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Red de bus de proceso IEC 61850
Calcule la carga del enlace más cargado con valores muestreados y GOOSE en ráfaga, la latencia de peor caso de un GOOSE de disparo frente a su clase de tiempo, cuántas merging units caben, cuánto tarda en recuperarse la red y el error de tiempo PTP acumulado.
IEC 61850-9-2trama de valores muestreadosIEC 61869-9tasas preferidas de las merging unitsIEC 61850-8-1trama GOOSE y su repeticiónIEC 62439-3PRP y HSRIEC 61850-5clases de tiempo de transferenciaIEC/IEEE 61850-9-3§ 7.2presupuesto de tiempo PTP
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Cálculo y detalle
Cálculo paso a paso
Qué significa para su red
Calcule la carga del enlace más cargado con valores muestreados y GOOSE en ráfaga, la latencia de peor caso de un GOOSE de disparo frente a su clase de tiempo, cuántas merging units caben, cuánto tarda en recuperarse la red y el error de tiempo PTP acumulado.
IEC 61850-9-2trama de valores muestreadosIEC 61869-9tasas preferidas de las merging unitsIEC 61850-8-1trama GOOSE y su repeticiónIEC 62439-3PRP y HSRIEC 61850-5clases de tiempo de transferenciaIEC/IEEE 61850-9-3§ 7.2presupuesto de tiempo PTP
Para qué sirve
Al pasar a la subestación digital, las preguntas de diseño de la red son siempre las mismas: si 100 Mbit/s alcanzan o hace falta 1 Gbit/s, cuántas merging units caben en un anillo HSR, cuántos switches puede cruzar un GOOSE de disparo sin salirse de su clase de tiempo, qué pasa cuando se corta una fibra y cuántos relojes PTP se pueden encadenar. Esta herramienta hace esas cuentas con la estructura real de las tramas y el peor caso de cada cola, para revisar una arquitectura antes de comprar switches o para defenderla en una reunión de ingeniería.
Las direcciones MAC, APPID y VLAN de cada flujo se revisan aparte, con la herramienta de direcciones GOOSE y SV.
Cómo se calcula
IEC 61850-9-2savPdu en ASN.1, codificación BERIEC 61869-9F4800S2 y F14400S6
Trama de valores muestreados
ASDU = svID + smpCnt (2) + confRev (4) + smpSynch (1) + seqData (8 · canales) · trama = 12 + 4 + 2 + 8 + savPdu(n · ASDU) + 4 [+ 6]Cada campo lleva su etiqueta y su longitud BER (2 bytes por debajo de 128 de contenido, 3 o 4 por encima). Con 8 canales y un svID de 10 caracteres la ASDU mide 93 bytes y la trama 130: 12 de direcciones MAC, 4 de la etiqueta IEEE 802.1Q, 2 del EtherType 0x88BA, 8 de APPID, longitud y reservados, 100 del savPdu y 4 de FCS. PRP añade al final una cola de redundancia de 6 bytes y HSR una etiqueta de 6 bytes tras la MAC de origen (IEC 62439-3).
Tramas por segundo: 9-2LE publica 80 muestras por ciclo con una ASDU por trama (4000 a 50 Hz, 4800 a 60 Hz) o 256 con 8 ASDU; IEC 61869-9 fija 4800 muestras por segundo con 2 ASDU y 14 400 con 6, es decir 2400 tramas por segundo en 50 y en 60 Hz.
IEC 61850-8-1goosePdu y repeticiónIEC 61850-6MinTime y MaxTime del GSE
Trama GOOSE
goosePdu = gocbRef + TAL + datSet + goID + t (8) + stNum + sqNum + simulation + confRev + ndsCom + numDatSetEntries + allDataEl tiempo de vida (TAL) se toma como 2 · MaxTime, stNum y sqNum en su peor caso de 32 bits (5 bytes) y cada señal como valor más calidad. Con 10 señales y 66 caracteres de referencias el GOOSE mide 227 bytes.
IEEE 802.3preámbulo e intervalo entre tramas
Carga del enlace más cargado
B = NMU · ftramas · (LSV + 20) · 8 + NGOOSE · (LGOOSE + 20) · 8 / MinTime + fondoLos 20 bytes son el preámbulo con su delimitador (8) y el intervalo mínimo entre tramas (12). El GOOSE se cuenta en ráfaga: tras un evento cada publicador repite a MinTime y el intervalo crece hasta MaxTime. La carga se aplica al enlace que lleva todos los flujos: el troncal de una estrella o de cada LAN de PRP, cualquier enlace de un anillo RSTP, y cada sentido de cada enlace de un anillo HSR, porque allí cada trama recorre el anillo completo en los dos sentidos hasta volver a su origen. Merging units que caben: ⌊(umbral · C − GOOSE − fondo) / BMU⌋.
IEC 61850-5TT6 = 3 ms, TT5 = 10 ms, TT4 = 20 ms, TT3 = 100 ms
Latencia de peor caso del GOOSE
tb = (S + 1) · [(L + 8) · 8 / C + (1542 [+ 6]) · 8 / C] + S · tsw + NMU · (LSV + 20) · 8 / C + (NGOOSE − 1) · (LGOOSE + 20) · 8 / CS son los switches del camino más largo: los indicados en estrella y PRP, los N switches de un anillo RSTP y los N − 2 nodos intermedios de un anillo HSR abierto junto al publicador. En cada uno de los S + 1 puertos de salida el GOOSE se transmite completo (almacenamiento y reenvío; en corte solo la cabecera en cada switch) y puede esperar a que termine una trama de 1522 bytes de menor prioridad, porque IEEE 802.1Q no interrumpe una trama en curso. Si GOOSE y SV comparten prioridad, espera además una vez la ráfaga coherente de las merging units, que publican en el mismo instante por estar sincronizadas, y la de los otros GOOSE del mismo evento: Ingram y otros (IEEE, 2013) midieron ese efecto, y que una vez en cola las tramas salen en fila y los switches siguientes casi no suman. El resultado se compara con la parte de la clase TT asignada a la red, porque la clase incluye también ta y tc, el tiempo de los IED.
IEC 62439-3PRP y HSR, sin tiempo de recuperaciónIEEE 802.1DRSTP
Recuperación ante un enlace caído
PRP, HSR: 0 ms · RSTP en anillo: T = TL + (N − 3) · TPA (N par) o TL + (N − 2) · TPA (N impar)PRP y HSR envían cada trama por dos caminos y el receptor descarta el duplicado, así que la falla de un enlace no corta el tráfico. La fórmula de RSTP es el peor caso del libro blanco de Siemens RUGGEDCOM «Performance of the Rapid Spanning Tree Protocol in Ring Network Topology» (2007): TL es la detección de la pérdida de enlace y TPA el intercambio de propuesta y acuerdo por pareja de switches. Durante ese tiempo se pierden muestras SV, por eso el bus de proceso se diseña con redundancia sin interrupción (IEC TR 61850-90-4).
IEC/IEEE 61850-9-3§ 7.2inexactitud de la redIEEE C37.238perfil de potencia
Error de tiempo PTP acumulado
ε = εGM + S · εTC (o S · εBC) ≤ 1 µsLímites del perfil: 250 ns el reloj maestro (7.4.1), 50 ns cada reloj transparente (7.5) y 200 ns cada reloj de frontera (7.6.1); con ellos el perfil apunta a menos de 1 µs tras 15 relojes transparentes. 1 µs es la clase T5 de IEC 61850-5, la que piden los valores muestreados. En un anillo HSR cada nodo intermedio cuenta como un reloj.
Límites del cálculo
- Es una estimación de diseño, no un estudio de red: verifíquela con mediciones en las pruebas FAT y SAT, con el tráfico real y los switches elegidos.
- Supone que el enlace evaluado lleva todos los flujos. Con VLAN y filtrado multicast, los puertos de acceso llevan menos; el troncal y los anillos siguen llevando la suma.
- La latencia es un peor caso: una trama larga delante en cada puerto, todas las merging units y todos los GOOSE en ráfaga en el mismo instante. No incluye la propagación por la fibra (unos 5 µs por kilómetro) ni el tiempo de los IED.
- La recuperación de RSTP usa la fórmula de un fabricante para un anillo; en mallas o con la raíz mal ubicada puede ser mayor. Use el tiempo que su fabricante garantiza para su topología.
- El error PTP suma los límites de cada equipo según el perfil; la asimetría de los enlaces y los convertidores de medios suman aparte.
- Los valores típicos de latencia de conmutación, de RSTP y de los umbrales salen de fuentes citadas o son criterios de Tiza Group rotulados como tales: cámbielos en el modo Avanzado con los datos de sus equipos.
Preguntas frecuentes
¿Cuántas merging units caben en un enlace de 100 Mbit/s?
Una trama 9-2LE con un svID de 10 caracteres mide 130 bytes y ocupa 150 en la línea con el preámbulo y el intervalo entre tramas. A 4800 tramas por segundo (60 Hz) cada merging unit consume 5,76 Mbit/s, y a 4000 (50 Hz) 4,8 Mbit/s. Sin otro tráfico, un enlace de 100 Mbit/s se llena con 17 flujos a 60 Hz o 20 a 50 Hz; con un criterio de diseño del 50 % quedan 8 y 10. En las pruebas de Ingram y otros (IEEE, 2013) los switches perdieron tramas en cuanto la carga pasó del 100 %.
¿Por qué un anillo HSR se llena antes que una red en estrella?
Porque en HSR cada nodo envía cada trama por los dos puertos y cada copia recorre el anillo completo hasta que vuelve al nodo que la envió, que la retira (IEC 62439-3). Así, cada enlace del anillo lleva en cada sentido todo el tráfico multicast de todos los nodos. En una estrella con VLAN y filtrado multicast, solo el troncal o el puerto del suscriptor que recibe todos los flujos lleva la suma completa.
¿Cuántos switches puede cruzar un GOOSE de disparo?
Depende de la velocidad y de la cola. En el peor caso, en cada puerto de salida el GOOSE puede esperar a que termine una trama de 1522 bytes de menor prioridad, y con almacenamiento y reenvío se vuelve a transmitir en cada switch. A 100 Mbit/s, con un GOOSE de 227 bytes y 5 µs de conmutación, cada switch suma unos 147 µs: si la red dispone de la mitad de la clase TT6 (1,5 ms), caben unos 9 switches sin contar ráfagas. A 1 Gbit/s cada switch suma unos 19 µs y caben decenas. Esta herramienta hace la cuenta con su topología y sus ráfagas.
Diseñamos su red de bus de proceso
Dimensionamos la red de la subestación digital: arquitectura PRP o HSR, velocidad de cada enlace, VLAN y prioridades, presupuesto de latencia y sincronización PTP, con la memoria de cálculo y las pruebas de aceptación. Lo hacemos de forma remota, sin desplazamientos.