IEC 61850: modelos de datos, MMS, GOOSE y SCL

Un dispositivo vendido como «compatible con IEC 61850» puede admitir informes MMS y nada más, o GOOSE y nada más. IEC 61850 es una serie de normas con tres elementos importantes para quien integra sistemas: un modelo de datos de los equipos, la Substation Configuration Language (SCL) para las herramientas de ingeniería y tres servicios de comunicación: MMS, GOOSE y valores muestreados. Identifique los servicios que necesita el proyecto antes de pedir archivos y pruebe cada uno por separado.

Esta guía forma parte de la serie sobre IEC 60870 e IEC 61850.

El modelo de datos

Un dispositivo electrónico inteligente (IED), como un relé de protección o un controlador de posición, presenta una jerarquía:

IEC 61850-7-4 define las clases de nodos lógicos: MMXU designa la medida y XCBR un interruptor. Estos nombres normalizan el significado; no obligan a que cada IED exponga ambas clases o un objeto de potencia activa total. Explore el modelo configurado o consulte su SCL y la documentación del modelo del fabricante para confirmar los nodos, objetos de datos, atributos y nombres de instancia disponibles.

La referencia completa comienza con el nombre del dispositivo lógico, formado por el nombre del IED seguido de la instancia del dispositivo lógico. En el IED configurado para este ejemplo y llamado FDR1, la potencia activa total es FDR1LD0/MMXU1.TotW.mag.f, leída con la restricción funcional MX. MMS transporta el mismo valor como variable MMXU1$MX$TotW$mag$f en el dominio FDR1LD0. La corriente de fase A tiene un nivel adicional porque A es un objeto WYE con un subobjeto por fase: MMXU1.A.phsA.cVal.mag.f.

La restricción funcional (FC) forma parte de la dirección. ST agrupa estados; MX, valores medidos; CO, control; CF, configuración; SP, consignas; y DC, descripciones. Un mismo objeto tiene atributos bajo distintas FC: XCBR1.Pos contiene stVal, q y t bajo ST, y ctlModel bajo CF. Un cliente que pida Pos.stVal bajo MX recibe un error, no un valor. El tutorial de cliente de MZ Automation muestra lecturas con FC explícitas.

Todo estado y valor medido tiene calidad (q) y marca temporal (t). La calidad incluye una validez (buena, no válida o cuestionable), bits de detalle como oldData y overflow, un origen (proceso o sustitución), una bandera de prueba y otra operatorBlocked. Un relé en pruebas puede enviar un stVal normal con q.test activo. Una pasarela que reenvíe stVal y omita q transmitirá ese valor de prueba como si fuera real.

Un conjunto de datos es una lista ordenada de objetos o atributos con sus respectivas FC. Los informes y GOOSE envían conjuntos de datos, no puntos aislados. Obtenga el modelo y los conjuntos del IED configurado o de su archivo CID, no de un producto parecido ni de un firmware anterior.

Servicios de comunicación

GOOSE y los valores muestreados no usan IP; por eso una conexión MMS operativa no demuestra nada sobre ellos. IEC TR 61850-90-5 define versiones encaminables (R-GOOSE y R-SV) por UDP/IP para grandes distancias. GOOSE y los valores muestreados ordinarios permanecen dentro de una red de capa 2. IEC TR 61850-90-4 orienta el diseño de redes LAN de subestación.

Informes MMS

Un bloque de control de informes envía un conjunto de datos a un cliente. Un bloque con búfer (BRCB, FC BR) conserva eventos mientras el cliente está desconectado. Uno sin búfer (URCB, FC RP) los descarta. El cliente configura TrgOps para elegir disparadores: cambio de dato (dchg), cambio de calidad (qchg), actualización de dato (dupd), periodo de integridad e interrogación general (GI). IntgPd fija el periodo de integridad que envía todo el conjunto. BufTm determina cuánto tiempo agrupa cambios el servidor antes de enviar un informe. El cliente escribe RptEna al final para activar el bloque. Un IED tiene un número fijo de instancias de cada bloque, así que asigne una a cada cliente en el SCD. Dos clientes no deben usar la misma instancia.

Tras restablecer la conexión, el cliente de un bloque con búfer escribe el último EntryID recibido y activa RptEna. El servidor envía entonces las entradas posteriores. Si el búfer se desbordó durante la interrupción, el siguiente informe lleva BufOvfl activo. El cliente debe hacer una interrogación general para reconstruir su estado. Dimensione el búfer según la tasa de eventos multiplicada por la duración máxima prevista de la interrupción. Pruebe el desbordamiento: mantenga desconectado el cliente más tiempo del que cubre el búfer y compruebe que señala el hueco y efectúa la interrogación.

GOOSE

Un emisor GOOSE publica su conjunto de datos como trama multidifusión a una dirección MAC entre 01-0C-CD-01-00-00 y 01-0C-CD-01-01-FF. La trama lleva un APPID entre 0x0000 y 0x3FFF y normalmente una etiqueta VLAN con prioridad 4. IEC 61850-5 exige un tiempo de transferencia de 3 ms o menos para mensajes de disparo de tipo 1A en las clases de rendimiento P2 y P3, aplicables a transporte, y permite 10 ms en la clase de distribución P1. El tiempo abarca desde la aplicación emisora hasta la receptora e incluye el procesamiento de ambos IED, no solo la red. Por ese presupuesto, GOOSE no utiliza TCP/IP.

GOOSE no tiene acuse de recibo; el emisor repite cada mensaje. Cuando cambia un valor, stNum aumenta y el mensaje sale inmediatamente. Las repeticiones siguen intervalos cortos que crecen hasta una señal periódica estable, dentro de MinTime y MaxTime del elemento GSE en SCL. sqNum cuenta las repeticiones y se reinicia con cada nuevo stNum. Cada trama lleva timeAllowedToLive, el plazo en que debe llegar la siguiente.

Un suscriptor solo acepta un flujo si GoCBRef, la referencia al conjunto de datos y confRev coinciden con su configuración. Un cambio de configuración en el emisor incrementa confRev. Si el suscriptor no se actualiza, ignora el flujo y quizá solo muestre una bandera de diagnóstico. Si vence timeAllowedToLive sin recibir otra trama, marca el flujo como perdido y sus entradas adoptan los valores de seguridad configurados. Pruebe ambos casos: cambie un valor y mida la respuesta en el suscriptor; después desconecte al emisor y compruebe el estado alternativo y la alarma.

Las tramas de la edición 2 llevan un bit de simulación. Un suscriptor solo acepta tramas simuladas cuando LPHD.Sim está activo. LPHD.Sim selecciona flujos de entrada simulados; no bloquea las salidas de disparo. Los valores de prueba pueden, por tanto, provocar una actuación real. Antes de inyectarlos, un ingeniero cualificado en protecciones debe verificar por separado el bloqueo de salidas y el aislamiento conforme al procedimiento de pruebas aprobado de la instalación, incluidos los dispositivos aguas abajo. El modo de simulación por sí solo no demuestra que la instalación esté aislada.

Valores muestreados

Una unidad de medida digitaliza las señales de TC y transformadores de tensión en la aparamenta y las publica como valores muestreados, a direcciones MAC desde 01-0C-CD-04-00-00 hasta 01-0C-CD-04-01-FF y con APPID entre 0x4000 y 0x7FFF. La guía de implementación UCA IEC 61850-9-2LE estableció 80 muestras por ciclo para protección, equivalentes a 4.000 Hz en una red de 50 Hz, y 256 muestras por ciclo para medición. IEC 61869-9 sustituye esas tasas por otras fijas: 4.800 Hz para protección y medición general y 14.400 Hz para calidad de energía.

Cada muestra incluye un contador smpCnt que se reinicia cada segundo. Las funciones que comparan corrientes de varias unidades de medida, como la protección diferencial de barras, necesitan que todas compartan la misma referencia horaria. IEC/IEEE 61850-9-3 define el perfil Precision Time Protocol (PTP) para empresas eléctricas. Supervise la sincronización de cada unidad y defina qué hace el relé cuando una la pierde.

Archivos SCL

Anote la herramienta que produjo cada archivo, la edición, la fecha y la revisión de configuración. El elemento raíz de SCL indica la versión del esquema: los archivos de edición 2 llevan versión 2007 con una letra de revisión y los de edición 2.1 llevan 2007B4. Una herramienta o cliente de edición 1 puede rechazar un archivo de edición 2 o ignorar las clases de nodos lógicos y los objetos añadidos por esta.

Decida qué herramienta es responsable del SCD. Un cambio realizado en la herramienta propia del IED que no vuelve mediante un IID se pierde en la siguiente exportación del SCD. Que un archivo se importe sin errores todavía no demuestra que funcionen las suscripciones y los informes.

IEC 61850 frente a IEC 60870-5-104

Muchas empresas eléctricas usan ambos: IEC 61850 dentro de la subestación e IEC 104 entre su pasarela y el centro de control. La guía de IEC 101 frente a 104 describe el telecontrol.

Mapeo de valores IEC 61850 a IEC 104

Una integración habitual es una pasarela de subestación que lee IED por MMS y sirve al centro de control por IEC 104. IEC TS 61850-80-1 orienta este mapeo. Tome FDR1LD0/MMXU1.TotW del ejemplo anterior. La pasarela recibe mag.f, q y t en un informe y envía un valor medido en coma flotante corta con marca temporal (tipo 36, M_ME_TF_1) a una dirección de objeto de información acordada.

Hay que decidir qué hacer con cada indicador de calidad. El descriptor de calidad de IEC 104 tiene cinco banderas. Un mapeo habitual lleva la validez no válida a IV, oldData a NT, origen sustituido a SB, operatorBlocked a BL y overflow a OV. Un valor cuestionable sin ninguno de esos detalles carece de equivalente exacto: acuerde si se convierte en IV o NT. El descriptor no tiene bandera de prueba, así que decida si la pasarela reenvía valores con q.test activo.

La marca temporal también requiere una decisión. IEC 61850 usa UTC y un campo de calidad horaria que indica fallos del reloj y pérdida de sincronización. CP56Time2a tiene resolución de milisegundos y un bit de invalidez; ambos extremos deben acordar si representa UTC u hora local. Cuando el origen indique que su reloj no está sincronizado, active el bit de invalidez en la marca temporal. La guía de marcas temporales y calidad explica el lado IEC 104.

Pruebe el mapeo desde el IED hasta la pantalla del centro de control. Sustituya un valor en el IED y compruebe SB en el centro. Ponga el IED en modo de prueba y observe qué hace la pasarela con el valor.

Control

IEC 61850-7-2 define control directo y selección antes de ejecutar (SBO), cada uno con seguridad normal o reforzada. El atributo CF ctlModel indica cuál usa un objeto. Con SBO y seguridad reforzada, el cliente escribe SBOw (selección con el valor previsto) y después Oper. Una respuesta positiva a Oper solo significa que el IED aceptó la orden. A continuación, el IED envía una CommandTermination. Es positiva si el equipo llega a la posición final y negativa, con AddCause, si no llega antes de vencer el plazo de maniobra.

Los modelos de seguridad normal no envían CommandTermination; el cliente debe vigilar XCBR1.Pos.stVal. Pos es un punto doble: estado intermedio, desactivado, activado o incorrecto. Considere fallida una maniobra si el interruptor sigue en estado intermedio después de su tiempo de recorrido.

Antes de cualquier escritura, acuerde el modelo de control, la autoridad (local o remota y categoría de originador orCat), los enclavamientos, los plazos y la señal de retorno. La guía de control local enumera los casos de fallo que deben probarse para cada orden.

Seguridad

IEC 62351 especifica la seguridad para IEC 61850. La parte 3 aplica TLS a los perfiles TCP/IP; la 4 cubre MMS; la 6, GOOSE y valores muestreados; la 8 define control de acceso por roles; y la 9 trata la gestión de claves. Un dispositivo compatible con IEC 61850 puede no implementar ninguna de estas partes. La autenticación de GOOSE añade procesamiento dentro del presupuesto de transferencia de un disparo, así que pida al fabricante las cifras de tiempo antes de activarla en esa ruta. Pregunte qué funciones de seguridad están disponibles y activas y quién administra certificados y claves.

Qué pedir antes de integrar

• Modelo y firmware del IED y edición IEC 61850 de su modelo y archivos SCL.
• Servicios incluidos: lecturas MMS, informes, control, publicación o suscripción GOOSE y valores muestreados.
• Archivo ICD y, si el IED ya forma parte de un sistema, IID o SCD.
• Conjuntos de datos, instancia de bloque de control de informes para cada cliente y tamaños de búfer.
• Para GOOSE y valores muestreados: APPID, dirección MAC de destino, ID y prioridad VLAN, confRev, MinTime y MaxTime.
• Fuente de hora y precisión en cada IED.
• Cómo llegan la calidad y la hora al registro final.
• Funciones de seguridad activadas y diseño de red.

Un certificado de conformidad IEC 61850-10 cubre los servicios y el modelo dentro del ámbito declarado del ensayo, para una versión de firmware. No sustituye las pruebas de aceptación del sitio para la configuración, la red y los fallos.

Subestaciones y sistemas EpiSensor

Edge no incluye una interfaz IEC 61850. Los sistemas EpiSensor no participan en redes IEC 61850 de subestación. Miden y controlan el sitio del cliente detrás del punto de conexión: medición por circuito mediante el analizador eléctrico ZEM y respuesta a frecuencia baja en 100 ms con el controlador de respuesta a la demanda ZDR.

Un sitio grande puede tener su propia subestación de alta tensión con relés que informen al operador de red por IEC 61850 o IEC 104. Si un proyecto necesita uno de esos valores en Edge, una opción es un convertidor de protocolos que lo sirva mediante uno que Edge lea, como Modbus TCP. Los registros Modbus no transportan calidad ni marca temporal; acuerde cómo muestra el convertidor un valor no válido u obsoleto antes de utilizarlo.