Protocolo de Comunicación IEC 61850

El Protocolo de Comunicación IEC 61850 consiste en la Automatización de Redes de Comunicación y Sistemas de Potencia. Este protocolo contiene una redacción estándar que proporciona una variedad de servicios de comunicación. Específicamente, se emplea para integrar los equipos de protección y control de una subestación en una red LAN Ethernet.

Mensajería GOOSE en el Protocolo de Comunicación IEC 61850

Lo más importante del Protocolo de Comunicación IEC 61850 es el servicio conocido como mensajería GOOSE. Su significado en español es “objetos genéricos orientados a eventos de la subestación”. Mientras que su significado en inglés es “Generic Object Oriented Substation Events“.

Utilizando GOOSE, los disparos de alta velocidad y otras señales críticas se pasan entre relés a través de la red LAN de la subestación. En vez de ser a través de cables dedicados.

La mensajería GOOSE opera mediante el mecanismo de editor y suscriptor. Con esto, los relés pueden compartir puntos de estado, bits de control, y valores analógicos. Que, a su vez, son enviados o actualizados en milisegundos para protección de alta velocidad.

Redundancia en el Diseño de la Red LAN

Los paquetes de mensajería GOOSE se usan para comandos de disparo crítico y otros intercambios de protección. Por lo que se debe incorporar redundancia en el diseño de la red LAN que lleva los mensajes. En la Figura de abajo se muestra un ejemplo de una red de área local Ethernet con múltiples capas de redundancia. En la que, cada línea de conexión representa un par de fibra óptica, uno por cada dirección. Por lo tanto, los puertos de todos los dispositivos tienen dos conectores ópticos. Los relés se muestran con dos pares de fibra, un par primario y un par de comunicación por error. En un principio, se considera sólo el par primario.

Redundancia en la Red LAN con Protocolo de Comunicación IEC 61850
Redundancia en la Red LAN con Protocolo de Comunicación IEC 61850

En general, los relés del sistema A envían mensajes de disparo crítico GOOSE a los otros relés del mismo sistema A. Similarmente, los relés del sistema B intercambian mensajes críticos con los otros relés del sistema B por redundancia.

Dispositivos del Nivel de Estación

Todas las redes de la subestación también se conectan con dispositivos de Nivel de Estación:

  • Concentrador de Datos que realiza la misma función que la RTU.
  • IHM (Interfáz Humano-Máquina).
  • Conmutador de red Ethernet (Switch Ethernet).

El conmutador de red conecta la protección y el control de la subestación a la red WAN para el sistema SCADA. Adicionalmente, el conmutador de red hace la conexión para el Sistema de Gestión de Energía (EMS del inglés: Energy Management System).

Los dispositivos de nivel de estación necesitan acceso a valores medidos, reportes de estado, y puntos de control de los relés de ambos sistemas. Para esto, se usan otros servicios que no sean de mensajería GOOSE. Como, por ejemplo, el método servidor-cliente del protocolo de comunicación IEC 61850, ó por el protocolo de redes de distribución Ethernet. Por lo tanto, las interconexiones LAN de todos esos dispositivos no son aisladas dentro de las secciones de los sistemas A y B.

En la Figura de arriba se muestra como los dispositivos A y B se integran a una red LAN sin dejar de cumplir la redundancia. Es decir, que la falla de un hardware no podrá deshabilitar las funciones de protección de los sistemas A y B.

Los diseños LAN pueden incluir redundancia dentro de las redes del conjunto A o B. Esto funciona para limitar el efecto de la pérdida de fibra o del conmutador de un relé de una zona. Con el arreglo de la Figura de arriba, una red LAN fallada no tiene impacto funcional sobre las protecciones. Por lo que, los usuarios pueden seguir obteniendo una alarma.

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Comunicaciones Extra de Redundancia

Las estrategias para obtener esas comunicaciones extra de redundancia dentro de un conjunto de relés redundantes son las siguientes:

  1. Conectar múltiples conmutadores de red en un anillo, de modo que haya al menos dos caminos para cada puerto de conmutador de red usado por un relé a cualquier otro puerto de conmutador de red. Los conmutadores de red Ethernet contienen el servicio de falla por error llamado protocolo de árbol de expansión rápida (RSTP: Rapid Spanning Tree Protocol) por medio del cual los conmutadores de red descubren y usan un camino de mensaje normal o por defecto, sin mensajes circulando constantemente en el lazo, es decir, un enlace en el lazo es bloqueado para realizar esto. Si el anillo se rompe o un conmutador falla, los demás conmutadores pueden detectar el camino perdido e inmediatamente establecer una nueva ruta de mensajes desbloqueando el camino de repuesto para mantener la comunicación.
  2. Proporcionar dos conmutadores o grupos de conmutadores dentro del conjunto redundante A y también el B, como se muestra en la Figura de arriba, ya que muchos relés con capacidad de mensajería GOOSE tienen puertos de comunicación “primarios” y de conmutación “por error”. Se conectan los puertos primarios de los relés a un conmutador, o a un grupo de conmutadores, y se conectan los puertos de conmutación “por error” al otro grupo de conmutadores (que también funcionan como conmutadores de respaldo).

Escenarios de Falla en la Arquitectura con Protocolo de Comunicación IEC 61850

Si hay una falla en la entrada del puerto primario, en el enlace de fibra óptica, o en el puerto del conmutador asociado al otro extremo del enlace, la electrónica del relé detecta la pérdida de entrada de datos y transfiere operaciones de comunicación en el “puerto de conmutación por error”.

Si falla esa ruta de salida del relé, su electrónica no puede detectarlo. Sin embargo, algunos conmutadores de red Ethernet tienen un servicio en que detectan la pérdida de señales de entrada en su puerto. Si el conmutador observa la señal de falla del relé, le deja de enviar cualquier señal. Luego, el relé intuye esa acción como una señal de falla entrante y fuerza la “conmutación por error” deseada a los puertos de apoyo y a las fibras.

El resultado neto de todo esto es que siempre hay dos o más caminos desde cualquier relé a cualquier otro dentro de cada conjunto redundante. Por lo tanto, una falla de comunicaciones no perjudica a los relés del sistema A ni a los del sistema B.

Los grupos de conmutadores de los sistemas A y B tienen doble conexiones cruzadas. De modo que, los dispositivos del nivel de la subestación (Nivel 2 de control) pueden acceder a los datos de los relés en cualquier conjunto redundante aun cuando uno de esos pares de fibras falle. El tráfico del lazo es gestionado por el RSTP. Además, los mensajes GOOSE pueden pasar entre los grupos de relés redundantes. Lo cual puede ser de utilidad para monitorear a los relés A con su contraparte en B para fallas de alarmas, y viceversa.

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Bibliografía

S. Ward et al, “Redundancy Considerations for Protective Relaying Systems”, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), Power System Relaying Committee (PSRC), WG I19, Junio 2007, pp. 4, 16, 24-26.

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