Das SGAM Modell und seine praktische Anwendung

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1 Das SGAM Modell und seine praktische Anwendung Christian Neureiter Josef Ressel Center for User-Centric Smart Grid Privacy, Security and Control

2 Motivation Energiewende Integration erneuerbarer Energien Verteilte Ressourcen mit volatilem Einspeiseverhalten: Auswirkungen auf Netzstabilität Paradigmen Wechsel: Load follows Generation Dynamisches bidirektionaler Energieflüsse Aktive Kunden Partizipation (Demand Response) Smart Grid Verteilte Steuerungssysteme mit hohem IKT Anteil Herausforderung: Entwicklung komplexer architekturen Viele beteiligten Stakeholder Unterschiedliche Disziplinen & Domänen Unterschiedliches Verständnis Wie gemeinsam - entwickeln ohne gemeinsame Sprache? 2

3 Begriffsbildung Framework -Beschreibung Modellierung / Viewpoints Abstraktions- Level -Entwicklung Referenz- Konkrete en Gebäude Einheitliche Darstellung aller relevanten Aspekte gemeinsame Sprache Modellierung mit CAD Werkzeugen beliebige Schnitte z.b. Elektro-, Wasser- oder HKL Installation Blaupause Mein individualisiertes Häuschen Smart Grid Relevante Aspekte? Modellierungs- Werkzeug? Abstraktions- Level? Referenz-? Lösungen???

4 Smart Grid Architecture Model (SGAM) Ziel: Gewährleistung von Interoperabilität 1. Strukturierte Darstellung des Smart Grid: SGAM-Ebene Domänen: Kette der Energie-Erzeugung Zonen: Automatisierungs-Pyramide 4

5 Smart Grid Architecture Model (SGAM) Ziel: Gewährleistung von Interoperabilität 1. Strukturierte Darstellung des Smart Grid: SGAM-Ebene Domänen: Kette der Energie-Erzeugung Zonen: Automatisierungs-Pyramide 2. Interoperabilität über mehrere Ebenen Relevante Aspekte für Darstellung von Smart Grid en 5

6 Begriffsbildung Framework -Beschreibung Modellierung / Viewpoints Abstraktions- Level -Entwicklung Referenz- Konkrete en Gebäude Einheitliche Darstellung aller relevanten Aspekte gemeinsame Sprache Modellierung mit CAD Werkzeugen beliebige Schnitte z.b. Elektro-, Wasser- oder HKL Installation Blaupause Mein individualisiertes Häuschen Business Function Smart Grid Information Communication Component Funktionale und technische Aspekte Modellierungs- Werkzeug? Abstraktions- Level? Referenz-? Lösungen???

7 Smart Grid Modellierung Modellierung von Smart Grid en 1. Entwicklungsprozess 2. Domänenspezifische Modellierungssprache Trennung von Funktionaliät und Technologie 1. Funktionalität ( Was? ) 1. Business Layer 2. Function Layer Analyse Business Objectives Polit. / Regulat.. Framework Interoperability Dimension Outline of Usecase Subfunctions Data Model Data Model Protocol Protocol Operation Enterprise Generation Transmission Distribution DER Domains Premise Field Process Station Zones 8

8 Smart Grid Modellierung Modellierung von Smart Grid en 1. Entwicklungsprozess 2. Domänenspezifische Modellierungssprache Trennung von Funktionaliät und Technologie 1. Funktionalität ( Was? ) 1. Business Layer 2. Function Layer 2. Technologie ( Wie?) 1. Information Layer 2. Communication Layer 3. Component Layer Analyse Interoperability Dimension Outline of Usecase Data Model Protocol Subfunctions Business Objectives Polit. / Regulat.. Framework Data Model Protocol Operation Enterprise Generation Transmission Distribution DER Domains Premise Field Process Station Zones 9

9 Smart Grid Modellierung Modellierung von Smart Grid en 1. Entwicklungsprozess 2. Domänenspezifische Modellierungssprache Die SGAM Toolbox Demand Side Generation Transmission Distribution DER Premise Domänenspezifische Sprache (SGAM) Erweiterung für Enterprise Architect Enterprise DSM Mgmt Modellierungswerkzeug Operation Client COM Schritt-für-Schritt Modellierung Beliebige Viewpoints Station DSM Service Internet Gateway Beliebige Abstraktions-Level Field Firewall Internet Firewall CSMS HMI CEMS Process Legend Communication E-Car COM HA COM ICT Connection E-Car Charging Home Automation 10

10 Smart Grid Modellierung Business Goal 1 Business Goal 2 «Business Actor» Business Actor 1 «Business Actor» Business Actor 2 realize realize Modellierung von Smart Grid en 1. Entwicklungsprozess 2. Domänenspezifische Modellierungssprache «Business Use... Business Case 1 (from Business Case 1) «invokes» «invokes» «High Level Us... «High Level Us... HLUC1 HLUC2 Die SGAM Toolbox Domänenspezifische Sprache (SGAM) Erweiterung für Enterprise Architect Modellierungswerkzeug Schritt-für-Schritt Modellierung Beliebige Viewpoints Beliebige Abstraktions-Level Frei verfügbar Downloads Dokumentation inkl. Video-Tutorials 13

11 U16 U ISO/RTO/Wholesale U16 U Transmission SCADA U10 U17 U20 U Energy Clearinghouse U4 U Aggregator/Retail Energy Prov ider U13 U32 U22 U Billing U Load / Demand Response U15 U10 U9 U9 U36 U11 U11 U1 Distribution 29 - Distribution SCADA U36 U12 U12 U8 U7 U27 U31 U Work U30 U Information U34 U27 U Outage U38 U26 U29 U29 U37 U21 U14 U Field Crew Tools U14 U35 U26 U7 U21 U AMI Headend U8 U2 U2 U6 U Meter Data U25 U24 U3 U3 15 Distribution RTUs or IEDs U5 U Service Representative U Portal U40 U DER: Generation and Storage U48 U45 U39 U5 U6 U24 U U35 U Third Party U32 U60 U47 U Submeter (EUMD) U18 U18 U50 U46 U Energy Services Interface / HAN Gateway U Meter U41 U47 U50 U43 U49 U Electric Vehicle (EVSE/PEV) U42 U Energy Mgmt U43 U45 U46 U44 U Appliances and Equipment 20 - ISO/RTO/Wholesale 41 - Aggregator/Retail Energy Prov ider 37 - Transmission SCADA 19 - Energy Clearinghouse NW 32 - Load / Demand Response Operations/ FW 29 - Distribution SCADA /Enterprise FW Operations NW Enterprise/Operations FW Operations/Remote Service FW 27 - Distribution 42 - Billing Operations/DMZ FW 36 - Outage 40 - Work Enterprise NW Enterprise/Remote FW 16 - Field Crew Tools 23 - Information Enterprise/DMZ FW DMZ Enterprise/Service FW 33 - Meter Data 21 - AMI Headend DMZ FW 24 - Service Representative Service NW 38 - Portal Service NW FW AMI NW Meter Service IF NW Phone Connection 4 - DER: Generation and Storage Internet TP FW 8 - Meter Local Meter NW TP NW 44 - Third Party 10 - Submeter (EUMD) Home FW Energy Services Interface / HAN Gateway 6 - Electric Vehicle (EVSE/PEV) HAN 5 - Energy Mgmt 3 - Appliances and Equipment Wichtige Abstraktionslevel Viewpoints und Abstraktionen frei gestaltbar Beispiele unterschiedlicher Viewpoints im Component Layer Interfaces und Security Requirements IKT Netzwerk-Topologie Generation Transmission Distribution DER Premise Generation Transmission Distribution DER Premise Enterprise Enterprise Operation Operation U Station Station Field Field Process Process 14

12 High Level Use Case 1 Enterprise Operation Station Field Process Generation Transmission Distribution DER Premise Begriffsbildung Framework -Beschreibung Modellierung / Viewpoints Abstraktions- Level -Entwicklung Referenz- Konkrete en Gebäude Einheitliche Darstellung aller relevanten Aspekte gemeinsame Sprache Modellierung mit CAD Werkzeugen beliebige Schnitte z.b. Elektro-, Wasser- oder HKL Installation Blaupause Mein individualisiertes Häuschen Business Function Smart Grid Information Communication Component Funktionale und technische Aspekte SGAM Toolbox IKT, Security, Interfaces, ET, Referenz-? Lösungen???

13 Referenz- ENTSO-E Role Model Business Layer 16

14 Referenz- ENTSO-E Role Model Business Layer NIST IR 7628 Guidelines for Smart Grid Cyber Security Use Case Collection Logical Reference Model ~ 46 Actors ~ 140 Interfaces 22 Interface Categories Security Requirements ~200 High Level RQ NIST Logical Reference Model Aktor Interfaces Interface Category Security Requirements 17

15 Referenz- ENTSO-E Role Model Business Layer NIST IR 7628 Guidelines for Smart Grid Cyber Security Use Case Collection Logical Reference Model ~ 46 Actors ~ 140 Interfaces 22 Interface Categories Security Requirements Integration in SGAM Selber Ursprung! NIST Domain Model Einfaches Mapping ENTSO-E RM NIST UC NIST LRM 18

16 Referenz- Beispiel Modellierung mit SGAM Toolbox - Szenario Smart Metering Generation Transmission Distribution DER Premise U16 U17 U17 U20 Enterprise 20 - ISO/RTO/Wholesale 19 - Energy Clearinghouse U4 U20 U Aggregator/Retail Energy Prov ider U4 U1 U38 U Billing U33 U21 U14 U U33 U31 U13 Information U36 U36 U34 U32 U22 U Work U30 U Load / Demand Response U1 U8 U5 U Meter Data U40 U Service Representative U37 U Portal Interfaces mit Security U40 Requirements U U5 U Third Party U18 Operation U13 U10 U11 U15 U10 U12 U8 U Transmission SCADA U9 U Distribution U30 U7 U21 U2 U26 U6 U9 U Distribution SCADA U29 U Outage U26 U AMI Headend U25 U24 U3 U42 U Energy Mgmt U45 U46 U44 Station U25 U18 U42 U32 U43 U60 U Energy Services Interface / HAN Gateway Field U29 U34 U14 U3 U24 U60 U41 U Field U35 Crew Tools 15 Distribution RTUs or IEDs U Meter Process U48 U48 U47 U50 U50 U49 U43 U44 U DER: Generation and Storage 10 - U46 Submeter (EUMD) 6 - Electric Vehicle (EVSE/PEV) 3 - Appliances and Equipment 19

17 Referenz- Kommunikations- und Daten Standards Interaktive Übersicht der IEC: http: 20

18 High Level Use Case 1 Enterprise Operation Station Field Process Generation Transmission Distribution DER Premise Communication ICT Connection DSM Mgmt DSM Service E-Car COM Internet E-Car Charging Gateway Firewall CSMS Internet HMI HA COM Client COM Firewall CEMS Home Automation Begriffsbildung Framework -Beschreibung Modellierung / Viewpoints Abstraktions- Level -Entwicklung Referenz- Konkrete en Gebäude Einheitliche Darstellung aller relevanten Aspekte gemeinsame Sprache Modellierung mit CAD Werkzeugen beliebige Schnitte z.b. Elektro-, Wasser- oder HKL Installation Blaupause Mein individualisiertes Häuschen Business Function Demand Side Enterprise Generation Transmission Distribution DER Premise Smart Grid Information Communication Component Funktionale und technische Aspekte SGAM Toolbox Operation Station Field Process Legend Electric Network, ICT- Network, Security, ENTSO-E Role Model, NIST LRM, Lösungen???

19 Anwendung Projekt INTEGRA Smart Grids Modellregion Salzburg ~20 Smart Grid Teilprojekte und Demonstratoren INTEGRA: Konsolidierung zu einer Smart Grid Gesamt- Zusammenfügen der Teillösungen zu Big-Picture Besonderer Fokus: Security & Privacy by Design Bottom-Up Approach Erste Version der SGAM-Toolbox (V0.1) Anforderungen an Entwicklungswerkzeug Erfahrungen mit Anwendung Seither stetige Weiterentwicklung (aktuell V0.4) Projektende:

20 Anwendung Projekt RASSA Reference Architecture for a Secure Smart Grid in Austria Start Juni 2015 Inhalte (u.a.) Fertigstellung des Modells der internationalen Referenz- Veröffentlichung als EA file und HTML (Click-through Model) Mitte Juli oder Ableitung eines adaptierten Österreich Modells aus der Referenz- 23

21 Zusammenfassung Beschreibung von Smart Grid en SGAM liefert einheitliche Basis SGAM Toolbox: Modellierungswerkzeug Downloads Smart Grid en Verschiedener Input für Referenz-en NIST, ENTSO-E, M/490, Basis für Instanziierung konkreter en Aktuelle Arbeiten ENTSO-E + NIST LRM + M/490 Use Cases + IEC Standards = Referenzarchitektur Release Juli oder 24

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, gerne beantworte ich Ihre Fragen! Christian Neureiter Josef Ressel Center for User-Centric Smart Grid Privacy, Security and Control

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