1

Hrvoje Keserica1 Stjepan Sučić Končar – KET Končar – KET hrvoje.keserica@koncar-ket.hr stjepan.sucic@koncar-ket.hr Tomislav Capuder Fakultet elektrotehnike i računarstva tomislav.capuder@fer.hr

RAZVOJ IEC 61850 KOMUNIKACIJSKOG MODELA PRIMJENOM XMPP POSREDNIČKE PLATFORME

SAŽETAK

Evolucijom postojećih elektroenergetskih sustava prema naprednim elektroenergetskim mrežama (napredna EEM) pojavljuje se veliki broj neriješenih problema koji odgađaju njen ubrzani razvoj. Centralizirano upravljanje distribuiranim izvorima energije (DIE) putem modela virtualnih elektrana je jedan od ključnih ideja napredne EEM-e kojem nedostaje mogućnost jednostavnog uključivanja u sustav. Međunarodna norma IEC 61850, između ostalog, određuje arhitekturu namijenjenu opisivanju podsustava napredne EEM-e. Među glavnim doprinosima norme IEC 61850 je semantika podatkovnih modela koji opisuju raznovrsne podsustave namijenjene proizvodnji električne energije. Mogućnost korištenja semantike podataka za opisivanje DIE zajedno s aplikacijskim posredničkim tehnologijama, kao što je XMPP (engl. eXtensible Messaging and Presence Protocol), može se uvelike smanjiti vrijeme potrebno za uključivanje virtualnih elektrana u EEM-u.

U ovom članku pokazane su prednosti primjene norme IEC 61850 zajedno sa mogućnošću korištenja posredničke tehnologije XMPP te na koji način je olakšano ubrzano uvođenje novih upravljačkih arhitektura poput virtualnih elektrana i mikromreža. Dodatno, prikazani su rezultati ispitivanja prototipske implementacije sustava u ovisnosti o različitim postavkama komunikacijske infrastrukture i tipa aplikacijske komunikacije koja se koristi za upravljanje sa DIE.

Ključne riječi: IEC 61850, XMPP, mikromreže

DEVELOPING IEC 61850 COMMUNICATION MODEL BY UTILIZING XMPP MIDDLEWARE TECHNOLOGY

SUMMARY Smart Grids evolution has highlighted large number of unsolved technical issues that are hindering

its accelerated deployment. Centralized control of distributed energy resources (DER) by utilizing virtual power plant concept is one of essential Smart Grid ideas that is lacking streamlined integration capability. International standard IEC 61850 is commonly applied for substation automation, but it also defines capabilities for DER integration and control. Utilizing DER semantics and application level middleware such as XMPP (eXtensible Messaging and Presence Protocol) enables reducing DER integration timeframe.

This paper demonstrates IEC 61850 features which combined with XMPP enables streamlined DER integration into Smart Grid architectures such as virtual power plants and microgrids. Additionally,

1 Stavovi izneseni u referatu su osobna mišljenja autora, nisu obvezujući za poduzeće/instituciju u kojoj je autor zaposlen te se ne moraju nužno podudarati sa službenim stavovima poduzeća/institucije.

13. savjetovanje HRO CIGRÉ

Šibenik, 5. – 8. studenoga 2017.

HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNOG VIJEĆA ZA VELIKE ELEKTROENERGETSKE SUSTAVE – CIGRÉ

X-XX

2

testing results of developed prototype are shown depending on different network configuration and application settings.

Key words: IEC 61850, XMPP, microgrids

1. UVOD Prema definiciji [1], napredna elektroenergetska mreža (napredna EEM) je određena kao električna

mreža koja na inteligentan način određuje ponašanje i aktivnosti svih korisnika koji su spojeni na nju kao što su proizvođači, potrošači električne energije ili oni koji imaju obije uloge (engl. prosumers) [2]. Teži se tome da se na efikasan način isporučuje održiva, sigurna i ekonomski isplativa električna energija. Uvođenje sve veće količine distribuiranih izvora energije (DIE) u elektroenergetski sustav (EES), što je jedna od osnovnih ideja napredne EEM-e, otkriva nove nedostatke pri rješavanju problema uspostave stabilnosti te regulacije tržišta električne energije [3].

Virtualne elektrane (engl. Virtual Power Plants – VPP) moguće je razmatrati kao skupinu DIE koje djeluju kao zasebne jedinke na tržištu i regulaciji EES-a. One predstavljaju odgovarajuću upravljačku arhitekturu za okupljanje DIE u naprednim EEM-ama [2]. Ubrzano uključivanje virtualnih elektrana otežano je korištenjem složenih i neefikasnih komunikacijskih tehnologija koje usporavaju uvođenje DIE [4]. Zadnjih godina standardizacijska tijela i vodeći proizvođači industrijske opreme za automatizaciju EEM-e ponudili su nekoliko smjernica za međudjelovanje opreme koja će se koristiti u naprednoj EEM-i [5]. Sve spomenute smjernice imaju zajednička načela – integracija temeljena na standardizaciji inteligentnih rješenja, a to je ključan preduvjet za uspješnu i sigurnu uspostavu naprednih EEM-a. Također, sve spomenute smjernice predlažu normu IEC 61850 kao najvažniji dokument koji određuje pravila automatizacije uređaja koji se koriste u naprednoj EEM-i. U ovom članku opisane su prednosti korištenja norme IEC 61850 zajedno s XMPP (engl. eXtensible Messaging and Presence Protocol) posredničkom tehnologijom [6]. 2. ODABIR TEHNOLOGIJA ZA UBRZANO UVOĐENJE DIE U NAPREDNU EEM

Unatoč činjenici da je norma IEC 61850 u osnovi namijenjena za automatizaciju transformatorskih stanica, u svojim novijim inačicama primjenjuje se za vjetroelektrane [7], hidroelektrane [8], DIE [5] i za razne druge podsustave u EES-u. IEC 61850 određuje podatkovne modele koji omogućuju međudjelovanje automatizacijske opreme različitih proizvođača. IEC 61850, uz standardizirane podatkovne modele, također objedinjuje apstraktne aplikacijske servise za razmjenu podataka koji mogu biti ostvareni korištenjem različitih posredničkih tehnologija [9].

Motiv za korištenje XMPP-a, pored drugih posredničkih tehnologija, temelji se na velikom broju funkcionalnosti koje pruža te široko rasprostranjenoj primjeni XMPP tehnologija [6]. XMPP, pored standardnog TCP/IP prometa, omogućuje dvosmjerno sinkrono strujanje podataka preko HTTP-a, prijavu i praćenje prisutnosti drugih sudionika te dinamičko dodavanje novih korisnika u komunikacijski sustav. Dodatna prednost XMPP-a je usmjerivačka (engl. relaying) arhitektura klijenata i poslužitelja. To znači da su i poslužiteljska i klijentska strana, u razmjeni elektroenergetskih podataka, predstavljene kao XMPP aplikacijski klijenti koji se spajaju na zajednički XMPP poslužitelj. Time je omogućeno da se potrošači i proizvođači električne energije istovremeno okupljaju u prilagodljive automatizacijske arhitektura poput virtualnih elektrana i mirkomreža [10].

U narednom poglavlju dan je pregled norme IEC 61850 i posredničke platforme XMPP te se ukazuje na zahtjeve koji su potrebni za njihovo povezivanje. Četvrto poglavlje opisuje način ostvarivanja podatkovnih modela primjenom semantike norme IEC 61850 i posredničke platforme XMPP. Peto poglavlje pokazuje odnose apstraktnih servisa IEC 61850 i XMPP mehanizama za slanje poruka. Posljednje poglavlje daje pregled rezultata testiranja prototipske implementacije IEC 61850 sustava temeljene na XMPP posredničkoj platformi. 3. PREGLED NORME IEC 61850 I POSREDNIČKE PLATFORME XMPP 3.1. IEC 61850 i XMPP – tehnologije automatizacije naprednih EEM-a

IEC 61850 je često smatran kao samo još jedan od komunikacijskih protokola za daljinsko upravljanje uređajima u EEM-i, ali navedena norma predstavlja značajno više od skupine pravila za kodiranje i dohvaćanje podataka s uređaja u transformatorskim stanicama. IEC 61850 proširuje

3

funkcionalni doseg tako što standardizira domensku semantiku podataka [5] te nudi smjernice za implementaciju podatkovnih i konfiguracijskih razmjena podataka putem vertikalne (engl. client-server) i horizontalne (engl. peer-to-peer) komunikacije [9]. Nadalje, on određuje apstraktne komunikacijske servise koji omogućuju korištenje poopćenog posredničkog sloja za implementacijsku tehnologiju. Unatoč tome, kao posrednički sloj IEC 61850 komunikacijskih servisa se do sad isključivo koristio MMS (engl. Manufacturing Message Specification) [11].

XMPP je skup otvorenih tehnologija namijenjen brzoj razmjeni poruka (engl. Instant Messaging), dojavi prisutnosti, komunikaciji između više korisnika, ostvarivanju istovremenog udaljenog rada, glasovnim i video pozivima, udruživanju sadržaja i usmjeravanju XML (engl. eXtensible Markup Language) podataka [6]. Prednosti ovog standarda su:

otvorenost – besplatan je i javan;

standardiziranost – međunarodno standardizacijsko tijelo IETF (engl. Internet Engineering Task Force) ga je formalno opisalo;

decentraliziranost – arhitektura XMPP je slična kao kod e-maila, odnosno svatko može pokrenuti XMPP poslužitelj i uključiti se u komunikaciju;

sigurnost – svaki XMPP poslužitelj može biti izdvojen i izoliran od javne mreže. Dodatno, XMPP podržava korištenje SASL (engl. Simple Authentication and Security Level) [12], TLS-a (engl. Transport Layer Security) [13] te enkripcije podataka;

proširivost – korištenjem XML-a moguće je ostvariti dodatnu funkcionalnost pored osnovnih

XMPP protokola;

fleksibilnost – osim razmjene instant poruka, moguće je ostvariti i aplikacije za nadzor i upravljanje mrežama, razmjenu datoteka i slično te

raznorodnost – koristi se od strane različitih tvrtki te projekata otvorenog koda za izgradnju aplikacija i usluga koje ostvaruju komunikaciju u stvarnom vremenu. XMPP nudi nekoliko prednosti ispred MMS-a, a najviše se ističu podrška za dojavu prisutnosti te

usmjeravanje XML podataka preko XMPP poslužitelja [14]. Značajke XMPP-a kao što su proširivost, fleksibilnost i raznorodnost, čine ga prikladnim odabirom za jednostavnu tranziciju s MMS-a pri integraciji sa IEC 61850 protokolom. Zbog svega navedenog, korištenjem XMPP-a, moguće je ubrzati uspostavu sustava naprednih EEM-a. 3.2. Zahtjevi potrebni za povezivanje XMPP i IEC 61850

Kako bi se IEC 61850 mogao predstaviti putem posredničke platforme XMPP, potrebno je

zadovoljiti dva osnovna zahtjeva:

predstaviti podatkovni model IEC 61850 protokola putem XML-a,

ostvariti razmjenu podataka putem IEC 61850 servisa korištenjem protokola XMPP. Obzirom da su zahtjevi potrebni za povezivanje tehnologija lako ostvarivi, te prednostima XMPP-a

pored do sad korištenog posredničkog sloja, proizlazi da je preslikavanje IEC 61850 protokola na XMPP tehnološki opravdano. Tome pridonosi i činjenica da se IEC 61850 može aplikacijski preslikati na XMPP korištenjem MMS ASN.1 pravila koje već dugo vremena postoje i koriste se u praksi. Naredna poglavlja pokazuju usporedbu glavnih IEC 61850 i XMPP značajki – modeliranje podataka te mehanizama za njihovu razmjenu.

4. IEC 61850 PODATKOVNI MODEL PRILAGOĐEN POSREDNIČKOJ PLATFORMI XMPP

Podatkovna semantika norme IEC 61850 temelji se na funkcionalnostima uređaja u elektroprivrednim podsustavima poput DIE. Ona je ostvarena pomoću objektno orijentiranog modeliranja podataka, što je od velikog značaja za automatizaciju upravljačko-nadzornih procesa u EEM-i. Ovo poglavlje prikazuje pregled metode za prilagodbu IEC 61850 podatkovnog modela za prijenos podataka posredničkom platformom XMPP. 4.1. Podatkovni model norme IEC 61850

Podatkovni model je, prema IEC 61850 protokolu, organiziran hijerarhijski [9]. Vršna klasa u IEC 61850 modelu je fizički uređaj (engl. Physical Device), a predstavlja stvarni uređaj u ulozi IEC 61850 poslužitelja. Fizički uređaj se sastoji od jednog ili više logičkih uređaja (engl. Logical Devices – LD), koji

4

predstavljaju virtualnu reprezentaciju opreme namijenjene za nadzor, zaštitu ili upravljanje automatiziranih sustava. LD-ovi se grade od nekoliko logičkih čvorova (engl. Logical Nodes – LN) koji predstavljaju funkcije koje dijelovi opreme mogu obavljati. Zbog toga LN-ovi predstavljaju osnovne dijelove IEC 61850 podatkovne semantike koju je potrebno vjerno preslikati na XMPP. Opis razreda IEC 61850 podatkovnog modela prikazana je slikom (Slika 1).

Slika 1. Razred za formiranje IEC 61850 podatkovnog modela Prvo slovo LN notacije određuje grupaciju po funkcionalnosti (npr. D – DIE, W – engl. Wind power

plant, M – mjerenje), dok ostatak LN notacije označava ime funkcije koju logički čvor obavlja, npr. DPVM (engl. Photo Voltaic Module), WROT (engl. Wind power plant ROTor), MMXU (engl. Measurement Unit). Podatkovni objekti (engl. Data Objects – DO) predstavljaju grupe podatkovnih atributa (engl. Data Attributes – DA). DA su krajnje točke IEC 61850 sustava koji također predstavljaju granulirane LN elemente. DO i DA elementi mogu biti rekurzivno ugniježdeni, tipična DO instanca se sastoji od barem tri DA: val (engl. value) odnosno vrijednost podatka, q (engl. quality) odnosno kvaliteta podatka te t (engl. timestamp) odnosno vremenska oznaka događaja koji je uzrokovao promjenu podatka.

Opći podatkovni razredi (engl. Common Data Class – CDC) omogućuju kreiranje informacijskih modela domenski specifičnih imenovanih podataka (engl. namespaces) korištenih od strane IEC 61850 aplikacijskih servisa. Gledajući iz perspektive aplikacijskog sloja, DA su kategorizirani prema zasebnim funkcijama (npr. mjerenje vrijednosti, upravljanje elementima ili konfiguracija automatiziranih procesa). Time se DA-ovima dodaje funkcijsko ograničenje (engl. Functional Constraint – FC) koje određuje korištenje jedne od kategorija. Također, na aplikacijskoj razini se reference na DO-ove i njegove podtipove može organizirati u skupine podataka (engl. Data Set – DS) koji se koriste na strani IEC 61850 klijenata kako bi se optimizirala komunikacijska propusnost podataka od interesa. 4.2. Preslikavanje IEC 61850 podatkovnog modela na XMPP

Za definiciju poruka koje se prenose preko XMPP-a koristi se XSD u kojem je opisan glavni dio konteksta poruka udružene veze (engl. AssociationContext). Preslikavanje IEC 61850 objekata koristi neke koncepte koji su već ranije opisani u normi IEC 61850-8-1 [11] te su naslijeđeni iz MMS protokola [15]. Radi toga se u XML sadržaju poruka pojavljuje MMS notacija. ACSI klase (engl. Abstract Communication Service Interfaces – ACSI), koje su temeljni servisi za IEC 61850 razmjenu podataka te ujedno određuju i IEC 61850 podatkovne modele koji se preslikavaju prema MMS konceptima (Tablica I).

Aplikacijski model

Podatkovni model

1..n

Fizički uređaj

Logički uređaj (LD)

Logički čvor (LN)

Podatkovni objekt (DO)

Podatkovni atribut (DA)

1..n

1..n

1..n

1..n

1..n

Funkcijsko ograničenje (FC)

Skup podataka (DS) 0..n

1

1..n

1..n

5

Tablica I. Preslikavanje ACSI razreda na XMPP prema MMS konceptima

ACSI razredi MMS koncepti

Fizički uređaj VMD

Logički uređaj (LD) Domena

Logički čvor (LN) Imenovana varijabla

Podatkovni objekt (DO) Imenovana varijabla

Razredi kontrolnih blokova Imenovane varijable

Skup podataka (DS) Lista imenovanih varijabli

Logovi Dnevnici (engl. Journal)

Datoteke Datoteke

4.2.1. Preslikavanje LN-a – osnovnog dijela semantike podataka – na XMPP

Sadržaj od kojeg se gradi LN-a definiran je u IEC 61850-7-2, IEC 61850-7-3 i IEC 61850-7-4 [16].

Dokument IEC 61850-8-2 [17] opisuje način na koji se svaki od instanci LN-a preslikava na imenovane varijable (engl. Named Variable), što je jedan od koncepata naslijeđen od MMS-a. Ime svake imenovane varijable sastoji se od imena LN instance te ostatka kompleksne hijerarhijske strukture koja se sastoji od ugniježdenih komponenata na nekoliko nivoa.

Tip takve strukture opisan je algoritmom koji je prikazanim slikom (Slika 2).

Slika 2: Algoritam za preslikavanje LN-a

Ukoliko ne postoji podatkovni objekt DO koji opisuje instancu pojedinog FC-a, taj se FC neće pojaviti kao dio opisa tipa imenovane varijable. Redoslijed pod komponenata FC-a određuje se redoslijedom imena podatkovnih razreda koji su određeni u SCL (engl. Subsystem Configuration description Language) DO-ovima, čiji DA-ovi sadrže traženi FC [18]. Nadalje, redoslijed podkomponenti DO-a određuje se poretkom imena atributa koji su predstavljeni CDC-om u dokumentu IEC 61850-7-3 [19] ili ekstenzijama tog dokumenta za IED-ove (engl. Intelligent Eletronic Device) koji prate sukladnost IEC 61850 protokola. Sam SCL treba pratiti isti redoslijed.

Grafička ilustracija hijerarhijskog opisa tipa podataka instance LN-a prikazana je slikom (Slika 3).

Početak

Za svaki FC (c)

Za svaki DO u LN-u (d)

Dodaj komponentu imena (d) tipa određenog prema FCD u strukturu (s)

Generiraj FCD od (d, c)

Dodaj komponentu imena (c) tipa (s) u opis tipa koji se trenutno generira Kraj

6

Slika 3: Primjer opisa tipa podataka instance LN-a

Uz preslikavanje na jednu imenovanu varijablu s hijerarhijskom strukturom u pozadini, LN se također može gledati kao skup odvojenih imenovanih varijabli, po jedna za svaku komponentu (čvor ili list) u hijerarhijskoj strukturi. Ime imenovane varijable koja odgovara danoj komponenti iz stabla tvori se spajanjem imena komponenti prisutnih u putanji do tražene komponente te imena same tražene komponente. Pri takvom spajanju, sva se imena komponenata odvajaju znakom „$“. Spljoštena lista imenovanih varijabli iz primjera prikazana je slikom (Slika 4).

Slika 4: Primjer spljoštene liste imenovanih varijabli koje odgovaraju jednom LN-u

ST Pos

origin

orCat

orIdent

stVal

q

t

CO Pos Oper

ctlVal

origin

ctlNum

orCat

orIdent

T

Test

Check CO Pos ctlModel

Logički čvor LN – CSWI1

CSWI1$CO CSWI1$CO$Pos CSWI1$CO$Pos$Oper CSWI1$CO$Pos$Oper$ctlVal CSWI1$CO$Pos$Oper$origin$orCat CSWI1$CO$Pos$Oper$origin$orIdent CSWI1$CO$Pos$Oper$ctlNum CSWI1$CO$Pos$Oper$T CSWI1$CO$Pos$Oper$Test CSWI1$CO$Pos$Oper$Check

CSWI1$ST CSWI1$ST$Pos CSWI1$ST$Pos$origin$orCat CSWI1$ST$Pos$origin$orIdent CSWI1$ST$Pos$q CSWI1$ST$Pos$t

CSWI1

CSWI1$CF CSWI1$CF$Pos CSWI1$CF$Pos$ctlModel

7

Opis tipa spljoštene imenovane varijable koji odgovara danoj komponenti prikazuje se dijelom

stabla koji započinje u čvorištu danog elementa cjelokupne LN strukture. Na gore opisani način se, korištenjem MMS koncepata, stablasti model IEC 61850 strukture

podataka može jednoznačno preslikati u XML čime je zadovoljen prvi zahtjev za prijenos podataka posredničkom platformom XMPP.

5. IEC 61850 I XMPP MEHANIZMI ZA SLANJE PORUKA

IEC 61850 određuje ACSI servise za razmjenu podataka u realnom vremenu. Navedeni servisi su određeni na apstraktnoj razini te su zbog toga neovisni o implementacijskoj tehnologiji.

5.1. ACSI

ACSI je paradigma koju je uveo IEC 61850 da bi opisao procedure za razmjenu podataka u

podsustavima elektroprivrede kao što su transformatorske stanice. ACSI klase određuju apstraktne informacijske servise koji se koriste za vertikalnu i horizontalnu komunikaciju između IEC 61850 uređaja. Sam ACSI nije protokol nego način koji veže IEC 61850 apstraktne servise na protokole posredničkog sloja kao što su MMS ili XMPP. Hijerarhijsko upravljanje virtualnih izvora električne energije opisanih u ovom članku temelji se na vertikalnim komunikacijskim servisima formaliziranim preko ACSI paradigme, a klase ACSI modela koji omogućuju vertikalnu komunikaciju su kako slijedi:

Model udružene veze – servisi za upravljanje dvosmjernih konekcijski orijentiranih razmjena

podataka između klijenata i poslužitelja;

Poslužitelj/LD/LN/DO/DS modeli – servisi za otkrivanje strukture podataka te za čitanje i izmjenu njihovih vrijednosti;

Modeli grupnih postavki – mehanizam za izmjenu nekoliko predodređenih vrijednosti za jedan ili više DO-ova;

Upravljački model – servis koji omogućuje slanje naredbi, kao npr. promjena stanja u procesu poslužitelja;

Model za slanje događaja – servisi koji omogućuju razmjenu podataka temeljenu na događajima.

Određuje mehanizam za dostavu DO vrijednosti klijentskim aplikacijama prema paradigmi objava/pretplata (engl. publish/subsrcibe) te

Modeli za logove – servisi za spremanje povijesnih DO vrijednosti na razini uređaja.

Razredi ACSI modela mogu se koristiti kao standardizirano sučelje za razmjenu informacija kod

uređaja ostvarenih kao IEC 61850 poslužitelji. Na taj način svaka IEC 61850 klijentska aplikacija može ostvariti punu funkcionalnost daljinskog upravljanja automatiziranim procesom. 5.2. XMPP model za prijenos IEC61850 podataka IEC 61850 određuje strukturu podataka te apstraktne servise za razmjenu podataka ACSI, ali ne određuje na koji način razmijeniti podatke u vertikalnoj komunikaciji odnosno između IEC 61850 klijenata i poslužitelja, već su za tu funkciju namijenjeni drugi protokoli kao što su MMS ili XMPP. Ovo poglavlje opisuje način kako se ACSI mogu iskoristiti u XMPP-u tako da se preslikaju na XML podatkovni model. Dokument IEC 61850-8-2 nudi detaljne opise mehanizama i pravila koja su potrebna za implementaciju osnovnih ACSI servisa opisanih u IEC 61850-7-2 pri čemu se koristi XMPP kao posrednički sloj te SNTP (engl. Simple Network Time Protocol) [20] za vremensku sinkronizaciju (Slika 5).

Servisi koji se koriste za razmjenu podataka opisani su IEC 61850-7-2 dokumentom, a temelje se na porukama na zahtjev te spontanim porukama. Njih je potrebno prikazati kao XML poruke koje se prenose između izvorišne i odredišne aplikacije (engl. caller/called application) putem XMPP protokola. Arhitektura XMPP-a je takva da se XML strujanje podatka između dvije aplikacije uspostavlja preko dodatnog XMPP poslužitelja koji djeluje kao posrednik. Na taj se način XML poruke koje predstavljaju ACSI servise ugrađuju u XML konstrukte definirane XMPP-om, a nazivaju se strofe (engl. stanza). Svaka strofa šalje se od strane izvora u XMPP struji podataka (engl. data stream), a zatim se na XMPP poslužitelju preusmjerava prema odredištu kroz novu XMPP struju podataka.

8

Slika 5: Pregled komunikacijskog profila IEC 61850 entiteta ostvarenog korištenjem XMPP posredničke platforme

Slika 6: Primjer XML sadržaja poruke

Vremenska Sinkronizacija

SNTP

UDP

IP

Servisi tipa klijent/poslužitelj

XMPP sadržaji poruka

XMPP

<AssociationContext id=“32:78“>

</AssociationContext>

<SecurityRequest-PDU> <signedData> <tokenVals> … </tokenVals> <userData>

</userData> <authenticator> … </authenticator> </signedData> </SecurityRequest-PDU>

<confirmed-RequestPDU> <invokeID>13</invokeID> <ConfirmedServiceRequest> <read> <variableAccessSpecification> <listOfVariable> <SEQUENCE> <variableSpecification> <name> <domain-specific> <domainId>IEDNameLDInst</domainId> <itemId>LLN0$ST$Beh</itemId> </domain-specific> </name> </variableSpecification> </SEQUENCE> </listOfVariable> </variableAccessSpecification> </read> </ConfirmedServiceRequest> </confirmed-RequestPDU>

Ko

nte

kst

po

ruka u

dru

že

ne

ve

ze

Sig

uro

nsn

i P

DU

Se

rvis

ni P

DU

9

Potpun opis sadržaja strofa zajedno s XML shemom opisan je u IEC 61850-8-2 no važno je naglasiti da se svaka XML poruka tvori od tri odvojena, ali ugniježdena dijela (Slika 6):

servisni PDU (engl. Protocol Data Unit) – koji predstavlja sam ACSI servis nalazi se u najdublje ugniježdenom sloju. On se u poruci predstavlja kao XML element koji je zapisan u modelu kao <confirmed-RequestPDU> ili <confirmed-ResponsePDU> za svaki zahtjev ili odgovor, odnosno <unconfirmed-PDU> za spontane poruke;

sigurnosni PDU – koji obuhvaća servisni PDU, a sadrži sigurnosne informacije kao što su certifikati, ključevi sjednice (engl. session) te drugi parametri. Ove se informacije koriste kako bi se uspostavio te održavao sigurnosni kanal s kraja na kraj za razmjenu podataka između izvora i odredišta,

kontekst udružene veze – koji je direktno dijete XMPP strofe koja obuhvaća servisni i sigurnosni PDU. On transportira ID atribut korišten kako bi se stvorila i održavala asocijacija između aplikacija. Slika 6 predstavlja primjer sadržaja XML poruke koja odgovara ASCI servisu za dohvat vrijednosti podataka (engl. GetDataValues request).

Preslikavanjem ACSI servisa na XML ostvaruju se komunikacijski PDU-i čime je ostvaren i drugi

zahtjev potreban za XMPP razmjenu IEC 61850 podataka. 6. PREGLED REZULTATA TESTIRANJA PROTOTIPSKE IMPLEMENTACIJE SUSTAVA

Testiranje razvijene implementacije prijenosa IEC 61850 prometa putem XMPP-a obavljeno je u lokalnoj mreži (engl. Local Area Network – LAN) te mreži širokog područja (engl. Wide Area Network – WAN). Oba testna okruženje uključila su tri testna računala, odnosno IEC 61850-8-2 klijent, IEC 61850-8-2 poslužitelj i XMPP poslužitelj za prosljeđivanje prometa kako je prikazano slikom (Slika 7).

Kompletna LAN mreža uspostavljena je u Hrvatskoj, dok je kod WAN mreže komunikacija uspostavljena između Hrvatske (PC1 i PC2) i Grčke (PC3) preko javnog Internet-a. Sama mrežna topologija je, dakako, ovisna o pružateljima Internetskih usluga. Svi testni servisi izvedeni su tehnikom testiranja na bazi pitanja i odgovora (engl. ping-pong) prema slici (Slika 7). Ovisno o tipu testiranja, parametar tukupno predstavlja kumulativni period potreban za provedbu kompletnog pokusa.

PC 1

IEC 61850-8-2

poslužitelj

IEC 61850-8-2

klijent

XMPP

poslužitelj

tukupno

PC 3 PC 2

WAN/

LAN

WAN/

LAN

Slika 7: Testiranje bazirano na WAN-u

6.1. Testiranje spontanih poruka

Testiranje spontanih poruka bazira se na slanju izvještaja s različitim veličinama skupova podataka (od 10 do 100 elemenata po skupu podataka). Skup podataka se za svaki test inkrementalno povećavao za po 10 elemenata u skupu podataka. Pokus se obavio 1000 puta kako bi se prosječno vrijeme ispostave procesnih podataka prikazalo dijagramom kvartilnih kućica (engl. box plot diagram). Vremenska oznaka tukupno predstavlja ukupno vrijeme od trenutka slanja zahtjeva od strane IEC 61850-8-2 klijenta kako bi se pokrenuo mehanizam bloka za generiranje izvještaja, prosljeđivanja zahtjeva kroz XMPP poslužitelj prema

10

IEC 61850-8-2 poslužitelju na kojem se zahtjev analizira te se konačno generira izvještaj i vraća prema IEC 61850-8-2 klijentu preko XMPP poslužitelja. Rezultati su prikazani u kvartalima. Prvi kvartil je prikazan linijom s lijeve strane kućice, drugi plavom kućicom omeđenom narančastom linijom (koja ujedno predstavlja medijan mjerenog podatka) treći kućicom s desne strane kvadrata, a četvrti linijom s desne strane kućice. Slika 8 pokazuje rezultate parametra tukupno za pokuse provedene LAN-u, a Slika 9 pokazuje rezultate parametra tukupno za pokuse provedene u WAN-u.

Slika 8: Prijenos podataka putem izvještaja u LAN-u

Slika 9: Prijenos podataka putem izvještaja u WAN-u

Slika 10 pokazuje odnos slanja izvještaja s DS-om od 50 podataka preko LAN-a koristeći kriptiran i ne kriptiran promet.

11

Slika 10: Odnos u slanju 50 podataka DS-a ne kriptiranim i kriptiranim prometom 6.2. Testiranja poruka tipa zahtjev/odgovor

U slučaju poruka tipa zahtjev/odgovor, tukupno predstavlja ukupno vrijeme od trenutka slanja poruke

zahtjeva koja se šalje od strane IEC 61850-8-2 klijenta, prosljeđuje preko XMPP poslužitelja prema IEC 61850-8-2 poslužitelju koji obrađuje poruku te šalje odgovor prema IEC 61850-8-2 klijentu, ponovo preko XMPP poslužitelja.

Testiranja poruka na zahtjev obavljeno je ACSI servisom za pisanje podataka preko LAN-a (

Slika 11) te preko WAN-a (Slika 12). Svaki je pokus ponovljen 1000 puta kako bi se rezultati mogli prikazati histogramom ispostave poruka.

Slika 11: LAN zahtjev za pisanjem

12

Slika 12: WAN zahtjev za pisanjem

Slika 13 pokazuje odnos pozivanja ACSI servisa za zapisivanje podataka preko LAN-a koristeći kriptiran i ne kriptiran promet.

Slika 13: Odnos pozivanja ACSI servisa zapisivanja podataka koristeći kriptiran i ne kriptiran promet

7. ZAKLJUČAK

Razvoj elektroenergetske mreže prema naprednoj mreži složen je i zahtjevan zadatak. Grupno upravljanje DIE je jedan od najzahtjevnijih problema u naprednim EEM-ma, a jednostavna integracija virtualnih elektrana korištenjem novog upravljačkog modela koji omogućava grupno upravljanje s DIE-ovima zahtjeva standardizirano i adaptivno tehničko rješenje. U konačnici, upravo je zbog nedostatka prihvatljivih integracijskih arhitektura DIE odgođen velik broj implementacija virtualnih elektrana. Navedeni problemi mogu se riješiti uvođenjem standardiziranih posredničkih platformi poput XMMP platforme.

U ovom je članku predlaže se VPP automatizacijska arhitektura temeljena na korištenju XMPP tehnologije zajedno s normom IEC 61850. Uspoređene su i analizirane glavne značajke norme IEC 61850 i posredničke platforme XMPP. Pokazano je kako je IEC 61850 podatkovni model temelj za semantiku aplikacija naprednih EEM u kojima su DIE poslužitelji predstavljeni kao uređaji sa standardiziranim semantičkim servisima. Predložena automatizacijska arhitektura je fleksibilna, adaptabilna i skalabilna te se radi toga može razmatrati kao obećavajući tehnološki kandidat koji može ubrzati integraciju novih automatizacijskih arhitektura poput virtualnih elektrana i mikromreža. 8. LITERATURA [1] SmartGrids: European Technology Platform, Available: http://www.smartgrids.eu/. [2] S. Grijalva and M. U. Tariq, Prosumer-based smart grid architecture enables a flat, sustainable

electricity industry, in Innovative Smart Grid Technologies (ISGT), 2011 IEEE PES, 2011, pp. 1–6. [3] A. P. Apostolov, Modeling systems with distributed generators in IEC 61850, in 2009 Power Systems

Conference, Clemson, SC, USA, 2009, pp. 1–6. [4] S. Sučić, T. Dragičević, T. Capuder, and M. Delimar, Economic dispatch of virtual power plants in an

event-driven service-oriented framework using standards-based communications, Electr. Power Syst. Res., vol. 81, no. 12, pp. 2108–2119, 2011.

[5] IEC, Communication networks and systems for power utility automation - Part 7-420: Basic communication structure - Distributed energy resources logical nodes, Int. Std. IEC 61850-7-420 ed1.0, 2009.

[6] The XMPP Standards Foundation. Available: http://xmpp.org/. [7] IEC, Wind turbines - Part 25-2: Communications for monitoring and control of wind power plants -

Information models, Int. Std. IEC 61400-25-2 ed1.0, 2006.

13

[8] IEC, Communication Networks and Systems for Power Utility Automation - Part 7-410: Hydroelectric Power Plants - Communication for Monitoring and Control, Int. Std. IEC 61850-7-410 ed1.0, 2007.

[9] IEC, Communication networks and systems for power utility automation - Part 7-2: Basic information and communication structure - Abstract communication service interface (ACSI), Int. Std. IEC 61850-7-2 ed2.0, 2010.

[10] IEC,Communication networks and systems for power utility automation - Part 80-3: Mapping to web protocols - Requirements and technical choices, Int. Std. IEC TR 61850-80-3 ed1.0, 2015.

[11] IEC, Communication networks and systems in substations – Part 8-1: Specific Communication Service Mapping (SCSM) – Mappings to MMS (ISO 9506-1 and ISO 9506-2) and to ISO/IEC 8802-3,IEC Std. IEC 61850-8-1 ed1.0, 2004.

[12] Simple Authentication and Security Layer (SASL). Available: https://tools.ietf.org/html/rfc2222.html.. [13] The Transport Layer Security (TLS) Protocol Version 1.2. Available: https://tools.ietf.org/html/rfc5246 [14] IEC,Communication networks and systems for power utility automation - Part 8-2: Mapping to web

XMPP, Int. Std. IEC TR 61850-8-2 DRAFT, 2017. [15] ISO, Manufacturing Message Specification, Serv. Protoc. Defin. ISO, vol. 9506, no. 1. [16] IEC, Communication Networks and Systems in Substations - ALL PARTS, Int. Std. IEC 61850-SER

ed1.0, 2011. [17] IEC, Communication networks and systems in substations – Part 8-2: Specific Communication Service

Mapping (SCSM) – Mappings to Web Services,IEC TR 61850-8-2 ed1.0, 2012, draft. [18] IEC, Communication networks and systems for power utility automation - Part 6: Configuration

description language for communication in electrical substations related to IEDs, Int. Std. 61850-6, ed2.0, 2009.

[19] IEC, Communication networks and systems for power utility automation - Part 7-3: Basic communication structure - Common data classes, Int. Std. IEC 61850-7-3 ed2.0, 2010.

[20] D. L. Mills, Simple Network Time Protocol (SNTP) Version 4 for IPv4, IPv6 and OSI. Available: https://tools.ietf.org/html/rfc4330