IEC (International Electrotechnical Commission) is the authority that publishes different standards in the  fields  of  electrical  and  electronics  engineering,  to  be  used  internationally.  In  the  area  of manufacturing, it has demanded a new standard to fulfil better solutions of dynamic requirements. The  IEC  61499  redacted  by  IEC  offers  interoperability,  portability,  configurability  and  distributed control applications for manufacturing processes. However, this standard is not a replacement of IEC 61131-3,  one  of  the  most  used  standards  in  industry;  instead,  it  is  a  complement  of  it.  The  basic software units of IEC 61499 are named Function Blocks (FBs), which can be described as blocks that encapsulate functionality. By combining FBs together, it is possible to solve complex problems.   The  objective  of  this  project  (in  close  cooperation  with  another  project)  is  to  develop  a  software environment in Java language. It follows the requirements of IEC 61499, and implement a Function Block  designer  and  a  runtime  execution  environment,  as  a  part  of  an  existing  Wise-ShopFloor framework. The scope of this project covers:     FB  algorithm  editor:  Each  FB  has  one  or  more  algorithms,  which  can  be  defined  in  the algorithm editor using IEC 61131-3 or Java.     FB serialization: Opening and saving the configuration of FBs in Java Class file is one of the tasks  of  this  project.  As  soon  as  the  configuration  is  saved,  the  Java  code  of  FB  can  be generated. Java code is generated because compiled Java allows execution of FB. Saving in Java  Class  file  permits  portability,  i.e.  the  saved  configuration  can  be  opened  in  any  JVM system, and vice versa.      Case study: A simulation of an assembly station using an ABB IRB 140 robot is studied and implemented using the runtime simulator of the Java platform, in which some basic FBs have been also created in a library. This project also includes: (1) implementation of user interface and (2) FB serialization in XML. It  is  anticipated  that  the  developed  environment  will  be  able  to  save  and  open  FBs  configurations either in XML or in Java Class, following the specification of IEC 61499. It will allow portability and reusability.  Because  of  the  portability,  the  so-designed  FBs  can  be  validated  using  another  FB environment such as FBDK (Function Block Development Kit).

As digitization progresses, operators of energy supply networks are confronted with the IEC 61850 standard. It includes data models and communication protocols for electrical substations. Since these protocols are integral to the critical infrastructure, ensuring fault- free operation is the highest priority. In this work, the communication protocols of the standard were tested for their robustness and safety. Protocol fuzzing was used for this, a procedure in which manipulated packets are sent to a system under test in order to uncover any vulnerabilities. To do this, an original packet was captured and mutated millions of times and sent back into the network. The network was set up in a laboratory specially for these tests. It consists of three intelligent electronic devices, which represent part of a substation system. The devices were configured according to the standard. The standard-compliant functioning of the communication protocols was ensured using proprietary software. The developed fuzzing tool is based on another well-known paper. This was extended with methods of error detection and thus adapted to a black-box approach. No vulnerabilities were found in the analysed intelligent electronic devices.:Abkürzungsverzeichnis VI Abbildungsverzeichnis VIII Tabellenverzeichnis IX Listings X 1 Einleitung 1 1.1 Motivation der Norm IEC 61850 1 2 Grundlagen 3 2.1 Netzwerksicherheit 3 2.1.1 Protokoll-Fuzzing 4 2.2 Energieversorgungsnetz 5 2.2.1 Schaltanlage 6 3 Norm IEC 61850 9 3.1 Datenmodell 10 3.2 Kommunikationsdienste 12 3.2.1 Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) 14 3.2.2 Manufacturing Message Specification (MMS) 15 3.3 System Configuration description Language (SCL) 16 4 Stand der Foschung 17 4.1 Literaturrecherche 17 4.2 Literaturanalyse 18 5 Testanlage 21 5.1 Software 21 5.2 Aufbau 23 5.3 Konfiguration 24 5.4 Testkonzept f¨ur die Funktionspr¨ufung 25 6 Fuzzing-Test 28 6.1 Fuzzer 29 6.1.1 Repository ”61850-Fuzzing“ 29 6.1.2 Anpassung des Fuzzing-Skripts 30 6.2 Durchf¨uhrung und Auswertung 36 7 Zusammenfassung und Diskussion 39 7.1 Ausblick 40 8 Anhang 42 8.1 Teile der Norm IEC 61850 - Kommunikationsnetze und -systeme f¨ur die Automatisierung in der elektrischen Energieversorgung 42 8.2 Tabelle der Literaturanalyse 45 8.3 Listing von target alive 47 8.4 Testbericht des ’Operate‘-Befehls 48 8.5 Anlagenverzeichnis 51 Literatur 52 Eidesstattliche Erklärung 56

Os objetivos deste trabalho são apresentar e avaliar o projeto de uma subestação focando o compartilhamento da instalação, dos equipamentos e particularmente das informações entre empresas de transmissão e distribuição de energia, o que gera implicações relativas à segurança de acesso aos dados, à segurança na manutenção e operação e à divisão das responsabilidades técnicas. A necessidade desse tipo de projeto vem se tornando frequente no estado de São Paulo à medida que cresce o acesso ao sistema de transmissão pelas usinas térmicas das empresas do setor sucroalcooleiro, em concordância com as resoluções normativas da Agência Nacional de Energia Elétrica. O trabalho propõe a configuração de funções de supervisão e proteção utilizando a troca de informações entre os agentes através do serviço de mensagens prioritárias previsto na norma IEC 61850, em substituição aos relés auxiliares e ao painel de interface que utiliza cabos de cobre. Tendo a segurança como ponto principal de discussão quando se deseja conectar duas redes de comunicação de empresas diferentes, são avaliadas, através de simulações, as operações das lógicas de proteção, o acesso aos dados, e a troca de informações de supervisão. Algumas tecnologias apresentadas já são amplamente utilizadas na área de Tecnologia da Informação, como os requisitos de segurança digital e que, se utilizados em sistemas baseados na IEC 61850 sem impactar significantemente na performance e nos custos, apresentam enormes vantagens para os sistemas digitalizados das subestações. Por fim, são apresentadas as diferenças e os benefícios de se utilizar os recursos da norma para um projeto tão particular. / The aims of this study are to present and to evaluate the design of a substation, focusing on the sharing of the installation, equipments, and particularly on the information between transmission and distribution energy companies. This will highlight implications for data access security, along with the security concerning maintenance and operation of a substation and the division of technical responsibilities. The need for this type of project is becoming common in the state of São Paulo as the access to the transmission system by thermal power plants of sugar companies increases, in accordance with the normative resolutions of the Agência Nacional de Energia Elétrica. The study proposes the configuration of supervision and protection functions using exchange of information between agents via priority messaging service provided by IEC 61850 instead of the auxiliary relays and panel interface that uses copper wires. When connecting two communication networks of different companies while considering safety as the main issue, simulations are conducted to evaluate protection logic operations, data access and supervision data exchange. Certain technologies presented here are already widely used in Information Technology, such as the cyber security requirements. When utilized in IEC 61850 based systems without significantly impacting performance and costs, these cyber security requeriments present great advantages for the substations digitalized systems. Finally, differences and benefits are considered for the use of the resources of the norm for such a particular project.

Os objetivos deste trabalho são apresentar e avaliar o projeto de uma subestação focando o compartilhamento da instalação, dos equipamentos e particularmente das informações entre empresas de transmissão e distribuição de energia, o que gera implicações relativas à segurança de acesso aos dados, à segurança na manutenção e operação e à divisão das responsabilidades técnicas. A necessidade desse tipo de projeto vem se tornando frequente no estado de São Paulo à medida que cresce o acesso ao sistema de transmissão pelas usinas térmicas das empresas do setor sucroalcooleiro, em concordância com as resoluções normativas da Agência Nacional de Energia Elétrica. O trabalho propõe a configuração de funções de supervisão e proteção utilizando a troca de informações entre os agentes através do serviço de mensagens prioritárias previsto na norma IEC 61850, em substituição aos relés auxiliares e ao painel de interface que utiliza cabos de cobre. Tendo a segurança como ponto principal de discussão quando se deseja conectar duas redes de comunicação de empresas diferentes, são avaliadas, através de simulações, as operações das lógicas de proteção, o acesso aos dados, e a troca de informações de supervisão. Algumas tecnologias apresentadas já são amplamente utilizadas na área de Tecnologia da Informação, como os requisitos de segurança digital e que, se utilizados em sistemas baseados na IEC 61850 sem impactar significantemente na performance e nos custos, apresentam enormes vantagens para os sistemas digitalizados das subestações. Por fim, são apresentadas as diferenças e os benefícios de se utilizar os recursos da norma para um projeto tão particular. / The aims of this study are to present and to evaluate the design of a substation, focusing on the sharing of the installation, equipments, and particularly on the information between transmission and distribution energy companies. This will highlight implications for data access security, along with the security concerning maintenance and operation of a substation and the division of technical responsibilities. The need for this type of project is becoming common in the state of São Paulo as the access to the transmission system by thermal power plants of sugar companies increases, in accordance with the normative resolutions of the Agência Nacional de Energia Elétrica. The study proposes the configuration of supervision and protection functions using exchange of information between agents via priority messaging service provided by IEC 61850 instead of the auxiliary relays and panel interface that uses copper wires. When connecting two communication networks of different companies while considering safety as the main issue, simulations are conducted to evaluate protection logic operations, data access and supervision data exchange. Certain technologies presented here are already widely used in Information Technology, such as the cyber security requirements. When utilized in IEC 61850 based systems without significantly impacting performance and costs, these cyber security requeriments present great advantages for the substations digitalized systems. Finally, differences and benefits are considered for the use of the resources of the norm for such a particular project.

This work describes DNP3, IEC-60870, IEC-61850 communication protocols and their implementing in SCADA systems. It further describes communication of these protocols between RaspberryPi as a slave device and Personal Computer as a master device.

The steel company SSAB in Borlänge will, in the near future, replace its protective relays in one of their substations due to the condition and age of the relays. In connection with the change, SSAB intended to switch the current communication protocol IEC 60870-5-103 (IEC 103) to IEC 61850. They were thus interested in knowing what differences there were between these protocols and what were the technical and economical pros and cons for the change. To answer SSAB's questions, this bachelor thesis project was initiated with the aim of a feasibility study regarding the relays change and the protocol switching. To this purpose, the relevant parts of the substation and its functions were first examined to have an overall picture and the understanding of how they worked and interacted. After that, the communication protocols IEC 103 and IEC 61850 were investigated separately and comparatively. After a few weeks a visit was paid to SSAB to visually see what was to be done and to obtain a better understanding. During the visit, the substation that would receive new protection relays were shown and how their parts in the system were connected and interacted. Besides, other electrical devices were also shown, for example, large step-down transformers and a capacitor bank. After this, further study of the protocols, the relays as well as the associated parts were conducted and the information collected. Finally, the collected information was analysed, compared and documented in this thesis to generate a result and a comparison. From this feasibility study, it is clear that the new protocol had many advantages technically and some economically, which in particular include: 1) communication where IEC 103 uses master/slave at speeds up to 10 Mbit/s and IEC 61850 uses client/server and peer to peer at speeds between 100 Mbit/s to 1 Gbit/s; 2) connection where IEC 103 was point to point and with IEC 61850 it will be connected in ring formation for better redundancy; 3) interoperability where IEC 103 was limited by vendor specific codes, whereas IEC 61850 enabled interoperability through a common language and file format called SCL.

Magíster en Tecnologías de la Información / Actualmente existen una variedad de estándares y metodologías de gestión de proyectos que están enfocados a diferentes tipos de organizaciones y tipos de proyectos. Estos pueden ser aplicados desde proyectos relacionados con la arquitectura e ingeniería, hasta proyectos relacionados con la tecnología. Como ejemplo de estos estándares, tenemos al PMBOK creado por el Project Management Institute y como de metodología al PRINCE2, el cual fue desarrollado por la Office of Government Commerce de la Gran Bretaña. En general estos estándares y metodologías requieren un gran esfuerzo para ser adaptados o implementados dentro de las organizaciones, ya que es necesario contar con un conocimiento profundo y experiencia en el uso de ellos o porque la implementación y adaptación implica cambios en la cultura de la organización. Debido a lo anterior, las pequeñas empresas se pueden enfrentar a diferentes problemas y desafíos al intentar implementar estos estándares y metodologías de gestión de proyectos. Esto se debe principalmente a que este tipo de empresas son ágiles en su operación, a que muchas veces no cuentan con procesos organizacionales bien definidos y que una misma persona puede tener diferentes roles dentro de la misma organización. Si los procesos de gestión de proyectos no son ajustados correctamente a los requisitos y necesidades de estas pequeñas organizaciones, entonces estos procesos se pueden convertir en obstáculos y pueden ser percibidos como burocracia. Para ayudar a solucionar los desafíos y problemas mencionados, fue que la International Organization for Standardization (ISO) y la International Electrotechnical Commission (IEC) desarrollaron en conjunto la norma ISO/IEC 29110 creada para gestionar proyectos de software para las Very Small Entities (VSE), las cuales se definieron como pequeñas organizaciones con un tamaño no mayor a 25 personas. Si bien el proceso de gestión de proyectos de la norma se desarrolló para gestionar proyectos relacionados con el desarrollo de software, es lo suficientemente flexible como para poder ser adaptado a todo tipo de proyectos. La norma es implementada mediante paquetes de despliegue, los cuales son conjuntos de elementos como documentos y plantillas que se crean para facilitar y orientar la implementación y aplicación de las prácticas de la norma. Este documento de tesis propone la implementación de un proceso de gestión de proyectos basado y adaptado de la norma ISO/IEC 29110 en DevelopIT, la cual es una pequeña empresa que se dedica a implementaciones de soluciones de infraestructura tecnológica y cuyas características son similares a las definidas para las VSE. Para cumplir con este objetivo, se adaptó el proceso de gestión de proyectos definido en la norma y se desarrollaron los elementos para construir el paquete de despliegue para implementar el proceso. Adicionalmente se configuró Redmine, el cual es un Project Management Information System (PMIS) que cuenta con funcionalidades que se usaron para soportar algunos pasos del nuevo proceso. Este nuevo proceso y el PMIS fueron probados en la gestión de un proyecto real de la organización. Esta prueba sirvió para capacitar a la organización en el proceso, realizar una adecuada gestión del cambio y validar la efectividad del nuevo proceso.

REIN JR., O. UM MODELO DE INTEGRAÇÃO ENTRE OS PADRÕES IEC 61850 E IEC 61970 (CIM/XML). 2006. 98 p. Dissertação Mestrado – Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo. A troca de informação entre os vários sistemas de gerenciamento e outros sistemas de informação de uma empresa do setor elétrico não é apenas desejada, mas, na maioria dos casos, necessária. Dois padrões internacionais surgiram, um relacionado à troca de dados nas subestações (IEC 61850) e outro relacionado à troca de informações entre os centros de controle (IEC 61970), sendo ambos publicados pelo comitê técnico 57 (TC57) do IEC, cujo tema é o gerenciamento e a troca de informação associados aos sistemas de potência. Contudo, apesar da similaridade em seu domínio de aplicação, cada um tem seu próprio modelo de objetos. O presente trabalho tem por objetivo investigar como a integração dos dados pertencentes aos sistemas de controle da subestação e do centro de controle pode ser alcançada, de maneira a permitir que a topologia de uma determinada subestação possa ser conhecida pelo EMS/SCADA. Vale, ainda, ter em conta que a verificação de tal análise demanda a implementação de um protótipo simulando a arquitetura de integração proposta. Logo, o estudo contempla as anotações que refletem os passos dessa implementação, bem como o registro dos testes exigidos pelos trabalhos, os quais compreenderam informações sobre a configuração de uma subestação contidos num arquivo SCL, informações de tempo real obtidas a partir de dispositivos eletrônicos inteligentes (IEDs), e a gravação desses dados em uma base de dados relacional modelada de acordo com o Common Information Model (CIM) contido na IEC 61970-301. / REIN JR., O An integration model between the IEC 61850 and IEC 61970 standards. 2006. 98 p. Dissertação Mestrado – Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo. The exchange of information among several management systems and other information systems of an electric utility company is not only desired but in most cases needed. Two international standards have emerged, one related to the data exchange of substations (IEC 61850) and another related to the exchange of information among control centers (IEC 61970), both published by the IEC technical committee 57 (TC57) that deals with the management and exchange of information on power systems. Nevertheless, in spite of the similarity in its application domain, each standard has its own object model. This work intends to investigate how to achieve the integration of data belonging to the substation control and control center systems, thus allowing a specific substation topology to be known by the EMS/SCADA. It is important to emphasize that the verification of such analysis required the implementation of a prototype to simulate the proposed integration architecture. Therefore, this work includes notes describing the implementation steps, as well as the record of the tests that have been done, encompassing substation configuration information within a SCL file, real-time information obtained from intelligent electronic devices (IEDs) and data recording in a relational database modeled according to the Common Information Mode (CIM) comprised in the IEC 61970-301.

REIN JR., O. UM MODELO DE INTEGRAÇÃO ENTRE OS PADRÕES IEC 61850 E IEC 61970 (CIM/XML). 2006. 98 p. Dissertação Mestrado – Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo. A troca de informação entre os vários sistemas de gerenciamento e outros sistemas de informação de uma empresa do setor elétrico não é apenas desejada, mas, na maioria dos casos, necessária. Dois padrões internacionais surgiram, um relacionado à troca de dados nas subestações (IEC 61850) e outro relacionado à troca de informações entre os centros de controle (IEC 61970), sendo ambos publicados pelo comitê técnico 57 (TC57) do IEC, cujo tema é o gerenciamento e a troca de informação associados aos sistemas de potência. Contudo, apesar da similaridade em seu domínio de aplicação, cada um tem seu próprio modelo de objetos. O presente trabalho tem por objetivo investigar como a integração dos dados pertencentes aos sistemas de controle da subestação e do centro de controle pode ser alcançada, de maneira a permitir que a topologia de uma determinada subestação possa ser conhecida pelo EMS/SCADA. Vale, ainda, ter em conta que a verificação de tal análise demanda a implementação de um protótipo simulando a arquitetura de integração proposta. Logo, o estudo contempla as anotações que refletem os passos dessa implementação, bem como o registro dos testes exigidos pelos trabalhos, os quais compreenderam informações sobre a configuração de uma subestação contidos num arquivo SCL, informações de tempo real obtidas a partir de dispositivos eletrônicos inteligentes (IEDs), e a gravação desses dados em uma base de dados relacional modelada de acordo com o Common Information Model (CIM) contido na IEC 61970-301. / REIN JR., O An integration model between the IEC 61850 and IEC 61970 standards. 2006. 98 p. Dissertação Mestrado – Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo. The exchange of information among several management systems and other information systems of an electric utility company is not only desired but in most cases needed. Two international standards have emerged, one related to the data exchange of substations (IEC 61850) and another related to the exchange of information among control centers (IEC 61970), both published by the IEC technical committee 57 (TC57) that deals with the management and exchange of information on power systems. Nevertheless, in spite of the similarity in its application domain, each standard has its own object model. This work intends to investigate how to achieve the integration of data belonging to the substation control and control center systems, thus allowing a specific substation topology to be known by the EMS/SCADA. It is important to emphasize that the verification of such analysis required the implementation of a prototype to simulate the proposed integration architecture. Therefore, this work includes notes describing the implementation steps, as well as the record of the tests that have been done, encompassing substation configuration information within a SCL file, real-time information obtained from intelligent electronic devices (IEDs) and data recording in a relational database modeled according to the Common Information Mode (CIM) comprised in the IEC 61970-301.

Substation primary plant and instrument transformers generally remain in service for many years and are only renewed when physically or mechanically life-expired. However, substation protection and control systems, also known as secondary systems, are changed more frequently, especially electronic or computer based systems. One way to overcome the lifecycle-coordination problem is to develop a new architecture for substation secondary systems by deploying new technology such as standard interface modules, the bay process bus and IEC 61850 communication protocol. IEC 61850-9-2 'process bus' has proposed an Ethernet based communication network to replace traditional hardwiring and cabling, for communication of analogue and binary signals with Ethernet messages. The application of processbus in substations is able to reduce the life-time cost of the secondary systems and improve flexibility and functionality. Sufficient confidence must be demonstrated in the application of this new technology. This thesis describes the design and performance evaluation of a prototype protection scheme suitable for application on a corner of a mesh transmission substation of the type used in the UK on the transmission network.