Analysis of IEC61850 communication standard in a designed HIL microgrid testbed adopting an emulated IED

This thesis studies the interoperability and effectiveness of all the three communication protocols of the IEC61850 standard adopted by Intelligent Electronic Devices (IEDs). To fulfill this objective, a real-time testbed architecture running on a Hardware-In-the-Loop (HIL) device is designed in this work. The microgrid simulation details and modeling of the characteristics of a generic IED running on another HIL device are explained explicitly. This testbed includes the communication layer and creates a local network to exchange data between the grid and the IED(s). By accessing this local network, the communicated packets can be captured, monitored, and spoofed data can be injected into the grid to analyze the effects of cyber-attacks to smart grids in further studies. The data structure and functionality of GOOSE messages, SV messages, and MMS server are discussed comprehensively to ease the path of performing analysis on the captured data by the experiments done. Finally, three different implementation scenarios are defined, configured, and experimented by using this created testbed setup. The communication protocols implemented inside these three scenarios are explained and confirmed to be operative without additional delays. The first scenario uses physical IEDs and investigates their communication with each other (using GOOSE messaging) and with the grid (Using MMS server). The second and third scenarios use the designed emulated IED and prove the functionality and robustness of its protection mechanisms. Additionally, the communication protocols implemented inside the simulation finds out to be working without unexpected latency. As mentioned, since this testbed setup includes the communication layer and runs in real-time, it can be used for further investigations on the cyber-security for smart grids that use IEC61850 as their primary communication protocol.

Questa tesi ha l'obiettivo di studiare l'interoperabilità e l'efficacia di tutti e tre i protocolli di comunicazione dello standard IEC61850 adottati nei dispositivi elettronici intelligenti (IED). Per raggiungere l'obiettivo, in questo lavoro è stata progettata un'architettura di testing in tempo reale operante su dispositivi capaci di eseguire test Hardware-In-The-Loop (HIL). La descrizione della simulazione di microreti e la modellizzazione delle caratteristiche di un generico IED gestito da un dispositivo HIL sono esplicitamente fornite. Il banco di prova include un layer di comunicazione in grado di creare una rete locale di scambio dati tra la rete elettrica e gli IED. Accedendo a questa rete locale, i pacchetti di comunicazione possono essere osservati e monitorati. Inoltre, inserendo dati contraffatti si possono analizzare gli effetti di attacchi di spoofing alle reti intelligenti per studi futuri. La struttura dati e le funzionalità dei messaggi GOOSE, dei messaggi SV e dei server MMS sono trattate in maniera esaustiva per facilitare l'esecuzione di analisi sui dati acquisiti in questo lavoro. Infine, sono definiti e configurati tre diversi scenari implementativi, ognuno dei quali inserito all'interno del banco di prova creato. I protocolli di comunicazione implementati all'interno di questi tre scenari sono illustrati e confermati essere operativi senza latenza ulteriore. Il primo scenario utilizza IED fisici e studia le comunicazioni tra di loro (tramite messaggi GOOSE) e con la rete elettrica (usando server MMS). Il secondo e il terzo scenario utilizzano IED emulati qui progettati e dimostrano le funzionalità e la robustezza dei loro meccanismi di protezione. Inoltre, i protocolli di comunicazione implementati all'interno della simulazione risultano essere funzionanti senza latenza aggiuntiva. Come menzionato, siccome l'installazione del banco di prova include un layer di comunicazione e opera in tempo reale, può essere utilizzato per ulteriori indagini nell'ambito della sicurezza informatica delle reti intelligenti che fanno uso dell'IEC61850 come protocollo di comunicazione primario.