IMPLEMENTACIÓN DE APLICACIONES DE TELECONTROL

IMPLEMENTACIÓN DE APLICACIONES DE TELECONTROL SOBRE REDES GPRS
Aitor Arzuaga Munsuri*
uSysCom
España
Jose Miguel Arzuaga Canals
uSysCom
España
Mikel Zamalloa Aiartzaguena
uSysCom
España
Resumen – Este artículo presenta la tecnología GPRS (General Packet Radio Service) y estudia su
aplicabilidad al ámbito de las telecomunicaciones de telecontrol en la empresa eléctrica. Para ello se
realiza un análisis de la tecnología y sus posibilidades, los protocolos de telecontrol, y se dan ejemplos
concretos de por qué las aplicaciones de telecontrol tradicionales que funcionan correctamente sobre
enlaces serie punto a punto, necesitan un replanteamiento que optimice su funcionamiento sobre una
tecnología de comunicación como GPRS.
Como las redes de operador GPRS son públicas, se detallan las implicaciones que éste hecho tiene
desde el punto de vista de la utility, y por último se listan los aspectos más relevantes a tener en cuenta para
llevar a cabo una implementación exitosa de un sistema de telecontrol sobre GPRS.
Palabras clave: Subestación – GPRS – Telecontrol –Remota – Protocolo Serie - Encapsulador
1
INTRODUCCIÓN
Las empresas del sector eléctrico tienen multitud de sistemas SCADA de Telecontrol que funcionan
con protocolos orientados al puerto serie, como pueden ser el IEC60870-5-101, DNP3… Históricamente las
comunicaciones con los emplazamientos remotos se han realizado utilizando medios de comunicación
propios de la compañía eléctrica, como pueden ser redes SDH, PDH, radio VHF, microondas u otros. Esta
opción era la única disponible que podía cubrir las necesidades de comunicación de la prestación del
servicio.
En la actualidad, las distintas compañías se encuentran cada vez más presionadas para reducir los
costes de operación de sus infraestructuras. Por ello, se están explorando nuevas vías de comunicaciones que
permitan realizarlo. Una alternativa clara es la utilización de redes de comunicación públicas, utilizando el
servicio prestado por un operador. Una opción utilizada desde hace mucho tiempo son las llamadas de datos,
bien a través de red fija o celular (GSM).
En los últimos años, con el desarrollo y progresiva implantación de las tecnologías de conmutación
de paquetes sobre redes celulares (GPRS/UMTS/EDGE), se abre un nuevo abanico de posibilidades que
pueden hacer viable su utilización para aplicaciones de telecontrol. Por un lado, se ofrece un servicio basado
en TCP/IP, que garantiza la recepción del tráfico y la característica “siempre en línea” de este tipo de
servicio. Además su facturación por volumen de tráfico intercambiado, al contrario que las conexiones de
conmutación de circuitos, que se facturan por tiempo de conexión, puede ser muy interesante para las
compañías eléctricas. Sólo se paga por el tráfico realmente intercambiado.
* Parque Tecnológico, Edif. 210, 48170 – Zamudio, España – [email protected]
Sin embargo, cada uno de los protocolos de telecontrol que fueron en su día diseñados para la
implementación en puerto serie tienen particularidades que hacen que su uso directo a través de una red
TCP/IP, con la latencia inherente a la red GPRS, pueda ser problemática, e incluso inviable. Existen una
serie de condicionantes que deben tenerse en cuenta para que las comunicaciones de telecontrol puedan
desenvolverse de forma adecuada.
Por otra parte, la principal reticencia de las compañías eléctricas a la hora de utilizar las redes GPRS
radica en la dificultad de monitorizar y comprobar el grado de prestación de servicio comprometido por el
operador de servicios celulares, ya que se trata de un aspecto en el que habitualmente la compañía eléctrica
no posee el grado de control suficiente ni los medios para verificarlo.
Este trabajo resume todos los aspectos a tener en cuenta para establecer con éxito una aplicación de
telecontrol sobre GPRS, y detalla los parámetros y métodos en el control de la calidad del servicio prestado
por el operador que deben tenerse en cuenta por parte de la compañía eléctrica.
2
LOS PROTOCOLOS DE TELECONTROL SERIE Y SUS PECULIARIDADES
Los protocolos de telecontrol que se utilizan sobre un interfaz de comunicación de puerto serie fueron
diseñados pensando en un medio de transmisión que se caracteriza por las siguientes propiedades:




Latencia despreciable frente a la velocidad de bit utilizada (<100kbps), como es el caso de un cable
de cobre de unos metros de longitud o una fibra óptica de hasta centenares de metros. En ambos
medios, las señales se propagan a una fracción de la velocidad de la luz. Estrictos requisitos de
temporización.
Tasa de error de bit (BER) muy baja, se puede estimar que menor que 1*10-10.
Medio puramente físico sin mecanismos de recuperación de datos o corrección de errores (no hay
nivel de enlace).
Sin limitación en el volumen total de tráfico o tasa de uso del enlace serie, no son relevantes.
Mediante un simple análisis se puede determinar que un medio de comunicación GPRS tiene unas
características muy distintas a las anteriores:




La latencia puede ser muy considerable, encontrando valores desde 200mseg. por enlace (valor típico
en UMTS), pasando por 500-700mseg. (valor típico en GPRS) y hasta de varios segundos (GPRS
con baja cobertura y red saturada de tráfico).
La tasa de BER en el medio radio es muy elevada, sin embargo las modulaciones empleadas son
robustas, y la codificación y corrección de errores hacen que el tráfico enviado a la aplicación esté
libre de errores. Sin embargo, todos estos errores se manifiestan como una varianza en la latencia del
enlace. El retardo del envío depende de las condiciones de propagación del medio radio en cada
instante concreto.
Las pérdidas de tramas son habituales. Sin embargo el protocolo TCP/IP se encarga de recuperarlas
en el orden adecuado pasados unos segundos. Existen los niveles de transporte, red y enlace por
debajo de la comunicación de aplicación.
El tráfico tiene un coste tarificado por volumen. La cantidad de tráfico total es importante.
Algunos protocolos de telecontrol que son comúnmente usados en aplicaciones de telecontrol y que
son susceptibles de utilizarse sobre una conexión GPRS incluyen el IEC60870-5-101, GESTEL, SAP20,
PID1, DNP3… En general, se puede ajustar bien a la transmisión sobre GPRS cualquier protocolo que
cumpla los siguientes criterios:

Formato de trama correctamente definido por caracteres o secuencias binarias de inicio y final de
trama, evitando ambigüedades (secuencias de escape predefinidas).

Longitudes máximas y mínimas de trama determinadas, y a ser posible no muy largas porque
impacta de forma negativa en la latencia. 256 bytes es un valor con el que se han obtenido resultados
satisfactorios.
2

3
Mecanismo de detección de errores en la propia trama del protocolo (CRC ó similar) que permita
validar la integridad de la trama de protocolo en los extremos.
EJEMPLO DE APLICACIÓN DE TELECONTROL SOBRE GPRS
En una aplicación de telecontrol típica que se tomará de ejemplo, existe una conexión serie entre un
Centro de Control, localizado habitualmente en el despacho, y una remota de telecontrol ubicada en una
instalación remota. La conexión serie Centro de Control – Remota se realiza mediante un canal de
comunicación radio, enlaces de microondas (medios propios) o bien satélite, red telefónica (medios ajenos).
En la solución propuesta sobre GPRS en la figura 1, se sustituye el enlace serie por una conexión TCP sobre
GPRS.
Centro Control
(60870-5- 101...)
Sección
aérea
4SIP GPRS a
serie
Operador GPRS
Red Corporativa IP
utility
Firewall
Enlace serie
Enlace serie
4SIP serie a IP
RTU (60870-5-101…)
Figura 1. Aplicación de telecontrol serie sobre GPRS
Para implementar la solución de telecontrol sobre GPRS, es preciso añadir unos equipos
encapsuladores que realicen las siguientes funciones:

Establecimiento de la conexión TCP sobre GPRS extremo a extremo, y mantenimiento de la misma,
utilizando mecanismos de gestión de la conectividad (tipo “keepalive” o similar).

Análisis de las tramas de protocolo recibidas por el puerto serie, verificación de la integridad de las
mismas, y encapsulamiento sobre IP, saliendo por red LAN ó GPRS.

Gestión del envío de tramas por GPRS, filtrando el tráfico de protocolo que no sea necesario (por
ejemplo, mensajes tipo “Quick Check” o similares), de forma que se minimice el coste del tráfico
enviado (sólo se envía el tráfico relevante).

Gestión de la secuencia de mensajes de protocolo, de forma que se eliminen los mensajes de
protocolo perdidos que son retransmitidos posteriormente por el protocolo TCP, ya que esto suele
ocasionar pérdidas de conexión en los Centros de Control y Remotas, como se puede ver en la figura
2.
3
Centro de
Control
Centro de
Control
Remota
Petición 1
Remota
Petición 1
Respuesta 1
Respuesta 1
La respuesta 1 se
pierde en tránsito
La respuesta 1 se
pierde en tránsito
Petición 2
Respuesta OK
Petición 2
El encapsulador
detecta que no guarda
el orden de secuencia,
y la descarta
TCP recupera la
respuesta 1
TCP recupera la
respuesta 1
Respuesta 2
Se recibe la
respuesta
indebida: ¡Error!
Respuesta 2
Respuesta OK
Petición reset
enlace
Conexión GPRS sin
control de secuencia
Conexión GPRS con
control de secuencia
Figura 2. Control de secuencia de mensajes de protocolo en encapsulador GPRS
Tal como se puede observar en la figura 2, si en una aplicación de telecontrol sobre GPRS, en la cual se
utilice un protocolo inicialmente diseñado para su aplicación en puerto serie, si se permite que todos los
mensajes que se pierdan sean recuperados por el protocolo TCP, pueden aparecer problemas. Si la
recuperación se produce después de que el Centro de Control haya retransmitido la petición original de
protocolo, en el mismo se recibirán dos respuestas, y una de ellas estará fuera de secuencia. Por tanto, esto
ocasionará, dependiendo de la parametrización del Centro de Control, un reset del enlace, y la recuperación
del mismo.
En la práctica, en condiciones de baja cobertura, esto se traduce en que el enlace sobre GPRS no es
utilizable para la aplicación de telecontrol, ya que el enlace de protocolo se establece y cae constantemente.
Al implementar el control de secuencia en los encapsuladores extremos, se evita el problema y el enlace es
viable, sin necesidad de reconfigurar los parámetros de tiempos de protocolo del Centro de Control (lo cual
puede que incluso no sea ni viable ni deseable).
También es muy importante adecuar en las aplicaciones de telecontrol todos los “timeouts” de
aplicación a la nueva tecnología de transmisión. La latencia de los enlaces pasa a ser del orden de segundos,
por tanto, es preciso incrementar los valores de tiempo de forma acorde. Por ejemplo, en algunos sistemas
implementados [1], tiempos de timeout de aplicación que eran de alrededor de 1 segundo se han
incrementado hasta 10 segundos, obteniendo buenos resultados.
4
REDES GPRS Y SUS APLICACIONES
El sistema GPRS (General Packet Radio Service) es un servicio de datos móvil ofrecido adicionalmente
sobre las redes GSM. GPRS es un servicio de conmutación de paquetes, orientado al uso de aplicaciones
TCP/IP. Por tanto este sistema encaja perfectamente en aplicaciones como la navegación por internet o el
intercambio de ficheros.
El servicio GPRS se ofrece en varias bandas de frecuencia utilizadas por GSM (800, 900, 1800,
1900MHz) como servicio complementario al mismo, con cobertura prácticamente mundial (salvo Japón y
Corea).
4
El servicio GPRS permite velocidades de transmisión de datos en modo paquete de 9 a 40kbps (enlace
ascendente o uplink) y de 9 a 80kbps (enlace descendente o downlink). Por tanto esta tecnología de
transmisión es asimétrica en cuanto a su velocidad de datos. Existen evoluciones de la tecnología, como
EDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution) que permiten una tasa de transferencia de datos superior
(hasta 236Kbps de bajada y 60kbps de subida), y están disponibles en muchos países. La tecnología GPRS
presenta por tanto múltiples aplicaciones en el mundo del Telecontrol, dada su fiabilidad y cobertura de gran
parte del territorio. Sin embargo, hay algunos aspectos de las redes GPRS que es preciso tener en cuenta para
lograr implementaciones efectivas:

La latencia en las redes GPRS es considerablemente alta, del orden de 500mseg a 2seg por enlace
GPRS, no es determinista y además tiene una varianza notable, incluso para paquetes sucesivos. Por
tanto es preciso tenerlo en cuenta para aplicaciones

La red GPRS es una red de radio, y por tanto debido a las diferentes condiciones de propagación y su
variación con el tiempo, se producen pérdidas de paquetes de tráfico. Si se utiliza la suite de
protocolos TCP/IP, ésta recupera posteriormente los paquetes y los entrega ordenados a la
aplicación. Sin embargo esto resulta en que se producen retransmisiones y la latencia del tráfico
aumenta considerablemente.

Coste del tráfico. El tráfico se tarifica por byte transmitido, o bien por grandes bloques de tráfico que
se compran al operador. Sin embargo, esto ocasiona un cambio respecto a las redes cableadas
tradicionales, en las que el tráfico es gratis una vez que la infraestructura está desplegada.
Algunos operadores de red ofrecen a sus clientes la posibilidad de obtener dominios IP privados
(“intranet GPRS”), de forma que se obtiene una subred IP con direcciones IP privadas, aisladas de internet y
del resto de usuarios de la red GPRS, y accesible únicamente desde otro punto de la subred IP privada. En la
figura 3 aparecen algunas aplicaciones de telecontrol y otras de interés para la empresa eléctrica que pueden
ser cursadas a través de una red GPRS.
Centro Control
(60870-5- 104...)
RTU (60870-5-101…)
Contador (DLMS)
4SIP serie a IP
GPRS
Enlace serie
Subred de
Telecontrol
Contadores (60870-5-102…)
Módem GPRS
Centro Control
(60870-5- 101...)
4SIP serie a IP
Firewall
Módem GPRS
Bus Serie RS-485
Red GPRS
Router GPRS
Switch
ethernet
4SIP
serie a IP
Subred de
Telemedida
Subred de centro
de generación
Concentrador de
medida
RTU 60870-5104
Enlace serie
Telemedida 608705-102
Contadores (60870-5102…)
Grabador de
eventos
Figura 3. Aplicaciones de GPRS para la empresa eléctrica.
5
5
UTILIZACIÓN DE MEDIOS DE COMUNICACIÓN PÚBLICOS
En las empresas del sector eléctrico hay cierta reticencia a la utilización de infraestructuras de
comunicaciones públicas para prestar servicios de telecontrol. Esto se debe a que se daban una serie de
factores que desaconsejaban esta estrategia, como son:

Menor disponibilidad de la solución de medios de comunicación públicos frente a los propios.

Mayor seguridad al utilizar una red propia completamente cerrada al exterior.

Cuestiones estratégicas (autonomía en la prestación del servicio) u organizativas de la empresa
eléctrica.
Sin embargo, en los últimos años también aparecen factores que parecen favorecer el uso de las redes de
comunicaciones de operador o públicas, que se detallan a continuación:

Constante (y creciente) presión en la empresa eléctrica para reducir los costes de operación y
mantenimiento.

Escalabilidad de la solución, se puede ampliar el número de conexiones contratándolas al operador
(o contratando a otro operador).

Independencia de la tecnología empleada, ya que la infraestructura es propiedad del operador, y sólo
se contrata su utilización.

Mejora del ámbito de cobertura geográfico de las redes públicas, en cada uno de los países va en
aumento que van cubriendo cada vez un mayor porcentaje del territorio habitado.
 Mejora progresiva en la calidad del servicio de comunicaciones prestado.
Teniendo en cuenta todos estos factores, se pueden extraer una serie de recomendaciones generales que
pueden hacer más sencilla y menos traumática en la utility la transición al uso de redes GPRS para
aplicaciones de telecontrol. A continuación se listan algunos de estos argumentos:

Si el uso de una red de comunicaciones ajena a la empresa para dar servicios de telecontrol se estima
demasiado arriesgada, las redes GPRS se pueden utilizar también como medio alternativo de
comunicación frente a redes de comunicación propias (por ejemplo enlaces radio propios con GPRS
como backup) [2].

Realización de un estudio de cobertura previo para los emplazamientos previstos, con cada uno de
los operadores GPRS disponibles en el país, de forma que se eviten problemas de bajo nivel de señal
o incapacidad de establecimiento de comunicación en la fase de puesta en marcha. Así se puede
saber a priori cuales son los emplazamientos viables del total requerido, y por tanto validar la
viabilidad de la tecnología GPRS para la prestación del servicio [3].

Utilizar, en la medida de lo posible, políticas de redundancia de operador, utilizando dispositivos que
permitan el establecimiento de comunicaciones con dos operadores (doble tarjeta SIM). De esta
forma será posible establecer comunicación con un operador GPRS, y en el caso de que falle el
primer operador, el dispositivo GPRS haga un cambio automático al segundo operador, de forma que
pueda restablecerse la comunicación. Experiencias previas con esta funcionalidad en España con esta
técnica muestran un aumento de la disponibilidad del sistema superior al 98%, frente al 90% con un
solo operador [4].

Es importante garantizar la seguridad y privacidad de la información de telecontrol. Para ello se
pueden establecer dos niveles de seguridad. El primero consiste en contratar con los operadores
GPRS el uso de una intranet o VPN, de forma que el rango de direcciones IP asignadas a la
aplicación de telecontrol sea privado, e inaccesible por tanto desde otro sitio que no sea la red IP de
la empresa eléctrica. El segundo nivel de seguridad implica el uso de túneles IPSec ó SSL/TLS con
certificados entre los dispositivos remotos y el firewall de acceso externo de la utility, como puede
verse en la figura 4. Esto garantiza un nivel de privacidad total, de forma que ni el mismo operador
GPRS puede acceder a la información cursada, a costa aumentar la complejidad de configuración,
puesta en marcha y gestión del sistema.
6
TLS
connection
Centro de
Control (104)
X.509
Certificates
X.509
Certificates
Mobile Operator A
Red IP corporativa
Mobile Operator B
Inner
Firewalls
CA (Entidad
Certificadora)
TLS
connection
RTU (104)
Edge
Firewalls
Figura 4. Aplicación de Telecontrol sobre GPRS con seguridad TLS.
6
CONCLUSIÓN
La tecnología GPRS ha alcanzado un grado de madurez y fiabilidad suficiente como para su aplicación
en aplicaciones de telecontrol, bien como respaldo de los medios de comunicación propios (radio u otros),
bien como tecnología principal de comunicación allí donde sea la mejor alternativa. Por otra parte, el coste
por tráfico cursado se reduce año a año, y el grado de cobertura aumenta. De hecho, se ha convertido en un
estándar de comunicaciones IP sobre radio prácticamente mundial. Su principal desventaja radica en que los
ámbitos de cobertura se reducen a las zonas habitadas.
La utilización de los protocolos y arquitecturas tradicionales de telecontrol sobre GPRS exige la revisión
y análisis de numerosos aspectos (protocolos, parametrizaciones, arquitecturas de red, elementos terminales
y centros de control) para asegurar que el sistema de telecontrol pueda funcionar de una forma eficaz y
eficiente, mejorando las prestaciones del sistema al que sustituya.
7
REFERENCIAS
[1], [4] Arzuaga, A. et al. “Implementation of a Distributed RTU Monitoring System using the IEC69870-5104 protocol over GPRS Networks" Cigré Session 2008. Paper D2-205.
[2] Wilson, J. “The use of GPRS technology for electricity network telecontrol" IEEE Computing &
Control Engineering Journal, Abril-Mayo 2005.
[3] Kong, L. et al. “Introducing GPRS Technology into Remote Monitoring System for Prefabricated
Substations in China" 2nd International Conference in Mobile Technology, Applications and Systems,
2005.
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