Towards the wide implementation of standards IEC 61968/70 (CIM) and IEC 61850 in the distribution system (CIGRÉ C6-105_2010)

Currently, power systems (PS) already accommodate a substantial penetration of distributed generation (DG) and operate in competitive environments. In the future, as the result of the liberalisation and political regulations, PS will have to deal with large-scale integration of DG and other distributed energy resources (DER), such as storage and provide market agents to ensure a flexible and secure operation. This cannot be done with the traditional PS operational tools used today like the quite restricted information systems Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) [1]. The trend to use the local generation in the active operation of the power system requires new solutions for data management system. The relevant standards have been developed separately in the last few years so there is a need to unify them in order to receive a common and interoperable solution. For the distribution operation the CIM models described in the IEC 61968/70 are especially relevant. In Europe dispersed and renewable energy resources (D&RER) are mostly operated without remote control mechanisms and feed the maximal amount of available power into the grid. To improve the network operation performance the idea of virtual power plants (VPP) will become a reality. In the future power generation of D&RER will be scheduled with a high accuracy. In order to realize VPP decentralized energy management, communication facilities are needed that have standardized interfaces and protocols. IEC 61850 is suitable to serve as a general standard for all communication tasks in power systems [2]. The paper deals with international activities and experiences in the implementation of a new data management and communication concept in the distribution system. The difficulties in the coordination of the inconsistent developed in parallel communication and data management standards - are first addressed in the paper. The upcoming unification work taking into account the growing role of D&RER in the PS is shown. It is possible to overcome the lag in current practical experiences using new tools for creating and maintenance the CIM data and simulation of the IEC 61850 protocol – the prototype of which is presented in the paper –. The origin and the accuracy of the data requirements depend on the data use (e.g. operation or planning) so some remarks concerning the definition of the digital interface incorporated in the merging unit idea from the power utility point of view are presented in the paper too. To summarize some required future work has been identified.

Generación automática de la configuración de subestaciones eléctricas según el Estándar IEC 61850 a partir de una herramienta de diseño gráfico

La evolución de las redes eléctricas se dirige hacia lo que se conoce como “Smart Grids” o “Redes Eléctricas Inteligentes”. Estas “Smart Grids” se componen de subestaciones eléctricas, que a su vez se componen de unos dispositivos llamados IEDs (Dispositivos Electrónicos Inteligentes – Intelligent Electronic Devices). El diseño de IEDs se encuentra definido en la norma IEC 61850, que especifica además un Lenguaje de Configuración de Subestaciones (Substation Configuration Language SCL) para la definición de la configuración de subestaciones y sus IEDs. Hoy en día, este estándar internacional no sólo se utiliza para diseñar correctamente IEDs y asegurar su interoperabilidad, sino que también se utiliza para el diseño de otros dispositivos de la red eléctrica, como por ejemplo, medidores inteligentes. Sin embargo, aunque existe una tendencia cada vez mayor del uso de este estándar, la comprensión y el manejo del mismo resulta difícil debido al gran volumen de información que lo compone y del nivel de detalle que utiliza, por lo que su uso para el diseño de IEDs se hace tedioso sin la ayuda de un soporte software. Es por ello que, para facilitar la aplicación del estándar IEC 61850 en el diseño de IEDs se han desarrollado herramientas como “Visual SCL”, “SCL Explorer” o “61850 SCLVisual Design Tool”. En concreto, “61850 SCLVisual Design Tool” es una herramienta gráfica para el modelado de subestaciones electricas, generada mediante el uso de los frameworks Eclipse Modeling Framework (EMF) y Epsilon Generative Modeling Technologies (GMT) y desarrollada por el grupo de investigación SYST de la UPM. El objetivo de este proyecto es añadir una nueva funcionalidad a la herramienta “61850 Visual SCL DesignTool”. Esta nueva funcionalidad consiste en la generación automática de un fichero de configuración de subestaciones eléctricas según el estándar IEC 61850 a partir de de una herramienta de diseño gráfico. Este fichero, se denomina SCD (Substation Configuration Description), y se trata de un fichero XML conforme a un esquema XSD (XML Schema Definition) mediante el que se define el lenguaje de configuración de subestaciones SCL del IEC 61850. Para el desarrollo de este proyecto, es necesario el estudio del lenguaje para la configuración de subestaciones SCL, así como del lenguaje gráfico específico de dominio definido por la herramienta “61850 SCLVisual Design Tool”, la estructura de los ficheros SCD, y finalmente, del lenguaje EGL (Epsilon Generation Language) para la transformación y generación automática de código a partir de modelos EMF. ABSTRACT Electrical networks are evolving to “Smart Grids”. Smart Grids are composed of electrical substations that in turn are composed of devices called IEDs (Intelligent Electronic Devices). The design of IEDs is defined by the IEC 61850 standard, which also specifies a Substation Configuration Languaje (SCL) used to define the configuration of substations and their IEDs. Nowadays, this international standard is not only used to design properly IEDs and guarantee their interoperability, but it is also used to design different electrical network devices, such as, smart meters. However, although the use of this standard is growing, its compression as well as its management, is still difficult due to its large volume of information and its level of detail. As a result, designing IEDs becomes a tedious task without a software support. As a consequence of this, in order to make easier the application of the IEC 61850 standard while designing IEDs, some software tools have been developed, such as: “Visual SCL”, “SCL Explorer” or “61850 SCLVisual Design Tool”. In particular, “61850 SCLVisual Design Tool” is a graphical tool used to make electrical substations models, and developed with the Eclipse Modeling Framework (EMF) and Epsilon Generative Modeling Technologies (GMT) by the research group SYST of the UPM. The aim of this project is to add a new functionality to “61850 Visual SCL DesignTool”. This new functionality consists of the automatic code generation of a substation configuration file according to the IEC 61850 standard. This file is called SCD (Substation Configuration Description), and it is a XML file that follows a XSD (XML Schema Definition) that defines the Substation Configuration Language (SCL) of the IEC 61850. In order to develop this project, it is necessary to study the Substation Configuration Language (SCL), the domain-specific graphical languaje defined by the tool “61850 SCLVisual Design Tool”, the structure of a SCD file, and the Epsilon Generation Language (EGL) used for the automatic code generation from EMF models

Contribuições para a implementação de um barramento de processo segundo a norma IEC 61850-9.

Desde seu lançamento, em 2002, a Norma IEC 61850 vem evoluindo para se tornar o padrão adotado nos Sistemas de Automação de Subestações. Dentre seus vários aspectos, destacam- se os serviços de tempo real, que permitem a implementação de funções de automação e de proteção dentro da subestação através da troca de mensagens específicas entre Dispositivos Eletrônicos Inteligentes através de um barramento digital de rede de dados. O objetivo central deste trabalho é explorar algumas das questões que envolvem a implementação de uma classe de serviços de tempo real: a transmissão de valores amostrados através de Serviços SMV, definidos pela Norma IEC 61850-9. Primeiramente, apresenta-se um breve resumo das principais características da Norma IEC 61850 que possibilitam o atendimento dos três requisitos por ela estabelecidos como base: a interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes, a versatilidade na configuração e reconfiguração do Sistema de Automação da Subestação, e a possibilidade de implementação de novas tecnologias. Em seguida, explora-se com maior profundidade todos os aspectos relevantes à implementação dos Serviços SMV. Devido à complexidade deste assunto, o autor propõe abordá-lo sob a ótica de cinco tópicos interdependentes: variações da Norma IEC 61850-9, confiabilidade do barramento de processo, sincronismo de tempo, análise da qualidade da medição e segurança cibernética. Com base nos resultados apresentados neste estudo, propõem-se duas plataformas, um protótipo de Transformador de Potencial Óptico e um protótipo de Relé de Proteção Diferencial para transformadores de potência, com o objetivo de explorar alguns dos aspectos pertinentes à implementação de um barramento de processo de acordo com a Norma IEC 61850-9. Também foram realizados testes de geração e transmissão de mensagens contendo valores de amostras de tensão/corrente do sistema elétrico (denominadas de SV Messages) com a finalidade de implementá-las de fato e avaliar as ferramentas de mercado disponíveis. Por fim foi proposto um modelo para a simulação do sistema de potência em conjunto com a rede de comunicação utilizando o programa Matlab/Simulink. O autor espera que este trabalho contribua para esclarecer os vários conceitos envolvidos na implementação do barramento de processo definido pela Norma IEC 61850-9, auxiliando na pesquisa e no desenvolvimento de novas ferramentas e dispositivos, e no aprimoramento da Norma IEC 61850.

Multidimensional Intrusion Detection System for IEC 61850 based SCADA Networks

Emerging cybersecurity vulnerabilities in supervisory control and data acquisition (SCADA) systems are becoming urgent engineering issues for modern substations. This paper proposes a novel intrusion detection system (IDS) tailored for cybersecurity of IEC 61850 based substations. The proposed IDS integrates physical knowledge, protocol specifications and logical behaviours to provide a comprehensive and effective solution that is able to mitigate various cyberattacks. The proposed approach comprises access control detection, protocol whitelisting, model-based detection, and multi-parameter based detection. This SCADA-specific IDS is implemented and validated using a comprehensive and realistic cyber-physical test-bed and data from a real 500kV smart substation.

Infra-estrutura de software baseada em standards de apoio à eficiência energética utilizando fontes de energia renovável

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Uma infraestrutura computacional de gestão de dados num contexto de eficiência energética

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Modernization of protection and control system of HV/MV substation in Russia

This work describes different possibilities of protection and control system improvement of primary distribution substation. The status of condition and main problems of power networks from reliability point of view in Russia are described. This work studies technologies used today in Russia for protection of distribution networks with their disadvantages. Majority of medium voltage networks (6-35 kV) has isolated network point. There is still no any protection available on the market which allows to estimate distance to fault in case of earth fault. The thesis analyses methods of earth fault distance calculation. On the basis of computer simulation the influence of various factors on calculation accuracy is studied. The practical implementation of the method presupposes usage of digital relay. Application of digital relay is accompanied by numerous opportunities which are described in this work. Also advantages of system implemented on the basis of IEC 61850 standard are examined. Finally, suitability of modern digital relays from GOST standard point of view is analyzed.

Sistema especialista para análise pós-evento da proteção em subestações distribuidoras.

É importante que as redes elétricas tenham altos índices de confiabilidade, de forma a se manter a agilidade e a manutenção ideais para um melhor funcionamento. Por outro lado, o crescimento inesperado da carga, falhas em equipamentos e uma parametrização inadequada das funções de proteção tornam a análise de eventos de proteção mais complexas e demoradas. Além disso, a quantidade de informações que pode ser obtida de relés digitais modernos tem crescido constantemente. Para que seja possível uma rápida tomada de decisão e manutenção, esse projeto de pesquisa teve como objetivo a implementação de um sistema completo de diagnóstico que é ativado automaticamente quando um evento de proteção ocorrer. As informações a serem analisadas são obtidas de uma base de dados e de relés de proteção, via protocolo de comunicação IEC 61850 e arquivos de oscilografia. O trabalho aborda o sistema Smart Grid completo incluindo: a aquisição de dados nos relés, detalhando o sistema de comunicação desenvolvido através de um software com um cliente IEC61850 e um servidor OPC e um software com um cliente OPC, que é ativado por eventos configurados para dispará-lo (por exemplo, atuação da proteção); o sistema de pré-tratamento de dados, onde os dados provenientes dos relés e equipamentos de proteção são filtrados, pré-processados e formatados; e o sistema de diagnóstico. Um banco de dados central mantém atualizados os dados de todas essas etapas. O sistema de diagnóstico utiliza algoritmos convencionais e técnicas de inteligência artificial, em particular, um sistema especialista. O sistema especialista foi desenvolvido para lidar com diferentes conjuntos de dados de entrada e com uma possível falta de dados, sempre garantindo a entrega de diagnósticos. Foram realizados testes e simulações para curtos-circuitos (trifásico, dupla-fase, dupla-fase-terra e fase-terra) em alimentadores, transformadores e barras de uma subestação. Esses testes incluíram diferentes estados do sistema de proteção (funcionamento correto e impróprio). O sistema se mostrou totalmente eficaz tanto no caso de disponibilidade completa quanto parcial de informações, sempre fornecendo um diagnóstico do curto-circuito e analisando o funcionamento das funções de proteção da subestação. Dessa forma, possibilita-se uma manutenção muito mais eficiente pelas concessionárias de energia, principalmente no que diz respeito à prevenção de defeitos em equipamentos, rápida resposta a problemas, e necessidade de reparametrização das funções de proteção. O sistema foi instalado com sucesso em uma subestação de distribuição da Companhia Paulista de Força e Luz.

Threat Analysis of BlackEnergy Malware for Synchrophasor based Real-time Control and Monitoring in Smart Grid

The BlackEnergy malware targeting critical infrastructures has a long history. It evolved over time from a simple DDoS platform to a quite sophisticated plug-in based malware. The plug-in architecture has a persistent malware core with easily installable attack specific modules for DDoS, spamming, info-stealing, remote access, boot-sector formatting etc. BlackEnergy has been involved in several high profile cyber physical attacks including the recent Ukraine power grid attack in December 2015. This paper investigates the evolution of BlackEnergy and its cyber attack capabilities. It presents a basic cyber attack model used by BlackEnergy for targeting industrial control systems. In particular, the paper analyzes cyber threats of BlackEnergy for synchrophasor based systems which are used for real-time control and monitoring functionalities in smart grid. Several BlackEnergy based attack scenarios have been investigated by exploiting the vulnerabilities in two widely used synchrophasor communication standards: (i) IEEE C37.118 and (ii) IEC 61850-90-5. Specifically, the paper addresses reconnaissance, DDoS, man-in-the-middle and replay/reflection attacks on IEEE C37.118 and IEC 61850-90-5. Further, the paper also investigates protection strategies for detection and prevention of BlackEnergy based cyber physical attacks.

Instrument transformers with Digital outputting high voltage power networks

In recent years, energy modernization has focused on smart engineering advancements. This entails designing complicated software and hardware for variable-voltage digital substations. A digital substation consists of electrical and auxiliary devices, control and monitoring devices, computers, and control software. Intelligent measurement systems use digital instrument transformers and IEC 61850-compliant information exchange protocols in digital substations. Digital instrument transformers used for real-time high-voltage measurements should combine advanced digital, measuring, information, and communication technologies. Digital instrument transformers should be cheap, small, light, and fire- and explosion-safe. These smaller and lighter transformers allow long-distance transmission of an optical signal that gauges direct or alternating current. Cost-prohibitive optical converters are a problem. To improve the tool's accuracy, amorphous alloys are used in the magnetic circuits and compensating feedback. Large-scale voltage converters can be made cheaper by using resistive, capacitive, or hybrid voltage dividers. In known electronic voltage transformers, the voltage divider output is generally on the low-voltage side, facilitating power supply organization. Combining current and voltage transformers reduces equipment size, installation, and maintenance costs. These two gadgets cost less together than individually. To increase commercial power metering accuracy, current and voltage converters should be included into digital instrument transformers so that simultaneous analogue-to-digital samples are obtained. Multichannel ADC microcircuits with synchronous conversion start allow natural parallel sample drawing. Digital instrument transformers are created adaptable to substation operating circumstances and environmental variables, especially ambient temperature. An embedded microprocessor auto-diagnoses and auto-calibrates the proposed digital instrument transformer.

Replication in distributed systems using IEC 61499 standard

The international Electrotechnical Commission (IEC) 61499 architecture incorporated several function block with which distributed control application may be developed, and how these are interpreted and executed. However, due the distributed nature of the control applications, many issues also need to be taken into account. Most of these are due to the new error model and failure modes of the distributed hardware on which the distributed application is executed and also due the incomplete standards definition of the execution models. IEC 61499 frameworks does not clarify how to handle with replication of software and hardware components. In this paper we propose a replication model for IEC 61499 applications and which mechanisms and protocols may be used for their support.

Caracterização das qualidades de radiação X de diagnóstico, segundo a norma internacional IEC 61267

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Sistemas de supervisão e controlo de autómatos: soluções baseadas em OPC E IEC 60870-5-104

Atualmente, no segmento metro-ferroviário, há uma tendência para que todos os equipamentos que constituem os sistemas auxiliares de uma estação (escadas mecânicas, elevadores, bloqueadores, validadores de bilhética, ventiladores, bombas, entre outros) sejam dotados de inteligência. Tipicamente, um conjunto de equipamentos são ligados a um autómato que permite o controlo local e remoto e é vulgar que, sendo de fabricantes diferentes, suportem tecnologias distintas. Um sistema de supervisão que permita o acesso à informação disponibilizada por cada um dos autómatos, ou à atuação sobre um deles, terá por isso que implementar e suportar diversos protocolos de comunicação de forma a não ficar limitado a um tipo de tecnologia. De forma a diminuir os custos de desenvolvimento e operação de um sistema de supervisão e controlo e facilitar a integração de novos equipamentos, com diferentes características, têm sido procuradas soluções que garantam uma mais fácil comunicação entre os diversos módulos intervenientes. Nesta dissertação são implementadas soluções baseadas em clientes OPC-DA e OPC-AE e no protocolo IEC 60870-5-104, permitindo que os sistemas de supervisão e de controlo comuniquem com os equipamentos através destes três módulos. Os principais aspectos inovadores estão associados à implementação de uma arquitetura multiprotocolo usando as novas tendências de supervisão e controlo baseadas em soluções distribuídas.

Aplicação prática da Norma NP EN ISO/IEC 17025: apresentação de dois casos de estudo

A qualidade tornou-se, ao longo dos tempos, uma ferramenta de diferenciação de produtos e serviços, ajudando a consolidar posições no mercado. Se de início a motivação para a qualidade residia na satisfação do cliente ao nível das suas exigências mais básicas, como seja o paladar ou a estética, hoje a motivação está muito mais apoiada na segurança e higiene dos produtos, mantendo, contudo, o vector de satisfação básica do consumidor. Para que a Qualidade fosse uma certeza e fosse possível a sua garantia, foi necessário criar um sistema de certificação e acreditação de produtos e serviços. Assim, ao nível da acreditação de laboratórios de ensaio e/ou calibração, surgiu a Norma NP EN ISO/IEC 17025, que veio garantir a diferenciação entre uma qualidade controlada, verificada e validada e a qualidade aparente, que pode ou não ser comprovada. Dada a complexidade da implementação dos processos de acreditação de laboratórios e as dificuldades provenientes da livre interpretação da Norma, foi criado um guia interpretativo da mesma. Ainda assim, as dúvidas persistem, nomeadamente quanto à adequação dos requisitos a cada caso concreto. O confronto com esta realidade conduziu à realização do presente trabalho.

Conversão sistemática do comportamento definido nos blocos funcionais da norma IEC 61 131-3 para autómatos finitos temporizados

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica