Protocol GOOSE

El protocolo GOOSE, descrito en la cláusula IEC 61850-8-1 de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), es uno de los protocolos más conocidos proporcionados por la norma IEC 61850. Literalmente, la expansión del acrónimo GOOSE (Generic Object-Oriented Substation Event) puede traducirse como "evento subestacional orientado a objetos genérico". Sin embargo, en la práctica, no se debe dar mucha importancia al nombre original, ya que no proporciona información sobre el propio protocolo. Es mucho más conveniente entender el protocolo GOOSE como un servicio diseñado para el intercambio de señales digitales entre dispositivos de Protección y Automatización de Relés (RPA, por sus siglas en inglés).

Formación del mensaje GOOSE

En la publicación anterior [1], examinamos el modelo de información del dispositivo y la organización de datos, concluyendo con la formación de conjuntos de datos —Datasets. Los conjuntos de datos se utilizan para agrupar datos que serán transmitidos por un dispositivo mediante el mecanismo de mensajes GOOSE. Posteriormente, en el bloque de control de transmisión GOOSE, se especifica una referencia al conjunto de datos creado; en este caso, el dispositivo sabe exactamente qué datos enviar (véase la Fig. 1). Cabe destacar que un único mensaje GOOSE puede transmitir tanto un solo valor (por ejemplo, una señal de disparo de Protección de Corriente Máxima (MCP)) como múltiples valores simultáneamente (por ejemplo, una señal de disparo de MCP y una señal de operación de MCP, etc.). El dispositivo receptor, a su vez, puede extraer únicamente los datos que necesita del paquete.

El paquete de mensaje GOOSE transmitido contiene todos los valores actuales de los atributos de datos incluidos en el conjunto de datos. Al producirse un cambio en cualquier valor de atributo, el dispositivo inicia inmediatamente la transmisión de un nuevo mensaje GOOSE con datos actualizados (véase la Fig. 2).

Por diseño, un mensaje GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) está destinado a reemplazar la transmisión de señales discretas a través de redes auxiliares de CC (corriente continua). Consideremos a continuación los requisitos impuestos sobre el protocolo de transmisión de datos en este contexto.

Comunicaciones Digitales Reemplazando Analogías

Para desarrollar una alternativa a los circuitos de transmisión de señales entre dispositivos de Protección y Automatización de Relés (RPA), se analizaron las propiedades de la información transmitida entre dispositivos RPA mediante señales discretas:

• Pequeño volumen de información: esencialmente se transmiten valores "verdadero" y "falso" (o lógicos "cero" y "uno") entre terminales;
• Velocidad de transmisión alta requerida: una gran parte de las señales discretas transmitidas entre dispositivos RPA directa o indirectamente afecta la velocidad de eliminación del modo anormal; por lo tanto, la transmisión de señales debe realizarse con latencia mínima;
• Alta probabilidad de entrega de mensajes requerida: para implementar funciones críticas, como la emisión de una orden de apertura de interruptor desde un dispositivo RPA o el intercambio de señales entre dispositivos RPA al realizar funciones distribuidas, se debe garantizar la entrega de mensajes tanto durante el funcionamiento normal de la red de transmisión de datos digitales como en caso de fallas a corto plazo;
• Capacidad de transmitir mensajes a múltiples destinatarios simultáneamente: al implementar ciertas funciones distribuidas de RPA, se requiere la transmisión de datos desde un dispositivo a varios otros;
• Es necesaria la monitorización de la integridad del canal de transmisión de datos: la presencia de una función de diagnóstico del estado del canal de comunicación permite un mayor factor de disponibilidad durante la transmisión de señales, aumentando así la confiabilidad de la función realizada mediante el envío del mensaje especificado.

Estos requisitos condujeron al desarrollo del mecanismo de mensajes GOOSE, que cumple con todos los criterios mencionados.

Garantía de velocidad de transmisión de datos

En los circuitos de transmisión de señales analógicas, el retraso principal en la transmisión de señales está causado por el tiempo de respuesta de la salida discreta del dispositivo y el tiempo de filtrado de rebote de contacto en la entrada discreta del dispositivo receptor. En comparación con esto, el tiempo de propagación de la señal a través del conductor es despreciable.

De manera similar, en las redes de transmisión de datos digitales, el principal retraso no está tanto causado por la transmisión de la señal a través del medio físico, sino por su procesamiento dentro del dispositivo.

En la teoría de las redes de datos, es habitual segmentar los servicios de transmisión de datos según los niveles del modelo OSI (Open Systems Interconnection) [2], típicamente descendiendo desde la capa "Aplicación" (capa de presentación de la aplicación) hasta la capa "Física" (capa de interacción física de los dispositivos).

En su representación clásica, el modelo OSI tiene solo siete capas: física, de enlace de datos, de red, de transporte, de sesión, de presentación y de aplicación. Sin embargo, los protocolos implementados pueden no incluir todas las capas especificadas; es decir, algunas capas pueden omitirse.

Tabla 1. Modelo OSI estándar de siete capas.

El funcionamiento del modelo OSI (Interconexión de Sistemas Abiertos) puede ilustrarse claramente mediante el ejemplo de la transmisión de datos de una página web a través de Internet en una computadora personal. La transmisión del contenido de una página web a través de Internet se realiza utilizando el protocolo HTTP (Protocolo de Transferencia de Hipertexto), que es un protocolo de la capa de aplicación. La transmisión de datos HTTP se realiza típicamente mediante el protocolo de transporte TCP (Protocolo de Control de Transmisión). Los segmentos del protocolo TCP se encapsulan en paquetes del protocolo de red, que en este caso es IP (Protocolo de Internet). Los paquetes del protocolo TCP forman marcos de la capa de enlace de datos Ethernet, los cuales, dependiendo de la interfaz de red, pueden transmitirse utilizando diferentes capas físicas. Por lo tanto, los datos de una página web visualizada en Internet experimentan al menos cuatro capas de transformación durante la formación de una secuencia de bits en la capa física, y posteriormente el mismo número de pasos de transformación inversa. Este número de transformaciones conlleva retrasos tanto durante la formación de la secuencia de bits para la transmisión como durante la transformación inversa para recuperar los datos transmitidos. En consecuencia, para reducir la latencia, el número de transformaciones debe minimizarse. Es precisamente por esto que los datos GOOSE (Evento Genérico Orientado a Objetos en Subestación) (capa de aplicación) se asignan directamente a la capa de enlace de datos Ethernet, omitiendo las demás capas.

En general, la norma IEC 61850-8-1 prevé dos perfiles de comunicación que describen todos los protocolos de transferencia de datos proporcionados por la norma:

• perfil "MMS";
• perfil "No-MMS" (es decir, no MMS).

En consecuencia, los servicios de transferencia de datos pueden implementarse utilizando uno de estos perfiles especificados. El protocolo GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) (así como el protocolo Sampled Values) pertenece específicamente al segundo perfil.

Utilizar una pila "acortada" con un número mínimo de transformaciones es una forma importante, pero no la única, de acelerar la transmisión de datos. El uso de mecanismos de priorización de datos también contribuye a acelerar la transmisión de datos mediante el protocolo GOOSE. Específicamente, para el protocolo GOOSE, se utiliza un identificador de trama Ethernet separado — el Ethertype — que tiene una prioridad deliberadamente más alta en comparación con el resto del tráfico, como el transmitido utilizando la capa de red del Protocolo de Internet (IP).

Además de los mecanismos discutidos, una trama Ethernet de mensaje GOOSE también puede estar equipada con etiquetas de prioridad del protocolo IEEE 802.1Q, así como etiquetas de Red Local Virtual (VLAN) del protocolo ISO/IEC 8802-3. Dichas etiquetas permiten aumentar la prioridad de las tramas durante su procesamiento por los conmutadores de red. Estos mecanismos de mejora de prioridad se tratarán con más detalle en publicaciones posteriores.

El uso de todos los métodos considerados permite aumentar significativamente la prioridad de los datos transmitidos mediante el protocolo GOOSE en comparación con otros datos transmitidos por la misma red utilizando diferentes protocolos, minimizando así los retrasos tanto durante el procesamiento de datos dentro de los dispositivos origen y receptor como durante el procesamiento por los conmutadores de red.

Envío de información a múltiples destinatarios

Las direcciones físicas de los dispositivos de red — direcciones MAC (Media Access Control) — se utilizan para el direccionamiento de tramas en la capa de enlace de datos. En este sentido, Ethernet permite lo que se conoce como multicast. En este caso, se especifica una dirección multicast en el campo de dirección MAC de destino. Se utiliza un rango específico de direcciones para las transmisiones multicast mediante el protocolo GOOSE (ver Fig. 3).

Los mensajes que tienen el valor "01" en el primer octeto de la dirección se envían a todas las interfaces físicas de la red; por lo tanto, la transmisión multicast prácticamente no tiene destinatarios fijos, y su dirección MAC sirve más como identificador del propio multicast que como puntero directo a sus destinatarios.

Por lo tanto, la dirección MAC de un mensaje GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) puede utilizarse, por ejemplo, al organizar el filtrado de mensajes en conmutadores de red (filtrado por MAC), y esta dirección también puede servir como identificador al que se pueden configurar los dispositivos receptores.

Así, la transmisión de mensajes GOOSE puede compararse con la radiodifusión: el mensaje se transmite a todos los dispositivos de la red, pero para recibir y procesar posteriormente el mensaje, el dispositivo receptor debe estar configurado para recibir ese mensaje específico (ver Fig. 4).

graph LR
    RPA1["PROT 1"] -->|"Publicando<br/>mensaje GOOSE"| Switch["SWITCH"]
    Switch --> RPA2["PROT 2"]
    Switch --> RPA3["PROT 3"]
    Switch -.-> RPA4["PROT 4"]
    Switch x-.-x RPA5["PROT 5"]

    RPA2 --- D2["Dispositivo está suscrito<br/>y recibe el mensaje"]
    RPA3 --- D3["Dispositivo está suscrito<br/>y recibe el mensaje"]
    RPA4 --- D4["Dispositivo no está suscrito;<br/>recibe el mensaje<br/>pero lo ignora"]
    RPA5 --- D5["Mensaje filtrado<br/>en el conmutador"]

    style RPA1 fill:#000080,color:#fff,stroke:#000080,font-weight:bold
    style RPA2 fill:#000080,color:#fff,stroke:#000080,font-weight:bold
    style RPA3 fill:#000080,color:#fff,stroke:#000080,font-weight:bold
    style RPA4 fill:#000080,color:#fff,stroke:#000080,font-weight:bold
    style RPA5 fill:#000080,color:#fff,stroke:#000080,font-weight:bold
    style Switch fill:#fff,color:#000,stroke:#000,stroke-width:2px
    style D2 fill:none,stroke:none,color:#333
    style D3 fill:none,stroke:none,color:#333
    style D4 fill:none,stroke:none,color:#333
    style D5 fill:none,stroke:none,color:#333

Entrega garantizada de mensajes y monitoreo del estado del canal

La transmisión de mensajes a múltiples destinatarios en modo Multicast, así como los requisitos de altas tasas de transferencia de datos, no permiten la implementación de confirmaciones de entrega por parte de los receptores durante la transmisión de mensajes GOOSE. El procedimiento de envío de datos, generación de una confirmación por parte del dispositivo receptor, recepción y procesamiento por parte del dispositivo emisor, y retransmisión posterior en caso de fallo, llevaría demasiado tiempo, lo que podría provocar retardos excesivamente grandes en la transmisión de señales críticas.

En su lugar, se ha implementado un mecanismo especial para los mensajes GOOSE con el fin de garantizar una alta probabilidad de entrega de datos.

En primer lugar, en ausencia de cambios en los atributos de los datos transmitidos, los paquetes de mensajes GOOSE se transmiten cíclicamente a través de un intervalo definido por el usuario (véase la Fig. 5 a). La transmisión cíclica de mensajes GOOSE permite una diagnóstico continuo de la red de comunicación. Un dispositivo configurado para recibir un mensaje espera su llegada en intervalos de tiempo especificados. Si un mensaje no llega dentro del período de espera, el dispositivo receptor puede generar una señal de fallo en la red de comunicación, notificando así al despachador sobre cualquier fallo que ocurra.

En segundo lugar, cuando uno de los atributos del conjunto de datos transmitidos cambia, independientemente del tiempo transcurrido desde el envío del mensaje anterior, se forma un nuevo paquete que contiene los datos actualizados. A continuación, la transmisión de este paquete se repite varias veces con un retraso mínimo (véase la Fig. 5 b), y luego el intervalo entre mensajes (en ausencia de cambios en los datos transmitidos) vuelve a aumentar hasta el valor máximo.

En tercer lugar, el paquete de mensaje del Evento Genérico Objetivo Orientado a Subestación (GOOSE) proporciona varios campos de contador que también pueden utilizarse para monitorear la integridad del canal de comunicación. Entre estos contadores se incluye, por ejemplo, el número de secuencia cíclico (sqNum), cuyo valor cambia de 0 a 4.294.967.295 o hasta que cambien los datos transmitidos. Cada vez que cambian los datos transmitidos en un mensaje GOOSE, el contador sqNum se reinicia, y otro contador —el número de estado (stNum), que también cambia cíclicamente en el rango de 0 a 4.294.967.295— aumenta en 1. Por lo tanto, si se pierden varios paquetes durante la transmisión, esta pérdida puede rastrearse utilizando estos dos contadores especificados.

Finalmente, en cuarto lugar, también es importante destacar que una transmisión GOOSE puede contener, además del valor de la señal discreta en sí, un atributo de calidad (bandera de calidad) que identifica un fallo específico de hardware del dispositivo fuente de información, la presencia del dispositivo fuente de información en modo de prueba y varios otros modos anormales. Por lo tanto, antes de procesar los datos recibidos según los algoritmos prescritos, el dispositivo receptor puede realizar una verificación de este atributo de calidad. Esto puede evitar una operación incorrecta de los dispositivos receptores de información (por ejemplo, operaciones falsas).

Debe tenerse en cuenta que algunos de los mecanismos integrados para garantizar la confiabilidad de la transmisión de datos pueden provocar efectos negativos si se utilizan incorrectamente. Por ejemplo, si se elige un intervalo máximo entre mensajes demasiado corto, aumenta la carga de la red, aunque, desde la perspectiva de la disponibilidad del canal de comunicación, el efecto de reducir el intervalo de transmisión será extremadamente insignificante.

Cuando los atributos de datos cambian, el envío de paquetes con retardos mínimos provoca un aumento en la carga de la red (modo de "tormenta de información"), que teóricamente puede llevar a retrasos en la transmisión de datos. Este modo es el más complejo y debe considerarse como base de diseño al realizar la ingeniería de la red de comunicaciones. Sin embargo, debe entenderse que la carga máxima es de muy corta duración; según experimentos realizados en nuestro laboratorio para pruebas de interoperabilidad de dispositivos que operan bajo los estándares IEC 61850 en el Departamento de Protección Relé y Automatización de Centrales Nucleares (RP&A NPP) de la Universidad Nacional de Investigación de Ingeniería Eléctrica (NRUP EE), dichas cargas se observan durante un intervalo de 10 ms.

Puesta en marcha y pruebas de sistemas de protección y automatización (RPA) utilizando comunicaciones GOOSE

Al construir sistemas RPA basados en el protocolo GOOSE, cambian sus procedimientos de puesta en marcha y pruebas. Ahora, la fase de puesta en marcha consiste en organizar la red Ethernet de la instalación eléctrica, que incluirá todos los dispositivos RPA que requieran intercambio de datos. Para verificar que el sistema está configurado y conectado conforme a los requisitos del proyecto, es posible utilizar una computadora personal con software especializado preinstalado (Wireshark, GOOSE Monitor, etc.) o equipos de prueba especializados compatibles con el protocolo GOOSE (RETOM 61850, Omicron CMC). Es importante destacar que todas las verificaciones pueden realizarse sin interrumpir las conexiones preestablecidas entre equipos secundarios (dispositivos RPA, conmutadores, etc.), ya que el intercambio de datos ocurre a través de la red Ethernet. En contraste, al intercambiar señales discretas entre dispositivos RPA de manera tradicional (aplicando voltaje a la entrada discreta del dispositivo receptor cuando se cierra el contacto de salida del dispositivo transmisor), a menudo es necesario romper conexiones entre equipos secundarios para incluirlos en circuitos de conjunto de pruebas para verificar la corrección de las conexiones eléctricas y la transmisión de las señales discretas relevantes.

Conclusión

El protocolo GOOSE proporciona un conjunto completo de medidas destinadas a garantizar las características necesarias de rendimiento y confiabilidad durante la transmisión de señales críticas. El uso de este protocolo, combinado con un diseño adecuado y una parametrización correcta de la red de comunicaciones y los dispositivos RPA, permite en varios casos abandonar el uso de circuitos de cobre para la transmisión de señales, al tiempo que se mantiene el nivel requerido de confiabilidad y velocidad.

1. Anoshin A.O., Golovin A.V. NORMA IEC 61850. Modelo de Información del Dispositivo // Noticias de Ingeniería Eléctrica No. 5 (77).
2. Redes de Información y Computación: guía de estudio Kapustin, V. E. Dementiev. — Ulyanovsk: UlGTU, 2011. — 141 páginas.