IEC 61850 en subestaciones: redes, sincronización y PC

¿Qué es la IEC 61850?

La IEC 61850 es una serie de normas para la comunicación en la automatización de sistemas eléctricos. Se desarrolló para subestaciones, pero hoy se usa también en energía eólica, hidráulica y solar. La idea es que relés de protección, equipos de control y contadores de distintos fabricantes puedan comunicarse entre sí sin adaptaciones a medida.

Cada dispositivo, un IED (Intelligent Electronic Device), se describe con un modelo de datos normalizado. Un interruptor se llama XCBR y una función de protección de sobreintensidad PTOC, sea cual sea el fabricante. Toda la subestación se configura con archivos en el lenguaje SCL (IEC 61850-6). Así se pueden sustituir o añadir equipos sin empezar de cero.

Bus de estación, bus de proceso y protocolos

Una subestación IEC 61850 se divide en tres niveles. El bus de estación conecta los ordenadores de estación y las pasarelas con la protección y el control de cada posición. El bus de proceso conecta las posiciones con la aparamenta primaria, donde las merging units convierten la corriente y la tensión de los transformadores de medida en valores digitales.

GOOSE y Sampled Values se envían como multicast directamente sobre Ethernet. Cada merging unit envía miles de mensajes Sampled Values por segundo. Por eso los switches deben priorizar el tráfico y filtrar el multicast con VLAN. Si no, las medidas pueden saturar la red.

Requisitos de los switches: IEC 61850-3 e IEEE 1613

En una subestación, la electrónica está expuesta a fuertes campos electromagnéticos cuando maniobran interruptores y seccionadores, a sobretensiones y a grandes variaciones de temperatura. Un switch industrial normal rara vez es suficiente.

La IEC 61850-3 establece requisitos generales para los equipos de subestación: clima, mecánica, seguridad del producto y CEM conforme a la IEC 61000-6-5 y la IEC 60255. La norma norteamericana IEEE 1613 tiene dos clases. En la clase 1, la comunicación puede verse perturbada durante los ensayos de CEM siempre que se recupere. En la clase 2, no debe interrumpirse ni sufrir errores. La IEEE 1613 no admite ventiladores.

• Diseño sin ventilador y amplio rango de temperatura.
• Alimentación redundante, a menudo desde la batería de la subestación.
• Soporte de PRP o HSR y PTP por hardware.
• VLAN, priorización y filtrado de multicast para GOOSE y Sampled Values.
• Puertos de fibra para largas distancias y aislamiento galvánico.

Redundancia y sincronización: PRP, HSR y PTP

Los protocolos de redundancia habituales, como RSTP, necesitan tiempo para encontrar un camino nuevo cuando falla un enlace. Para la protección y los Sampled Values es demasiado lento. La IEC 62439-3 define dos protocolos con tiempo de conmutación cero. Con PRP, cada dispositivo se conecta a dos redes totalmente independientes y envía cada trama por ambas. El receptor usa la primera y descarta la duplicada. Con HSR, los dispositivos forman un anillo y envían cada trama en ambos sentidos. Los dispositivos con un solo puerto se conectan a través de una RedBox.

Los Sampled Values y los registros de eventos necesitan una hora común y precisa. La IEC/IEEE 61850-9-3 es un perfil de PTP (IEEE 1588) para el sector eléctrico. Su objetivo es una precisión mejor que 1 µs tras hasta 15 switches, lo que exige switches con PTP por hardware. La hora procede de un reloj grandmaster con receptor GNSS. Elige un reloj que mantenga la hora durante los cortes de GNSS y resista las interferencias (jamming) y la suplantación (spoofing).

Ordenadores y ciberseguridad en la subestación

Una subestación suele tener un ordenador de estación con pantalla de operador, una pasarela hacia el SCADA de la compañía eléctrica y un ordenador de ingeniería. Si el ordenador va a estar en la propia subestación, pide ensayos según IEC 61850-3 o IEEE 1613, alimentación de CC redundante y tarjetas de red con PRP. En una sala de control separada suele bastar un PC industrial de rack.

Una subestación digital también es objetivo de ataques. La IEC 62351 cubre la seguridad de los protocolos: las partes 3 y 4 para TLS y MMS, la parte 6 para GOOSE y Sampled Values, la parte 8 para el control de acceso basado en roles y la parte 9 para la gestión de claves. La IEC 62443 aporta el marco de zonas, conductos y niveles de seguridad. En la práctica se empieza por la segmentación, un cortafuegos hacia el exterior y un acceso remoto seguro. La Directiva NIS2 también impone requisitos de ciberseguridad a los operadores de red.

¿Dónde se usa la IEC 61850?

• Transporte y distribución – subestaciones nuevas y renovadas.
• Renovables – subestaciones colectoras en parques eólicos y solares, y almacenamiento en baterías.
• Energía hidráulica – control de centrales y de grupos.
• Industria e infraestructuras – redes privadas de media tensión en la industria de proceso, minas y centros de datos.
• Ferrocarril – subestaciones de tracción.

Cinco trampas

1. Switches normales en la subestación. Sin ensayos según IEC 61850-3 o IEEE 1613, la comunicación puede perturbarse justo cuando dispara un interruptor.
2. Multicast sin filtrar. Los Sampled Values llegan a todos los puertos y llenan la red. Planifica las VLAN antes de la puesta en servicio.
3. La sincronización como añadido de última hora. Los switches sin PTP por hardware reducen la precisión en cada salto.
4. Redundancia que no es independiente. Las redes PRP necesitan alimentación y recorridos de cable separados. Si no, un solo fallo puede tumbar las dos.
5. La seguridad al final. La segmentación y el control de acceso son más fáciles de incorporar desde el principio que de añadir después.

Redes y sincronización de SCN

Suministramos switches para subestaciones e infraestructuras de Moxa, servidores de tiempo y relojes grandmaster PTP de Protempis, y PC de rack y appliances de red de marcas como Axiomtek y Winmate. Las fichas de producto indican las normas declaradas por cada fabricante.

Ejemplos de nuestra gama

Preguntas frecuentes

¿Qué es la IEC 61850?

Una serie internacional de normas para la comunicación en la automatización de sistemas eléctricos. Define un modelo de datos, protocolos y archivos de configuración para que equipos de distintos fabricantes funcionen juntos.

¿Qué diferencia hay entre GOOSE y MMS?

GOOSE envía eventos rápidos, como disparos, directamente sobre Ethernet a muchos receptores. MMS es un protocolo cliente-servidor sobre TCP/IP para supervisión y mando.

¿Qué es un bus de proceso?

La red entre las posiciones y la aparamenta primaria. Transporta los Sampled Values de las merging units y los GOOSE hacia los interruptores en lugar de hilos de cobre.

¿Qué diferencia hay entre PRP y HSR?

PRP usa dos redes separadas; HSR, un anillo. Ambos envían cada trama dos veces y sobreviven a la caída de un enlace sin interrupción.

¿Qué necesita un switch para IEC 61850?

Ensayos para el entorno de subestación según IEC 61850-3 o IEEE 1613, idealmente PRP o HSR, PTP por hardware y VLAN con filtrado de multicast.