Redes Convergentes no Cenário da IEC Brasil

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1 Redes Convergentes no Cenário da IEC O. J. M. da MOTTA e C.A. CORDEIRO FURNAS M. G. CASTELLO BRANCO* e C. H. R. de OLIVEIRA CPqD Brasil RESUMO Neste trabalho, os autores propõem uma abordagem dos principais aspectos relacionados ao projeto, arquitetura e dimensionamento de uma rede convergente IP num ambiente típico de uma concessionária de energia elétrica, para que sejam alcançados os resultados esperados pelos usuários / clientes (humanos ou dispositivos inteligentes) e suas aplicações de operação e comunicação. O trabalho se baseia nos primeiros resultados de um projeto de pesquisa e desenvolvimento que vem sendo conduzido pelo CPqD e por FURNAS com foco numa metodologia para testes de interoperabilidade entre dispositivos eletrônicos inteligentes numa rede Ethernet de alta velocidade. A partir deste trabalho, os autores esperam contribuir para uma melhor visão de arquitetura e parâmetros mais adequados a uma rede convergente multiserviços baseada em protocolo IP e outros padrões de comunicação sobre redes Ethernet para os futuros ambientes de operação e comunicação das concessionárias de energia elétrica na fase de maturação dos conceitos trazidos pela norma IEC Esta visão, uma vez aplicada, permitirá otimizar os investimentos em infra-estrutura e equipamentos de rede e, ao mesmo tempo, alcançar maior flexibilidade com os serviços e aplicações a serem implementados para diferentes tipos e perfis de usuários / clientes, sejam eles pessoas ou dispositivos interconectados pela rede. PALAVRAS CHAVE Redes convergentes, Redes de automação, Redes IP e Ethernet. (*) castello@cpqd.com.br

2 1. Introdução A convergência IP no mundo das redes de comunicação vem quebrando diversos paradigmas e propiciando inúmeras aplicações para diversos perfis de usuários / clientes sejam pessoas ou dispositivos. No âmbito das redes de telecomunicações, estas mudanças vêm sendo assimiladas com naturalidade, face ao grande estímulo e ansiedade criados no cidadão comum, dadas às novas aplicações de banda larga que incluem IPTV, VoIP, VoD, Vídeo-chamadas, etc., sobre os mais variados meios de acesso (cabo, óptico e sem fio) e em diferentes tipos de terminais fixos ou móveis. Esta naturalidade se espelha pela migração planejada pelas prestadoras de serviços de telecomunicações para a nova arquitetura IMS (IP Multimedia Subsystem). Já no âmbito das redes operativas, dentre as quais se inserem as redes de automação, proteção e controle das concessionárias de energia, a resistência a esta convergência vem sendo um pouco maior, face à tradicional visão crítica das operações voltadas ao fornecimento ininterrupto de energia elétrica a seus clientes. O surgimento da norma IEC [1] desde 2002 vem quebrando, progressivamente, este paradigma uma vez que provê recursos para a otimização e priorização do tráfego de mensagens operacionais críticas na rede Ethernet IP, mesmo que esta possua tráfego concorrente de fundo, cujos tempos de fluxo na rede não sejam tão críticos. Tais recursos são, entretanto, fortemente dependentes dos parâmetros, elementos e arquiteturas destas novas redes convergentes, para que os requisitos operacionais não sejam afetados, como analisado em [2] e [3]. Neste contexto se inserem outras preocupações associadas que são, por exemplo, os aspectos de interoperabilidade entre os diferentes elementos desta rede convergente, mesmo que oriundos de diferentes fabricantes e destinados às mais diversas aplicações que farão uso da rede convergente. Neste sentido, CPqD e Furnas ingressaram em 2008 num projeto de pesquisa e desenvolvimento (suportado pela ANEEL) que visava conceber uma metodologia para validar a interoperabilidade de equipamentos de uma rede convergente voltada para automação e controle baseada na norma de comunicações estabelecida pela IEC Dentro deste projeto também se inseriram estudos voltados às melhores arquiteturas e requisitos de rede que possam suportar as diferentes aplicações neste novo modelo de comunicações para ambientes de subestações de energia elétrica. Nas seções seguintes serão abordados os principais resultados deste projeto de P&D que estão associados ao cenário da IEC no ambiente de uma rede Ethernet convergente. 2. O conceito da inteligência distribuída na rede O novo ambiente das redes convergentes com protocolos de comunicações padronizados internacionalmente tem propiciado, além da maior diversidade de aplicações possíveis, uma maior flexibilidade de arquiteturas. Tais arquiteturas buscam tirar proveito da distribuição dos recursos de processamento e armazenamento de informações em cada um dos elementos da rede, dispostos convenientemente do ponto de vista físico e topológico, porém, compartilhando dados de forma rápida e segura para a correta execução de cada aplicação a que se propõem. Dentro deste conceito encontram-se, por exemplo, os Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (IEDs), definidos pela IEC-61850, que atuam como servidores executando funções internas associadas às lógicas de proteção, automação e controle implementadas nas subestações de energia ou mesmo fora destas. Tais dispositivos por vezes se comunicam entre si por protocolos padrões destinados a mensagens críticas entre equipamentos, mas, ao mesmo tempo, disponibilizam suas bases de dados internas aos clientes da rede tais como os sistemas de gerência e de aquisição de dados da rede elétrica, tais como os sistemas SCADA / EMS. No primeiro cenário de comunicação os IEDs atuam no modelo publish / subscriber onde um deles publica uma mensagem crítica na rede Ethernet associada a um evento ou alarme, 1

3 por exemplo, enquanto o outro ou outros atuam como assinantes daquela mensagem, sobre a qual procedem outras ações na rede elétrica a partir do recebimento da mensagem do primeiro IED. Estas mensagens, denominadas genericamente como GOOSE (Generic Object Orientated System-wide Events), requerem priorização e requisitos de desempenho da rede Ethernet que permitam que estas sejam trafegadas em intervalos de tempo de alguns milisegundos. Esta forma de comunicação é denominada comunicação horizontal uma vez que costuma ocorrer entre elementos de um mesmo nível de barramento de rede da subestação (estação, vão ou processo). Já no segundo cenário, estes mesmos IEDs disponibilizam dados e informações internas de suas bases às estações de trabalho, gerência e supervisão da rede (ex. Sistemas SCADA) consideradas como IHM (Interfaces Homem-Máquina). Nesta segunda forma de comunicação denominada comunicação vertical os dados são trafegados entre os diferentes níveis de barramento de rede convergindo nas interfaces IHM no barramento de estação. A Figura 1 ilustra estas diferentes formas de comunicação horizontal e vertical num ambiente de uma subestação. Figura 1 Tipos de comunicação entre elementos numa subestação Quando mapeados os tipos de comunicação em suas respectivas formas ou protocolos de rede associados, verifica-se que os padrões podem ser comuns em diferentes camadas da comunicação, desde a camada física Ethernet até os modelos de dados para objetos e serviços a serem implementados na rede, conforme ilustra a Figura 2. 2

4 Figura 2 - Mapeamento para comunicação numa subestação Neste mapeamento pode-se constatar que o protocolo de automação industrial MMS (Manufacturing Message Specification) é mapeado diretamente sobre o protocolo de transporte TCP / IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) para efetivar a comunicação do tipo vertical que permite, por exemplo, o transporte das informações contidas nos IEDs para o sistema supervisório SCADA no modelo cliente (SCADA) / servidor (IED). Da mesma forma, as informações consideradas mais críticas em termos de requisitos de tempo de transmissão, a serem trafegadas na mesma rede, podem ser mapeadas sobre protocolos de comunicação em tempo real [4] como é o caso das mensagens GOOSE circuladas entre os IEDs e as amostras de valores críticos dos elementos do sistema. Em ambos os casos, os resultados destes mapeamentos distintos são combinados sobre as mesmas camadas física e de enlace da rede Ethernet fazendo-se uso dos recursos de QoS (Quality of Service) priorização / VLAN definidos na Norma IEEE 802.1p / 802.1Q. Esta norma estabelece as formas de inserção de tags de priorização nos quadros de pacotes Ethernet para a criação de redes virtuais locais (VLANs) permitindo, portanto, que as informações consideradas mais críticas sejam trafegadas na mesma rede com prioridade sobre as demais mapeadas como menos críticas. Neste cenário, pode-se constatar a clara distribuição da inteligência da rede de comunicações entre os diferentes elementos da mesma, sejam esses elementos, IEDs ou Interfaces Homem-Máquina (IHM). Esta distribuição permite o compartilhamento de múltiplas bases de armazenamento de informações e a divisão de responsabilidades nas ações e decisões a serem tomadas ao longo dos diferentes processos executados sobre a rede de comunicação, por exemplo, as lógicas de proteção de sistemas elétricos. 3. Aspectos relacionados à topologia e arquitetura das redes A eficácia das redes convergentes com inteligência distribuída depende não só do desempenho de seus elementos individualmente como também da sua topologia e arquitetura de integração. Neste sentido, as formas de interligação entre os elementos, por exemplo, IEDs e os recursos de rede (ex: switches Ethernet) são fundamentais para a eficácia da rede convergente para cada um dos processos e aplicações às quais ela se destina. Para tanto, ilustramos a seguir alguns núcleos básicos de topologias possíveis e relacionamos suas vantagens e desvantagens. 3

5 3.1. Topologia estrela: As arquiteturas de redes baseadas na topologia estrela possuem elementos funcionais interligados de forma centralizada através de um elemento de rede agregador ao qual também pode ser conectado a interface homem-máquina (IHM) que pode ser uma estação de engenharia ou um sistema de supervisão e gerência tal como o SCADA. A Figura 3 ilustra um núcleo de rede com este tipo de topologia. As vantagens desta topologia são: Figura 3 Núcleo de rede em topologia estrela Menor quantidade de switches (menor custo de rede associado); Menor quantidade de cabos de rede e interconexões; Ideal para IEDs com uma única porta Ethernet; Ideal para redes que não contemplem redundância de funções entre IEDs. As desvantagens são: Ausência de redundância de caminho de rede para cada IED e funções associadas; Risco de igualar ou exceder a capacidade máxima de portas do switch impedindo reconfigurações ou interligação de novos elementos à rede. A Figura 4 ilustra o emprego deste tipo de topologia para testes de interoperabilidade entre três IEDs com portas simples se comunicando entre si e com o sistema supervisório SAGE. 4

6 Figura 4 Emprego da topologia estrela para testes de interoperabilidade 3.2. Topologia em anel: As arquiteturas de redes baseadas na topologia em anel possuem elementos funcionais interligados ao longo de um anel permitindo caminhos alternativos de rede para as informações ou mensagens até sua chegada ao seu destino (elemento adjacente ou IHM). A Figura 5 ilustra um núcleo de rede com topologia em anel. As vantagens desta topologia são: Figura 5 Núcleo de rede em topologia em anel Redundância de caminhos de rede para cada IED e funções associadas; Maior flexibilidade para re-configurações ou expansões com interligação de novos elementos à rede; Maior confiabilidade associada à redundância existente; Recomendado para IEDs com portas redundantes Ethernet; 5

7 Ideal para redes que contemplem redundância de funções entre IEDs criando maior segurança na execução das mesmas. Permite esquemas de recuperação rápida de anel em caso de falhas nas portas (ex: RSTP 1 ) desde que disponíveis e previamente configurados nos switches utilizados. As desvantagens são: Maior quantidade de switches (maior custo de rede associado); Maior quantidade de cabos de rede e interconexões; Maior complexidade e custo dos IEDs e switches; A Figura 6 ilustra o emprego deste tipo de topologia para testes de interoperabilidade entre três IEDs com portas redundantes se comunicando entre si e com o sistema supervisório SAGE. Figura 6 Topologia em anel para teste de interoperabilidade com SAGE É importante observar que a norma IEC em sua edição vigente ainda não contempla a redundância de portas nos IEDs que permitirá o máximo proveito da topologia em anel. Entretanto, este recurso já vem sendo implementado pelos principais fabricantes uma vez que a IEC já estuda esta incorporação na norma Distribuição de funções entre os IEDs: Outro recurso importante na montagem de arquiteturas de redes convergentes é a forma de distribuição dos nós lógicos (LN 2 ) entre os diversos IEDs da rede através dos quais serão executadas as funções e aplicações dos diferentes processos. 1 RSTP = Rapid Spanning Tree Protocol 2 LN = Logical Node 6

8 A Figura 7 ilustra exemplos de duas diferentes formas de se agrupar nós lógicos em IEDs de proteção e controle para se executar as mesmas funções. Numa delas todos os nós lógicos são separados num par de IEDs que realizam, cada um deles, as funções de proteção e controle. Na segunda forma os nós lógicos são agrupados de forma que as mesmas funções de proteção e controle são executadas por um único IED. A primeira forma permite uma maior confiabilidade das funções uma vez que não dependem de apenas um IED, porém dependem mais fortemente da rede para a intercomunicação entre os IEDs e seu custo é mais elevado pela maior quantidade de equipamentos necessários. Já a segunda forma permite menor custo de investimento em equipamentos e em rede, porém exige maior confiabilidade do IED já que este fica responsável por um maior número de funções. Figura 7 Exemplo de formas de alocação de nós lógicos entre IEDs A Figura 8 ilustra o caimento dos custos relativos para implantação de uma rede convergente em função do número de LNs implementados por IED. 7

9 Figura 8 Caimento dos custos de implementação de uma rede de IEDs 4. Aplicações Práticas: Compartilhamento de recursos de rede entre aplicações Num ambiente de rede convergente é sempre importante prever as condições de compartilhamento dos recursos e da capacidade da rede entre as diversas aplicações nela trafegadas. No caso particular de convergência entre aplicações operativas e corporativas, a questão da priorização de tráfego e da garantia de capacidade de vazão das informações operativas torna-se fundamental. Visando avaliar a eficácia dos recursos de priorização de mensagens operativas GOOSE trocadas entre IEDs numa rede compartilhada com tráfego de informações corporativas, foi realizado um experimento envolvendo cinco relés digitais, de diferentes fabricantes e modelos, interligados em rede. O experimento procurou retratar um esquema de lógica de proteção representado na Figura 9. Neste esquema, no caso de ocorrência de subtensão na linha A (PTUV Função 27), não causada por um curto-circuito na carga C (ausência de pickup 51 - PTOC), e se E aberto e B fechado e a linha B estiver saudável (ausência de subtensão 27 PTUV abaixo de 80% do nominal), o relé A receberá o estado do disjuntor B (52 - XCBR), através do relé B, enviará um GOOSE de fecha E e um trip de abre A. Para executar esta proteção os relés foram interligados em rede conforme a Figura 10. Esta montagem visou não só a validação da interoperabilidade entre os IEDs (todos relés digitais) como a configuração de priorização de tráfego de mensagens GOOSE entre os dois switches utilizados. Os testes permitiram confrontar o resultado desta priorização em diferentes condições de carregamento do enlace trunk entre os dois switches provocado por uma ferramenta de emulação de tráfego IP denominada IxChariot [5]. A Figura 11 ilustra a tela do software IxChariot na condição de 80% de carregamento da rede em ambos os sentidos (Pair 1 do IxChariot -> Endpoint e Pair 2 do Endpoint -> IxChariot). Figura 9 Esquema de lógica de proteção com cinco relés em rede 8

10 Figura 10 Montagem da rede para esquema de lógica de proteção Figura 11 - Software IxChariot com 80% de carregamento A Tabela I mostra o resultado dos testes com diferentes percentuais de carregamento da rede e os efeitos desprezíveis nas estampas de tempo de eventos de proteção registrados entre relés situados em switches diferentes da rede. Tais resultados demonstram a eficácia do recurso de priorização de GOOSE implementados em ambos os switches evitando-se 9

11 prejuízos aos tempos de tráfego de mensagens operativas consideradas críticas quando compartilhando enlace de rede Ethernet com tráfego IP concorrente. As diferenças de leituras se devem a formas distintas de sincronismo IRIGB ou NTP entre cada IED. Evento (carregamento da rede) Instante lido pelo relé E (mesmo switch 1) Instante lido pelo relé B (em outro switch 2) Diferença de leituras Abertura Relé A (0%) 15:17: :17: ms Fechamento Relé E (0%) 15:17: :17: ms Abertura Relé A (10%) 15:25: :25: ms Fechamento Relé E (10%) 15:25: :25: ms Abertura Relé A (80%) 15:27: :27: ms Fechamento Relé E (80%) 15:27: :27: ms Abertura Relé A (100%) 15:32: :32: ms Fechamento Relé E (100%) 15:32: :32: ms Tabela I Resultados dos testes de carregamento de tráfego na rede de relés 5. Conclusões O presente trabalho procurou tratar os aspectos relacionados ao projeto de uma rede convergente IP num ambiente de uma concessionária de energia elétrica, visando os resultados esperados pelos usuários / clientes (humanos ou dispositivos inteligentes). O trabalho se baseou nos primeiros resultados de um projeto de pesquisa e desenvolvimento conduzido pelo CPqD e por FURNAS com foco numa metodologia para testes de interoperabilidade entre dispositivos eletrônicos inteligentes numa rede Ethernet de alta velocidade baseada na Norma IEC Esta abordagem, uma vez aplicada, permitirá otimizar os investimentos em infra-estrutura e equipamentos de rede e alcançar maior flexibilidade com os serviços e aplicações. Nas fases seguintes do projeto será proposto um modelo básico para subestações futuras utilizando uma implementação totalmente baseada na Norma IEC Além disso, será elaborado um conjunto de especificações mínimas para equipamentos e sistemas elétricos que se comuniquem segundo a Norma IEC BIBLIOGRAFIA [1] IEC 61850, Communication Networks and Systems in Substations Parts [2] M.G. Castello Branco, N. Mincov and S.M.C. Tome, A Inevitável Convergencia IP das Redes Operativa e Corporativa (XIX SNPTEE, October 2007). [3] M.G. Castello Branco, C. Esteve Rothenberg and N. Mincov, New Challenges in Electric Substation Telecommunication and IT Networks - Bienal CIGRÉ Paris 2008 Revista EletroEvolução Sistemas de Potência no. 53 Dez [4] L. Winkel, "Real-Time Ethernet in IEC and IEC series", In proceedings, Industrial Informatics, 2006 IEEE International Conference on, On page(s): , Singapore, Aug [5] 10