Introducción a la norma IEC 60870-5-104

Introducción

El telecontrol de instalaciones remotas permite la supervisión y operación de localizaciones dispersas geográficamente desde un puesto de control centralizado optimizando el uso de recursos para dicha tarea.

La definición de protocolos de telecontrol estandarizados posibilita la integración de instalaciones de diferentes suministradores con el centro de control de la compañía eléctrica encargada de controlar la operación del mismo sin necesidad de conversores de protocolos ni adaptaciones.

Cuando las opciones de comunicación disponibles eran limitadas en ancho de banda, los protocolos de telecontrol se basaban en comunicaciones serie a través de radio enlaces o módems telefónicos encargados de la transmisión de información por redes públicas o privadas.

En este contexto la organización IEC definió el protocolo de telecontrol  IEC 60870-5-101 que incluye un conjunto de formatos mensajes, denominados ASDUs y una serie de funciones de aplicación disponibles para la monitorización y el control de dichas estaciones remotas a través de los canales de comunicaciones serie disponibles en el momento.

La llegada de conectividad TCP-IP a las instalaciones remotas, bien por fibras dedicadas, radio enlaces digitales o incluso redes telefónicas 3G/4G posibilita el acceso en dichos sistemas a múltiples canales de comunicación y surge la oportunidad de realizar las tareas de telecontrol usando mayor ancho de banda y mejorando notablemente el tiempo de respuesta.

La norma IEC 60870-5-104 aplica los conceptos de telecontrol definidos en la norma IEC 60870-5-101 eliminando las cabeceras de transmisión serie y añadiendo cabeceras con información apropiada para la gestión de su envío por canales TCP-IP.

IEC 60870-5-104 HACE USO DE LA TECNOLOGIA TCP/IP PARA LAS TAREAS DE TELECONTROL DE LA NORMA IEC 60870-5-101


La norma IEC 60870-5-101

Para entender la norma IEC 60870-5-104 es necesario conocer los conceptos básicos de la norma IEC 60870-5-101 que detallamos a continuación.

Modos de comunicación: balanceado y no balanceado

Dependiendo de si el medio de comunicación es compartido (multipunto) o dedicado (punto a punto) tendremos dos modos de comunicación configurables en un equipo IEC 60870-5-101:

  • Modo balanceado: se usa cuando se dispone de un enlace de comunicación dedicado, punto a punto (enlace telefónico o cable dedicado). La comunicación es full duplex lo que le permite a la remota enviar datos de forma espontánea cuando disponga de los mismos sin necesidad de esperar a que el centro de control lo solicite.
  • Modo no balanceado: se usa en enlaces punto a multipunto como pueden ser los enlaces radio compartidos. La comunicación es hall duplex. Sólo envía datos la remota que es interrogada por el maestro (en base a su dirección de enlace), ignorándose los mensajes que no van dirigidos a la misma. El maestro pregunta cíclicamente a todas las remotas para solicitarles nuevos datos que tuvieran almacenados a la espera de transmisión.

 

Ilustración 1 – Modo no balanceado en radio enlace

Ilustración 1 – Modo no balanceado en radio enlace

El modo no balanceado se puede usar también en canales punto a punto, pero se pierde tiempo de respuesta al no poder la remota enviar los mensajes espontáneos en el mismo instante en que los detecta.

Los formatos de tramas

En IEC 60870-5-101 se definen dos formatos de trama, la trama de longitud fija (usada para mensajes de control) y trama de longitud variable (transporta mensajes de capa aplicación).

 

Ilustración 2 – Formatos de trama IEC 60870-5-101

Ilustración 2 – Formatos de trama IEC 60870-5-101

El campo marcado como datos transporta unidades de datos de aplicación denominadas ASDU (Application Service Data Units) que permiten encapsular servicios de telecontrol.

Funciones básicas de aplicación

La norma IEC 60870-5-101 define tipos de ASDU que se usan en diferentes funciones básicas de aplicación:

  • Inicialización.
  • Adquisición de datos por petición cíclica.
  • Envío periódico.
  • Envío de eventos.
  • Interrogación general.
  • Sincronización horaria.
  • Comandos de control.
  • Envío de contadores.
  • Carga de parámetros.
  • Comando de Test.
  • Transferencia de ficheros.
  • Medida del retardo de envío.

 

1. Al iniciarse la estación remota, ésta notifica dicha situación al centro de control por medio de un mensaje ASDU (END_OF_INIT). Dicho mensaje indica al centro de control la necesidad de actualizar (refrescar) la información de dicha remota por medio de la función de interrogación general.

2. El proceso de interrogación general permite obtener el estado actual de todas las señales digitales o analógicas monitorizadas por la remota. Esta 'foto' de la remota permite al centro de control actualizar el estado de información de dicha instalación.

 

Ilustración 3 – Proceso de interrogación general

Ilustración 3 – Proceso de interrogación general

3. Tras realizar el proceso de interrogación general, cualquier cambio en el estado de las variables de la remota podrá ser recibido por el centro de control por diferentes mecanismos como pueden ser el envío cíclico (usado en medidas analógicas) o el envío espontáneo (usando en señales digitales y a menudo en medidas analógicas con banda muerta configurable).

 

Ilustración 4 – Envió espontáneo de medidas con banda muerta y periodo de exploración

Ilustración 4 – Envió espontáneo de medidas con banda muerta y periodo de exploración

4. En el caso de que la estación remota disponga de contadores como pueden ser los contadores de energía, la remota podrá enviar dichos contadores bajo petición o espontáneamente en función del modo de manejo de contadores configurado en el sistema.

5. En caso de que un operador necesite modificar el funcionamiento del sistema, éste podrá hacer uso de las ASDU de control (C_XX) y modificación de parámetros (P_XX) para actuar sobre el mismo.

 

Ilustración 5 – Envió de comando sobre un interruptor con activación, confirmación de activación e información de resultado de la orden.

Ilustración 5 – Envió de comando sobre un interruptor con activación, confirmación de activación e información de resultado de la orden.

ASDU – Application Service Data Unit

Los mensajes que se envían en IEC 60870-5-101 usan uno de los dos sentidos de comunicación:

  • Sentido control: del centro de control a la remota
  • Sentido monitor: de la remota al centro de control.

Todas las ASDUS incluyen una cabecera común para identificarlas:

 

Ilustración 6 – El formato del ASDU

Ilustración 6 – El formato del ASDU

 

  • TI: Type Identification. Número que identifica el ASDU y por lo tanto su formato y contenido.
  • VSQ: Variable Structure Qualifier: Permite conocer como se organizan los objetos de información.
  • COT: Cause of Transmission : Motivo de envío y opcionalmente un byte con el identificador del centro de control
  • CASDU: Common Address of ASDU. Dirección de capa aplicación que recibe o envía el mensaje.
  • Objetos de información. Lleva el contenido del servicio solicitado o la información notificada.

Se definen diferentes tipos de ASDU para enviar distintos tipos de información:

  • Información de proceso en sentido monitor, que incluye estados medidas, posiciones de paso, etc. (M_XX_XX_X)
  • Información de proceso en sentido control que incluye los comandos simples, dobles, posiciones de paso y ajustes (C_XX_XX_X)
  • Información del sistema en sentido monitor M_EI_NA_1 (end of init)
  • Información del sistema en sentido control, que incluye los comandos de interrogación general, interrogación de contadores, reset, test, lectura y sincronización horaria (C_XX_XX_X)
  • Parámetros en dirección control que permiten cambiar las bandas muertas (P_XX_XX_X)
  • Transferencia de ficheros (F_XX_XX_X)

Objetos de información

El formato de un objeto de información incluye la dirección del objeto (IOA), el valor de campo, la calidad de la información y opcionalmente la marca de tiempo.

 

Ilustración 7 – El formato de un objeto de información

Ilustración 7 – El formato de un objeto de información

Identificación de información

Cada dato en un sistema IEC 60870-101 se identifica por dos direcciones: la dirección de aplicación CASDU y la dirección de objeto IOA.

Tipos de objetos de información

La información de una remota se puede dividir en cuatro categorías principales:

  • Señales digitales
  • Señales analógicas
  • Contadores
  • Comandos y ajustes

 

Ilustración 8 - Tipos de objetos de información básicos

Ilustración 8 – Tipos de objetos de información básicos

Bits de calidad de las señales

Toda señal tiene un bit que indica si el valor es válido o invalido (IV). A su vez en función del tipo de dato tendremos disponible información extra de calidad como:

  • Substituted (SB) indica si el valor es de campo o sustituido.
  • Blocked (BL): indica si la señal esta bloqueada
  • Overflow (OV): indica que la medida está fuera de rango.

Datado temporal de la información

En el envío de la interrogación general la información viaja sin marca de tiempo ya que se trata del estado actual de las variables.

Cuando la remota envía cambios digitales de forma espontánea usa las ASDU con marca de tiempo para que el centro de control tenga una secuencia de eventos bien datada con la cronología acontecida.


La norma IEC 60870-5-104

IEC 60870-5-104 al basarse en canales TCP/IP usa comunicación full-duplex (similar al modo balanceado de IEC 60870-5-101).

A diferencia de IEC 60870-5-101 que espera confirmación de cada mensaje enviado, en IEC 60870-5-104 se asume que el canal es estable y se permite el envío de un máximo de K mensajes sin esperar la confirmación del extremo opuesto.

Formato de trama en  IEC 60870-5-104

IEC 60870-5-104 elimina las cabeceras de comunicación serie y añade su propia cabecera denominada APCI (Application Protocol Control Information).

 

Ilustración 9 – Cabecera APCI de IEC 60870-5-104

Ilustración 9 – Cabecera APCI de IEC 60870-5-104

Los dos primeros bits del campo de control del APCI nos permiten diferenciar 3 tipos de tramas en 104:

  • U Frame: son tramas de control que determinan si se puede enviar tráfico o no por el canal TCP por medio de mensajes START y STOP y que permiten comprobar el estado del mismo en caso de que no hubiere tráfico con mensajes TEST.
  • I Frame: son tramas que transportan datos de aplicación (ASDUs).
  • S Frame: son tramas de supervisión que indican al extremo opuesto la recepción correcta de una o varias tramas de tipo I pendientes de reconocer.

Redundancia de canales IEC 60870-5-104

Una de las ventajas que ofrece IEC 60870-5-104 es la posibilidad de definir canales redundantes sobre TCP/IP. Para ello el centro de control establece varias conexiones en paralelo con la remota y mantiene una de las mismas como la conexión activa y el resto en reserva en caso de que se produjera un cierre o fallo de comunicación en la primera.

Diferencias con la aplicación de IEC 101

IEC 60870-104 elimina el uso de las ASDU con marca de tiempo con hora relativa que usan CP24Time2A (24 bits) y usa las ASDUS con hora absoluta CP56Time2A (56bits).

La sincronización temporal en redes TCP/IP no es tan determinista como en comunicaciones serie por lo que se buscan alternativas de sincronización como NTP cuando no se dispone de señal GPS o IRIG-B en la instalación de la remota.


Interoperabilidad

El documento de interoperabilidad indica las funciones de aplicación disponibles, las opciones disponibles en las mismas, las ASDU soportados y los motivos de envío (COT) usados.

 

Ilustración 10 – Sección de documento de interoperabilidad

Ilustración 10 – Sección de documento de interoperabilidad

El fabricante de la remota con el documento de interoperabilidad del maestro del centro de control puede conocer como debe configurar la remota.

Del mismo modo el centro de control puede conocer si una remota es válida para trabajar con su sistema viendo las opciones disponibles en su documento de interoperabilidad.

Durante el proceso de integración se seleccionan las opciones compatibles y se configura la remota para trabajar de modo compatible con el centro de control.


Perfiles

Los perfiles son especificaciones de uso de opciones definidas en la norma IEC 60870-5-101/104 junto con rangos de direccionamiento y señales específicas que define una compañía eléctrica para la automatización de sus instalaciones.

Por lo general surgen para resolver problemáticas que la norma deja abiertas y para delimitar de las opciones disponibles cuales deben ser implementadas. Por ejemplo, un perfil puede requerir que las medidas de envíen de forma cíclica en formato escalado y otro perfil puede solicitar el envío espontáneo en formato flotante.

El fabricante de la remota deberá adecuar la funcionalidad de la misma al perfil indicado por la eléctrica antes de poder instalar remotas en dicho sistema.

Por lo general la compañía eléctrica solicitara un proceso de homologación para garantizar que la remota cumple con el perfil solicitado. Dicha homologación hará uso de un documento de pruebas específico de la eléctrica.


Especificaciones de pruebas IEC 60870 5-104

IEC define un conjunto de pruebas básicas para verificar la funcionalidad de las remotas de telecontrol definidas en IEC 60870-5-101/104. La especificación de pruebas se encuentra disponible en los documentos IEC 60870-5-601/604 y permite realizar unas pruebas básicas en base a las capacidades de la remota.


Inclusión de seguridad IEC 60870 5-104

Los protocolos IEC 60870-5-101 e IEC 60870-5-104 no incluyen cifrado o autenticación lo que les hace vulnerables a conexiones no autorizadas o modificación de datos enviados. Por lo general las medidas de seguridad se basan en tablas de direcciones IP autorizadas, redes privadas y firewalls de acceso a la instalación.

Estas medidas a día de hoy se consideran insuficientes por lo que IEC dentro del grupo de trabajo TC 57 WG15 ha desarrollado un conjunto de extensiones para poder dotar de mecanismos de seguridad a las comunicaciones de telecontrol.

La base relativa a los aspectos de seguridad se encuentra en la especificación IEC 62351-5. La especificación  IEC 60870-5-7 detalla las nuevas ASDU a implementar para disponer de seguridad. A su vez se está trabajando en un documento de definición de pruebas que permita validar las implementaciones seguras IEC 62351-100-1.


Términos y abreviaturas

  • ASDU – Application Service Data Unit. Estructura que contiene información de capa aplicación a intercambiar entre una estación remota y un centro de control.
  • DNP3 – Distributed Network Protocol version 3. Protocolo de comunicaciones de automatización y telecontrol con capacidades serie y TCP-IP muy extendido en la automatización de subestaciones y comunicación con centros de control.
  • IEC – International Electrotechnical Commission – Organización Internacional que desarrolla normativa relacionada con el mundo eléctrico.
  • IEC 60870-5-101/104 – Protocolo de telecontrol serie o TCP-IP muy extendido en la comunicación de subestaciones con centros de control.
  • RTU – Remote Terminal Unit – Equipo que recoge la información más importante de un sistema y la envía al centro de control en base a protocolos como DNP3 o IEC 60870-5-101/104.

ENSOTEST es una compañía que desarrolla herramientas de automatización basadas en el protocolo IEC 61850. UCA International Users Group.


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