IMPLEMENTACIÓN DE APLICACIONES DE TELECONTROL SOBRE REDES GPRS

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1 IMPLEMENTACIÓN DE APLICACIONES DE TELECONTROL SOBRE REDES GPRS Aitor Arzuaga Munsuri* Jose Miguel Arzuaga Canals Mikel Zamalloa Aiartzaguena usyscom usyscom usyscom España España 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 IEC , 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, Zamudio, España a.arzuaga@usyscom.com

2 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* 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 mseg. (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 IEC , 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. 3 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 ( ) Sección aérea 4SIP GPRS a serie Red Corporativa IP utility Operador GPRS Firewall 4SIP serie a IP Figura 1. Aplicación de telecontrol serie sobre GPRS RTU ( ) 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

4 Centro de Control Remota Centro de Control Remota Petición 1 Petición 1 Respuesta 1 Respuesta 1 Petición 2 La respuesta 1 se pierde en tránsito Petición 2 La respuesta 1 se pierde en tránsito Respuesta OK TCP recupera la respuesta 1 El encapsulador detecta que no guarda el orden de secuencia, y la descarta TCP recupera la respuesta 1 Se recibe la respuesta indebida: Error! Respuesta 2 Respuesta 2 Petición reset enlace Respuesta OK 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

5 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 ( ) RTU ( ) 4SIP serie a IP GPRS Contador (DLMS) Centro Control ( ) Subred de Telecontrol Módem GPRS Contadores ( ) 4SIP serie a IP Firewall Módem GPRS Bus Serie RS-485 Red GPRS Switch ethernet Subred de centro de generación Router GPRS 4SIP serie a IP Subred de Telemedida Concentrador de medida RTU Telemedida Contadores ( ) Grabador de eventos Figura 3. Aplicaciones de GPRS para la empresa eléctrica. 5

6 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

7 Centro de Control (104) X.509 Certificates Mobile Operator A TLS connection X.509 Certificates Red IP corporativa CA (Entidad Certificadora) Inner Firewalls Edge Firewalls Mobile Operator B TLS connection Figura 4. Aplicación de Telecontrol sobre GPRS con seguridad TLS. RTU (104) 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 IEC protocol over GPRS Networks" Cigré Session Paper D [2] Wilson, J. The use of GPRS technology for electricity network telecontrol" IEEE Computing & Control Engineering Journal, Abril-Mayo [3] Kong, L. et al. Introducing GPRS Technology into Remote Monitoring System for Prefabricated Substations in China" 2 nd International Conference in Mobile Technology, Applications and Systems,