[논문 리뷰] Evaluation of Time-Critical Communications for IEC 61850-Substation Network Architecture

Ahmed Altaher, Stéphane Mocanu외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 22.

Smart Grid Security and Resilience참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 IEC 61850 변전소 네트워크에서 GOOSE 메시징을 사용하여 엔드 투 엔드 지연을 평가하며, 실시간 통신 지연을 측정하기 위해 SPAN 및 TAP 네트워크 모니터링 도구를 활용한다. 연구는 적절한 네트워크 구성이 이루어질 경우 변전소 자동화 시스템이 밀리초 이하의 지연을 달성할 수 있음을 보여주며, 스마트 그리드의 핵심 보호 시스템 요구사항을 충족함을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실제 환경 조건에서 IEC 61850 기반 변전소 자동화 시스템(SAS)의 엔드 투 엔드(E2E) 지연을 평가하기 위해.
• 시간에 민감한 보호 응용 프로그램을 위한 GOOSE(Generic Object Oriented Substation Events) 메시징의 성능을 평가하기 위해.
• 표준 산업용 하드웨어와 네트워크 모니터링 도구를 사용하여 밀리초 이하의 지연을 달성하는 것이 가능한지를 검증하기 위해.
• 실제 변전소 환경에서 GOOSE 전송 지연에 영향을 주는 네트워크 구성 요소를 규명하기 위해.

제안 방법

• 연구는 실제 변전소 네트워크를 통해 GOOSE 메시지 전송을 모니터링하기 위해 SPAN(Switch Port Analyzer) 및 TAP(Test Access Point) 장치를 사용한다.
• 네트워크 트래픽은 표준 하드웨어 및 소프트웨어 도구를 사용하여 캡처하고 분석하여 순환 및 엔드 투 엔드 지연을 측정한다.
• 실제 변전소 환경에서 IEDs(IEDs) 간에 GOOSE 메시지를 생성하고 전송하여 보호 이벤트 시나리오를 시뮬레이션한다.
• 지연 측정은 여러 네트워크 경로와 구성에서 수집되어 일관성과 성능을 평가한다.
• 실험 설정은 재현성 있는 및 비재현성 있는 토폴로지 포함하여 일반적인 변전소 네트워크 아키텍처를 재현한다.
• 데이터 분석은 지연의 지터, 평균 지연, 최대 지연을 중심으로 실시간 통신 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 IEC 61850 변전소 네트워크에서 GOOSE 메시지의 실제 엔드 투 엔드 지연은 얼마인가?
• RQ2 네트워크 구성과 토폴로지가 GOOSE 메시지 전송 지연에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 표준 산업용 모니터링 도구(SPAN/TAP)가 시간에 민감한 변전소 통신을 정확하게 캡처하고 측정할 수 있는가?
• RQ4 정상 및 과부하 상태의 네트워크 조건에서 관측된 최대 및 평균 지연은 얼마인가?
• RQ5 네트워크 인프라는 보호 시스템이 요구하는 밀리초 이하의 반응 시간을 어느 정도 지원하는가?

주요 결과

• 적절하게 구성된 변전소 네트워크에서 일관된 엔드 투 엔드 GOOSE 메시지 지연이 1ms 이하로 달성되었다.
• 시험된 구성에서 관측된 최대 지연은 0.8ms 이내로 유지되어 시간에 민감한 보호를 위한 IEC 61850 요구사항을 충족하였다.
• SPAN 및 TAP 기반 모니터링은 유의미한 오버헤드 없이 GOOSE 메시지 타이밍을 정확하고 신뢰성 있게 측정하였다.
• 네트워크의 중복성과 적절한 VLAN 분할은 안정적이고 예측 가능한 지연 성능을 향상시켰다.
• 메시지 전송의 지터는 매우 적었으며, 표준편차가 0.1ms 이하로 유지되어 고도의 시간적 결정성( temporal determinism)을 나타내었다.
• 결과적으로 현대의 IEC 61850 준수 변전소 네트워크가 표준 산업 장비를 사용하여 실시간 보호 기능을 신뢰성 있게 지원할 수 있음을 확인하였다.