Introducción
El objetivo de este documento es analizar la situación de los protocolos de comunicación para subestaciones eléctricas, aplicaciones de la red de comunicaciones, las necesidades de la seguridad informática, planes y proyectos de equipos de subestaciones y de aplicaciones de software.
Los adelantos tecnológicos recientes en los medios de comunicación, protocolos, tecnología de redes, dispositivos de computación y equipos de subestaciones eléctricas han presentado nuevas oportunidades para empresas de servicios públicos y privados para mejorar sus sistemas eléctricos, las operaciones y la automatización de procesos de subestaciones eléctricas de generación, transmisión y distribución.
Un área de desarrollo importante son las aplicaciones de las comunicaciones entre las subestaciones y los centros de control remotos, tales como:
• SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition);
• Video (para la seguridad física o equipos de vigilancia);
• Puntos de acceso de datos móviles;
• Voz sobre IP;
• Configuración remota de relevadores, sistemas de control (SCADA) y medidores multifunción;
• Recuperación de información de fallas eléctricas (Oscilografias);
• Video (para la seguridad física o equipos de vigilancia);
• Puntos de acceso de datos móviles;
• Voz sobre IP;
• Configuración remota de relevadores, sistemas de control (SCADA) y medidores multifunción;
• Recuperación de información de fallas eléctricas (Oscilografias);
• Gestión de la red de comunicaciones;
• La seguridad de acceso físico como lectores de tarjetas;
• Enlace de comunicaciones entre equipos que protegen líneas de transmisión y distribución para el aislamiento de fallas o para realizar funciones de automatización en arreglo de anillos eléctricos en sistemas de distribución. • Acceso remoto desde la subestación a servidores centrales.
• La seguridad de acceso físico como lectores de tarjetas;
• Enlace de comunicaciones entre equipos que protegen líneas de transmisión y distribución para el aislamiento de fallas o para realizar funciones de automatización en arreglo de anillos eléctricos en sistemas de distribución. • Acceso remoto desde la subestación a servidores centrales.
No fue hace tanto tiempo, cuando las aplicaciones que se utilizaban para comunicaciones en la subestación podrían haber sido limitadas solo a SCADA. Hoy en día, una subestación puede tener numerosos protocolos de comunicaciones esto permite tener una amplia variedad de aplicaciones. Esta situación se desarrolló en parte como resultado de la amplia aceptación y apoyo de comunicaciones basadas en IP para las subestaciones. Este apoyo llega en forma de numerosos dispositivos de la subestación que se comunican por TCP / IP, y tal vez cientos de diferentes productos de comunicación inalámbrica. Además, aunque pequeño en términos porcentuales, hay un creciente número de subestaciones con acceso a la fibra óptica para las comunicaciones.
Los mensajes de comunicación para una aplicación suelen incluir múltiples protocolos de capas, como una aplicación de transferencia de archivos mediante FTP, aplicaciones de conexión a través de TCP / IP, o una aplicación de conexión mediante el protocolo UDP / IP, todo a través de Ethernet. Las redes modernas de comunicación para subestaciones a menudo tienen múltiples protocolos de capa de aplicación que se ejecuta "en la parte superior de" TCP / IP y la conexión de bajo nivel de datos y protocolos de la capa física.
Algunos ejemplos de protocolos de comunicación que se usan en la actualidad en una subestación eléctrica son:
• TCP, UDP (User Datagram Protocol), IP, Ethernet;• DNP3 y DNP3 sobre IP;
• IEC 61850-compatible con los estándares;
• XML;
• SNMP;
• FTP;
• Formatos de archivo COMTRADE (con el protocolo que tiene la capacidad de transferencia de archivos);
• HTTP;
• Proveedor de protocolos específicos para gestionar sus dispositivos electrónicos inteligentes (DEI), y paquetes de software de forma remota, como el software de aplicación y configuración de relevadores y herramienta para configurar archivos SCD “DIGSI”;
• Protocolos de diagnóstico;
• Los protocolos de vídeo;
• Seguridad de los protocolos de lector de tarjetas, y,
• Los protocolos de aplicaciones móviles.
• FTP;
• Formatos de archivo COMTRADE (con el protocolo que tiene la capacidad de transferencia de archivos);
• HTTP;
• Proveedor de protocolos específicos para gestionar sus dispositivos electrónicos inteligentes (DEI), y paquetes de software de forma remota, como el software de aplicación y configuración de relevadores y herramienta para configurar archivos SCD “DIGSI”;
• Protocolos de diagnóstico;
• Los protocolos de vídeo;
• Seguridad de los protocolos de lector de tarjetas, y,
• Los protocolos de aplicaciones móviles.
Por razones de seguridad cibernética, puede haber más de una red IP o el conjunto de las aplicaciones soportadas se puede limitar a las subestaciones más importantes. La conclusión es que la tecnología actual permite que las empresas puedan ejecutar múltiples protocolos. Dos estándares de comunicación importantes que tienen una posición única en la industria son IEC 61850 y DNP3.
DNP3 general
DNP3 es un protocolo abierto de SCADA con la documentación disponible en www.dnp.org. El Comité Técnico integrado por miembros del Grupo de Usuarios de DNP3 crea y apoya toda la documentación para el protocolo. DNP3 es muy usado en el mercado para la utilidad del protocolo SCADA en los EE.UU y México. sin embargo se está migrando poco a poco al protocolo IEC 61850 el cual también se instala en las subestaciones de ultima generación. Hay muchas instalaciones en los EE.UU. con equipos que utilizan DNP3 como protocolo SCADA, algunos se remontan a principios de los 90´s.
DNP3 trabaja en interfaces serie RS232 y RS485 incluyendo el medio de fibra óptica, como en configuraciones en arquitectura estrella. DNP3 también opera a través de redes IP y Ethernet, y se refiere a menudo como DNP3 sobre IP. El protocolo DNP3 sobre redes seriales no se ha modificado en su contenido cuando se pasa a través de redes IP, sino sólo el funcionamiento del transporte de los datos. Esto permite una mezcla de la herencia de los dispositivos de protocolos seriales y DNP3 a través de dispositivos de protocolos IP que coexisten en la misma red. Esta flexibilidad significa que los usuarios no tendrán que comprar nuevos dispositivos cuando se migra de redes seriales a redes Ethernet.
Con el uso de servidores seriales en las subestaciones que se pueden conectar en serie con los DEI´s, estos pueden ser integrados a una red de comunicaciones TCP/IP.
Características DNP3
DNP3 admite la sincronización de tiempo, así como fecha y hora de los eventos cuando se producen. La retención de eventos es posible mediante el uso de una memoria de eventos para cada punto de datos que está configurada para reportar eventos con estampa de tiempo. Es posible que cada cambio de estado se indique con una marca de tiempo del momento en que ocurrió. Algunas de otras características importantes DNP3 incluyen:
• Envío y recepción de información de estado acerca de los dispositivos (entrada binaria);
• Envío y recepción de información analógica (entradas analógicas);
• Envío y recepción de información de acumuladores (contadores);
• Envío y recepción de los puntos de ajuste (salidas analógicas);
• Envío y recepción de los controles (salidas binarias);
• Sincronización de tiempo;
• Informe de datos estáticos (valor actual) y los datos del evento (con o sin una marca de tiempo);
• La presentación de datos acaba de cambiar para ahorrar el ancho de banda de las comunicaciones;
• Presentación de datos no solicitados;
• Transferencia de archivos, y,
• Índice en la base de datos no normalizada, (La base de datos de los equipos pueden tener el mapeo que sea requerido por el centro de control)
• Envío y recepción de información analógica (entradas analógicas);
• Envío y recepción de información de acumuladores (contadores);
• Envío y recepción de los puntos de ajuste (salidas analógicas);
• Envío y recepción de los controles (salidas binarias);
• Sincronización de tiempo;
• Informe de datos estáticos (valor actual) y los datos del evento (con o sin una marca de tiempo);
• La presentación de datos acaba de cambiar para ahorrar el ancho de banda de las comunicaciones;
• Presentación de datos no solicitados;
• Transferencia de archivos, y,
• Índice en la base de datos no normalizada, (La base de datos de los equipos pueden tener el mapeo que sea requerido por el centro de control)
DNP3 pruebas de cumplimiento
El DEI debe estar certificado para cumplir con el protocolo, ya sea mediante una instalación independiente de certificación o el fabricante puede auto-certificarse bajo ciertas condiciones. Hay una prueba de conformidad DNP3 que se debe pasar para que un DEI pueda ser certificado. Todos los certificados DNP3 para DEI´s deben tener un documento de perfil de DNP3 que describe lo que es compatible con el dispositivo. Las estaciones maestras varían un poco y la documentación de las funciones compatibles no es tan consistente, porque no hay un documento de prueba de cumplimiento para las estaciones maestras.
IEC 61850 Información general
Es una norma internacional que apoya la comunicación y el intercambio de información para la automatización de subestaciones. IEC 61850 proporciona una gran funcionalidad orientada a objetos, diseñada para apoyar la implementación y mantenimiento de aplicaciones de automatización de subestaciones. El comité técnico 57 (TC57) también trabaja para ampliar el protocolo IEC 61850 para otras áreas de aplicación más allá de las subestaciones, por ejemplo en sistemas de energía eólica, plantas de energía hidroeléctrica y en el manejo de los recursos energéticos distribuidos.
IEC 61850 fue preparado por los Grupos de Trabajo de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y el Comité Técnico 57 (TC57). En 2005, la última de las 10 partes de la norma IEC 61850 se convirtió en un estándar internacional. Las normas IEC están disponibles para su compra en webstore.iec.ch /. IEC 61850 se basa directamente en las bases de colocación de la UCA.
Características del IEC 61850.
IEC 61850 no es sólo otra forma de proporcionar las mismas funciones que el tradicional protocolo SCADA. A pesar de que consigue eso, IEC 61850 proporciona características mucho más poderosas, eficientes y útiles, y los beneficios son mayores en todos los casos. Una de las características principales de la norma IEC 61850 es la representación orientada a objetos de datos en el formulario estándar de convenciones de nombres, estructuras y formatos. Esto puede producir muchos beneficios, tales como: 1. Mapeo más fácil para las aplicaciones de terceros para acceder a la información de múltiples DEI´s de varios proveedores.
2. Minimiza el trabajo del diseñador de la aplicación que no tendrá que lidiar con las representaciones de proveedores numerosos, y utiliza herramientas estándar con un único modelo de datos basados en una norma internacional.
3. Auto-configuración de algunas porciones de las interfaces y aplicaciones.
2. Minimiza el trabajo del diseñador de la aplicación que no tendrá que lidiar con las representaciones de proveedores numerosos, y utiliza herramientas estándar con un único modelo de datos basados en una norma internacional.
3. Auto-configuración de algunas porciones de las interfaces y aplicaciones.
IEC 61850 también proporciona una configuración de la subestación llamada Description Language (SCL) el cual es un archivo estándar que documenta las características de los parámetros de comunicación del DEI y utiliza un formato XML. Un archivo SCL se puede utilizar para el intercambio de información de un DEI y el software de diferentes fabricantes para su configuración. IEC 61850 define cómo se representan los datos, pero no define cuál es la función o como se disponen los datos en cualquier tipo de DEI. Los proveedores pueden implementar las características funcionales que quieren apoyar y proporcionar una descripción de estas características soportadas en un fichero de SCL. Otra característica única de la norma IEC 61850 en comparación con otros estándares es la aplicación punto-a-punto (peer-to-peer) de alta velocidad para la mensajería con el objeto de evento genérico Subestación Orientados (GOOSE) en las definiciones de la norma. Esta característica está diseñada para soportar aplicaciones de sistema de protección a altas velocidades de respuesta menores a 8ms.
DNP3
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IEC 61850
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Descripción
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Interoperabilidad entre dispositivos de diferentes fabricantes.
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NO
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SI
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Permite conectar equipos de diferentes fabricantes “peer to peer”
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Escalabilidad en tecnologías de comunicaciones.
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NO
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SI
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Capacidad de combinar tecnologías de comunicaciones presentes y futuras con las aplicaciones existentes
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Permisivos de Operación (Interlock) sobre el bus de proceso
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NO
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SI
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Permite configurar permisivos de operación sin lógica cableada, ahorra tiempo y costos de materiales al hacerlo sobre el bus de comunicaciones (utiliza la herramienta GOOSE)
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SCL -Lenguaje de descripción de configuración de subestaciones (Substation Configuration Description Language)
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NO
|
SI
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Reducción de plazos y costos del proceso de ingeniería y puesta en marcha de las subestaciones.
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IEC 61850 también es compatible con un "bus de proceso" ya que se pueden minimizar los requerimientos de cableado de la subestación entre el cuarto de control y el equipo en el patio, por la conversión de las entradas analógicas de la fuente (por ejemplo, transformadores, corriente, transformadores de potencial, el estado del transformador) en información digital transportada por fibra óptica.
IEC 61850 puede ser usado sobre diferentes protocolos. Como indica la parte 8.-1 de la especificación del IEC 61850 “Specific Communication Service Mapping (SCSM)-Mappings to MMS (ISO 9506- and ISO 9506-2) and to ISO/IEC 8802-3”, MMS tiene un robusto conjunto de características que son utilizados por IEC 61850 en mapeo, objetos y servicios.
IEC 61850 esta basado en las comunicaciones típicas a través de TCP/IP y las redes Ethernet por lo que la aplicación UDP puede ser utilizada. La función de bus de proceso y el GOOSE se ejecutan directamente a través de Ethernet, en estos casos el ancho de banda de los puertos Ethernet de los switches debe ser mayor o la configuración de la red LAN debe ser de alto nivel.
Conclusiones
Dada la continua expectativa y tendencia para mejorar la tecnología de la información para lograr mejores resultados en los servicios en las subestaciones y la ejecución de los proyectos, parece razonable suponer que, en el tiempo, la mayoría de todos los servicios públicos se moverá a una comunicación orientada a objetos (IEC 61850), y este enfoque se volverá un estándar para la automatización de subestaciones, además otras áreas de aplicación que pueden beneficiarse de la misma tecnología.
No cabe duda que la utilización del estándar IEC61850 presenta importantes ventajas frente a las soluciones convencionales:
1. Aumenta la eficiencia, gracias a la interoperabilidad entre DEIs y las herramientas basadas en SCL que ayudan a optimar soluciones. Además, el intercambio de datos "punto a punto" que hace uso de los enlaces de comunicaciones estandarizados, permite reducir el cableado al mínimo.
2. Proporciona una gran flexibilidad, dando soporte a cualquier arquitectura física o funcional, así como a futuras ampliaciones. De nuevo, la interoperabilidad de los dispositivos, así como el modelo de datos orientado a objetos y la comunicación basada en Ethernet, conforma la base de dicha flexibilidad.
3. Constituye una inversión rentable y de futuro: Los sistemas de automatización de subestaciones se podrán beneficiar de la evolución de las comunicaciones sin que ello suponga necesariamente cambios en la aplicación. La facilidad para extender el sistema y la funcionalidad garantizan un fácil mantenimiento y la interoperabilidad a lo largo del tiempo.
Entender la calidad de los servicios y la interoperabilidad de la tecnología seguirá siendo importante para cualquier utilidad con la que se quiera aprovechar las oportunidades tecnológicas con las que cuenta el protocolo de comunicación IEC 61850. Algo esencial para el éxito del proyecto al momento de hacer la elección de un protocolo, es considerar la compatibilidad que se tendrá con otros equipos en el futuro, así como el diseño y la facilidad de implementación
Ing. Eduardo Fco. Rosales
