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8/7/2019 comunicaciones-subestaciones

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SISTEMAS DE AUTOMATIZACIN DE SUBESTACIONES CON IEDS IEC 61850:COMUNICACIONES, TOPOLOGAS.

R. Vignoni * R. Pellizzoni L.FunesFacultad de Ingeniera-UNLP Transener S.A./Transba S.A. Transener S.A./Transba S.A.

Argentina Argentina Argentina

Resumen La norma IEC 61850-Ed.1, si bien adopta como red de rea local, la red Ethernet, y definediversos niveles lgicos y fsicos en una subestacin, como nivel estacin, nivel campo y nivel proceso, nodefine ninguna topologa en particular.

El objetivo del presente trabajo es analizar las distintas topologas de Red de rea Local (LAN) Ethernetque se pueden utilizar en los Sistemas de Automatizacin de Subestaciones (SAS), y que no han sidoestandarizados en la Ed. 1 de la norma IEC 61850, evaluando cual es la topologa ms adecuada parapermitir, a un costo razonable, lograr los objetivos de seguridad, confiabilidad y disponibilidad adecuadospara procesos crticos como son los involucrados en los Sistemas Elctricos de Potencia.

Asimismo se analizan aspectos vinculados con la estampa de tiempo y la sincronizacin temporal entre losIEDs instalados en una subestacin as como el protocolo utilizado de acuerdo a la norma.

Palabras clave:IEC 61850 Automatizacin Topologas Sincronizacin de tiempo.

1 INTRODUCCIN

La norma IEC 61850, indudablemente despert el inters de las reas de protecciones y control de lasEmpresas Elctricas, a partir de su publicacin a fines de 2004. Inicialmente, los especialistas seconcentraron en conocer los diversos aspectos de la norma, pero la siguiente etapa, en muchos casos, secaracteriz por la realizacin de Proyectos Piloto que permitieran conocer ms detalladamente yprofundamente los aspectos prcticos de la aplicacin de dicha norma en la automatizacin de subestaciones.En el marco de la implementacin prctica de instalacin de IEDs IEC 61850 en subestaciones, se debieronimplementar LANs Ethernet, lo que implic tener que realizar la ingeniera de red, y por tanto de definir la

mejor topologa a utilizar en cada caso.Si bien las topologas bsicas son ampliamente conocidas, es importante tener en cuenta una serie deconsideraciones al seleccionar una, ya que cada Empresa Elctrica posee su propia configuracin particularde subestaciones, y es importante por un aspecto prctico, considerarlas al definir la topologa a utilizar.

La eleccin de una adecuada topologa es una decisin fundamental, que est vinculada con el grado dedisponibilidad y por lo tanto de redundancia exigido a la LAN Ethernet en la subestacin. En este marcotambin adquiere importancia el protocolo adoptado para el trfico de datos entre switches en laautomatizacin de subestaciones.

XIII ERIACDCIMO TERCER ENCUENTRO

REGIONAL IBEROAMERICANO DE CIGR

24 al 28 de mayo de 2009

Comit de Estudio D2 - Sistemas de Informacin y Telecomunicaciones para Sistemas de Potencia

XIII/PI-D2 -03Puerto Iguaz

Ar entina


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2 NIVELES EN LA SUBESTACIN

La norma IEC 61850, como se muestra en la Fig. 1, define tres niveles en la subestacin: Estacin, Campo yBaha.

Figura 1 - Modelo de interfaz de un SAS Interfaces lgicas

Es posible implementar una LAN en cada nivel, o bien una nica LAN para toda la subestacin. Estadecisin queda en manos de la ingeniera de cada empresa, ya que la norma IEC 61850-Ed.1, como se hamencionado, no especifica ni propone ninguna topologa en particular.

3 TOPOLOGIAS DE REDES

Al decidir adoptar una determinada topologa de red para una subestacin, se deben considerar comoaspectos ms crticos a lograr: una adecuada seguridad, confiabilidad, y disponibilidad, es decir un adecuadogrado de tolerancia a fallas en especial cuando se implementan mensajes GOOSE. Los requerimientos

mencionados implican por una parte definir una topologa adecuada para alcanzar esos objetivos, pero porotra parte, es necesario mantener la inversin acotada, obviamente teniendo en cuenta las caractersticas deconfiguracin y nivel de tensin de cada estacin. Es por ello que la topologa que se adopte adquiere unaimportancia fundamental.

3.1 Topologas bsicas

Entre las topologas bsicas utilizadas en subestaciones, se pueden mencionar las siguientes:

3.1.1 Bus o Cascada

NNIIVVEELL EESSTTAACCIIOONN

NNIIVVEELL BBAAHHIIAA

NNIIVVEELL PPRROOCCEESSOO

FUNC. A FUNC. B

ACTUADORESSENSORESINTERFAZ PROCESO

EQUIPAMIENTO AT

PROTECC. CONTROL PROTECC. CONTROL

1 7

1, 1,

8

33

2 24, 4,

ProteccinRemota

ProteccinRemota

Remote Control Technical


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La figura 2 muestra la topologa bus o cascada, uno de los casos de conexionados ms simples. No presentaposibilidades de tolerancia a fallas y la cantidad de dispositivos que se pueden interconectar depende de losretardos admisibles en el sistema.

Fig. 2 - Topologa Bus o Cascada

3.1.2 Estrella

La fig. 3 muestra una topologa estrella tpica. Tampoco presenta posibilidades de tolerancia a fallas, pero es

el esquema donde existen menores retardos.

Fig. 3 - Topologa Estrella3.1.3 Anillo

La topologa anillo mostrada en la fig. 4, resulta similar a la anterior, la nica diferencia radica en que en estecaso se cierra el lazo entre el ltimo switch y el primero. Esta configuracin muestra un primer nivel deredundancia. Utilizando un protocolo de reconfiguracin de red, si una de las conexiones entre switchesfalla, por el camino alternativo la informacin de todos los IEDs se mantiene accesible. Si lo que falla es unswitch completo, lo anterior es vlido, excepto para los IEDs conectados al switch fallado los cualesquedarn aislados.

Fig. 4 - Topologa Anillo Simple

IED IED

SwitchF IED IED

SwitchA

IED IED

SwitchB

IED IED

Switch C

IED IED

Switch D

IED IED

SwitchE

IED IED

Switch A

IED IED

Switch N

IED IED

Switch B

Switch A

IED IED

Switch N

IED IED

Switch C

IED IED

Switch B


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3.1.4 Estrella Anillo Combinada

La fig. 5 muestra una topologa que resulta de la combinacin entre las arquitecturas anillo y estrella,comentadas anteriormente.

Fig. 5 - Topologa Combinada Estrella - Anillo

Como se puede observar se obtiene un nivel de tolerancia a fallas mayor, cada uno de los dispositivosconectados a los IEDs, estn conectados a dos switches que a su vez conforman un anillo. Esta configuracinmantiene su funcionalidad aun en presencia de uno o ms de los siguientes fallos:

a) Falla de alguno de los switches A o Bb) Falla de una de las conexiones entre los switches C a N con A o Bc) Falla de una de las conexiones entre A y B

3.1.5 Anillo doble

Fig. 6 Anillo Doble

Como se aprecia en la fig. 6, la configuracin doble anillo provee un grado de tolerancia a fallas importantedado que se incorporan caminos alternativos que permiten que el sistema siga funcionando an en presenciade diversas fallas.

3.1.6 Caractersticas de los Switches

Los modernos dispositivos (switches) que permiten topologas como las anteriores, deben poseercaractersticas que se adapten a las necesidades de control en tiempo real en la automatizacin desubestaciones.

IED IED

Switch C

IED IED

Switch D

IED IED

Switch N

Switch A Switch B

SwitchA SwitchB

Switch C

IED IED

Switch D

IED IED

SwitchEIED IED

SwitchF

IED IED


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1- Full Duplex, previsto en el estndar IEEE 802.3x, asegura que no existan colisiones en lossegmentos de red interconectados por los switches. Esta forma de operacin permite eliminar el nodeterminismo propio de las redes Ethernet clsicas.

2- IEEE 802.1p propone una tcnica de sealizacin que permite la priorizacin de trfico en la red anivel de la capa 2. El estndar ofrece adems la posibilidad de filtrado de trfico del tipo

multidifusin (broadcast), evitando la proliferacin de mensajes de este tipo en la red. El etiquetadode los paquetes se realiza con la inclusin de un campo de 3 bits, que permite agruparlos en distintasclases de trfico. An cuando ha habido recomendaciones por parte de la IEEE, todava no existendefiniciones especficas en cuanto a las clases de trfico. Si bien la mayora de los fabricantescoinciden en que 802.1p es el mecanismo para etiquetar prioridades, no existe an uniformidad decriterios para su implementacin.

3- La utilizacin del estndar IEEE 802.1q que define la utilizacin de redes virtuales, permite aislarIEDs con operaciones de tiempo real de otros IEDs menos crticos, como los utilizados pararecoleccin de datos. Podemos considerar la red virtual (VLAN) como una segmentacin lgica deuna red fsica, con el objetivo de mejorar su performance. Originalmente, esta mejora se basaba en lareduccin del dominio de colisiones en redes de gran tamao. En la actualidad, considerando la

utilizacin de switches que soportan operacin full dplex ya no existen colisiones, por lo que elpropsito de la utilizacin de VLANs en las redes de subestaciones es, en conjuncin con 802.1p elde disminuir los dominios de broadcasting y conformar redes lgicas con IEDs de similarescaractersticas en cuanto a exigencias y criticidad.

4- Spanning Tree Protocol (STP) IEEE 802.1D, se utiliza para prevenir la formacin de anillos queresultaran que un paquete circule indefinidamente en el anillo, haciendo la red inutilizable. Elobjetivo del STP es cortar los anillos, reduciendo la topologa a la de un rbol, que vincula todos losswitches eliminando los anillos, por lo que entre dos dispositivos de la red existir solamente unatrayectoria activa a la vez, aunque se mantienen los caminos redundantes como reserva, paraactivarlos en caso de que el camino inicial falle. El inconveniente del STP es una lentareconfiguracin o convergencia en caso de falla y tiempos de recuperacin elevados (30 seg.). El

funcionamiento del protocolo se basa en el algoritmo denominado SPA (spanning tree algorithm), elcual utiliza un intercambio de mensajes de configuracin entre switches denominado BridgeProtocol Data Units (BPDU). Cada switch posee un identificador que determina su prioridad, cuantomenor es el identificador numrico, mayor es la prioridad. El protocolo designa como switch raz alde mayor prioridad, quien reconocer los caminos de menor coste para cada una de las redes. Entretodos los switches que conectan un segmento de red, se elige al de menor coste para transmitir lastramas hacia la raz como switch designado. En este, el puerto que conecta con el segmento, es elpuerto designado y el que ofrece un camino de menor coste hacia la raz, el puerto raz. En estadoestacionario todos los dems puertos y caminos son bloqueados. Entonces, los roles que puedentomar los puertos que interconectan una red sern raz, designado, alternativo y backup. Los dosltimos son aquellos que pueden proveer conectividad en el caso de una falla. A partir de la primeraconfiguracin de la red, realizada a partir del intercambio de mensajes del BDPU, los puertos

asociados a la red quedan en los estados correspondientes.

Los estados en los que puede estar un puerto son los siguientes:

Bloqueo: En este estado slo se pueden recibir BPDUs. Las tramas de datos se descartan y no seactualizan las tablas ARP.

Escucha: A este estado se llega desde Bloqueo. En este estado, los switches determinan si existealguna otra ruta hacia el puente raz. En el caso que la nueva ruta tenga un coste mayor, se vuelve alestado de Bloqueo. Las tramas de datos se descartan y no se actualizan las tablas ARP (AddressResolution Protocol). Se procesan las BPDU.

Aprendizaje: A este estado se llega desde Escucha. Las tramas de datos se descartan pero ya se

actualizan las tablas ARP (ya se aprenden las direcciones MAC). Se procesan las BPDU.


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Envo: A este estado se llega desde Aprendizaje. Las tramas de datos se envan y se actualizan lastablas ARP. Se procesan las BPDU.

Desactivado: A este estado se llega desde cualquier otro. Se produce cuando un administradordeshabilita el puerto o ste falla. No se procesan las BPDU.La debilidad de este protocolo para su utilizacin en SAS, es su lenta reconfiguracin o

convergencia en caso de falla y tiempos de recuperacin elevados, por lo que se utiliza el protocoloRSTP.

5- Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) es una variante del anterior que mejora notablemente eltiempo de convergencia y est definido como estndar IEEE 802.1W-2001. RSTP puedeconsiderarse una evolucin del anterior, ya que mantiene la terminologa y la mayora de losparmetros son los mismos. La diferencia fundamental radica en la disminucin de la cantidad deestados posibles que pueden tomar los puertos asociados a la red. Los estados desactivado,bloqueado y escuchando son reemplazados por un nico estado denominado descartando y semantienen los estados de aprendizaje y envo. Por otro lado se mantienen los cuatro roles que puedentomar los puertos, raz, designado, alternativo y backup, en este caso se hace una diferenciacin entrelos dos ltimos, alternativo cuando el switch al que pertenece es designado y backup para los dems

casos. Adems se agrega un quinto estado denominado deshabilitado para aquellos puertos quenorealicen operaciones para el mantenimiento de la red. Actualmente la ltima versin del estndar esla RSTP - IEEE 1D-2004, que permite tiempos muy cortos de superacin de fallas y reconfiguracin,del orden de las decenas de mseg. por switch.

6- Se han desarrollado otros protocolos basados en el algoritmo RSTP IEEE 1D-2004, que mejorannotablemente su performance en los aspectos de tiempos de reconfiguracin y convergencia,adecundolos a los requerimientos de un SAS, del orden de los 5 mseg. para cada switch del anillo.Si bien estos protocolos RSTP mejorados se estn utilizando en aplicaciones prcticas enestaciones transformadoras, an no han sido normalizados.

3.1.7 Topologas de redes en subestaciones

Una de las topologas ms utilizadas en subestaciones de nivel de tensin 132 kV, es la topologa en anillosimple, en la cual el switch principal o maestro se ubica en el nivel estacin, y los restantes switches seinstalan uno por cada campo. Los IEDs de cada campo se conectan a estos switches, quedando conformadoun anillo simple entre los switches de campo y el switch a nivel estacin.

La alternativa a esta topologa, siempre en anillo simple, es la instalacin de dos switches por campo, comose muestra en la Figura 5, a los cuales se conectan en topologa rbol los IEDs correspondientes a cadacampo. Es decir cada IED se conecta a cada uno de los switches, y en caso de falla de un switch, el segundoswitch es el que toma la operacin a su cargo.

Otra topologa alternativa es el anillo doble, en el cual cada switch se conecta con doble lazo de F.O. al

siguiente switch.Si bien en los casos mencionados, se definen anillos fsicos entre switches, es importante que no se formenanillos lgicos, ya que esto implicara que los paquetes de informacin en la Red quedaran circulando enbucles permanentes. Es por ello que se utilizan protocolos de transmisin de datos que impiden la formacinde estos bucles en forma lgica, abriendo el anillo, y formando un rbol con los switches tal como elmencionado RSTP.

4 SINCRONIZACION

4.1 Sincronizacin temporalUna correcta sincronizacin temporal de todos los dispositivos de proteccin y control es una importante

funcin para asegurar que los eventos que se suceden en una subestacin sean adecuadamente registrados, ypoder realizar a posteriori un anlisis de fallas.


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Actualmente una de las fuentes de referencia temporal preferidas es el servicio GPS (Global PositioningSatellite), disponible en la mayor parte de la superficie terrestre. Existen otras fuentes temporales apropiadasa travs de seales de radio provistas por Organismos Tcnicos de Estados Unidos de Norteamrica yCanad.

La distribucin de la sincronizacin temporal puede ser lograda de distintas formas. Uno de los mtodos ms

comunes es la sealizacin IRIG-B (Inter Range Instrumentation Group-B), y en redes Ethernet la utilizacinde NTP (Network Time Protocol) y SNTP (Simple Network Time Protocol). Tanto NTP como SNTPimplementan los mismos protocolos de red, sin embargo los algoritmos para software cliente y servidor sonmenos sofisticados en SNTP.

4.2 Sincronizacin temporal en redes Ethernet

La sincronizacin temporal en redes Ethernet, como mencionado, se realiza mediante protocolos NTP, quebrinda precisiones de 1-50 mseg., SNTP, que puede brindar una precisin del orden de los 100 microseg.Para mejorar la precisin se han desarrollado otros protocolos, como el PTP (Precision Time Protocol), quemejora la precisin de un orden de magnitud, ya que permite sincronizar en el orden de las decenas demicroseg. Sin embargo en la actualidad ante las exigencias que plantea la necesidad de mayores precisiones

para aplicaciones como Proteccin de rea (Wide Area Protection), sincrofasores, etc., se est estudiando lautilizacin del protocolo IEEE 1588, desarrollado para control de procesos que mejora notablemente losvalores de precisin de PTP, ya puede alcanzar exactitudes del orden de 20 microseg. mejor.

4.3 Sincronizacin temporal - Estampa de tiempo en IEC 61850

En la publicacin IEC 61850-5, la norma indica la necesidad de un formato comn para la estampa detiempo, dando una serie de requerimientos, entre los cuales menciona que la estampa de tiempo se debe basaren un estndar existente, tal como UTC (Coordinated Universal Time, tambin denominado GreenwichMean Time). Asimismo define un modelo, indicando adems que la informacin de estampa de tiempodebe poder ser derivada de fuentes temporales comerciales disponibles, por ej. GPS. En la mismapublicacin se requiere que la estampa de tiempo de los eventos/valores binarios analgicos sea tan exactacomo sea posible, y no necesite correccin en el extremo receptor.

En la publicacin IEC 61850-7-2, punto 5.5.3.7, se define la relacin entre los valores de estampa de tiempo,la sincronizacin del tiempo interno con una fuente temporal externa, por ej. UTC, as como otrainformacin relacionada con el modelo de tiempo y de sincronizacin.

En la publicacin IEC 61850-8-1, en el punto 21, se requiere que la sincronizacin de tiempo a travs de laLAN se realice utilizando Simple Network Time Protocol (SNTP) Versin 4 para IPv4, IPv6 y OSI (RFC2030- Request For Comments).

SNTP Versin 4 puede operar en modo unicast (punto a punto), multicast (punto-multipunto), anycast (multipunto a punto). Una de los modos de operacin es que un cliente unicast enve unrequerimiento a un server designado a su direccin unicast, y espera una respuesta de la cual puede

determinar el tiempo, y en forma opcional la demora de la transmisin de ida-retorno, as como el offset delreloj local con respecto al server, como se muestra en la Figura 7.

La latencia, demora en la transmisin ida-regreso, es: (T4 T1) (T3 T2)

El offset del reloj local, se define como: t = ((T2 - T1) + (T3 - T4)) / 2.Siendo:T1: requerimiento de tiempo enviado por el clienteT2: requerimiento de tiempo recibido por el serverT3: tiempo de respuesta enviado por el serverT4: tiempo de respuesta recibido por el cliente


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Fig. 7 - SNTP - Esquema cliente/servidor

5 CONCLUSIONES

Si bien, en general, el aspecto vinculado con la implementacin de una red Ethernet en la subestacin no hasido hasta el presente un tema al cual se le haya prestado la debida atencin, la adopcin de una adecuadatopologa de red es uno de los aspectos importantes a tener en cuenta en los Sistemas de Automatizacin deSubestaciones (SAS), ya que conforma el soporte bsico de comunicaciones sobre el cual se transmitirn losdistintos tipos de mensajes entre IEDs.

Si bien las topologas bsicas son conocidas, la implementacin de redes en subestaciones impone nuevosdesafos y consideraciones. Es importante evaluar en cada caso la tolerancia a fallas de la topologaseleccionada, como asimismo la configuracin de la estacin transformadora en la cual se desplegar la red,que estar directamente relacionado con su nivel de tensin.

La relativa escasa experiencia en la implementacin de Sistemas de Automatizacin de Subestaciones enEmpresas Elctricas en nuestro pas, no nos permiten evaluar y sugerir en base a datos de operacin, unadeterminada topologa. Sin embargo en base a los ltimos proyectos desarrollados, podemos mencionar queen el nivel de 132 kV, la topologa utilizada es anillo simple, as como anillo simple combinado con estrella,en cada campo.

6 REFERENCIAS

[1] IEC 61850-5: Communications networks and systems in substations. First Edition. 2003-07

[2] ANSI/IEEE Std 802.1w, 2001 Edition

[3] ANSI/IEEE Std 802.1D, 2004 Edition

[4] Pozzuoli, M.P., Moore, R. Ethernet in the substation, Power Engineering Society General Meeting2006. IEEE 18-22 June 2006. PES.2006.1709165.

[5] Allan Cascaes Pereira; J.M. Ordacgi Filho; D. Cceres; R. Pellizzoni; J.R. G. Correia, Automao desubestaes e usinas Estado da arte e tendncias utilizando a norma IEC 61850, VII SIMPASE, Salvadorde Baha, Brasil, Agosto 2007.

[6] Pellizzoni, R., Samitier, C., Vignoni, R. Aspectos a coordinar en la implementacin de SubestacionesIEC 61850. XII ERIAC, Foz de Iguaz, Brasil. Mayo de 2007.

Cliente Servidor

Tiempo de recepcin

Tiempo de recepcin

Tiempo de envo

Tiempo de envo

T1

T2

T3T4

Cliente enva

mensaje vaco

Servidor respondeCon T2 y T3

Cliente calcula:

Latencia = (T4 T1) (T3 T2)Offset = (T2 T1) (Latencia/2)

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