Protocolos de redundancia a nivel de Ethernet para redes de comunicaciones en automatización de subestaciones eléctricas

En sistemas de automatización de subestaciones eléctricas, responder ante fallos y garantizar la integridad de la información son requerimientos claves para garantizar la calidad en los sistemas de control y adquisición de datos. En redes de comunicaciones no redundantes la respuesta ante fallos en el canal o en la red de comunicaciones es un grave problema, debido a que se presentan perdidas de información y tiempos de reconfiguración altos, limitando el funcionamiento del sistema produciendo tiempos muertos de operación y perdidas de información.

Las redes de comunicación redundantes y la implementación de protocolos de redundancia ofrecen reducir al mínimo los tiempos de reconfiguración y garantizar la integridad de la información. Por tanto, se presentan como una solución a este problema. En un principio, parecería exagerado duplicar toda la infraestructura de la red de comunicaciones, debido a que se requiere una alta inversión, sin embargo, al evaluar los beneficios que esta traería se puede observar que para sistemas de automatización con altos requerimientos en campos críticos como la automatización de subestaciones eléctricas, la implementación de redes robustas que garanticen la integridad de la información haciendo uso de protocolos de redundancia incrementa la confiabilidad y la disponibilidad del sistema.

Actualmente existen diferentes protocolos de redundancia, que buscan darle solución a este problema. Sus diferencias radican en el tiempo de reconfiguración, que es el tiempo que tarda el sistema en recuperar su estado activo frente a un fallo en la red de comunicaciones. Entre los diferentes protocolos de redundancia se destacan PRP y HSR, estos garantizan la integridad de la información y ofrecen una respuesta ante fallos casi instantánea, con tiempos de reconfiguración cero. La siguiente tabla muestra los requerimientos y la tolerancia en implementación de comunicación entre diferentes equipos en sistemas de automatización de subestaciones eléctricas.

En la Tabla 1. se muestra una breve descripción general de algunos protocolos de redundancia, haciendo énfasis en sus tiempos de reconfiguración y mecanismos de respuesta ante fallos.

Tabla 1. Tiempos y mecanismos de respuesta a fallos protocolos de redundancia
Tabla 1. Tiempos y mecanismos de respuesta a fallos protocolos de redundancia

 

Rapid Spanning Tree Protocol RSTP IEEE 802.1W

Actualmente se destaca el uso de el protocolo RSTP  (Rapid Spanning Tree Protocol), una mejora del protocolo STP (Spanning Tree Protocol). Enfocado a la implementación de redundancia en redes de comunicaciones industriales, especialmente a nivel de subestaciones eléctricas. El protocolo RSTP  hace uso de enlaces redundantes para proveer varios caminos posibles entre los diferentes nodos. Así en caso de un fallo en alguna sección de la red, el sistema está en la capacidad de restablecer la conexión haciendo uso de otros caminos y llevar la información entre fuente y destino.  Una de las fuertes ventajas del protocolo RSTP frente al resto de protocolos de redundancia tradicionales es su tiempo de reconfiguración, ya que es relativamente bajo, alrededor de 6 a 10 segundos. Además este protocolo permite evitar loops a nivel de capa de enlace. 

El protocolo trabaja sobre una topología de árbol como se muestra en la figura 1, en la que se utiliza una jerarquía que se despliega a nivel de switches. Partiendo desde el switch raíz, el cual es el dispositivo al mando del control de la arquitectura y desplegándose hacia el resto de switches de la red. El protocolo RSTP opera mediante el establecimiento de caminos entre nodos, encontrando  un camino principal y uno alterno, los cuales serán los caminos de menor costo hacia un segmento de la red. Estos caminos permiten al protocolo establecer redundancia en la red además de una respuesta ante fallos.

Figura 1. Topología protocolo RSTP

 

Media Redundancy Protocol MRP IEC-62439-2

MRP se basa en conceptos de redundancia inteligente sobre una red de anillo, sin la necesidad de switches. Uno de los dispositivos toma el rol de administrador de redundancia en la red y establece la configuración de la red y la dirección de flujo de información. En caso de un fallo, el administrador de redundancia reconfigura la red en anillo, cambiando el flujo de información y permitiendo un flujo constante de información (figura 2). Este protocolo reduce la complejidad de la implementación y disminuye el hardware utilizado lo que lo hace en principio una solución viable. Pero el tiempo de reconfiguración ante fallos que ofrece, está alrededor de 200 ms, que lo hace débil frente a otros protocolos y poco apto de implementar en sistemas de control y adquisición de datos en subestaciones eléctricas.

               

Figura 2. Reconfiguración red de anillo protocolo MRP

MPTCP MultiPath TCP 

MultiPath es un protocolo muy similar a PRP, enfocado principalmente en telecomunicaciones móviles. Surge de las limitaciones de los sistemas TCP, para soportar movilidad entre redes. Cuando se produce una caída en la conexión a la red por una interfaz los dispositivos no pueden hacer uso de otras interfaces para mantener la conexión, lo cual produce retardos en tiempos de reconfiguración del dispositivo para hacer uso de la otra interfaz y poder reconectarse. Al tener la capacidad de acceder a la red desde múltiples interfaces al mismo tiempo, permite un mejor rendimiento del sistema y una mejor respuesta a fallos. El protocolo TCP en respuesta a fallos toma mucho tiempo de reconexión, ya que tiene que reestablecer la conexión. El protocolo MultiPath TCP se basa en el principio del uso simultaneo de los recursos, haciendo uso de múltiples interfaces  para el envío de datos, brindando una respuesta a fallos inmediata y control de congestión. Se fundamenta en la creación de una sub capa MultiPath dentro de la capa de transporte que crea sub-flujos TCP que usan diferentes interfaces ver figura 3.

                             

Figura 3. MPTCP MultiPath TCP

Parallel Redundancy Protocol PRP

La mayor ventaja de la implementación de PRP frente a otros protocolos redundantes, es que este implementa las funciones de redundancia en los nodos y no en la red. Un nodo PRP está conectado a dos redes LANs de topología arbitraria las cuales están desarticuladas y operan en paralelo. Ambas LAN poseen independencia a fallos de la otra red, por lo que deben tener diferente alimentación y no deben tener conexiones directas, como se observa en la figura 4. La implementación del protocolo PRP debe ser transparente a la topología de ambas redes, sin importar si estas son estructuradas en anillo, bus o árbol el protocolo opera de la misma manera.

Figura 4. Estructura redundancia PRP

 

El Protocolo de Redundancia Paralela PRP, se muestra como una muy buena opción para la implementación de redundancia en redes de control de subestaciones eléctricas, ya que el tiempo de reconfiguración ante fallos es 0 segundos. Esto garantiza que el sistema esté operando en todo momento y nunca se interrumpa el flujo de información sin importar fallos en una de las dos redes. Además de su principio de funcionamiento, su disponibilidad e interoperabilidad entre diferentes fabricantes. Este protocolo está soportado por una gran variedad de dispositivos en el mercado. Diferentes fabricantes de productos enfocados a la automatización de subestaciones eléctricas, como Axon Group, Siemens, ABB, SEL y GE entre otros, cuentan con equipos que soportan comunicación sobre PRP, lo que brinda al protocolo una mayor flexibilidad, compatibilidad e interoperabilidad entre equipos de diferentes fabricantes.

El protocolo brinda la posibilidad de establecer redundancia en nodos que no dan soporte a este, haciendo uso de dispositivos denominados RedBox. Los RedBox sirven como una interfaz entre nodos que no soportan PRP y la red, permitiendo que se comporten como si soportaran el protocolo PRP. Los diferentes fabricantes en el mercado ofrecen en sus catálogos RedBox, lo que permite reducir las modificaciones de una red ya existente en la que se desea implementar PRP.

Una desventaja de PRP frente a otros protocolos radica en los costos, esto porque se requiere duplicar la red de comunicaciones para su implementación. Debido a los requerimientos en cuanto a disponibilidad y operación ininterrumpida de las redes de comunicaciones de sistemas de generación y distribución de energía, estos costos adicionales se hacen necesarios a la hora de garantizar una alta disponibilidad y una respuesta inmediata ante fallos de la red.

 High-availability Seamless Redundancy IEC-62439-3.5

El protocolo HSR, es capaz de trabajar de la mano con PRP, se aplica a cualquier topología, pero en particular anillos y arreglos de anillos. Igual que en PRP se usan nodos doblemente conectados con dos puertos que operan en paralelo (DANH). Una red HSR permite la conexión y comunicación de nodos conectados individualmente (SAN), haciendo uso de una entidad llamada caja de redundancia (RedBox), convirtiéndolos en VDANH (nodos DANH virtuales). Para el envío, un nodo DANH recibe la trama de capas superiores; le anexa un identificador HSR; la duplica y envía una copia por cada uno de sus puertos. Del lado del receptor un nodo DANH recibe dos tramas idénticas, una por cada uno de sus puertos, este remueve la etiqueta HSR de la primera trama recibida y la envía a sus capas superiores; por último, descarta los duplicados de esta trama. El protocolo HSR al no requerir tiempo de reconfiguración en caso de fallos del sistema y al ser posible su implementación de la mano del protocolo PRP es una buena opción para su uso en el control y la adquisición de datos de subestaciones eléctricas. Además se encuentran en el mercado varios dispositivos que soportan este protocolo y se puede utilizar en diferentes topologías, por lo que su implementación se hace viable.

Figura 5. Estructura protocolo High-availability Seamless Redundancy (HSR)

 

Articulo redactado por: Nicolás Hernández y Luis Rueda, Axon Group


Referencias

  • International Electrotechnical Commission: IEC-62439-3, 2011.
  • Siemens: Round and round: The Media Redundancy Protocol, 2010.
  • Shahar Fisher Siemens Israel: SICAM Substation Automation, 2012.

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