¿Qué es el PRP y por qué es importante para el sistema SCADA de las subestaciones?

• El PRP logra una conmutación por error en tiempo cero al enviar datos duplicados a través de dos redes independientes simultáneamente. Si una red falla, los datos ya han llegado a través de la otra. No hay retraso en la recuperación.

• No todos los métodos de redundancia son iguales. El RSTP, la alternativa más habitual, tarda cientos de milisegundos en recuperarse. Para las señales de protección GOOSE de la norma IEC 61850, ese intervalo es demasiado largo. El PRP y el HSR eliminan esta demora.

• El PRP funciona con conmutadores Ethernet estándar y no requiere sustituir el hardware de red existente. Esto lo hace práctico tanto para nuevas instalaciones como para actualizaciones de instalaciones ya existentes.

• zenon es compatible con PRP para la comunicación del cliente MMS y GOOSE, lo que permite una comunicación redundante para las rutas de datos críticas en un sistema SCADA de subestación.

Un fallo de comunicación durante una avería en la red eléctrica puede impedir que las señales de protección lleguen a su destino, lo que convierte un incidente controlable en un suceso grave. Por lo tanto, la alta disponibilidad en los sistemas SCADA de las subestaciones es un requisito de seguridad. Se consigue combinando arquitecturas de servidores redundantes con protocolos de redundancia de red que garantizan el mantenimiento del control cuando falla cualquier componente.

En el sector eléctrico, un fallo en la red de comunicaciones no es un simple inconveniente, sino un riesgo para la seguridad y la fiabilidad. El sistema SCADA debe mantener una visibilidad y un control continuos de los equipos de la subestación, incluso cuando falla un conmutador de red, se daña un cable o se desconecta un equipo para su mantenimiento.

Los protocolos de comunicación utilizados en entornos energéticos se han diseñado teniendo en cuenta la fiabilidad. El protocolo DNP3 se creó específicamente para la comunicación remota a través de enlaces de bajo ancho de banda o propensos a interrupciones, utilizando informes basados en eventos y sondeos de integridad para garantizar la entrega de datos. La norma IEC 60870-5-101/104 ofrece una robustez similar para aplicaciones de telecontrol. La norma IEC 61850, ampliamente adoptada para la automatización de subestaciones, define servicios de comunicación de alta velocidad para la protección y el control. Estos protocolos incorporan mecanismos para detectar y gestionar problemas de comunicación dentro del propio intercambio de datos.

Sin embargo, la fiabilidad a nivel de protocolo por sí sola no puede compensar un fallo de red. Si se interrumpe la ruta física o lógica de la red entre dispositivos, los datos de la aplicación no pueden fluir, independientemente de lo robusto que sea el protocolo. Aquí es donde la redundancia de red se vuelve esencial. Una subestación debe ser capaz de soportar el fallo de cualquier componente individual de la red —un conmutador, un cable o una interfaz— sin que se interrumpan las funciones de protección o control.

Para lograrlo, las empresas de servicios públicos implementan arquitecturas redundantes: múltiples servidores SCADA, múltiples interfaces de comunicación Ethernet y rutas de red capaces de soportar fallos de componentes individuales. zenon lo hace posible mediante el funcionamiento sincronizado de un servidor principal y uno de reserva. Los servidores principal y de reserva mantienen una conexión redundante con todos los dispositivos relacionados. Si el servidor principal falla, el de reserva toma el relevo sin pérdida de datos. zenon también admite un modo preventivo denominado «Redundancia nominal», en el que el sistema supervisa métricas específicas y puede activar una conmutación controlada al servidor de reserva antes de que se alcance un estado crítico.

Los servidores redundantes resuelven una parte del problema de la disponibilidad. La otra parte es la propia red. Si falla la ruta de comunicación entre el servidor SCADA y los dispositivos de la subestación, la redundancia del servidor por sí sola no es suficiente. Aquí es donde entran en juego los protocolos de redundancia de red.

Las redes de subestaciones suelen utilizar uno de estos tres protocolos de redundancia: RSTP, PRP o HSR. El RSTP reconfigura la red tras un fallo, recuperándose en cientos de milisegundos. Tanto el PRP como el HSR proporcionan una conmutación por error instantánea al enviar tramas de datos duplicadas a través de rutas independientes de forma simultánea, lo que garantiza que no se pierdan datos durante un fallo de la red.

En la automatización de subestaciones se suelen mencionar tres métodos de redundancia:

• El RSTP (Protocolo de Árbol de Expansión Rápido) crea una estructura de árbol lógica que abarca todos los conmutadores. Cuando se detecta un fallo, la red se reconfigura para utilizar una ruta de respaldo. La recuperación suele producirse en unos pocos cientos de milisegundos. Para muchas aplicaciones industriales, esto es suficiente. Sin embargo, puede que no lo sea para las señales de protección de las subestaciones que se transmiten a través de GOOSE según la norma IEC 61850. Los mensajes GOOSE deben llegar en milisegundos para coordinar funciones de protección como el disparo y el enclavamiento. El RSTP también puede utilizarse en combinación con la agregación de enlaces para mejorar el rendimiento, pero no alcanza el comportamiento de tiempo de recuperación nulo que se espera para las funciones más críticas.

• El PRP (Protocolo de Redundancia Paralela) adopta un enfoque diferente. En lugar de esperar a que se produzca un fallo y luego reconfigurar el sistema, el PRP evita que el fallo tenga ningún efecto. Para ello, duplica cada trama de datos y la envía simultáneamente a través de dos redes completamente independientes.

• El HSR (High-availability Seamless Redundancy) logra la misma conmutación por error en tiempo cero que el PRP, pero utiliza una topología en anillo en lugar de dos redes paralelas. Los datos se envían en ambas direcciones a lo largo del anillo. Si el anillo se rompe en cualquier punto, los datos siguen llegando a su destino desde la otra dirección. El HSR requiere que los dispositivos estén conectados en una configuración en anillo y es menos flexible que el PRP en cuanto al diseño de la red.

Un dispositivo compatible con PRP tiene dos puertos de red, cada uno conectado a una red distinta. Cuando hay que enviar datos, el dispositivo transmite tramas idénticas a través de ambos puertos al mismo tiempo. El dispositivo receptor acepta la primera trama que llega y descarta la duplicada. Si una red falla por completo, los datos siguen llegando a través de la otra. No hay conmutación, ni retraso en la reconfiguración, ni pérdida de datos.

El PRP no requiere conmutadores especiales. Las dos redes pueden utilizar conmutadores Ethernet estándar y pueden tener una estructura idéntica o diferente. Los dispositivos con un único puerto de red pueden conectarse a través de una caja de redundancia (RedBox) que proporciona acceso a ambas redes. Esto hace que el PRP sea práctico de implementar tanto en instalaciones nuevas como en actualizaciones de instalaciones existentes.

Es posible cumplir los requisitos de la norma IEC 61850 utilizando una combinación de RSTP y agregación de enlaces a un coste menor. Sin embargo, cuando se ejecutan funciones críticas en un sistema SCADA, se recomienda ampliamente utilizar PRP o HSR para alcanzar los tiempos de conmutación por fallo de red necesarios. El PRP, al utilizar dos redes separadas e independientes, ofrece ventajas operativas para el mantenimiento y es la opción preferida en soluciones que requieren alta disponibilidad.

La norma IEC 61850 define los servicios de comunicación de alta velocidad para la automatización de subestaciones, incluyendo los mensajes GOOSE, que deben llegar en milisegundos. Para cumplir estos requisitos, la norma hace referencia a PRP y HSR como protocolos de redundancia. La capacidad de PRP para utilizar conmutadores Ethernet estándar y admitir diseños de red independientes lo convierte en una opción ampliamente adoptada para los sistemas SCADA de las subestaciones.

La norma IEC 61850 establece métodos de comunicación para dispositivos electrónicos inteligentes (IED) en subestaciones eléctricas. Define servicios como MMS para la comunicación cliente/servidor, GOOSE para la mensajería de protección de alta velocidad y «Valores Muestreados» para la transmisión de mediciones digitalizadas. Estos protocolos se ejecutan en redes Ethernet conmutadas de alta velocidad para cumplir los requisitos de tiempo de respuesta de los sistemas de protección.

La norma hace referencia a PRP y HSR como los protocolos de redundancia para mejorar la resiliencia de la comunicación. Esto viene impulsado por la necesidad de tiempos de recuperación que sean prácticamente nulos para las funciones de protección críticas. Los mensajes GOOSE de la norma IEC 61850 deben llegar a su destino en milisegundos. Un tiempo de recuperación de la red que se mida en cientos de milisegundos, como ocurre con el RSTP, implica que las señales de protección pueden perderse durante ese intervalo. El PRP y el HSR eliminan por completo ese intervalo de recuperación.

Para las aplicaciones SCADA de subestaciones, la capacidad de PRP para funcionar con conmutadores Ethernet estándar, su compatibilidad con un diseño de red independiente y su flexibilidad a la hora de integrar dispositivos de un solo puerto ya existentes lo convierten en una opción ampliamente adoptada. Permite realizar tareas de mantenimiento en una red mientras la otra sigue transportando todo el tráfico sin interrupciones.

La plataforma de software zenon admite sistemas SCADA de alta disponibilidad al combinar la redundancia de red PRP con la redundancia de servidores, la supervisión de las comunicaciones y la conmutación a fuentes de datos alternativas. Este enfoque integrado garantiza que las rutas de comunicación críticas permanezcan operativas durante los fallos de red, mientras que las capacidades de supervisión y conmutación automáticas ayudan a prevenir las interrupciones antes de que se produzcan.

zenon es compatible con PRP en todos sus servicios de comunicación basados en Ethernet, como la norma IEC 61850, que incluye el cliente MMS para la adquisición de datos, el servidor MMS para el suministro de datos y GOOSE para la señalización de protección. Esto significa que las rutas de comunicación críticas entre el sistema SCADA y los dispositivos de la subestación siguen funcionando incluso si falla un componente de la red. El operador no percibe ningún cambio en el comportamiento del sistema. La avería puede investigarse y repararse mientras la subestación sigue estando plenamente operativa.

Más allá de la redundancia a nivel de red, zenon ofrece capacidades adicionales para mantener la disponibilidad:

• Redundancia de servidores. zenon admite el funcionamiento sincronizado de un servidor principal y uno de reserva con redundancia de reserva en caliente. Si el servidor principal falla, el de reserva toma el relevo sin pérdida de datos. El modo de redundancia nominal supervisa continuamente el estado del sistema y puede activar una conmutación preventiva antes de que se alcance un estado crítico.

• Supervisión de la comunicación. Los controladores de protocolo de zenon proporcionan estadísticas sobre el estado de la conexión y la calidad de los datos. Cuando la comunicación se deteriora, el sistema puede alertar al personal de mantenimiento, activar alarmas o cambiar automáticamente a fuentes de datos alternativas. Esto permite a las empresas de servicios públicos investigar y resolver problemas de comunicación durante el funcionamiento normal.

• Fuentes de datos alternativas. zenon incluye una función nativa para alimentar puntos de datos desde múltiples fuentes de valores. Si una fuente de datos principal deja de ser fiable, el sistema puede cambiar automáticamente a una fuente alternativa según un algoritmo configurable, lo que ayuda a mantener la continuidad del funcionamiento.

• Cumplimiento normativo y seguridad. El controlador cliente IEC 61850 de zenon cuenta con la certificación de la Edición 2.0 otorgada por TÜV SÜD, lo que confirma un funcionamiento fiable con las funciones actuales del protocolo. En materia de ciberseguridad, zenon admite el cifrado TLS conforme a la norma IEC 62351-3. Los mecanismos de seguridad, como el cifrado y la autenticación, también contribuyen a la fiabilidad de la comunicación al verificar la integridad de los datos y la autenticidad de las entidades que se comunican.

El Protocolo Simple de Gestión de Redes (SNMP) ofrece visibilidad sobre el estado de los dispositivos de red, como conmutadores, enrutadores y cortafuegos. Permite a los operadores supervisar si los dispositivos funcionan correctamente, qué puertos están en uso y si se han producido errores.

zenon incluye un controlador SNMP y puede actuar como gestor SNMP, recopilando datos de los dispositivos de red y mostrándolos como variables dentro del sistema SCADA. Estos datos pueden visualizarse en gráficos de proceso, evaluarse en informes o almacenarse en archivos. zenon también puede activar alarmas basadas en datos SNMP e intervenir automáticamente si se configura para ello.

Además, zenon puede actuar como agente SNMP, enviando información sobre el estado operativo a un gestor SNMP de nivel superior a través de zenon Process Gateway. Esto permite que un sistema superior supervise el estado operativo del propio zenon, por ejemplo, cuando zenon se utiliza como sistema de control en una subestación no tripulada.

El SNMP complementa al PRP y a otras medidas de redundancia al proporcionar la capa de supervisión que detecta los problemas antes de que provoquen fallos. Mientras que el PRP garantiza que la red sobreviva a un fallo, el SNMP ayuda a los equipos de operaciones a identificar los componentes deteriorados y a abordarlos de forma proactiva.