Redundancia de red en subestaciones: RSTP, PRP, HSR o MRP

Respuesta corta

Hay dos familias de redundancia: las que reconfiguran la red cuando falla un enlace (RSTP y MRP), que pierden tramas durante la reconfiguración, y las que envían cada trama por dos caminos (PRP y HSR), que no pierden ninguna. Para MMS y SCADA suele bastar RSTP o MRP; para GOOSE de disparo y valores muestreados se eligen PRP o HSR.

Las dos familias de redundancia

La red de una subestación necesita seguir funcionando cuando falla un enlace o un switch. Hay dos formas de lograrlo, y la diferencia entre ellas es lo que pasa durante la falla:

Redundancia por reconfiguración. La red tiene caminos de sobra, pero en servicio normal mantiene uno bloqueado para que las tramas no giren sin fin. Cuando un enlace falla, el protocolo habilita el camino bloqueado. Mientras lo hace, se pierden tramas. Es el caso de RSTP y MRP.
Redundancia por duplicación. Cada trama se envía por dos caminos a la vez y el receptor se queda con la primera copia. Si un camino falla, la otra copia ya va en viaje: no hay tiempo de recuperación. Es el caso de PRP y HSR, de IEC 62439-3.

La elección es de diseño y depende de qué tanto tolera cada función la pérdida de mensajes.

RSTP

RSTP (IEEE 802.1D, hoy incluido en IEEE 802.1Q) funciona en anillos y mallas. Los switches eligen un puente raíz, bloquean los puertos que cerrarían un bucle y los habilitan si se pierde un enlace. Casi todos los switches administrables lo traen.

Su tiempo de reconvergencia depende de la topología, del número de switches y de la implementación del fabricante: puede ir de milisegundos a más. Los detalles están en RSTP y MRP.

MRP

MRP (IEC 62439-2) está pensado solo para anillos. Un switch administrador bloquea uno de sus puertos y envía tramas de prueba; si dejan de volver, abre el puerto. La norma define clases de tiempo de recuperación de 500, 200, 30 y 10 ms, y las más rápidas exigen hardware que las soporte. Su ventaja frente a RSTP es que el tiempo es predecible.

PRP

PRP usa dos redes independientes, la LAN A y la LAN B. Cada nodo doblemente conectado (DAN) transmite cada trama por las dos y el receptor descarta la copia. Las dos LAN pueden tener topologías distintas, por ejemplo dos estrellas. La falla de cualquier elemento de una LAN no hace perder ninguna trama.

HSR

HSR forma un anillo en el que cada nodo envía la trama en los dos sentidos. El destino toma la primera copia y las tramas multicast las retira el nodo que las emitió. No hay tiempo de recuperación, pero el tráfico del anillo se duplica, lo que limita el número de nodos y el volumen de valores muestreados. Ambos protocolos se explican en PRP y HSR.

Nodos SAN, DAN y RedBox

SAN (single attached node): equipo de un solo puerto. En PRP puede ir a una sola LAN, sin redundancia.
DAN (doubly attached node): equipo con dos puertos que implementa PRP (DANP) o HSR (DANH). La mayoría de los relés recientes lo ofrecen como opción.
RedBox: equipo que conecta uno o varios SAN a las dos LAN de PRP o al anillo HSR. También une un anillo HSR con una red PRP. Vea RedBox PRP y HSR.

Comparación

Protocolo	Norma	Recuperación	Topología	Costo
RSTP	IEEE 802.1D / 802.1Q	Reconvergencia; depende del diseño	Anillo o malla	Bajo: viene en los switches
MRP	IEC 62439-2	Clases de 500, 200, 30 y 10 ms	Solo anillo	Bajo a medio
PRP	IEC 62439-3	Cero	Dos LAN independientes	Alto: el doble de red
HSR	IEC 62439-3	Cero	Anillo, tráfico duplicado	Medio: IED con HSR o RedBox

Qué exige cada función

MMS, SCADA, ingeniería y video. Toleran una pérdida breve: el cliente reintenta y los reportes se recuperan. RSTP o MRP suelen bastar.
GOOSE de enclavamiento. Toleran una pérdida breve si el enclavamiento se diseñó para fallar a la posición segura. RSTP, MRP o PRP según la filosofía.
GOOSE de disparo y de falla de interruptor. IEC 61850-5 les asigna la clase de tiempo de transferencia más exigente, de 3 ms. Una reconfiguración en el momento de la falla puede retrasar el disparo. Se prefieren PRP o HSR. Vea GOOSE.
Valores muestreados. Un flujo continuo de muestras; una pérdida sostenida bloquea la protección que las usa. Exigen PRP o HSR.
Sincronización PTP. Funciona sobre PRP y HSR, con relojes que reconocen las dos rutas.

Qué redundancia elegir para la red de la subestación

¿La red lleva disparos por GOOSE o valores muestreados?
- Sí¿Se pueden tender dos redes físicamente separadas?
  - SíPRP, con LAN A y LAN B independientes
  - NoHSR en anillo, con pocos nodos por anillo
- No¿Se necesita un tiempo de recuperación predecible?
  - SíMRP en anillo
  - NoRSTP en anillo o malla

Puede estimar la carga de cada enlace y el efecto de PRP o HSR sobre el tráfico con nuestra herramienta gratuita de red de bus de proceso.

Mezclas frecuentes

PRP en el bus de estación y HSR en el bus de proceso, unidos por RedBox.
Anillo RSTP dentro de cada LAN de PRP, siempre que las dos LAN sigan independientes.
PRP para los IED de protección y RSTP para el resto (cámaras, controles de acceso, servicios), separados por VLAN o por switches distintos.

En cualquier mezcla, el diseño documenta qué puerto usa qué protocolo y desactiva en los puertos PRP y HSR las funciones pensadas para STP.

Errores frecuentes

Las dos LAN de PRP con la misma fuente o por la misma ruta de fibra.
LAN A y B cruzadas, que la red no detecta a simple vista pero los contadores sí.
Anillo HSR con demasiados nodos y valores muestreados que saturan el ancho de banda duplicado.
Suponer que RSTP es determinista: su tiempo cambia con la topología y el fabricante.

Diseño y pruebas con Tiza Group

La redundancia se decide con la lista de funciones que viajan por la red y se comprueba en la puesta en servicio desconectando cada enlace con el tráfico real. Nuestro equipo diseña la red de forma remota en la ingeniería de comunicaciones y, en sitio, configura y prueba PRP, HSR, RSTP y MRP con nuestra ingeniería IEC 61850, en media, alta y extra alta tensión, en subestaciones e industria. Escríbanos y le proponemos la arquitectura.

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Referencias

IEC 62439-2:2021: protocolo de redundancia de medios (MRP).
IEC 62439-3:2021: PRP y HSR.
IEEE 802.1Q: puentes y redes con VLAN, incluido RSTP.
IEC TR 61850-90-4:2020, Network engineering guidelines.
IEC 61850-5: requisitos de comunicación y clases de tiempo de transferencia.

Preguntas frecuentes

¿RSTP sirve para GOOSE de disparo?

Solo si la filosofía de protección acepta perder mensajes durante la reconfiguración. GOOSE retransmite y puede recuperarse, pero un disparo que coincide con la falla de un enlace puede llegar tarde. Por eso, cuando el disparo depende de la red, se prefiere PRP o HSR.

¿Puedo mezclar PRP y HSR en la misma subestación?

Sí, es común: PRP en el bus de estación y HSR en el bus de proceso o en celdas, unidos por RedBox que trasladan las tramas de un esquema al otro. Lo que no se debe hacer es mezclar protocolos de redundancia en los mismos puertos sin diseño.

¿Qué pasa con los equipos que tienen un solo puerto Ethernet?

Se conectan a una sola LAN de PRP, sin redundancia, o a través de una RedBox que los representa en las dos LAN o en el anillo HSR. En RSTP o MRP se conectan a un switch del anillo y dependen de ese switch.