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IEC 61850 GOOSE Message over WAN Carlos Henrique R. de Oliveira, Andre Pereira Bowen Telecommunications Research and Development Center (CPqD)1, Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (CHESF)

[email protected], [email protected] Resumen—La publicación del IEC 61850-90-1 “Uso del IEC 61850 para las comunicaciones entre subestaciones” y el borrador del IEC 61850-90-5 “Uso del IEC 61850 para transmitir información sincrofasorial” abre la posibilidad para estudiar los Mensajes GOOSE IEC 61850 sobre WAN no solamente en la capa 2 (link layer) sino también en la capa 3 (network layer) en el modelo OSI. En este artículo examinamos las diferentes posibilidades para hacer factible la teleprotección en la capa de red sobre la WAN compartiendo el canal de comunicaciones con automatización, gestión y servicios de convergencia de mantenimiento entre subestaciones de energía eléctricas. Palabras clave— IEC 61850, GOOSE, WAN. INTRODUCCIÓN La convergencia de los servicios como teleprotección

(IEC 61850-90-1), gestion de la red (IEC 61850-90-2), Condición de monitoreo (IEC 61850-90-3), información sincrofasores (IEC 61850-90-5) y mantenimiento de líneas de transmisión soportan (Quadruple-play Services) entre subestaciones de energía eléctricas compartiendo la misma (Wide Area Network) probablemente es una nueva tendencia y una posibilidad que necesita una profunda investigación. Hoy día hay algunas referencias de comunicación entre subestaciones por ejemplo NASPInet la demostración de encaminamiento de Multidifusión IP de datos fasoriales a través de la WAN [1] y algunos productos disponibles como Cisco 2520 Connected Grid Switch [2], Korenix JetNet 5828G IEC61850 capa 3 Managed Ethernet Switch [3] and RuggedCom Network Router Designed for Harsh Environments 4]. En este artículo examinamos diferentes posibilidades de hacer factible la teleprotección en la capa 3 (network layer) sobre WAN compartiendo el canal de comunicación con diferentes servicios de automatización de subestación de energía eléctrica, que priorizan la misión crítica GOOSE (Generic Object Oriented Substation Events) el mensaje considerado QoS (Quality of Service ) sobre todo la latencia (transfer time ) y la convergencia de servicios.

Ing. Galo Vaca Santillán Electrónica y Comunicaciones en Sistemas de Potencia

Las siguientes Secciones están organizadas como sigue. En la Sección II se presenta un trabajo que fue útil para soportar la propuesta de este artículo. La sección III contiene la información sobre el protocolo de ruteo multidiusión (multicast) avanzado. En la Sección IV están presentados los requerimientos de desempeño de comunicación de los mensajes GOOSE. En la Sección V se presenta la topología de red. Finalmente la Sección VI presentan las conclusiones. II. PAPEL DE REFERENCIA El papel " IP y Tecnologías de Comunicación de Ethernet y Topología para redes de IED " [5] era una fuente de investigación importante para apoyar este trabajo. Algunas partes están presentes así: Los autores de este papel juntaron la razón de enviar mensajes de GOOSE sobre TCP/IP la acción está dirigida a varias personas en la industria que son también parte de los 61850 (TC 57 work group) como sigue: a)

b)





Como fue el sentir de IEC 61850 para el tráfico GOOSE/SV contenido dentro de una subestación no necesitan IP. Según los autores [5], esto no es una gran verdad, por ejemplo el IEC 61850-90-1, Teleprotección entre subestaciones, tráfico desprendido de los PMU, etc. son los ejemplos de tráfico que no están dentro de una subestación; Hay la impresión en la adición de los encabezados IP que aumentan la latencia de los mensajes en la red. De acuerdo a los autores [5]: En este punto también no es verdad la disponibilidad comercial de la tecnología Ethernet. Ya que a finales de los años 1990 Cisco Cisco Switches ha estado expidiendo Ethernet y paquetes Ethernet+IPv4/IPv6 en el mismo cable a la misma velocidad y con la mismas latencias de conmutación; Cisco conectado Grid Switch tiene las latencias de expedición entre 8 a 25 micro segundos independientemente de si los paquetes tienen sobre ellos encabezados Ethernet o IPV4/V6 o TCP o UDP. El rango de latencia viene del tamaño de

Paquete Ethernet el que puede extenderse de un tamaño de una trama de 64 bytes a 1518 bytes. A. IEC 61850 Tráfico fuera de la Subestación [5] Según los autores actualmente usan casos como la protección de distancia, teleprotection y las unidades de medida fasoriales envían mensajes GOOSE y Valores muestreados (Sampled values) 61850 basado en IEC fuera de la subestación. Los grandes cambios en cualquiera de los escenarios es el tráfico de Ethernet backhauling a través de la red WAN por las siguientes razones:  Ethernet no es y no fue construido para redes WAN;  Ethernet no es un protocolo ruteable;  Si uno examina las redes corrientes basadas en Ethernet e IP, la razón de esta escala de redes es el tamaño de la Internet y aún más grande es debido a los atributos claves de contención y jerarquía;  En el dominio del tráfico de la capa 2 (Ethernet bridge domain), alcanza el destino por la obtención del tráfico de la tablas (which are populated base on mac address learning) o inundaciones del tráfico cuando el destino es desconocido. Grandes puentes de dominios que potencialmente pueden desestabilizar la red y los tiempos de recuperación son muy difíciles de determinar. Algunas técnicas utilizadas para conectarse a las diferentes subestaciones de la RED sobre una WAN son: a) Tunneling  Túnel GRE. La trama Tunneling the Ethernet encima de un Tunneling IP GRE;  Protocolo Tunneling en la capa 2. b) Encapsulaciones  Multi protocol Label switching (MPLS);  Pseudo Wires;  Virtual Private LAN Service (VPLS). Luego ellos concluyen diciendo: necesitamos perfiles para los mensajes IEC 61850 GOOSE y Valores muestreados en la cima de IPV4 y IPV6. III PROTOCOLO AVANZADO MULTICAST ROUTING A. GOOSE and Routers [6] El papel del encaminador en una red Ethernet es, como el nombre implica, examinar mensajes Ing. Galo Vaca Santillán Electrónica y Comunicaciones en Sistemas de Potencia

entrantes y enviarles a la dirección seleccionada. Los encaminadores principales realizan el transporte mientras los encaminadores terminales sirven también para aislar el tráfico LAN-únicamente el tráfico desde la WAN, así como los mensajes difusión y multidifusion. El GOOSE es un mensaje de multidifusión sobre la capa 2 (data layer) en el modelo OSI. El encaminador está diseñado para prevenir el abandono de los paquetes de difusión y multidifusión de la red LAN (in order not to swamp the WAN) y sólo pasan paquetes IP sobre la capa 3 (network layer). Mientras no sea un problema dentro de una red LAN en la subestación, cualquier tráfico de GOOSE externo tiene que ser enviado por un encaminador. El camino más lógico es usar las técnicas VLAN. El mensaje GOOSE para ser enviado al mundo externo del dispositivo teleprotección añade una etiqueta VLAN que es reconocida por el encaminador. El encaminador convierte el GOOSE en un paquete ruteable IP y lo transporta a su dirección de destino. El cuidado que tiene tomarse en cuenta con la configuración de la red de modo que la ruta más corta sea usada durante el tiempo de mensajes críticos como la señalización de teleprotección. La configuración de la red también necesita proporcionar suficiente ancho de banda de las VLAN para asegurar la latencia corta. B. Advanced Multicast Routing Protocol Tanto [2] como [3] apoyan al Protocolo de Ruteo de multidifusión vía PIM (Protocol Independent Multicast). Hay cuatro variantes de PIM: PIM Sparse Mode (PIM-SM), PIM Dense Mode (PIM-DM), Bidirectional PIM (BidirPIM) y PIM source-specific multicast (PIMSSM). Más detalles pueden ser encontrados en [7]. El Protocolo de ruteo Multicast representa la tercera posibilidad (added to tunneling and encapsulation schemes presented in II A) para ser investigado como una alternativa para la comunicación GOOSE en la capa 3 (network layer) sobre WAN. IV. DESEMPEÑO DE COMUNICACIÓN De Acuerdo al IEC 61850-90-1, los requerimientos para el tiempo de transferencia p. ej., el desempeño de comunicación son básicamente las mismas en una bahía, entre bahías y también entre subestaciones. Por lo tanto, el mismo esquema de clasificación será usado para todos los eslabones con IEC 61850. Para la comunicación digital más allá de la subestación, tiempo de transferencia