[論文レビュー] Evaluation of Time-Critical Communications for IEC 61850-Substation Network Architecture

Ahmed Altaher, Stéphane Mocanu+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2015

Smart Grid Security and Resilience参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、GOOSEメッセージを用いたIEC 61850変電所ネットワークにおけるエンドツーエンド遅延を評価し、SPANおよびTAPネットワーク監視ツールを用いてリアルタイム通信遅延を測定している。研究では、適切なネットワーク構成がなされれば、変電所自動化システムがミリ秒未塔の遅延を達成できることを示している。これはスマートグリッドの重要な保護システム要件を満たすものである。

ABSTRACT

Present-day developments, in electrical power transmission and distribution, require considerations of the status quo. In other meaning, international regulations enforce increasing of reliability and reducing of environment impact, correspondingly they motivate developing of dependable systems. Power grids especially intelligent (smart grids) ones become industrial solutions that follow standardized development. The International standardization, in the field of power transmission and distribution, improve technology influences. The rise of dedicated standards for SAS (Substation Automation Systems) communications, such as the leading International Electro-technical Commission standard IEC 61850, enforces modern technological trends in this field. Within this standard, a constraint of low ETE (End-to-End) latency should be respected, and time-critical status transmission must be achieved. This experimental study emphasis on IEC 61850 SAS communication standard, e.g. IEC 61850 GOOSE (Generic Object Oriented Substation Events), to implement an investigational method to determine the protection communication delay. This method observes GOOSE behaviour by adopting monitoring and analysis capabilities. It is observed by using network test equipment, i.e. SPAN (Switch Port Analyser) and TAP (Test Access Point) devices, with on-the-shelf available hardware and software solutions.

研究の動機と目的

• 実際の状況下におけるIEC 61850ベースの変電所自動化システム（SAS）におけるエンドツーエンド（E2E）遅延を評価すること。
• 時間的に敏感な保護応用に適したGOOSE（汎用オブジェクト指向変電所イベント）メッセージングの性能を評価すること。
• 標準産業用ハードウェアおよびネットワーク監視ツールを用いて、ミリ秒未塔の遅延を達成することが可能かどうかを検証すること。
• 実際の変電所環境におけるGOOSE伝送遅延に影響を与えるネットワーク構成要因を同定すること。

提案手法

• 本研究では、物理的な変電所ネットワークを横断してGOOSEメッセージ伝送を監視するために、SPAN（スイッチポートアナライザー）およびTAP（テストアクセスポイント）デバイスを用いる。
• ネットワークトラフィックは、市販のハードウェアおよびソフトウェアツールを用いてキャプチャ・分析され、往復遅延およびエンドツーエンド遅延が測定される。
• 保護イベントシナリオをシミュレートするために、実際の変電所環境におけるIED（IED）間でGOOSEメッセージが生成・送信される。
• 複数のネットワーク経路および構成を対象に遅延測定が行われ、一貫性および性能が評価される。
• 実験設定は、冗長および非冗長トポロジーを含む、典型的な変電所ネットワークアーキテクチャを再現している。
• データ分析は、ジッター、平均遅延、最大遅延に焦点を当て、リアルタイム通信性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際のIEC 61850変電所ネットワークにおけるGOOSEメッセージの実際のエンドツーエンド遅延はどの程度か？
• RQ2 ネットワーク構成およびトポロジーは、GOOSEメッセージ伝送遅延にどのように影響を与えるか？
• RQ3 標準産業用監視ツール（SPAN/TAP）は、時間的に敏感な変電所通信を正確にキャプチャおよび測定できるか？
• RQ4 通常および負荷のかかるネットワーク状態下で観測された最大遅延および平均遅延はどの程度か？
• RQ5 ネットワークインfra構造は、保護システムに求められるミリ秒未塔の応答時間をどの程度サポートできるか？

主な発見

• 適切に構成された変電所ネットワークにおいて、本研究では一貫したエンドツーエンドGOOSEメッセージ遅延が1ミリ秒未塔で達成された。
• テストされた構成すべてにおいて観測された最大遅延は0.8 ms未塔に留まり、時間的に敏感な保護用途におけるIEC 61850要件を満たしていた。
• SPANおよびTAPベースの監視は、重大なオーバーヘッドを追加せずに、GOOSEメッセージのタイミングを正確かつ信頼性高く測定できた。
• ネットワークの冗長性および適切なVLANセグメンテーションは、安定的かつ予測可能な遅延性能に寄与した。
• メッセージ伝送におけるジッターは最小限に抑えられ、標準偏差は0.1 ms未塔であった。これは高い時間的決定論的性能を示している。
• 結果として、現代のIEC 61850準拠変電所ネットワークは、標準産業用機器を用いてもリアルタイム保護機能を信頼性高くサポートできることを確認した。