Cuaderno Técnico nº 186

Cuaderno Técnico nº 186

Cuadro general BT inteligente

Antoine Jammes

La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedadeselectrotécnicas y electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen unainformación específica o más amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto onoticias técnicas.

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenómenos que se presentan en las instalaciones,los sistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo delas redes eléctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

Puede accederse a estas publicaciones en Internet:

http://www.schneiderelectric.es

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Los autores declinan toda responsabilidad derivada de la incorrecta utilización de las informaciones y esquemasreproducidos en la presente obra y no serán responsables de eventuales errores u omisiones, ni de las consecuenciasde la aplicación de las informaciones o esquemas contenidos en la presente edición.

La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria:«Reproducción del Cuaderno Técnico nº 186 de Schneider Electric».

Cuaderno Técnico n o 186

Antoine Jammes

Ingeniero ENSEM 1 979 (Ecole NationaleSupérieure d’Electricité et de Mécanique deNandy), entró a colaborar con MELIN GERIN en1 980. Ha participado en el desarrollo de softwarede protección en el departamento de Sistemas yAparatos Electrónicos de Seguridad. Desde 1 991participa en el Ámbito de Actividad Estratégica BTde Potencia en el que ha sido uno de losprincipales impulsores del desarrollo de lainteligencia en los cuadros eléctricos.


Trad.: J.M. Giró

Original francés: abril 1997

Versión española: enero 2001

Cuaderno Técnico Schneider n° 186 / p. 4

Terminología

Abonado: Dispositivo electrónico conectado aun bus mediante una interface decomunicación. Término equivalente: estación.

Aplicación: Conjunto de funciones realizadascon hardware y software.

Arquitectura: Organización de loscomponentes hardware y/o software de unsistema; forma de repartir las funciones y lostratamientos.

BT: Baja Tensión.

Bus o medio (bus): Conexión utilizada para elintercambio de información digital (numérica)entre los diversos elementos conectados.

CCM: Centro de Control de Motor(es). CuadroBT que agrupa los elementos de control ymonitorización de varios motores, válvulas,etc.

CGBT: Cuadro General de Baja Tensión.

CGI: Cuadro de Gestión Integrado en elCuadro General Baja Tensión Inteligente.

CSMA (Carrier Sense Medium Access) :Método de acceso aleatorio a la red decomunicación.

Estación: Dispositivo de tratamiento de lainformación o proceso de datos conectados aun bus.

GTB: Gestión Técnica de los Edificios.

GTC: Gestión Técnica Centralizada. Sistemaque agrupa todas las aplicaciones de unamisma instalación, por ejemplo el control delproceso industrial, el control de las fuentes deenergía, la GTE y la GTB.

GTE: Gestión Técnica de la distribuciónEléctrica. El CGI es un elemento importantede la GTE.

Inteligente: Sistema que posee los mediospropios de proceso o tratamiento de lainformación y un cierto nivel de autonomía defuncionamiento respecto al sistemainformático al que está conectado.

Maestro/esclavo: Un maestro interrogacíclicamente a sus esclavos y les da órdenes.

Proceso distribuido: Se dice del tipo deproceso descentralizado en el que el procesose ejecuta en varias unidades de proceso quetienen una cierta autonomía y que soncapaces de comunicarse entre sí.

Proceso o tratamiento descentralizado:Sistema en el que una parte de la informaciónse procesa junto al punto de utilización.

Protocolo: Secuencia de normas que se hande seguir para establecer y mantener losintercambios de informaciones entre unidadeso estaciones conectadas a un bus.

Puerta de comunicación (gateway): Equipodestinado a establecer intercambios de datosentre dos redes de comunicación diferentes,sin tratamiento local.

Red de comunicación: Equivalente al términobus de comunicación. Aquí se prefiere a lapalabra bus porque se usa para referirse a lared eléctrica.

Seguridad de funcionamiento: Concepto queagrupa la fiabilidad (de los sistemas de mandoy monitorización), la disponibilidad (de lasunidades y máquinas), la mantenibilidad (delas herramientas y recursos de producción) yla seguridad (de personas y bienes).

Tiempo real: Califica un sistema de mando ymonitorización cuya velocidad de reacciónestá adaptada a la dinámica del proceso.

Unidad de control de cuadro (switchboardcentral unit): Equipo destinado acentralizar elconjunto de las informaciones disponibles enel cuadro y su entorno directo y a procesarlasy transmitirlas al sistema de supervisión parahacer al cuadro BT «inteligente».



Actualmente, la distribución de la energía eléctrica, en todos los edificios y sinimportar la actividad que se desarrolle en ellos, ha de responder a exigenciascada vez mayores de seguridad y de eficacia.

La energía ha de estar disponible para la seguridad y el confort de los usuarios,pero también para evitar los costes que producen los cortes de energía. Portanto, las instalaciones eléctricas deben de tener un sistema de supervisión yser capaces de reaccionar automáticamente para optimizar la distribución de laenergía, lo que es posible gracias al proceso de datos o tratamiento de lainformación.

Así, los sistemas digitales de mando y monitorización, utilizados ya en MTindustrial y pública, se convierten en una realidad en las redes BT.

Este Cuaderno Técnico, a partir del análisis de las necesidades, tiene elobjetivo de explicar qué es la gestión técnica de la distribución eléctrica BT ycómo funciona. Se ha puesto un énfasis especial en la descentralización y ladistribución de la inteligencia tanto en el propio cuadro general BT como en suentorno y elementos próximos y relacionados con él. Finalmente, se presentanalgunos ejemplos de instalación.

1 La necesidad de control 1.1 Introducción p. 6y monitorización 1.2 Las necesidades p. 6

1.3 Las funciones p. 9

2 Las soluciones actuales 2.1 Las soluciones utilizadas actualmente p. 11

2.2 Ventajas y desventajas de estas soluciones p. 12

3 El cuadro inteligente 3.1 Arquitectura descentralizada e inteligente distribuida (definiciones) p. 15

3.2 Descentralización de las funciones en una instalación eléctrica p. 17

3.3 Arquitectura descentralizada y proceso distribuidos (ventajas) p. 21

3.4 Conclusiones sobre la descentralización de las unidades de p. 22proceso en un cuadro BT

3.5 Un bus para cuadro adaptado a las aplicaciones eléctricas p. 24

4 Ejemplos de instalación 4.1 Centro informático p. 28

4.2 Hospital p. 29

5 Conclusiones y perspectivas de futuro p. 32

Bibliografía p. 33


1 La necesidad de control y monitorización

1.1 Introducción

Cada vez es más importante, para cualquiertipo de instalación, sea un edificio de granaltura, un banco, un hospital, unsupermercado, un aeropuerto, un túnel o unagran instalación industrial, vigilar y controlarlas instalaciones eléctricas, y esto pordiversas razones:

n seguridad,

n disponibilidad de la energía,

n control de la energía consumida y de sucoste (según la política tarifaria de lasempresas suministradoras),

n disminución de los costes de explotación yde mantenimiento,

n confort de la explotación,

n facilidad de mantenimiento y capacidad deevolución y crecimiento de la instalacióneléctrica.

La Gestión Técnica de la Electricidad (GTE)es un sistema digital de mando ymonitorización cuyo objetivo es responder aestas necesidades.

La GTE se puede asociar con la gestión deotras utilidades:

n la Gestión Técnica de los Edificios (controlde accesos e intrusos, climatización ycalefacción, iluminación…),

n el mando y monitorización de los procesosindustriales y de producción.

Dada la gran diversidad de las necesidades yla evolución de la tecnología en los últimosaños, los diseñadores cuentan con un amplioabanico de posibilidades a la hora de escogerla mejor solución para supervisar y controlarsus instalaciones eléctricas. También esposible encontrar el compromiso justo entresus necesidades y las soluciones aplicadasgracias a los buses digitales de comunicacióny a la integración de microprocesadores en elequipamiento eléctrico.

El Cuaderno Técnico nº 156 explica cómo seha de diseñar la parte de potencia de uncuadro eléctrico para que responda a lasnecesidades de seguridad.

El objeto de este Cuaderno Técnico escontribuir en el diseño perfecto de la GTE(Gestión Técnica de la Distribución Eléctrica)de las instalaciones eléctricas BT.

El primer paso es revisar las necesidades delos diversos usuarios y explotadores.

1.2 Las necesidades

Las necesidades de explotación y utilizaciónde las redes eléctricas difieren según que losedificios se destinen a actividades terciarias,

industriales o de infraestructuras, por ejemploun aeropuerto. Estas necesidades se puedenjerarquizar (figura 1 ).

Confort

Costes

Disponibilidad

Seguridad

Control de fuentes

Gestión tarifaria

Automatismo normal/emergencia

Proteción de personas

Ejemplos:

Fig. 1: Jerarquía de las necesidades en la distribución eléctrica BT.


En un pequeño edificio de oficinas, loscriterios predominantes son el coste de laenergía y la facilidad de uso para el personalno especializado.

Por el contrario, en un hospital o en una granindustria de producción, lo más importanteserá la continuidad del servicio.

Seguridad de las personas y de los bienes

En una instalación eléctrica se debe dedistribuir la energía teniendo en cuenta laseguridad de los bienes y de las personas. LaGTE no sustituye a las funciones primarias deprotección (automáticas) de la aparamenta.Pero, por su capacidad de comunicación,memorización y tratamiento de la información,ayuda al usuario proponiéndole los ajustes delas protecciones, informándole del tipo de falloque se ha producido, de la actuación deldispositivo de protección y del estado de lainstalación antes de la desconexión, etc.

Además, la GTE puede llegar a abarcar lasfunciones de protección global; por ejemplo,puede llevar a cabo el control de aislamientopropio del régimen de neutro IT, avisando alusuario de un primer fallo, lo que permitelocalizarlo y eliminarlo sin perder lacontinuidad del servicio (figura 2 ).

La evolución de la tecnología le permite irreduciendo el tiempo que duran las averías de lainstalación y la probabilidad de aparición delsegundo defecto. Se puede conocerpermanentemente la medida del aislamiento endiversos puntos de la instalación y seguir suevolución en el tiempo. De esta manera porejemplo es posible llevar a cabo unmantenimiento preventivo. El control delaislamiento es una función autónoma que sepuede calificar de descentralizada en el marcode la GTE.

Disponibilidad

Cada sector de actividad tiene sus propiasexigencias en cuanto a la continuidad delservicio:

nnnnn en los hospitales, las salas de operación yde reanimación se han de diseñar para serlugares con un nivel de seguridad muy alto,

nnnnn en los edificios de servicios, lageneralización de sistemas informáticos haobligado a muchos usuarios a utilizar SAI’s oredes de energía de alta calidad,

nnnnn en la industria, los cortes en el suministrode energía se traducen en pérdidas deproducción. Así, para BNS, una parada de10 minutos se convierte en la pérdida de20 000 unidades de yogurt.

Fig. 2: Evolución del aislamiento en una derivación de salida de un cuadro (régimen de neutro IT).

Resistenciade aislamiento

Tiempo

ActuaciónDefectos periódicos de aislamientoque se agravan progresivamente

Margen de alarma del primer defecto


La necesidad de disponibilidad determina laelección tecnológica del equipo eléctrico(aparellaje desenchufable, cuadrodesenchufable o desconectable, forma ydisposición de los cuadros…) y de ladistribución eléctrica cuyo esquema ha dedistinguir entre alimentación sin corte,preferente y no-preferente, eligiendodetenidamente el régimen de neutro (oesquema de conexión a tierra) más adecuado.

En este entorno, los cuadros eléctricos BTtienen la misión de gestionar las fuentes. Lareacción ante cualquier incidente, para sereficaz, ha de ser automática e inmediata.

La GTE es precisamente la que tiene lafunción de controlar la alimentación.

Coste de la energía

Disminuir la factura energética es unapreocupación constante en todas lasempresas y se pueden reducir realmente loscostes actuando a dos niveles: controlando elconsumo en sí mismo y eligiendo la tarifaadecuada. Para poder realmente reducircostes hay que conocer con precisión laevolución diaria y estacional de las potencias ydel consumo.

Un sistema de medida digital y con laposibilidad de analizarlo desde una pantalla uordenador permite hacer el seguimiento deestas variables y conseguir un equilibrorentable.

De este modo es posible:

o llevar a cabo las acciones adecuadas antecualquier situación,

o verificar el efecto de las medidas tomadas,

o poder facturar por taller, por servicio…

nnnnn Disminuir el consumo

Según el tipo de aplicación, hay muchasposibilidades diferentes:

o cortar la iluminación y la calefacción en loslocales que no estén ocupados,

o utilizar motores de velocidad variable en laindustria,

o usar compensadores y/o de filtros parareducir las pérdidas debidas a las corrientesarmónicas y capacitivas, en los cables y en lostransformadores.

nnnnn Reducir la factura del distribuidor

Un sistema inteligente es capaz de optimizarel contrato contratado gracias a accionescomo la desconexión de cargas, ladisminución de los picos horarios del consumo(alisado), conexión no simultánea de cargascon gran potencia:

o usar baterías de condensadores para evitarla facturación de la energía reactiva,

o escoger adecuadamente las tarifas yprogramar, dentro de las horas de tarifareducida, las fases de producción industrialque impliquen más consumo eléctrico. Estosperiodos se pueden establecer de formadiaria, estacional o anual:

o distribuir el consumo de manera que puedadisminuirse la potencia contratada evitandolas penalizaciones por sobrepasarla,

o usar las fuentes de energía de sustitución,lo que permite, además de disponer de unafuente de emergencia, aguantar con energíapropia las puntas de consumo o las tarifarias.

Administrar el consumo y el coste de laenergía eléctrica es otra misión de la GTE.

Confort de explotación

Ciertas instalaciones se gestionan a distancia,ya sea desde un cuadro de control en elinterior del mismo edificio, ya sea en un centrode vigilancia común a varios edificios(televigilancia).

Esta centralización permite una optimizaciónde los recursos humanos y una mejora de suscondiciones de trabajo, gracias a elementosinformáticos ergonómicos y a la posibilidad derealización automática de operacionesrepetitivas (preprogramación de gamas defuncionamiento de la climatización o de lacalefacción de las oficinas…).

Por otra parte, en los edificios de oficinas y laspequeñas industrias, el personal que seencarga de la instalación cada vez está menosespecializado. A menudo es el vigilante o larecepcionista del edificio la persona que seencarga del cuadro eléctrico. Por razones deeficacia, pero también de seguridad, lacomunicación con estas personas necesita undiálogo «persona/cuadro eléctrico» lo másergonómico y simple posible.

La noción de confort se traduce en la práctica,para una instalación eléctrica, en darle lamáxima autonomía posible (que se gestioneella misma).

Mantenibilidad

La primera misión que se encarga al equipode mantenimiento de una empresa esmantener la instalación operativa mientras seestá trabajando.

Hay dos tipos de intervenciones:

nnnnn actuaciones correctivas, después de unfallo de funcionamiento,

nnnnn actuaciones preventivas periódicas.

Es posible aumentar la eficacia delmantenimiento actuando en dos sentidos:


nnnnn privilegiando el lado preventivo respecto alcorrectivo, lo que suele provocar cortes en lacontinuidad del servicio,

nnnnn privilegiando en el preventivo, pero acondición de que sea sistemático: lacontinuidad será tanto mejor cuanto más setrabaje en un mantenimiento preventivo ybasado en la supervisión (figura 3 ).

Según las aplicaciones, el plazo máximo deintervención así como su duración pueden sermuy diferentes. En las industrias con procesode fabricación continuo, se puede conseguirque sea muy corto, pero hay que tenerpermanentemente en fábrica el personal y elstock de componentes de recambio. Encambio, el tiempo de no disponibilidad puedeser mucho más largo si se trata de un edificiode oficinas, con una empresa de manteni-miento ajena y exterior y con un stock derespuestos muy limitado.

Pero además, la rapidez de la intervenciónestá siempre relacionada con la preparaciónde este personal:

nnnnn en caso de avería, un conocimiento rápido ypreciso del incidente y de los parámetros defuncionamiento de la instalación antes delfallo, permiten llevar a cabo un buendiagnóstico y preparar enseguida loselementos que se han de sustituir,

Correctiva

Preventivaprogramada

Preventivacondicional

Tipo de mantenimiento

Disponibilidad

Fig. 3: Disponibilidad operacional en función del tipo de mantenimiento.

nnnnn en caso de mantenimiento preventivo, unbuen conocimiento del estado de la instalaciónpermite seleccionar pertinentemente loselementos en los que se tendrá que intervenir.

Un mantenimiento eficaz ha de disponer deantemano de información adecuada del estadode la instalación.

Facilitar información para el mantenimiento esuna de las ventajas de la GTE.

Evolución

Una instalación eléctrica, cuanto más seacerca al usuario final, más capacidad deevalocionar ha de tener: en los talleres, elcuadro eléctrico sigue el ritmo de lasmodificaciones de cada elemento deproducción; en los edificios, los cambios denegocio, la generalización de uso de lainformática o la instalación del aireacondicionado suelen ser causa de cambiosimportantes en la instalación eléctrica.

La mejora de la disponibilidad y la reduccióndel coste de la energía consumida obligan ahacer cambios en las redes eléctricas.

Administrar adecuadamente los cambiosrequiere conocer la instalación y sufuncionamiento.

La GTE puede contribuir a todo ello de maneraimportante.

1.3 Las funciones

Para cubrir todas estas necesidades, la GTEnecesita que en las instalaciones eléctricas seutilicen dispositivos que de manera globalpermitan:

nnnnn realizar las acciones automáticas ,

nnnnn permitir al usuario, local o remoto, accedera las informaciones necesarias para preveniro gestionar la instalación.

Esto se traduce en que hay que hacerfunciones que no siempre puede llevar a caboun instalación ya existente.


Automatismos

nnnnn La gestión de las fuentes de energía:alimentar a los consumidores según ladisponibilidad de energía en los puntos dellegada (conmutación de fuentes, gruposnormal/emergencia…).

nnnnn La gestión de las derivaciones de salida:suministrar energía a los consumidores másimportantes, cuando la demanda excede lapotencia disponible en las entradas(funcionamiento con grupo, por ejemplo).

nnnnn La programación de tiempos: gestionar lainstalación para disminuir el consumo.

nnnnn La gestión de las tarifas: administrar lainstalación para optimizar el contratoestablecido con el suministrador.

nnnnn El control del factor potencia: controlar lasbaterías de condensadores escalonadas.

nnnnn La seguridad de un cuadro (temperaturademasiado elevada, arcos internos…).

nnnnn La supervisión del aislamiento y labúsqueda de defectos con el esquema IT.

nnnnn La protección de la red: en las grandesinstalaciones industriales con grandesmotores, las perturbaciones de la red (bajadaso cortes breves de tensión) pueden provocarinestabilidad dinámica. Esta última funciónprovoca las desconexiones necesarias paraevitar la caída de toda la red.

Información para prevenir y actuar

Todas las funciones descritas tienen lafinalidad de convertir al CGBT en autónomo,dotando a éste de los recursos que le han dehacer capaz de superar las diversaseventualidades asegurando la continuidad delservicio y una óptima explotación.

La segunda gran función de un cuadrointeligente es la de poder comunicar lasinformaciones para «prevenir y actuar»:

nnnnn estado de los aparatos de corte (Abierto/Cerrado),

nnnnn medida: U, I, P, cos ϕ,

nnnnn conocimiento de los ajustes de actuaciónde las protecciones.

Todo esto necesita un conjunto de conexiones:

nnnnn con el escalón superior del sistema GTE(Gestión Técnica de la Electricidad), cuyopapel es controlar el conjunto de la instalacióneléctrica MT y BT,

nnnnn con un armario de mando y monitorizaciónlocal o a distancia,

y eventualmente,

nnnnn con los cuadros de distribución secundarios,

nnnnn con el sistema de control del procesoindustrial.

En efecto, para que el usuario esté informadoy pueda actuar (reconfiguración de la red poracción voluntaria, mantenimiento, confort), elcuadro eléctrico ha de comunicar con unsistema superior a disposición del técnicoelectricista o de quien supervisa el correctofuncionamiento de los servicios del edificio ode la fábrica.

Si en condiciones normales es importantecontar con un CGBT inteligente (y, por tanto,con capacidad de comunicación) paracontrolar y administrar la instalación eléctrica,todavía es más importante para «prevenir yactuar» en situación de emergencia cuando seproduce un fallo.

El mantenimiento correctivo es más eficaz sicada uno de los elementos implicados disponerápidamente de la información pertinente.Tomemos el ejemplo de la información de quese dispone al disparar un interruptorautomático con sistema de comunicación através del CGI (cuadro de gestión integrado):

nnnnn en el aparato: un indicador mecánicoseñaliza el disparo,

nnnnn junto al aparato: un piloto rojo indica elaparato con fallo,

nnnnn en una pantalla, en la parte alta del cuadro,un mensaje de alarma en forma de texto:«10 h 32’ 23’’ - derivación del ascensor 2 -columna 8 - posición 12b - disparo porcortocircuito»,

nnnnn en el centro de control, en la pantalla desupervisión del responsable eléctrico: elmismo mensaje,

nnnnn en el supervisor general (conserje opersonal de vigilancia …), mensaje de alarmaen forma de texto: «10 h 32’ 23’’ - Ascensor 2no disponible a causa de un fallo eléctrico -llamar el servicio eléctrico, número 347».

Recordemos que «prevenir y actuar» tambiénpermite el mantenimiento preventivo acondición de que se disponga:

nnnnn de informaciones referentes a laaparamenta de protección y de mandointegrado en los cuadros BT; por ejemplo,para un aparato de corte: contador del númerode maniobras o, mejor aún, indicador demantenimiento elaborado a partir de datostales como la suma de las corrientes cortadas,el número de maniobras, etc.,

nnnnn de informaciones relacionadas con lainstalación eléctrica: número de horas defuncionamiento de los consumidores alimen-tados, bajadas o defectos de aislamiento…


2 Las soluciones actuales

2.1 Las soluciones utilizadas actualmente

Las funciones presentadas en el capítulo 1 sehan aplicado, total o parcialmente, mediantediversas soluciones tecnológicas:

nnnnn en la industria, aplicando a la gestióneléctrica los recursos ya instalados para elcontrol del proceso industrial,

nnnnn en los edificios dedicados a actividadesterciarias, integrando la Gestión TécnicaCentralizada o la Gestión Técnica de Edificiosa todo el sistema de la distribución eléctrica.

Examinemos las soluciones aplicadas en elámbito de un CCM (Centro de Control deMotores) o de un CGBT (Cuadro General BT).

Solución basada en autómatas (PLC)

nnnnn Solución autómata cableado hilo a hilo

La primera etapa hacia el cuadro inteligenteha sido la utilización de los PLC(Programmable Logic Controllers o autómatasprogramables industriales) en los cuadros.

Estos autómatas sirven de interfaces entre elcuadro y el sistema de gestión técnica yefectúan ciertas funciones propias de losautomatismos. Montados en racks con tarjetasde entradas/salidas, estos PLC estánconectados hilo a hilo a los diversos sensoresy accionadores de un cuadro eléctrico. Losprograma un especialista: cada aplicaciónnecesita un programa o desarrollo específico.

Los límites de este tipo de solución son lossiguientes:

o el cableado con hilos finos, muy importanteen el recorrido desde el cuadro hasta el PLC,implica:

– coste importante de cableado,

– gran cantidad de regletas de bornes, lo queproduce un aumento de la superficie delcuadro en el suelo,

– gran riesgo de averías latentes debido algran número de puntos de conexión,

– riesgo de fallo de funcionamiento debido alos grandes campos magnéticos que produceun cortocircuito en una salida,

o la capacidad de evolución de la instalaciónes mala debido al carácter específico de laprogramación de los autómatas, normalmentepoco conocido por el servicio eléctrico,

o un sistema de proceso de datos pocoadaptado: la principal tarea del PLC es lasupervisión permanente del estado de losaparatos cuando algunos de ellos permanecenen la misma posición durante todo el año.

nnnnn Solución autómata con entradas/salidasremotas

Desde hace algunos años, los constructoresde autómatas han sacado provecho de ladisminución del coste de la microelectrónica yde los buses de comunicaciones paradesarrollar los módulos remotos de entradas/salidas; el objeto es el de disminuir la cantidady el coste del cableado.

Esta solución no se ha extendido mucho en eldiseño de cuadros eléctricos porque no seacaba de adaptar bien a sus exigencias:condiciones térmicas y perturbacioneselectromagnéticas, necesidad de mando localde la aparamenta...

Solución cuadro automatizado

En los años 80 aparecieron numerosas ofertasdesarrolladas por los grandes fabricantes decuadros para las aplicaciones en la industriade proceso continuo o los grandes edificiosterciarios.

Estas diversas ofertas se distinguen de lassoluciones anteriores a base de autómatas endos aspectos:

nnnnn desarrollo de módulos especializadosunidos hilo a hilo con la aparamenta yconectados con el autómata instalado en lacabeza del cuadro mediante una conexiónparalelo o un bus serie. Estos módulos,diseñados para integrarse en cuadrospensados por los cuadristas, se colocan en elfrontal del cuadro e integran las funcioneslocales de mando y señalización,

nnnnn desarrollo de funciones repetitivas para losautomatismos eléctricos (por ejemplo, laconmutación normal/emergencia con laconexión/desconexión de las derivaciones desalida).

Estas soluciones se caracterizan por ladescentralización del proceso de datos en elcuadro y por el control manual que tiene elelectricista de estas funciones. Sin embargo,


han contribuido a una reducción muyimportante del cableado en el interior delcuadro.

El éxito, limitado, de este tipo de solucionesse debe al uso de estos módulos conautómatas sólo en los cuadros hechos porestos mismos fabricantes.

Aparamenta con sistema de comunicación

El uso generalizado de los microprocesadoresha hecho que los fabricantes de materialeléctrico los utilicen:

nnnnn para mejorar las prestaciones de susproductos. Un buen ejemplo es lageneralización progresiva del uso de reléselectrónicos en los interruptores automáticos,que cada vez tienen más posibilidades detransmitir, mediante buses digitales, los datosque procesan.

nnnnn para enriquecer su oferta con nuevasfunciones; por ejemplo, medición de la

potencia y de la energía en un punto de la redcon posibilidad de transmisión de estos datos.Paralelamente, van añadiendo nuevasposibilidades de autonomía al cuadro, como laautomatización de funciones de laconmutación de fuentes (normal/emergencia)o la regulación automática del factor depotencia.

La proliferación de estos productos y módulosen un cuadro eléctrico aumenta el flujo dedatos que se pueden transmitir a un sistemade supervisión centralizado. Hoy en día, en lasaplicaciones de gran envergadura, el ingenieroresponsable del sistema completo aún se veobligado a desarrollar una arquitectura decomunicaciones compleja con estadosintermedios, cuyo objetivo es doble:

nnnnn clasificación y síntesis de las informacionesdisponibles,

nnnnn pasarelas de comunicación entre diversosbuses.

2.2 Ventajas y desventajas de estas soluciones

En los últimos diez años se han desarrolladoestas tres familias de soluciones para darrespuesta a una parte de las necesidades quehemos presentado en el capítulo 1.

Sus puntos fuertes y sus limitaciones seresumen en la tabla de la figura 4 .

En conclusión, las soluciones más utilizadasactualmente son las siguientes:

nnnnn una tendencia, que se ha ido aplicandodesde ya hace tiempo, a la descentralizaciónde los automatismos y del tratamiento de lainformación a nivel del cuadro,

Fig. 4: Ventajas y limitaciones de las soluciones tradicionales para dar respuesta a la necesidad de mando ymonitorización.

Soluciones con Soluciones con Aparamentade autómatas cuadros automatizados comunicante

Límites Específica para cada Solución reservada a Solucionesaplicación; poca capacidad los grandes cuadros para una sola funciónde evolución

Volumen de cableado Instalación con Multiplicación del númeroimportante autómatas especializados de módulos

Instalación con Instalación con técnicosautómatas especializados especialistas en

comunicaciones

Ventajas Material probado y utilizado Principio de Tecnología utilizada conen grandes instalaciones descentralización bus de terrenoindustriales

Soluciones perfectamente Control de las funciones Equipos industrializadosadaptadas a las necesidades por el electricista que soportan las exigenciasde utilización de cada cliente CEM del cuadro

Funciones estandarizadascon capacidad evolutivasegún las necesidades


nnnnn una estructura jerárquica para la circulaciónde los flujos de información,

nnnnn una necesidad de diseños específicos y, enconsecuencia, propios de especialistas.

En el entorno del cuadro eléctrico, ladescentralización del tratamientos de lainformación o proceso de datos se convierteen realidad gracias a los buses digitales, comopor ejemplo:

nnnnn en el control de proceso, donde losautómatas con algunos centenares deconexiones entrada/salida van dejando pasoprogresivamente, después del uso de lasentradas/salidas remotas, a las redes de

autómatas y de microautómatas situados lomás cerca posible de los sensores/accionadoresque controlan. Y ya se perfila la llegada deredes a nivel de sensores y accionadores«inteligentes»,

nnnnn en Gestión Técnica de Edificios, cuyasfunciones están ya estandarizadas y lasrealizan productos específicos perfectamenteadaptados a las necesidades.

Así, el control de procesos (GTP), el control delos edificios (GTB) y el control de la distribucióneléctrica (GTE) constituyen hoy en día sistemasdedicados, con arquitectura descentralizada yque incorporan progresivamente la inteligenciadistribuida (figura 5 ).

Fig. 5: Arquitectura descentralizada en GTB, GTE y GTP.

Centro de gestióndel edificio

Centro de gestión dela distribución eléctrica

Centro de controldel proceso industrial

Intrusión

Seguridadcontraincendios

Control deaccesos

Climatización

Unidades de procesode datos

Unidades de procesode datos

Autómatas programables(PLC's)

Red MT

CGBT

Gruposelectrógenos

SAI's

Gestión generala nivel de empresa

Talleres

CCM

Máquinas

Variadoresde velocidady arrancadores


Los cuadros eléctricos BT se caracterizan porsu diversidad de tamaño y por las funcionesque han de cumplir.

Con las soluciones que se están utilizando yque hemos descrito en este capítulo, se handesarrollado actualmente un conjunto deprincipios que permiten definir y especificar loque se llama «cuadro inteligente» y el sistemade mando y monitorización correspondiente:

nnnnn el cuadro inteligente se define por sucapacidad de tratar de manera autónoma lasfunciones que se le asignan, y de integrarse enel sistema de control de una instalacióneléctrica,

nnnnn el sistema, para responder a la diversidadde las instalaciones, ha de estar construido apartir de los siguientes principios:

o ha de ser modular tanto en el hardwarecomo en el software,

o la descentralización de la transmisión de lainformación ha de estar optimizada,

o las funciones y unidades han de serestandarizadas y diseñadas para que lasinstale un electricista y para que puedanquedar integradas en las condiciones severasdel entorno de un cuadro eléctrico.

nnnnn el cuadro inteligente ofrece a los usuarios,para cubrir sus necesidades deautomatización y de información:

o un buen nivel de seguridad defuncionamiento y de capacidad de evolución,

o estandarización de las soluciones inclusopara grandes instalaciones,

o reducción de los costes y simplificación dela instalación,

o facilidad de explotación y mantenimiento.


3 El cuadro inteligente

El cuadro inteligente, tal y como se ha definidoen el capítulo anterior, se basa en la idea dearquitectura descentralizada con inteligenciarepartida.

Después de haber aclarado estos términos,veremos cómo se pueden descentralizar lasdiversas funciones de una instalación eléctrica

y cómo se pueden repartir de la mejor maneraposible en una instalación completa (GTE), enun cuadro BT o en una derivación de salida.

Seguidamente explicaremos los criterios quedeterminan la elección de un bus decomunicación interna en el cuadro BTadaptado a estas necesidades.

3.1 Arquitectura descentralizada e inteligente distribuida (definiciones)

nnnnn Una comparación con el funcionamiento denuestras sociedades permitirá comprendermejor estos términos.

En las organizaciones centralizadas, todas lasdecisiones las toma el «jefe»; los subordinadosle transmite todas las informaciones y esperansus órdenes para ejecutarlas.

En una organización realmente descentrali-zada, el jefe delega la mayor parte de lasdecisiones en sus subordinados: cada uno,dentro de los límites de su delegación, actúade forma autónoma y da cuenta de formaresumida a su superior. Sólo se centralizan las

funciones que afectan a todos los individuos:la paga por ejemplo.

Una misma función se puede repartir entrediversos subordinados, lo que implicaintercambios de información y una ciertaautonomía del equipo.

nnnnn La figura 6 muestra cómo puede ser unafunción:

o totalmente descentralizada,

o parcialmente descentralizada: la ejecuciónde la función se descentraliza, pero elconjunto de parámetros permanececentralizado y es común a diversas funciones,

Solución 2:Sistema centralizado(adquisición y tratamiento)

F1 F2

F4 F5

F3

Solución 3:Descentralizaciónde las funciones F3, F4

F1 F2

F5

F4F3

Solución 4:Tratamiento distribuidode las funciones F2, F5

F4 F5F3

F1

F2

Solución 1:Sistema centralizado(adquisición y tratamiento)

F1 F2

F4 F5

F3

Fig. 6: Del sistema centralizado al sistema descentralizado de inteligencia distribuida.


o repartida entre grupos de un mismo niveljerárquico.

nnnnn La descentralización que aplican lasempresas puede aplicarse también de maneraanáloga en el mando y supervisión de unainstalación eléctrica: el concepto de GTC(Gestión Técnica Centralizada), basado en unfuncionamiento centralizado, deja paso al deGTE (Gestión Técnica de la distribuciónEléctrica), basado en una arquitecturadescentralizada en forma de árbol con un

Fig. 7: Instalación de pequeña o media potencia con un sistema de mando y monitorización (GTE) en el que lo esencial estásituado en el TGBT.

Centro de transformación de entrada

Supervisión,órdenes y parámetrosde funcionamientodel usuario

Mando y monitorizacióndel cuadro

Funciones automáticas,medidas,mando y monitorizacióna nivel de las salidas

Terminal deconfiguración

Unidad decontrol del

CGBT

Cuadro General BT

G

VAR

VAR

Centralde gestión

proceso de datos y de órdenes distribuido.Hay que destacar que la distribución depotencia (arquitectura y protección) sigueestos mismos principios; lo que permite unabuena coherencia entre los sistemas de lasgrandes corrientes (potencia) y de pequeñascorrientes (señal) (figura 7 ).

A continuación presentamos una serie deejemplos de aplicación de estos conceptos adiferentes funciones eléctricas.


3.2 Descentralización de las funciones en una instalación eléctrica

Gestión del contrato

Una función como ésta necesita una visiónglobal de la instalación.

En muchos casos (pequeñas y medianasinstalaciones) el cuadro BT es el punto centralde la instalación. Entonces, esta función (lagestión del contrato) la trata la central de estecuadro BT, con un conjunto de parámetrosmanipulados local o remotamente (desde uncentro de supervisión). Si la planta esimportante (con red MT), los cuadros recibenlas órdenes de funcionamiento desde unsistema de nivel superior.

Gestión de tiempo de las derivaciones desalida

Tradicionalmente, en los sistemas de gestióncentralizados, esta función la desarrolla elsupervisor que gestiona a la vez los períodosde funcionamiento de las salidas y las órdenesde conexión de los aparatos.

El ajuste de estos tiempos se ha de hacerdesde la central de supervisión, porque elusuario realizará sus ajustes de parametrajedespués de esa central superior.

Por el contrario, en una GTE (Gestión Técnicade la distribución Eléctrica), la ejecución deestas órdenes se efectúa a nivel de la centraldel cuadro aunque incluso podría hacerse anivel de cada aparato o dispositivo. Para elloes suficiente recibir el conjunto de órdenes deactuación y tener un reloj interno sincronizadoperiódicamente con el supervisor.

La figura 8 ilustra los flujos de información deuna solución tradicional centralizada y unasolución descentralizada. Se puede apreciaren ella que cuanto más descentralizado estáel proceso de la información, menores son los

flujos de información permanentes; por elcontrario se necesitan nuevos intercambios deinformación, mucho menores, para ponerperiódicamente al día los diversos relojesinternos y transmitir un nuevo programa deórdenes de funcionamiento.

Gestión de las fuentes

Esta función actúa sobre los interruptoresautomáticos de entrada, integrados en elcuadro en función de informaciones elaboradasen el cuadro o cerca de él. Es pues lógico quelos procesos de información asociada a estafunción se ejecuten en el cuadro eléctrico. Hayque destacar que, en los sistemas de relés, lasregletas con los relés están instaladas en elcuadro y los esquemas los ha hecho uncuadrista. Ésta ha sido precisamente la ventajade una nueva tecnología, que no todos loscuadristas dominan, que ha trasladado todoeste tratamiento de información sobre unautómata centralizado.

Si el esquema de las entradas es simple, porejemplo el clásico normal/emergencia, estafunción está totalmente descentralizada y larealiza un equipo estándar autónomo; cuandoel esquema de entradas es más complejo o senecesita una conmutación programada desalidas, la unidad de control se instalará en uncuadro u otro:

nnnnn si la fuente de emergencia alimenta sólo elCGBT, será la central de cuadro BT la quegestionará de forma autónoma la conmutaciónde fuentes (figura 9 ),

nnnnn por el contrario, si la fuente de emergenciaalimenta las barras MT y/o hay varios CGBT, launidad de control de la conmutación se repartiráentre control del cuadro MT y las unidades decontrol de los diversos cuadros BT.


Fig. 8: Gestión temporal de las salidas, según que esta gestión esté centralizada (GTC) o descentralizada y distribuida (GTE).

Salida 1 Salida 2

Q1 Q2

CGBT 1

Salidas no inteligentes

Salida 4Salida 3

Q3 Q4

CGBT 2 Salidas dotadas deinteligencia(reloj + memoria) capaz deintegrar una parte desu función

Valores de tiempodados por el operador

Ejecución de órdenes

Transmisión de parámetros

Memorización de valoresElaboración y ejecuciónde órdenes

Si GTESi GTC

Ajuste de márgenesMemorización de valoresElaboración de comandos

Transmisión de órdenese información de retorno


Regulación de la energía reactiva

La regulación del factor de potencia medianteel control de grupos de condensadores es unautomatismo independiente implantado en unaparato llamado regulador de potencia reactiva.Este regulador funciona de forma autónoma enmás del 90% de las instalaciones. Un reguladorde energía reactiva «comunicante» puedeintegrarse ventajosamente en un sistema deGTE, pudiendo realizar además otras funcionescomplementarias:

nnnnn introducción de los parámetros defuncionamiento desde una central desupervisión,

nnnnn la explotación de alarmas de malfuncionamiento tratadas por la central delcuadro,

nnnnn la explotación de las informaciones demantenimiento en el cuadro del mantenimientoglobal del cuadro,

Grupoelectrógeno

Presencia Ugrupo

Presencia Ured

Orden de arranque GE

Unidad controlCuadro General

BT

Fig. 9: Ejemplo de gestión de las fuentes. En esta solución, la central gestiona las salidas: restablecimientoprogresivo de las salidas prioritarias en funcionamiento en GE. La definición de las salidas como prioritaria y noprioritaria es programable. No es necesario separar el juego de barras en dos partes ahorrándose así laaparamenta de acoplamiento y conmutación. Finalmente, esta solución permite tratar con comodidad losesquemas con varias entradas.

nnnnn la coordinación de la función de regulaciónde la potencia reactiva con otras funciones delcuadro: por ejemplo, en el caso defuncionamiento con GE, es necesariodesconectar los condensadores. Esto sepuede hacer abriendo el interruptor automáticoque alimenta los bancos de condensadores otransmitiendo una orden de parada alregulador cuando éste se conecta mediante unbus a la central del cuadro que administra ovigila la conmutación de fuentes.

Desconexión al sobrepasar un límite

En ciertas situaciones (baja tensión debida aun incidente en la red, fallo o caída de unafuente, sobrepasar la potencia disponible enla fuente que alimenta el cuadro…) puede sernecesario desconectar rápidamente un grupode salidas no preferentes (para evitarproblemas de estabilidad dinámica, porejemplo).


La figura 10 muestra el procesodescentralizado de desconexión de salidas nopreferentes, a causa de una sobrecarga en lapotencia distribuida por el CGBT. Se puedever cómo el flujo de informaciones esreducido: la central recibe información, envíauna orden al bus y los interruptoresautomáticos afectados la ejecutan.

Gestión de una salida o de una entrada

La gestión de una salida (o de una entrada)puede necesitar todas o algunas de lassiguientes funciones:

Unidad deControl del Cuadro

Q2Q1 Q3

M

Asignación de los parámetros: umbral ypreferente/no preferente para cada salida

Memorización del umbralDecisión: si se mide «P > umbral» enviar orden de desconexión

Medida de potencia

Memorización del parámetro P / NPDecisión de abrir: si parámetro NP,abrir la salida al recibir la orden de desconexiónControl de los interruptores automáticos

Fig. 10: Ejemplo de tratamiento descentralizado de la orden de desconexión de potencia.

nnnnn mando y monitorización (mando del aparatoe información sobre su estado),

nnnnn medida (intensidad, potencia, energía, ...)

nnnnn interface con el operador, local o remoto,

nnnnn comunicación con la central de cuadro.

La distribución de las funciones en diversosmódulos (figura 11 ) es una solución quepermite resolver las siguientes exigencias:

nnnnn no todas las salidas necesitan del conjuntode las funciones antes citadas,

nnnnn la interface de usuario puede ser remota,

nnnnn la interface se ha de poder adaptar alusuario (lenguaje, nivel de competencia…).


Mando ymonitorización

M1

Medida

M2

Visor odisplay local

M3

Salida 3: cerrada

1= 125 A ; E= 327 kVAh

M4

Unidad decontrol

del cuadro

Fig. 11: Ejemplo de distribución del tratamiento de la información aplicado a la gestión de una salida.

3.3 Arquitectura descentralizada y proceso distribuidos (ventajas)

Control de la complejidad

Normalmente, un problema complejo puededescomponerse en una suma de problemaselementales simples. Así, el control de unainstalación eléctrica puede resultar complicadopor la importancia y número de funciones quese han de tratar. Descentralizando una parteimportante de las funciones, la mayoría de losprocesos se pueden confiar a unidades máspequeñas: de esta manera se puedencontrolar y estandarizar mejor. La noción deConjunto de Serie, ya utilizada en el apartadodedicado a la potencia de los cuadroseléctricos, se aplica a partir de ahora a lasfunciones de la GTE. Además, la unidad denivel superior se queda notablementealigerada y se puede dedicar a los procesosque realmente le corresponden.

Exigencias técnico-económicas

Como ya hemos visto en el capítulo anterior,la multiplicación del flujo de informacioneslleva a desarrollar arquitecturas jerárquicas.Del mismo modo que en una instalación muyextensa se jerarquiza la distribución de laenergía (CGBT, cuadros secundarios, cajasterminales…), la jerarquización del proceso dedatos e informaciones es la mejor solución:

n las exigencias (tiempo de respuesta,entorno, rendimiento) no son las mismas en elinterior de un cuadro que en el conjunto de lainstalación,

n todas las informaciones útiles para unafunción no son necesariamente útiles a nivelsuperior; asimismo, todas las informacionesdisponibles localmente no interesannecesariamente al usuario:

El módulo M1 soporta el control del aparato y la lectura de sus estados.El módulo M2 mide las corrientes y las tensiones y elabora las informaciones de potencia y de energía.El módulo M3 visualiza a nivel local en la parte anterior del cuadro los estados y medidas de la salida yademás puede controlarlas.El módulo M4, idéntico al módulo M3, es un visor remoto, fuera del local eléctrico. El modo de visualizaciónpuede ser diferente del de M3.


o ciertas informaciones se usan paramantenimiento,

o otras informaciones se sintetizan paraevitar ahogar al usuario con una avalancha deinformaciones (figura 12 ),

o el coste de programación se reduce usando«códigos» o rutinas estandarizados para lamayoría de funciones.

Continuidad de servicio

En un sistema centralizado, una avería lleva aun corte del servicio en el conjunto de lainstalación. Al contrario, en un sistemadescentralizado, la misma avería quedareducida a un subsistema en concreto ypermite que el resto de la instalación continúeoperativa, con un funcionamientotemporalmente degradado. Por ejemplo, encaso de una intervención para mantenimientode la central del cuadro, gracias a ladescentralización, las funciones localesinternas del cuadro siguen operativas.

Mantenibilidad

Puesto que un sistema descentralizado cuentacon un gran número de unidades de procesode información, su tasa de fallos no sonacumulativas.

El número limitado de puntos de conexiónminimiza las averías.

La tasa de cobertura de averías se acerca al100%, gracias a las posibilidades de autotestsde los equipos digitales y de los buses de datos.

Implementación flexible

n Poner en marcha una nueva instalación sealarga frecuentemente durante períodos detiempos importantes. No es extraño que porrazones de presupuesto, la estación desupervisión remota esté lista un año o dosdespués de que se haya instalado el cuadro.Una instalación descentralizada, connumerosos puntos de tratamiento deinformación en cada cuadro permite a éstoscuadros funcionar de forma autónoma durantetoda la fase provisional.

n En el supuesto de renovación deinstalaciones existentes, la fase dereinstalación y adaptación se puede planificarigualmente en varios años. La descentralizaciónsimplifica la recolocación de un cuadro: el nuevocuadro puede probarse en fábrica y una solaconexión en serie basta para conectarlo alsistema de control.

Fig. 12: Ejemplo de selección de las informaciones disponibles según su destino.

Información Utilización

Mantenimiento local Centro de supervisión

Posición del aparato X X

Salida con defecto X X

Medida de la energía X

Salidas no disponibles (síntesis) X

o aparato desenchufado/bloqueado X

o aparato no alimentado X

Ajuste del relé X

Conmutación en carga X X

3.4 Conclusiones sobre la descentralización de lasunidades de proceso en un cuadro BT

Los ejemplos tratados en este tercer capítuloindican que las funciones gestionadas en elámbito del CGBT inteligente pueden ser más omenos distribuidas entre las diversasunidades de tratamiento de información:

n Algunas funciones las asume la central delcuadro cuando:

o el proceso de datos es complejo y no sepuede llevar a cabo en un módulo autónomo

estándar (ejemplo: gestión de fuentes en elcaso de las entradas múltiples),

o las funciones pueden requerir tratamientoscomunes a otras funciones; por ejemplo, unaconmutación de fuente puede deberse a lacaída de la red normal pero también por unaorden dada por control de tarifas (el reloj decambio de tarifa, por ejemplo),


o las funciones han de estar coordinadas conotros equipos, por ejemplo cuando se hace enMT la conmutación de fuentes alternativas.

n Algunas funciones autónomas las puedenrealizar equipos dedicados y optimizados paraesta función (es el caso del regulador deenergía reactiva o del inversor de fuentes).

Cuando estos equipos autónomos estánintegrados en un cuadro inteligente, puedenconectarse mediante un bus al centro delcontrol del cuadro; esto aporta funcionescomplementarias como:

o aplicación de parámetros a estos equiposmediante utilidades o herramientas más

cómodas, comunes al conjunto de lasfunciones tratadas en el cuadro,

o gestión mínima durante los modos defuncionamiento degradados,

o se tienen en cuenta en las funciones demantenimiento predictivo y correctivo.

Las diversas funciones citadas en estedocumento se ubican en el esquema de lafigura 13 :

n La central de cuadro se encarga de:

o tratar las funciones globales a nivel delcuadro e interdependientes,

o coordinar las funciones gestionadas por losmódulos aguas abajo,

Unidad deControl del

Cuadro

Funcionescentrales

Funcionesautónomas

Funcioneslocales

Estación desupervisiónde la instalación

Gestión de fuentescon su conmutación:conexión/desconexión

Gestión grupoRegulación energía reactivaSAI'sControl de aislamiento

Mando y monitorizaciónmedida de las salidas

Cuadros secundarios

Configuración

Fig. 13: Distribución de las funciones en la arquitectura de un cuadro.


o abrirse e integrarse en un sistema decontrol aguas arriba,

o dialogar con un terminal destinado alelectricista que se ocupe de las operacionesde instalación y de mantenimiento. Esteterminal se conecta localmente en el cuadrodurante las intervenciones, sin sustituir deninguna manera la estación de supervisióncentralizada a partir de la cual el usuariogestiona su instalación.

n Algunos módulos se encargan de tratar lasfunciones autónomas (regulación de lapotencia reactiva, control del aislamiento…).

n Otros módulos se encargan de gestionaruna salida o una entrada.

Esta modularidad permite:

o integrar el mando y monitorización en lanoción de «unidad funcional estandarizada yprobada»,

o estandarizar el sistema de conexiones entreel módulo y la aparamenta, reduciendo así losriesgos de averías debidas a las conexiones,

o intervenir en una salida sin perjudicar aotros elementos del cuadro en caso de averíao modificación de la instalación.

La conexión entre estos módulos y la unidadde control del cuadro se hace mediante busdigital. Recordemos que el uso de busesofrece numerosas ventajas:

n reducción masiva del número de hilos quevan hasta el cuadro y por tanto de los costesde cableado y del volumen a él reservado,

n reducción de los riesgos de averías latentesrelacionadas con defectos de conexióndebidos a fallos del mismo fabricante decuadros,

n reducción del tiempo de estudio delcableado por parte del cuadrista,

n mayor capacidad de evolución de lainstalación, por ejemplo, aumento de salidas ode funciones en una instalación existente.

El siguiente capítulo describe los tipos debuses más adecuados al proceso eléctrico.

3.5 Un bus para cuadro adaptado a las aplicaciones eléctricas

Para seleccionar una red de terreno adaptada,es esencial conocer bien las exigencias delproceso eléctrico, como pueden ser: el flujo deinformaciones, el tiempo de respuesta, elentorno…

Características del proceso eléctrico

n Un proceso naturalmente estable y continuo

Una instalación eléctrica tiene la misión dedistribuir la energía a cada uno de losconsumidores. El objetivo de un CGBT es elde mantener permanentemente las salidas enposición conectado. La apertura de un aparatopuede estar relacionada con los siguientescasos:

o actuación de una protección a causa de unfallo eléctrico,

o demanda de desconexión de un circuito deun usuario (para mantenimiento, para cortar lailuminación de una zona al final del día, etc…),

o actuación de un automatismo dedesconexión de salidas no preferentes, porejemplo, a causa de un fallo de la fuentenormal.

El cambio de estado de un aparato tiene uncarácter excepcional; sus situación natural esla de estar permanentemente en un estadoestable. Nótese que los interruptoresautomáticos son biestables por naturaleza…

n Situaciones, causas de avalanchas deinformación.

Por el contrario, algunas situaciones puedenproducir una avalancha de informaciones enun espacio muy breve de tiempo. Por ejemplo,al caer una fuente que alimenta al cuadro, losaparatos monoestables, como son loscontactores, se van a abrir todossimultáneamente y los automatismos normal/emergencia y de conmutación de fuentes vana actuar sobre los interruptores automáticos.

n Exigencias en tiempo real limitadas

En una instalación eléctrica, el tiempo derespuesta del sistema a una demandadepende de su naturaleza:

o bajo una orden del operador desde unacabina de supervisión, el sistema ha deresponder en un intervalo «aceptable» para elusuario, unos dos segundos entre que eloperador valida la orden con un «click» y elcambio de estado del aparato visualizado enla pantalla,

o para los automatismos de conmutación defuentes, no hay ninguna exigencia especial deltiempo de respuesta en relación con elproceso eléctrico; el objetivo es reducir almínimo el tiempo de corte a los consumidores.Tiempos de respuesta de algunas centenas demilisegundos son aceptablemente admisibles,

o funcionando con grupo electrógeno, si sesobrepasa la potencia nominal del grupo, esnecesario restringir las salidas no preferentes.


El fabricante del grupo, en función de losdiversos valores de sobrecarga, determina eltiempo de sobrecarga permitido.

En las instalaciones complejas en las que laproducción local está conectada a laalimentación a través de un distribuidor, siesta alimentación falla, se han de desconectaren una fracción de segundo ciertas salidasantes de que las protecciones del alternadorpuedan actuar.

n Los flujos de información dimensionados enfunción de las medidas

Las medidas eléctricas pueden llevar un flujopermanente de informaciones al bus delcuadro: tensiones, corrientes, potencias yenergías son los datos más frecuentes.

El dimensionamiento del bus dependerá de lacantidad de informaciones que transmita, perosobre todo, de la frecuencia de transmisión deestas informaciones:

o un valor de corriente o de potencia puedeservir al usuario para seguir en «tiempo real»la red eléctrica; puede necesitarse unaperiodicidad de algunos segundos,

o un valor de energía se calcula para unmínimo de varios minutos; la frecuencia detransmisión de esta medida es por tanto menor.

n Una instalación que depende de lasexigencias del cuadro eléctrico

La instalación de un bus en el interior de uncuadro eléctrico ha de tener en cuenta lossiguientes puntos:

o la red ha de ser insensible a lasperturbaciones electromagnéticas importantesque existen en un cuadro BT,

o ha de ser fácil de instalar mientras seconstruye el cuadro pero también cuando semodifica éste,

o finalmente, el cuadro BT se caracteriza poruna gran número de puntos de conexión; elcoste del punto de conexión es pues unelemento determinante en la elección de la red.

Los protocolos de tipo maestro/esclavo noadaptados

En las soluciones descritas en el capítulo 2,hay normalmente protocolos de tipo maestro/esclavo, ModBus por ejemplo (para másinformación véase el Cuaderno Técnico nº 147).

Para un cuadro totalmente automatizado, esdecir, que sólo gestiona las órdenes e informade su estado, un protocolo maestro/esclavopermite satisfacer las actuaciones que se lepiden. Así, por ejemplo, en un cuadro con 50salidas y entradas, el rastreo y análisis delestado del conjunto de las salidas y llegadas,a razón de 20 ms por unidad analizada, sepuede hacer en más o menos 1 segundo.

Cuando ocurre algo (orden del supervisor oactuación de un automatismo en la central delcuadro), el análisis de los estados se puedeinterrumpir para enviar las órdenes necesarias.

Por el contrario, si las funciones necesitan latransmisión de medidas, al aumentar el tiempode ciclo de análisis, este tipo de protocolo seconvierte enseguida en inadecuado.

Además, al cambiar de estado un aparato porel disparo de una protección, la central no seenterará hasta el próximo análisis.

Finalmente, este tipo de protocolos esinadecuado para los tratamientos repartidosya que la central sólo puede actuar comocentro de control si todas las informacionespasan por ella.

El uso de los protocolos CSMA

A diferencia de los protocolos que utilizan elmétodo de acceso maestro/esclavo, losprotocolos CSMA (Carrier Sense MediumAccess) permiten a las estaciones conectadasa la red emitir libremente sólo en caso denecesidad.

n Exigencias del CSMA

El acceso aleatorio al bus crea tres exigenciasque no existen con un funcionamiento de tipomaestro/esclavo, por naturaleza centralizado.Estas exigencias son fáciles de resolver.

o El riesgo de colisión: varias estacionesconectadas pueden hablar simultáneamente;los protocolos se establecen para evitar lacolisión entre los diversos mensajes.

Hay dos casos:

El CSMA-CD (Collision Detection). En estecaso, las estaciones detectan la interferenciaen la red entre los dos mensajes y decidenparar su emisión; cada una de ellas intentarámás tarde enviar el suyo. Esta solución lautiliza Ethernet.

El CSMA-CA (Collision Analysis). En estecaso, un dispositivo hace que la estación queemite la trama menos preferente se retire,dejando que la trama prioritaria siga suemisión. La gestión de las prioridades se hacemediante la codificación de la tramatransmitida. Esta solución la utiliza BatiBus(figura 14 ).

o El tiempo de respuesta no determinista:según la carga del bus, la demora detransmisión de una trama no es constante. Poreso no es posible garantizar un tiempomáximo de transmisión con este tipo deacceso al medio. De todas maneras, algunosdispositivos y reglas de diseño permitenobtener los tiempos de transmisión máximoscon una tasa de fiabilidad cercana al 100%. EnBatiBus, las demandas son tramas prioritarias,cosa que permite resolver el problema.


Estación 1

Estación 2

Estado de la línea

Control de la líneapor la estación 1

Control de la líneapor la estación 2

15 V

0 V

OK OKOKOKOKOKOKOK

1 111 10 00

1 0 0

_ ErrorOK OK_ _

La estación 1 puentea lalínea y la pone en

cortocircuito

Las estaciones1 y 2 puentean

la línea

La estación 1 puentea la línea; la estación2 libera la línea y detecta el cortocircuto,constata el error y emite orden de parada

Las estaciones 1 y2 dejan la línea

en reposo

La estación 1deja la líneaen reposo

La estación 1 no detecta elfallo y puede continuar

enviado el mensaje

Final de la transmisión

Fig. 14: Ejemplo de un análisis de colisión con BatiBus.

o Detección de estaciones con avería

En un sistema que utiliza un acceso con elsistema maestro/esclavo, la avería de unesclavo se detecta en el momento en el que elmaestro analiza el estado de éstos.

En un protocolo en el que solamente se emitenlas tramas útiles no se detectará un móduloaveriado. Queda a cargo de cada aplicaciónprever los dispositivos de vigilancia quepermitan asegurar de forma periódica el estadode funcionamiento correcto de cada módulo.

n Las ventajas de un bus CSMA para unainstalación eléctrica

En los párrafos anteriores, se ha demostradoque es posible liberarse de las restriccionespropias del bus CSMA.

Las principales ventajas que se obtienen deeste tipo de funcionamiento son las siguientes:

o Optimización de los intercambios: unprotocolo de tipo CSMA permite optimizar losintercambios, ya que el bus no está ocupadopermanentemente en el análisis de estados.Así, para un proceso estable, como lo esnormalmente una instalación eléctrica, con lamisma velocidad de transmisión que con unprotocolo maestro/esclavo, la cantidad deinformaciones útiles es mucho mayor y lostiempos de respuesta pueden ser menores.

o Reducción de costes: cuanto mayor es lavelocidad de transmisión, mayores son lasexigencias de instalación para protegerse delas perturbaciones electromagnéticas, y loscostes resultan importantes. Puesto que unprotocolo de tipo CSMA permite escoger unavelocidad más baja, los costes relacionadoscon la transmisión se reducen.

o Descentralización del proceso de datos:este tipo de acceso permite tratarperfectamente los tratamientos de informacióndescentralizados y/o distribuidos.

El ejemplo de la figura 15 (descentralización)muestra la simplificación de los intercambiosde información (mensajes a las salidas no-preferentes: apertura) en relación con undispositivo centralizado maestro/esclavo. Encaso de proceso «distribuido», es el módulode medida el que da directamente la orden dedesconexión a los no-preferentes; de la mismamanera, en caso de avería de la central delcuadro, la desconexión continua operativa!

Utilización de FIP para las aplicaciones MCC

Algunas aplicaciones del mundo industrialtienen exigencias muy severas de continuidadde servicio y de prestaciones que se traducen,por ejemplo, por un tiempo de respuestagarantizado (determinista) para una orden que


procede de un automatismo que controla unalínea de proceso determinada. Este es el casode algunos cuadros CCM (Motor ControlCenters). En ellos, a diferencia de los CGBT,las órdenes de apertura y cierre de un aparatoya no tienen un carácter excepcional.

En este caso, las prestaciones de una redmaestro/esclavo no son suficientes (a menosque se utilicen velocidades de transmisiónmuy elevadas, que generan sobrecostesimportantes) y una red con acceso aleatorio almedio de transmisión es inadecuado.

Precisamente para este tipo de usuarios losindustriales y constructores han diseñado lared FIP. Sin detallar aquí su funcionamiento,podemos indicar que tienen la particularidadde tener a la vez las ventajas del maestro/esclavo y del acceso aleatorio:

n el acceso al medio de transmisión lo controlaun gestor del bus (localizado en la central decuadro para el caso de un cuadro BT),

n los datos (órdenes y estados, por ejemplo)pueden ser enviados periódicamente al bus,

n las estaciones pueden pedir al gestor delbus el derecho a emitir las informaciones encaso de necesidad (cambio significativo delvalor de una medida…),

n los datos generados por una estación lospueden utilizar otras estaciones, una o varias(en el caso de proceso distribuido),

n finalmente, el protocolo integra diversosdispositivos que permiten garantizar un nivelde seguridad de transmisión muy alto.

Por todo esto se tiene a la vez las ventajas de:

n el maestro/esclavo (tiempo de respuestadeterminista y garantizado),

n el acceso aleatorio (transmisión deinformaciones útiles o a continuación de unincidente) con las prestaciones elevadas ygarantía de cumplir con exigencias deseguridad de funcionamiento muy severas.

Fig. 15: Diagrama de tiempos de un CCM con FIP.

Tiempo

0 ms

10 ms

20 ms

30 ms

40 ms

Estados

Estados

Estados

Estados

Estados

Comandos

Comandos

Comandos

La información de estadose envía en forma de variableperiódica cada 10 ms.

Los comandos setransmiten en forma demensajes periódicoscada 20 ms.

El tiempo libre disponible(en gris en el cuadro) puedeusarse para transmitirdiversas informacionessobre parámetros, medidas,diagnósticos, ...,como mensajesno periódicos.


4 Ejemplos de instalación

4.1 Centro informático

Las necesidades del usuario

En un centro informático que permaneceoperativo las 24 horas del día, la primerapreocupación del responsable del sistemaeléctrico es asegurar una disponibilidadpermanente de energía, con una grancapacidad de reacción para el mantenimiento.

Complementando estas necesidades de base,el cliente desea disminuir su factura deenergía mediante:

n una acción sobre el cos ϕ,

n la suscripción de un contrato ventajoso conla compañía suministradora de energía (dobleo triple tarifa,...).

Estas dos opciones, gracias al ahorro en lafactura, permiten rentabilizar la instalación enmenos de tres años.

La solución aplicada

n Instalación eléctrica

La instalación eléctrica se alimenta a travésde un bucle MT de 20 kV, que alimenta a untransformador de 1000 kVA, que a su vezalimenta a un CGBT (figura 16 ). El CGBT es

Fig. 16: Solución aplicada a un centro informático.

Centro de supervisión

VAR

CGBT

G

1000 kVA20 kV /230-400V

550 kVA

SAI's

Celdas MT

A A A A

A A

D

B

C

C

F

A

VAR

E


un cuadro con módulos desenchufables.Alimenta 23 salidas, dos de las cuales estánen reserva. Las salidas de gran potencia estánequipadas con telecontrol.

Los ordenadores se alimentan con SAI’s(UPS’s) con redundancia.

Un grupo electrógeno de 550 kVA es capaz desoportar, en estado de emergencia, elconjunto de los equipos eléctricos del Centro.

n Funciones a realizar

o Conmutación de la fuente: en caso de cortede red aguas abajo del transformador MT/BT oseñal del maxímetro, la fuente de reservaalimenta automáticamente al cuadro. Elarmario de control del grupo recibe lasórdenes de paro y marcha procedentes delCGBT y asegura el funcionamiento automáticoautónomo del grupo.

En el momento de la conmutación a grupo, lassalidas de gran potencia se desconectan paraminimizar el impacto de la carga en elmomento de la conmutación, reconectándosedespués una a una con una temporizaciónindividual regulable.

Al volver la tensión a la red, el cuadro vuelveautomáticamente sobre la fuente normal yordena la parada del grupo.

o Gestión del contrato: el CGBT se programapara optimizar el contrato (en potencia,consumo, horario, etc...) con el distribuidor,según las diversas modalidades posibles enlos diversos países. Según este programa deactuación, la conmutación de fuentes, laconexión o desconexión de consumidores nopreferentes, etc. se hará siempre automática yautónomamente.

o Regulación de la potencia reactiva: unabatería de compensación de la energíareactiva de 100 kVAr está pilotada por unregulador de la potencia reactiva.

o Supervisión a distancia: en caso deincidente en la instalación eléctrica, se activainmediatamente una alarma en la consola desupervisión, transmitiéndole las alarmastemporales del CGBT.

n El sistema de mando y monitorización

o Cada entrada y salida del CGBT escontrolada mediante un módulo (representadocon A en el esquema) que:

– obtiene el estado de la salida (abierto,cerrado, disparado, desenchufado...),

– indica localmente este estado,

– si son salidas o entradas con telemando,ordena su apertura, cierre o rearme. Estasórdenes se pueden dar localmente o a travésdel bus del cuadro,

– dialoga con la unidad de control del cuadroa través del bus de comunicaciones digital.

o Una unidad de control de cuadro(representada como B en el esquema) situadaen el CGBT se encarga de:

– asegurar el mando y supervisión de lasentradas y salidas a través de los módulosrepresentados como A en el esquema,

– adquirir directamente los datos siguientes:presencia de tensión de red o de grupo (através de los relés representados con C en elesquema), pasar al modo de ahorro deenergía (relés representados con E en elesquema),

– transmitir una orden de arranque al armarioque controla el GE (representado con D en elesquema),

– gestionar la conmutación de fuentes debidaa la falta de tensión de red o un cambio detarifas,

– generar y transmitir alarmas a la consola desupervisión (representada con F en elesquema) que las visualiza de forma adaptada.

4.2 Hospital

Las necesidades del cliente

En un hospital, la continuidad del servicio deenergía eléctrica es primordial. Vamos aexaminar el caso de un centro hospitalario detamaño mediano.

Para gestionar lo mejor posible la distribucióneléctrica y satisfacer las necesidades delusuario:

n Las salidas están clasificadas en trescategorías: seguras, prioritarias y sin corte;cada entrada o salida se supervisa y puedeser controlada a distancia desde el supervisor,

n el conjunto de la instalación estásupervisado a distancia.

La solución aplicada

n Instalación eléctrica

o La instalación eléctrica se alimentamediante un bucle MT de 20 kV, que alimentaa tres transformadores de 1000 kVA, quealimentan a un mismo CGBT de distribución,

o Hay dos grupos electrógenos de 400 kVAcon capacidad para soportar, comoalimentación de emergencia, algunasinstalaciones del Centro,


Fig. 17: Solución aplicada a un hospital.

Salidas prioritarias(SAI/red)

Salidas sin corte(red/SAI/grupo)

Salidas seguras(red/grupo)

Celdas MT

Red 20 kV

TGBT2 TGBT3Transformadores3 x 1000 kVA20 kV / 230-400 V

2 x 400 kVA

GE GE

CGBT2 CGBT3 CGBT2 CGBT3 CGBT2 CGBT3

CGBT1

CGBT HQ

CGBT GE

CGBT D

SAI's conbypass

o hay también dos onduladores (SAI’s) quealimentan las salidas de alta calidad (HQ) yprioritarias,

o Las salidas están reagrupadas en tresCGBT. El esquema de la figura 17 ilustra laalimentación de cada derivación del CGBT1.

n Organización de la GTE

o Un centro de control (supervisor) permite lavigilancia, mando y control del usuario,

o El cuadro de distribución «CGBT D»:

– permite el mando y supervisión de losinterruptores automáticos de entrada y desalida,

– controla el buen funcionamiento de los relésvarimétricos (compensación de la energíareactiva) e inhibe esta compensación cuandohay corte de red (funcionamiento con grupo),

– dialoga con las unidades de control delos SAI,


– proporciona la información sobre lostransformadores en servicio.

o El cuadro «CGBT-GE»:

– efectúa el mando y supervisión de losinterruptores automáticos,

– dialoga con los armarios de control de losgrupos: control y transmisión de las órdenesde marcha y paro,

– dialoga con los cuadros 1, 2, 3 y HQ, quedan una orden de arranque de los GE yreciben una señal de la potencia máximadisponible en función del número de GE enservicio y de los TGBT alimentados (durantelas operaciones de mantenimiento, porejemplo, pueden no estar todos conectados).

o Las cuadros de derivaciones «TGBT 1-2-3»:

– controlan y supervisan los interruptoresautomáticos,

– aseguran la función normal/emergencia delas salidas auxiliares a partir de la informacióndada por los relés de tensión:

- desconexión de salidas importantes,

- emisión de una petición de arranque de GE,

- cierre del interruptor automático de entradade GE,

– aseguran la regularización de la carga: lassalidas auxiliares se clasifican por prioridadesde alimentación: las salidas se desconectan oconectan en función de la potencia producidapor los grupos (1 ó 2) o suministrada por la

conexión simultánea de uno o variostransformadores.

– dialogan con el controlador de aislamientode las salidas «sin corte».

o El cuadro «CGBT HQ»:

– control y supervisión de los interruptoresautomáticos,

– asegura la conmutación de las fuentes,después de solicitar el arranque de un grupo,si el SAI tiene algún problema.

En este ejemplo concreto, no se hanimplementado todas las funciones posibles dela GTE (nunca se instalan todas!):

n La gestión temporal no se utiliza porque unhospital funciona las 24 h del día.

n La gestión del contrato (ahorro de energía)no se ha previsto; sólo se ha puesto en marchala compensación de la energía reactiva.

n La GTE aplicada tiene por objetivo principalla disponibilidad de la energía eléctrica.

n Cada cuadro está equipado de unainteligencia local, autónoma, que asegura lasfunciones que se le asignan.

n Por el bus circulan pocas informacionessobre el funcionamiento (conmutadores en redo en grupo, grupos en marcha, regulación decarga) y ninguna medida de las magnitudeseléctricas si están en relación directa con lasmedidas del cuadro MT.

La rutina de control de estado se realizaperiódicamente.


5 Conclusiones y perspectivas de futuro

Punto neurálgico de la distribución eléctrica, elcuadro inteligente aporta una respuestaadaptada a las necesidades de losadministradores y de los usuarios de lasinstalaciones eléctricas:

n economía en el centro de energía eléctrica,

n seguridad de funcionamiento,

n control a distancia de la instalación (con laposibilidad de aplicar la GTB para el sectorterciario y la gestión de proceso para laindustria),

n mantenibilidad y evolutividad de lainstalación,

n capacidad de evolución progresiva a lolargo de los años hacia la inteligencia.

Instalar un cuadro de gestión integrada, perocon inteligencia descentralizada, distribuida,hoy en día es fácil gracias a la existencia demódulos, equipos y software estandarizados yduraderos. En este sentido, el mando(órdenes) y la monitorización (información)puede tratarse como «producto-serie»desmarcándose completamente de loscuadros de automatismos de los procesosindustriales.

La integración de la inteligencia en el cuadropermite:

n simplificar la arquitectura del cuadro y de lainstalación en su diseño y evolución(distribución repartida, supresión de los juegosde barras partidos, selectividad, conocimientode las reservas del cuadro, gestión de lascondiciones de utilización dentro de los límitesdel cuadro: temperatura, sobrecarga...),

n gestionar el cuadro en el tiempo (función decaja negra, dossier de planes diarios...),

n conjugar la coexistencia de la comunicación(pequeñas corrientes o «señal») con lapotencia (grandes corrientes o «potencia»).

En el futuro, la comunicación digital y elproceso de la información van a llegar a nivelde la aparamenta, de los captadores y de losaccionadores. Esto va a facilitar la distribuciónde la inteligencia y va a permitir reducir aúnmás la centralización. Todavía queda muchopor hacer en el campo de los estudios, delcableado, el montaje e instalación, de laexplotación, de la seguridad y de la evolución.


Cuadernos Técnicos Merlin Gerin

n Introducción a la concepción de laseguridad


P. BONNEFOI

n Iniciación a las redes de comunicaciónnumérica


E. KOENIG

n Distribución eléctrica de alta disponibilidad


A. LONCHAMPT - G. GATINE

n Seguridad de funcionamiento y cuadroseléctricos BT

Cuaderno Técnico Nº 156

O. BOUJU

Apuntes del Gimelec

n Les tableaux électriques basse tension

n Les tableaux à gestion intégrée

Bibliografía

Documents

Cuaderno Técnico nº 186