Protocolo GOOSE

O protocolo GOOSE (Generic Object-Oriented Substation Event - Evento de Subestação Orientado a Objetos Genérico), descrito na cláusula da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) 61850-8-1, é um dos protocolos mais amplamente conhecidos fornecidos pela norma IEC 61850. Literalmente, a expansão da sigla GOOSE pode ser traduzida como "evento de subestação orientado a objetos genérico". No entanto, na prática, não se deve dar muita importância ao nome original, pois ele não fornece informações sobre o próprio protocolo. É muito mais conveniente entender o protocolo GOOSE como um serviço projetado para a troca de sinais digitais entre dispositivos de Proteção de Relé e Automação (RPA).

Formação da Mensagem GOOSE

Na publicação anterior [1], examinamos o modelo de informação do dispositivo e a organização dos dados, e concluímos com a formação de conjuntos de dados — Datasets. Os Datasets são usados para agrupar dados que serão transmitidos por um dispositivo usando o mecanismo de mensagem GOOSE. Posteriormente, no bloco de controle de transmissão GOOSE, uma referência ao dataset criado é especificada; neste caso, o dispositivo sabe exatamente quais dados enviar (veja a Fig. 1). Deve-se notar que uma única mensagem GOOSE pode transmitir tanto um único valor (por exemplo, um sinal de disparo da Proteção de Corrente Máxima (MCP)) quanto múltiplos valores simultaneamente (por exemplo, um sinal de disparo da MCP e um sinal de operação da MCP, etc.). O dispositivo receptor, por sua vez, pode extrair apenas os dados que necessita do pacote.

A mensagem GOOSE transmitida contém todos os valores atuais dos atributos de dados incluídos no dataset. Após uma mudança em qualquer valor de atributo, o dispositivo inicia imediatamente a transmissão de uma nova mensagem GOOSE com dados atualizados (veja a Fig. 2).

Por projeto, uma mensagem GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) destina-se a substituir a transmissão de sinais discretos via redes auxiliares de corrente contínua (CC). Consideremos os requisitos impostos ao protocolo de transmissão de dados neste contexto.

Comunicações Digitais Substituindo o Analógico

Para desenvolver uma alternativa aos circuitos de transmissão de sinais entre dispositivos de Proteção de Relé e Automação (RPA), as propriedades da informação transmitida entre dispositivos RPA via sinais discretos foram analisadas:

• Pequeno volume de informações — essencialmente valores "verdadeiro" e "falso" (ou "zero" e "um" lógicos) são transmitidos entre terminais;
• Alta velocidade de transmissão necessária — uma grande parte dos sinais discretos transmitidos entre dispositivos de Proteção e Automação de Relés (RPA) afeta direta ou indiretamente a velocidade da eliminação de condições anormais; portanto, a transmissão de sinais deve ser realizada com latência mínima;
• Alta probabilidade de entrega de mensagens necessária — para implementar funções críticas, como o envio de um comando de abertura (trip) de disjuntor de um dispositivo RPA ou a troca de sinais entre dispositivos RPA ao realizar funções distribuídas, a entrega garantida de mensagens deve ser assegurada tanto durante a operação normal da rede de transmissão de dados digitais quanto em caso de falhas de curto prazo;
• Capacidade de transmitir mensagens para múltiplos destinatários simultaneamente — ao implementar certas funções RPA distribuídas, é necessária a transmissão de dados de um dispositivo para vários outros;
• O monitoramento da integridade do canal de transmissão de dados é necessário — a presença de uma função de diagnóstico de estado do canal de comunicação permite um aumento no fator de disponibilidade durante a transmissão de sinais, aumentando assim a confiabilidade da função executada ao transmitir a mensagem especificada.

Esses requisitos levaram ao desenvolvimento do mecanismo de mensagem GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event), que atende a todos os critérios estabelecidos.

Garantindo a Velocidade de Transmissão de Dados

Em circuitos de transmissão de sinais analógicos, o atraso principal na transmissão do sinal é causado pelo tempo de resposta da saída discreta do dispositivo e pelo tempo de filtragem de repique (bounce) de contato na entrada discreta do dispositivo receptor. Comparado a isso, o tempo de propagação do sinal através do condutor é desprezível.

Da mesma forma, em redes de transmissão de dados digitais, o atraso principal não é causado tanto pela transmissão do sinal através do meio físico, mas sim pelo seu processamento dentro do dispositivo.

Na teoria de redes de dados, é costume segmentar os serviços de transmissão de dados de acordo com os níveis do modelo OSI (Interconexão de Sistemas Abertos), tipicamente descendo da camada de "Aplicação" (a camada de apresentação da aplicação) para a camada "Física" (a camada de interação física dos dispositivos).

Em sua representação clássica, o modelo OSI possui apenas sete camadas: física, enlace de dados, rede, transporte, sessão, apresentação e aplicação. No entanto, os protocolos implementados podem não incluir todas as camadas especificadas; isto é, algumas camadas podem ser ignoradas (bypassed).

Tabela 1. Modelo OSI (Open Systems Interconnection - OSI) padrão de sete camadas.

O mecanismo de operação do modelo OSI (Open Systems Interconnection - OSI) pode ser claramente ilustrado pelo exemplo da transmissão de dados de uma página web pela Internet em um computador pessoal. A transmissão de conteúdo de páginas web pela Internet é realizada utilizando o HTTP (Hypertext Transfer Protocol - HTTP), que é um protocolo da camada de aplicação. A transmissão de dados HTTP é tipicamente realizada pelo protocolo de transporte TCP (Transmission Control Protocol - TCP). Os segmentos do protocolo TCP são encapsulados em pacotes do protocolo de rede, que neste caso é o IP (Internet Protocol - IP). Os pacotes do protocolo TCP formam quadros da camada de enlace de dados Ethernet, os quais, dependendo da interface de rede, podem ser transmitidos utilizando diferentes camadas físicas. Assim, os dados de uma página web sendo visualizada na Internet passam por pelo menos quatro camadas de transformação durante a formação de uma sequência de bits na camada física e, posteriormente, o mesmo número de etapas de transformação reversa. Tal número de transformações leva a atrasos tanto durante a formação da sequência de bits para transmissão quanto durante a transformação reversa para recuperar os dados transmitidos. Consequentemente, para reduzir a latência, o número de transformações deve ser minimizado. É precisamente por isso que os dados GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event - GOOSE) (camada de aplicação) são atribuídos diretamente à camada de enlace de dados Ethernet, ignorando as demais camadas.

Em geral, a IEC 61850-8-1 prevê dois perfis de comunicação que descrevem todos os protocolos de transferência de dados fornecidos pela norma:

• perfil "MMS" (Manufacturing Message Specification);
• perfil "Não-MMS" (ou seja, não-MMS).

Consequentemente, os serviços de transferência de dados podem ser implementados utilizando um desses perfis especificados. O protocolo GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event - Evento de Subestação Orientado a Objetos Genérico) (assim como o protocolo de Valores Amostrados (SV - Sampled Values)) pertence especificamente ao segundo perfil.

Utilizar uma pilha "reduzida" com um número mínimo de transformações é uma forma importante, mas não a única, de acelerar a transmissão de dados. O uso de mecanismos de priorização de dados também contribui para acelerar a transmissão de dados via protocolo GOOSE. Especificamente, para o protocolo GOOSE, utiliza-se um identificador de quadro Ethernet separado — o Ethertype — que possui uma prioridade deliberadamente maior em comparação ao restante do tráfego, como aquele transmitido utilizando a camada de rede do Protocolo de Internet (IP).

Além dos mecanismos discutidos, um quadro Ethernet de mensagem GOOSE também pode ser equipado com tags de prioridade do protocolo IEEE 802.1Q, bem como tags de Rede Local Virtual (VLAN - Virtual Local Area Network) do protocolo ISO/IEC 8802-3. Tais tags permitem o aumento da prioridade dos quadros durante o processamento por switches de rede. Esses mecanismos de aumento de prioridade serão discutidos com mais detalhes em publicações subsequentes.

O uso de todos os métodos considerados permite aumentar significativamente a prioridade dos dados transmitidos via protocolo GOOSE em comparação com outros dados transmitidos pela mesma rede utilizando diferentes protocolos, minimizando assim os atrasos tanto durante o processamento de dados nos dispositivos de origem e destino quanto durante o processamento por switches de rede.

Enviando informações para múltiplos destinatários

Os endereços físicos dos dispositivos de rede — endereços MAC (Media Access Control - Controle de Acesso ao Meio) — são utilizados para o endereçamento de quadros na camada de enlace de dados. Nesse sentido, o Ethernet permite o chamado multicast. Em tal caso, um endereço multicast é especificado no campo do endereço MAC de destino. Uma faixa específica de endereços é utilizada para transmissões multicast via protocolo GOOSE (ver Fig. 3).

Mensagens que possuem o valor "01" no primeiro octeto do endereço são enviadas para todas as interfaces físicas na rede; portanto, a transmissão multicast (transmissão de múltiplos destinos) efetivamente não possui destinatários fixos, e seu endereço MAC (Controle de Acesso ao Meio) serve mais como um identificador para o próprio multicast do que aponta diretamente para seus destinatários.

Primeiramente, na ausência de alterações nos atributos dos dados transmitidos, os pacotes de mensagens do Evento de Subestação Orientado a Objetos Genérico (GOOSE) são transmitidos ciclicamente por meio de um intervalo definido pelo usuário (ver Fig. 5 a). A transmissão cíclica de mensagens GOOSE permite diagnósticos contínuos da rede de comunicação. Um dispositivo configurado para receber uma mensagem espera sua chegada em intervalos de tempo especificados. Se uma mensagem não chegar dentro do período de espera, o dispositivo receptor pode gerar um sinal de falha na rede de comunicação, notificando assim o despachante sobre quaisquer maus funcionamentos ocorridos.

Em segundo lugar, quando um dos atributos do conjunto de dados (dataset) transmitido muda, independentemente de quanto tempo tenha passado desde que a mensagem anterior foi enviada, um novo pacote contendo os dados atualizados é formado. Após isso, a transmissão deste pacote é repetida várias vezes com um atraso de tempo mínimo (ver Fig. 5 b) e, em seguida, o intervalo entre as mensagens (na ausência de alterações nos dados transmitidos) aumenta novamente para o valor máximo.

Terceiro, o pacote de mensagem GOOSE fornece vários campos de contador que também podem ser usados para monitorar a integridade do canal de comunicação. Tais contadores incluem, por exemplo, o número de sequência cíclica (sqNum), cujo valor muda de 0 para 4.294.967.295 ou até que os dados transmitidos mudem. Toda vez que os dados transmitidos em uma mensagem GOOSE mudam, o contador sqNum será reiniciado, e outro contador — o número de status (stNum), que também muda ciclicamente na faixa de 0 a 4.294.967.295 — aumentará em 1. Assim, se vários pacotes forem perdidos durante a transmissão, essa perda pode ser rastreada usando esses dois contadores especificados.

Finalmente, em quarto lugar, também é importante notar que uma transmissão GOOSE pode conter, além do próprio valor do sinal discreto, um atributo de qualidade (quality flag) que identifica uma falha de hardware específica do dispositivo de origem da informação, a presença do dispositivo de origem da informação em modo de teste e vários outros modos anormais. Assim, antes de processar os dados recebidos de acordo com os algoritmos prescritos, o dispositivo receptor pode realizar uma verificação deste atributo de qualidade. Isso pode evitar a operação incorreta de dispositivos receptores de informação (por exemplo, operações falsas).

Deve-se ter em mente que alguns dos mecanismos integrados para garantir a confiabilidade da transmissão de dados podem levar a efeitos negativos se usados incorretamente. Por exemplo, se um intervalo máximo entre mensagens for escolhido como muito curto, a carga da rede aumenta, embora, do ponto de vista da disponibilidade do canal de comunicação, o efeito da redução do intervalo de transmissão seja extremamente negligenciável.

Quando os atributos de dados mudam, a transmissão de pacotes com atrasos de tempo mínimos causa o aumento da carga da rede (um modo de "tempestade de informações"), o que teoricamente pode levar a atrasos na transmissão de dados. Este modo é o mais complexo e deve ser considerado como a base de projeto ao realizar a engenharia da rede de comunicação. No entanto, deve-se compreender que a carga de pico é muito curta; de acordo com experimentos realizados em nosso laboratório para testes de interoperabilidade de dispositivos operando sob os padrões IEC 61850 no Departamento de Proteção e Automação de Relés de Usinas Nucleares (PAR UN) da Universidade Nacional de Pesquisa em Engenharia de Energia Elétrica (UNPREEE), tais cargas são observadas durante um intervalo de 10 ms.

Comissionamento e Testes de Sistemas de Proteção e Automação de Relés (PAR) Utilizando Comunicações GOOSE

Ao construir sistemas PAR baseados no protocolo GOOSE, seus procedimentos de comissionamento e testes mudam. Agora, a etapa de comissionamento consiste na organização da rede Ethernet da instalação elétrica, que incluirá todos os dispositivos PAR que requerem troca de dados. Para verificar se o sistema está configurado e conectado de acordo com os requisitos do projeto, torna-se possível utilizar um computador pessoal com software especializado pré-instalado (Wireshark, GOOSE Monitor, etc.) ou equipamentos de teste especializados que suportem o protocolo GOOSE (RETOM 61850, Omicron CMC). É importante notar que todas as verificações podem ser realizadas sem interromper as conexões pré-estabelecidas entre os equipamentos secundários (dispositivos PAR, switches, etc.), uma vez que a troca de dados ocorre através da rede Ethernet. Em contraste, ao realizar a troca de sinais discretos entre dispositivos PAR da maneira tradicional (aplicando tensão na entrada discreta do dispositivo receptor quando o contato de saída do dispositivo transmissor fecha), muitas vezes é necessário interromper as conexões entre os equipamentos secundários para incluí-los nos circuitos de conjuntos de teste para verificar a correção das conexões elétricas e a transmissão dos sinais discretos relevantes.

Conclusões

O protocolo GOOSE fornece um conjunto completo de medidas destinadas a garantir as características necessárias de desempenho e confiabilidade durante a transmissão de sinais críticos. O uso deste protocolo, combinado com o projeto e a parametrização adequados da rede de comunicação e dos dispositivos PAR, permite, em vários casos, abandonar o uso de circuitos de cobre para a transmissão de sinais, ao mesmo tempo que fornece o nível de confiabilidade e velocidade exigidos.

1. Anoshin A.O., Golovin A.V. PADRÃO IEC 61850. Modelo de Informação do Dispositivo // Electrical Engineering News Nº 5 (77).
2. Redes de Informação e Computação: um guia de estudo Kapustin, V. E. Dementiev. — Ulyanovsk: UlGTU, 2011. — 141p.