¿Cómo se complementan los protocolos DNP3 e IEC 61850 en una subestación moderna?

• DNP3 e IEC 61850 tienen fines que, aunque se solapan, son distintos. DNP3 es un protocolo ligero y basado en eventos, diseñado para garantizar la fiabilidad en conexiones de bajo ancho de banda o seriales. La norma IEC 61850 es un estándar de alta velocidad, basado en un modelo de datos, diseñado para garantizar la interoperabilidad entre los dispositivos IED de distintos fabricantes dentro de la subestación.

• La modernización no requiere sustituir todo de una vez. Una plataforma que admita ambos protocolos permite a las empresas de servicios públicos seguir utilizando los dispositivos DNP3 existentes, al tiempo que se introducen equipos IEC 61850 a medida que se actualizan las distintas bahías o subestaciones.

• Una única plataforma de software elimina la complejidad de gestionar sistemas de automatización independientes para entornos DNP3 e IEC 61850, lo que reduce el esfuerzo de ingeniería, los requisitos de formación y el riesgo operativo.

• zenon es compatible con terminales maestros y remotos DNP3, junto con el cliente MMS nativo de la norma IEC 61850, así como con el servidor y GOOSE para la integración de la estación y el bus de proceso, lo que permite un enfoque unificado de la automatización de subestaciones en ambas generaciones de protocolos.

El DNP3 (Protocolo de Red Distribuida, también normalizado como IEEE 1815) se diseñó para hacer frente a un reto específico: la comunicación fiable a través de conexiones poco fiables. Enlaces serie, redes de radio, módems de acceso telefónico y TCP/IP. El DNP3 gestiona la alta latencia, el bajo ancho de banda y la conectividad intermitente, al tiempo que mantiene la integridad de los datos mediante informes basados en eventos y sondeos de integridad. Estas características lo convirtieron en el protocolo dominante en las empresas de servicios públicos de Norteamérica y en muchos otros mercados de todo el mundo.

En la práctica, el DNP3 se utiliza a múltiples niveles. Dentro de la subestación, conecta relés de protección, contadores y otros dispositivos inteligentes (IED) a las unidades remotas de terminación (RTU) locales o a los concentradores de datos. Para la comunicación ascendente, conecta las pasarelas de las subestaciones con los centros de control. El protocolo no se limita a una única función; su flexibilidad ha propiciado su adopción generalizada tanto en aplicaciones locales como remotas.

La norma IEC 61850 aborda un conjunto diferente de requisitos: lo que ocurre entre dispositivos de distintos fabricantes dentro de una subestación moderna. A medida que los sistemas de protección y control se volvían más complejos, el sector necesitaba una norma que permitiera a los IED comunicarse a alta velocidad, compartir un modelo de datos común y configurarse mediante un proceso de ingeniería estandarizado. La norma IEC 61850 ofrece todo esto. Permite el envío de mensajes GOOSE para la coordinación de la protección, el intercambio de «valores muestreados» (Sampled Values) para compartir mediciones digitalizadas y el uso de MMS para la supervisión y el control SCADA, todo ello dentro de la red de área local de la subestación.

Estos dos protocolos coexisten en las empresas de suministro eléctrico de todo el mundo. Hoy en día, muchas organizaciones operan subestaciones basadas en DNP3 y están adoptando la norma IEC 61850 para nuevas construcciones y renovaciones. La tarea de modernización no consiste en sustituir por completo el DNP3, sino en gestionar un entorno mixto de DNP3 e IEC 61850 a lo largo del ciclo de vida de los activos.

Muchas empresas de servicios públicos llevan décadas gestionando redes de subestaciones basadas en DNP3. Sus dispositivos de campo, unidades remotas de terminación (RTU), procedimientos de ingeniería e interfaces de los centros de control se han diseñado en torno al funcionamiento del protocolo DNP3.

El reto surge cuando estas empresas empiezan a adoptar la norma IEC 61850 para subestaciones nuevas o renovadas. Los dispositivos IEC 61850 se comunican utilizando un modelo fundamentalmente diferente. Los datos se estructuran en nodos lógicos con una semántica predefinida, en lugar de simples listas de puntos. El proceso de configuración utiliza archivos SCL (Substation Configuration Language) en lugar de una asignación manual de puntos. Los servicios de comunicación, como GOOSE y MMS, se comportan de forma diferente al sondeo maestro-estación remota de DNP3.

La suposición habitual —y la preocupación que frena la modernización— es que adoptar la norma IEC 61850 implica sustituir todo el sistema de automatización: nuevos dispositivos, nuevo software SCADA, nuevas herramientas de ingeniería y nueva formación. Para una empresa de servicios públicos con docenas o cientos de subestaciones, esto parece ser un programa de varios años, de alto coste y alto riesgo.

Esta suposición es errónea. Una plataforma que admita tanto DNP3 como la norma IEC 61850 permite que la transición se produzca de forma gradual, subestación por subestación, bahía por bahía, sin interrumpir las operaciones existentes ni abandonar los activos DNP3 que funcionan correctamente.

La solución consiste en una plataforma de automatización de subestaciones que es compatible de forma nativa con ambos protocolos, actuando como puente entre la infraestructura existente basada en DNP3 y las nuevas implementaciones según la norma IEC 61850, sin necesidad de sistemas independientes para cada una de ellas.

En la práctica, una plataforma unificada permite:

• Adquirir datos de ambos entornos de protocolo simultáneamente. Las estaciones remotas DNP3 y los IED IEC 61850 coexisten dentro del mismo proyecto. La plataforma recopila datos de ambos, los normaliza y los presenta a los operadores a través de una IHM coherente, independientemente del protocolo de origen.

• Actuar como pasarela de protocolos. Los datos procedentes de dispositivos IEC 61850 pueden reenviarse a un centro de control DNP3. Los comandos procedentes de un maestro DNP3 pueden enrutarse a dispositivos IEC 61850. La comunicación ascendente también puede utilizar otros protocolos, como IEC 60870-5-101/104 o ICCP (IEC 60870-6/TASE.2), en función de los requisitos del centro de control regional. La plataforma se encarga de la conversión entre todos ellos, por lo que no es necesario sustituir ni los dispositivos de la subestación ni el centro de control para adaptarse al otro.

• Permite una migración gradual. Una empresa de servicios públicos puede seguir operando las subestaciones DNP3 existentes sin cambios, al tiempo que implementa la norma IEC 61850 en nuevas bahías o en subestaciones renovadas. Ambas se gestionan desde el mismo entorno de ingeniería y la misma interfaz de operador. No hay ningún evento de transición, ni una fecha límite en la que todo deba cambiar de golpe.

• Preserva la inversión existente en SCADA. El centro de control puede seguir comunicándose a través de su protocolo actual, ya sea DNP3, IEC 60870-5-101/104 o ICCP. La introducción de la norma IEC 61850 a nivel de subestación es transparente para el operador del sistema. Esto protege la inversión de la empresa de servicios públicos en la infraestructura de su centro de control y en sus procedimientos operativos.

La plataforma de software zenon ofrece una compatibilidad completa con ambos protocolos dentro de un único entorno integrado de ingeniería y ejecución.

Compatibilidad con DNP3

zenon funciona tanto como maestro DNP3 como estación remota. En su función de maestro, recopila datos de dispositivos DNP3 subordinados, tales como RTU, relés de protección, caudalímetros e IED remotos. Como estación remota, proporciona datos a los centros de control de nivel superior mediante DNP3 y puede actuar como pasarela, reenviando datos desde dispositivos IEC 61850 a un maestro DNP3.

Funcionalidades clave de DNP3 en zenon:

• Funcionalidad de maestro y estación remota conforme a la norma IEEE 1815-2012, subconjunto de nivel 4, tanto para solicitudes como para respuestas

• Autenticación segura v2 y v5 para una comunicación protegida con dispositivos tanto IEEE 1815-2010 como IEEE 1815-2012

• Cifrado TLS según la norma IEC 62351-3 para conexiones TCP/IP

• Configuración automática del maestro a partir de un sondeo de Clase 0 o de la importación de un perfil de dispositivo XML, lo que elimina la asignación manual de puntos

• Compatibilidad con la transferencia de archivos para recuperar registros de perturbaciones y otros datos de subestaciones remotas

• Sondeo dinámico que se adapta a los requisitos operativos cambiantes, desde pequeñas subestaciones de distribución hasta grandes instalaciones de transmisión

Compatibilidad con la norma IEC 61850

zenon integra la norma IEC 61850 de forma nativa en sus tres servicios principales: de forma nativa en sus tres servicios principales:

• MMS Client para la adquisición de datos de dispositivos IED conformes a la norma IEC 61850 y la emisión de comandos de control

• Servidor MMS para proporcionar datos a los sistemas de nivel superior

• Emisor y suscriptor GOOSE para supervisar señales de protección y sustituir mensajes perdidos durante el mantenimiento o el fallo de los dispositivos

El cliente MMS IEC 61850 de zenon cuenta con la certificación de DNV GL conforme a la Edición 2 de la norma y admite la comunicación simultánea con dispositivos de la Edición 1 y la Edición 2. Esto significa que las empresas de servicios públicos pueden integrar equipos IEC 61850 de diferentes fabricantes y de distintas ediciones de la norma en un mismo proyecto, al tiempo que siguen utilizando los dispositivos DNP3 existentes.

Funcionamiento unificado en ambos protocolos

La ventaja operativa es que los operadores interactúan con una IHM coherente, independientemente de si los datos subyacentes llegan a través de DNP3 o de la norma IEC 61850. Las alarmas, las mediciones, los diagramas unifilares y los comandos de control funcionan de la misma manera. Los ingenieros configuran ambos controladores de protocolo en el mismo entorno de ingeniería. Solo hay que mantener una plataforma, proteger un sistema y documentar un conjunto de procedimientos operativos.

Para la comunicación ascendente, zenon es compatible con los protocolos exigidos por los distintos centros de control regionales, incluidos DNP3, IEC 60870-5-101/104 e ICCP/TASE.2, además de sus capacidades nativas de IEC 61850.

COPA-DATA es miembro del Grupo de Usuarios de DNP y participa activamente en el desarrollo continuo de la norma IEEE 1815. Los controladores DNP3 y las pilas de protocolos de zenon se desarrollan y mantienen internamente, lo que garantiza su evolución en consonancia con las normas DNP3 e IEC 61850.

¿Qué significa esto para la planificación de la modernización?

• Las nuevas subestaciones pueden ponerse en marcha con IEC 61850 desde el primer día, al tiempo que se comunican con el centro de control existente a través de la función de pasarela de la plataforma. El centro de control no requiere ninguna modificación.

• En las renovaciones de instalaciones existentes, los dispositivos IEC 61850 pueden introducirse de forma gradual. Los dispositivos DNP3 existentes siguen operativos. Los nuevos relés y unidades de fusión IEC 61850 se integran junto a ellos en el mismo entorno HMI y SCADA.

• La transición puede guiarse por el ciclo de vida de los activos, en lugar de por un programa de migración forzada. A medida que los equipos DNP3 llegan al final de su vida útil, se sustituyen por equipos que cumplen la norma IEC 61850. La plataforma absorbe el cambio de protocolo sin interrumpir las operaciones.

• La formación y el cambio de procedimientos se producen de forma gradual. Los operadores e ingenieros aprenden los conceptos de la norma IEC 61850 en el contexto de proyectos específicos, en lugar de a través de una transición del sistema a gran escala.