red.



44

ANEXOS C

A continuación, se muestra el código desarrollado en MATLAB para la función

“deteccionF.m”.



45



46



47



48



49



50

Como se puede apreciar en el código, el programa tiene como entrada una matriz, esta matriz se

compone de 14 vectores fila los cuales indican los parámetros actuales de operación de los

dispositivos (corriente a máxima carga, corriente de corto circuito y estado de operación

–abierto o cerrado-). La matriz debe ser ingresada en el siguiente orden:

[

]



51

En caso de haber un cambio en el sistema, la medición respectiva del reconectador ingresará por

medio de la matriz NC y se procederá (dependiendo del dispositivo que experimente el cambio)

a calcular la nueva configuración con un código similar al implementado en la sección 3.3.2.

Además, si se presenta un cambio, se abrirá una interfaz (la cual se puede apreciar en la figura

anexa), esta interfaz le permite al operador revisar los nuevos valores para cada reconectador.

Figura Anexa 8. Interfaz del programa desarrollado.

Para identificar si el sistema cambio debido a una falla, el programa compara la corriente de arranque

temporizada de la anterior reconfiguración con el último valor medido del flujo de carga, si la FLA es

mayor al valor dicho, en “Command Window” se podrá apreciar un mensaje indicando el reconectador

que vio la falla.

Como salida, la función guardara en dos archivos .Mat la nueva configuración del sistema y una memoria

de las mediciones del flujo de carga de la última medición.



52

ANEXOS D

A continuación se presenta el programa diseñado en lenguaje oTcl para su implementación en

NS2, el cual simula la red diseñada en la sección 4.2, específicamente para el módulo de

Eurane.

global ns

remove-all-packet-headers

set ns [new Simulator]

set f [open 2nodosl.tr w]

set numProt 2

proc finish {} {

global ns

global f

$ns flush-trace

close $f

puts "Ya se realizó la simulación"

exit 0

}

$ns set debug_ 0

$ns set hsdschEnabled_ 1

$ns set hsdsch_rlc_set_ 0

$ns set hsdsch_rlc_nif_ 0

$ns node-config -UmtsNodeType rnc

# Node address is 0.

set rnc [$ns create-Umtsnode]

$ns node-config -UmtsNodeType bs \

-downlinkBW 384kbs \

-downlinkTTI 10ms \

-uplinkBW 384kbs \

-uplinkTTI 10ms \

-hs_downlinkTTI 2ms \

-hs_downlinkBW 1400kbs \

# Node address is 1.

set bs [$ns create-Umtsnode]

#Interfaz entre RNC y BS

$ns setup-Iub $bs $rnc 622Mbit 622Mbit 15ms 15ms DummyDropTail

2000

$ns node-config -UmtsNodeType ue \

-baseStation $bs \

-radioNetworkController $rnc



53

# Node address for ue1-ue8 is 2-3, respectivamente.

# creacion de los usuarios de 1 a numprot

for { set i 1 } { $i <= $numProt } { incr i 1 } {

set ue($i) [$ns create-Umtsnode]

}

#set usuariodemas [$ns create-Umtsnode]

# Node address for sgsn0 and ggsn0 is 4 and 5, respectivamente.

set sgsn0 [$ns node]

set ggsn0 [$ns node]

# Node address for node1 is 6.

set node1 [$ns node]

for { set i 1 } { $i <= 7 } { incr i 1 } {

set n($i) [$ns node]

}

$ns duplex-link $rnc $sgsn0 622Mbit 0.4ms DropTail 1000

$ns duplex-link $sgsn0 $ggsn0 622MBit 10ms DropTail 1000

$ns duplex-link $ggsn0 $node1 10MBit 35ms DropTail 1000

$rnc add-gateway $sgsn0

####creacion agentes tcp


set k [expr $i - 1]

set tcp($k) [new Agent/TCP/FullTcp]

$tcp($k) set packetSize_ 512

$tcp($k) set fid_ $k

$tcp($k) set prio_ 2

$ns attach-agent $node1 $tcp($k)

}

for { set i 1 } { $i <= 7 } { incr i 1 } {

set k [expr $i + $numProt - 1]

set tcpl($k) [new Agent/TCP/FullTcp]

$tcpl($k) set packetSize_ 512

$tcpl($k) set fid_ $k

$tcpl($k) set prio_ 2

$ns attach-agent $node1 $tcpl($k)

}

############Creacion y conexion de las aplicaciones


set k [expr $i - 1]

set cbr($k) [new Application/Traffic/CBR]

$cbr($k) attach-agent $tcp($k)

$cbr($k) set packetSize_ 500

$cbr($k) set rate_ 64kb

}

for { set i 1 } { $i <= 7 } { incr i 1 } {

set k [expr $i - 1 + $numProt]



54

set cbrl($k) [new Application/Traffic/CBR]

$cbrl($k) attach-agent $tcpl($k)

$cbrl($k) set packetSize_ 500

$cbrl($k) set rate_ 64kb

}

#########Sumidero


set k [expr $i - 1]

set sink($k) [new Agent/TCP/FullTcp]

$sink($k) set packetSize_ 512

$sink($k) set fid_ $k

$sink($k) set prio_ 1

$ns attach-agent $ue($i) $sink($k)

$ns connect $tcp($k) $sink($k)

}

for { set i 1 } { $i <= 7 } { incr i 1 } {


set sinkl($k) [new Agent/TCP/FullTcp]

$sinkl($k) set packetSize_ 512

$sinkl($k) set fid_ $k

$sinkl($k) set prio_ 1

$ns attach-agent $n($i) $sinkl($k)

$ns connect $tcpl($k) $sinkl($k)

}

######## creacion aplicaciones para los nodos sumidero


set k [expr $i - 1]

set cbrue($k) [new Application/Traffic/CBR]

$cbrue($k) attach-agent $sink($k)

$cbrue($k) set packetSize_ 500

$cbrue($k) set rate_ 64kb

}

for { set i 1 } { $i <= 7 } { incr i 1 } {


set cbruel($k) [new Application/Traffic/CBR]

$cbruel($k) attach-agent $sinkl($k)

$cbruel($k) set packetSize_ 500

$cbruel($k) set rate_ 64kb

}

#creacion del canal entre bs y los usuarios

$ns node-config -llType UMTS/RLC/AM \

-downlinkBW 384kbs \

-uplinkBW 384kbs \

-downlinkTTI 10ms \

-uplinkTTI 10ms \

-hs_downlinkTTI 2ms \

-hs_downlinkBW 1400kbs

$ns create-hsdsch $ue(1) $sink(0)



55


set k [expr $i - 1]

$ns attach-hsdsch $ue($i) $sink($k)

}

for { set i 1} { $i <= 7 } { incr i 1 } {

set k [expr $i - 1]

$ns duplex-link $node1 $n($i) 10MBit 2ms DropTail 1000

}

############# asignacion modelos de propagacion para diferentes

ue

$bs setErrorTrace 0 "300metros2ue"

$bs setErrorTrace 1 "300metros2ue"

$bs loadSnrBlerMatrix "SNRBLERMatrix"

$ns trace-queue $ggsn0 $node1 $f

$ns trace-queue $node1 $ggsn0 $f


$ue($i) trace-outlink $f 3

$ue($i) trace-inlink $f 2

}

#### Asignacion de tiempos de inicio y de parada para cada

agente CBR

for {set i 1} {$i <= $numProt} {incr i 1} {

set k [expr $i - 1]

set j [expr (0.002 * $k)]

set l [expr $j + 1800]

$ns at $j "$cbrue($k) start"

$ns at $l "$cbrue($k) stop"

$ns at $j "$cbr($k) start"

$ns at $l "$cbr($k) stop"

}

for {set i 1} {$i <= 7} {incr i 1} {


set j [expr (0.002 * $k)]

set l [expr $j + 1800]

$ns at $j "$cbruel($k) start"

$ns at $l "$cbruel($k) stop"

$ns at $j "$cbrl($k) start"

$ns at $l "$cbrl($k) stop"

}

$ns at 1800.401 "finish"

puts " Simulation is running ... please wait ..."

$ns run

INGENIERO ELÉCTRICO Por

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