Das SGAM Modell und seine praktische Anwendung · Die „SGAM Toolbox“ Domänenspezifische Sprache (SGAM) Erweiterung für Enterprise Architect Modellierungswerkzeug Schritt-für-Schritt

2015, June 24th Josef Ressel Center for User-Centric Smart Grid Privacy, Security and Control | www.en-trust.at

Das SGAM Modell und seine praktische Anwendung

Christian Neureiter Josef Ressel Center for User-Centric Smart Grid Privacy, Security and Control

[email protected]


Motivation

Energiewende Integration erneuerbarer Energien Verteilte Ressourcen mit volatilem Einspeiseverhalten: Auswirkungen auf Netzstabilität Paradigmen Wechsel: „Load follows Generation“

Dynamisches Management bidirektionaler Energieflüsse Aktive Kunden Partizipation (Demand Response)

Smart Grid

Verteilte Steuerungssysteme mit hohem IKT Anteil

Herausforderung: Entwicklung komplexer Systemarchitekturen

Viele beteiligten Stakeholder Unterschiedliche Disziplinen & Domänen Unterschiedliches Verständnis

Wie gemeinsam System-Architektur entwickeln – ohne gemeinsame Sprache?

2


Begriffsbildung G

ebäu

de

Smar

t Grid

Architektur-Beschreibung Architektur-Entwicklung

Architektur Framework

Einheitliche Darstellung aller relevanten Aspekte gemeinsame Sprache

Architektur Modellierung /

Viewpoints

Modellierung mit CAD Werkzeugen beliebige „Schnitte“

Referenz- Architektur

„Blaupause“ z.B. Elektro-, Wasser- oder HKL Installation

Abstraktions- Level

Mein individualisiertes

Häuschen

© www.fertighaus.at

Konkrete Architekturen

Relevante Aspekte? Modellierungs- Werkzeug?

Abstraktions- Level? Referenz-Architektur?

Lösungen???


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


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

5

Relevante Aspekte für Darstellung von Smart Grid Systemen


Begriffsbildung G

ebäu

de

Smar

t Grid





Viewpoints




Abstraktions- Level


Häuschen



Funktionale und technische Aspekte

Modellierungs-Werkzeug?

Abstraktions- Level? Referenz-Architektur?

Lösungen???

Component

Communication

Business

Function

Information


GenerationTransmission

DistributionDER

CustomerPremise

Process

Field

Station

Operation

Enterprise

MarketProtocolProtocol

Data ModelData Model

Domains

Zones

Outline of Usecase

Subfunctions

Business ObjectivesPolit. / Regulat.. Framework

Inte

rope

rabi

lity

Dim

ensi

on

Smart Grid Modellierung

Modellierung von Smart Grid Systemen 1. Entwicklungsprozess 2. Domänenspezifische Modellierungssprache

Trennung von Funktionaliät und Technologie

1. Funktionalität („Was?“) 1. Business Layer 2. Function Layer

8

System Analyse


GenerationTransmission

DistributionDER

CustomerPremise

Process

Field

Station

Operation

Enterprise

Market

Domains

Zones

ProtocolProtocol

Data ModelData Model

Outline of Usecase

Subfunctions

Business ObjectivesPolit. / Regulat.. Framework

Inte

rope

rabi

lity

Dim

ensi

on



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

9

System Analyse

System Architektur




Die „SGAM Toolbox“

Domänenspezifische Sprache (SGAM) Erweiterung für Enterprise Architect

Modellierungswerkzeug

Schritt-für-Schritt Modellierung Beliebige Viewpoints Beliebige Abstraktions-Level

10

Generation Transmission Distribution DER CustomerPremise

Market

Enterprise

Operation

Station

Field

Process

Demand Side Management

Gateway

CEMS

FirewallInternet

Home Automation

InternetDSM

Serv ice

E-Car Charging

CSMS

Firewall

Client COM

HA COME-Car COM

DSM Mgmt

HMI

Communication

ICT Connection

Legend

Protocol:

Protocol:

Protocol:

Protocol:

Protocol:

Protocol:




Die „SGAM Toolbox“

Domänenspezifische Sprache (SGAM) Erweiterung für Enterprise Architect

Modellierungswerkzeug

Schritt-für-Schritt Modellierung Beliebige Viewpoints Beliebige Abstraktions-Level

Frei verfügbar www.en-trust.at Downloads Dokumentation inkl. Video-Tutorials

13

Business Goal 1 Business Goal 2

«Business Actor»Business Actor 1

«Business Actor»Business Actor 2

«High Level Us...HLUC1

«High Level Us...HLUC2

(from Business Case 1)

«Business Use ...Business Case 1

«invokes» «invokes»

realize realize

http://www.en-trust.at/


Wichtige Abstraktionslevel

Viewpoints und Abstraktionen frei gestaltbar Beispiele unterschiedlicher Viewpoints im „Component Layer“

14

Generation Transmission Distribution DER Customer Premise

Market

Enterprise

Operation

Station

Field

Process

U17U16

20 - ISO/RTO/Wholesale

Market

U17U16

U17

U20

19 - Energy Market

Clearinghouse

U17

U20

U16

U10U13

37 - Transmission

SCADA

U16

U10U13

U10

U11 U12U15

U7

U8

U9 27 - Distribution

Management System

U10

U11 U12U15

U7

U8

U9

U27U9

29 - Distribution

SCADA

U27U9

U1

U2U5

U8

33 - Meter Data

Management System

U1

U2U5

U8

U2U21

U22

U24U25

U26

U3

U6

U7

21 - AMI Headend

U2U21

U22

U24U25

U26

U3

U6

U7

U14

U21

U31

U33

U37U38

23 - Customer

Information System

U14

U21

U31

U33

U37U38

U11

U13

U22

U32

U33

U36

32 - Load Management

System / Demand

Response Management

System

U11

U13

U22

U32

U33

U36

U12 U30

U31

U34U36

40 - Work Management

System

U12 U30

U31

U34U36

U38U40

24 - Customer Serv ice

Representativ e

U38U40

U26

U29

U30

U27

36 - Outage Management

System

U26

U29

U30

U27

U37

U3938 -

Customer Portal

U37

U39

U20

U4

U1541 -

Aggregator/Retail Energy

Prov ider

U20

U4

U15

U1

U4

42 - Billing

U1

U4

U18U5

U6 44 - Third Party

U18U5

U6

U3

15 Distribution

RTUs or IEDs

U3U14U29 U34

U3516 - Field Crew Tools

U14U29 U34

U35

U39

U40

2 - Customer

U39

U40

U46

U47

U48 U50

10 - Submeter

(EUMD)

U46

U47

U48 U50

U43 U44

3 - Customer Appliances

and Equipment

U43 U44

U41

U42U44

U45

U46

5 - Customer Energy Mgmt

System

U41

U42U44

U45

U46

U49U50

6 - Electric Vehicle

(EVSE/PEV)

U49U50

U18U25U32

U42

U43

U49U60

7 - Energy Serv ices

Interface / HAN Gateway

U18U25U32

U42

U43

U49U60

U24

U35

U41

U47

U60

8 - Meter

U24

U35

U41

U47

U60

U45

U48

4 - Customer DER:

Generation and Storage

U45

U48


Market

Enterprise

Operation

Station

Field

Process


Market

19 - Energy Market

Clearinghouse

37 - Transmission

SCADA

27 - Distribution

Management System

29 - Distribution

SCADA

33 - Meter Data

Management System

21 - AMI Headend

23 - Customer

Information System


System / Demand

Response Management

System


System


Representativ e


System

38 - Customer

Portal

41 - Aggregator/Retail

Energy Prov ider

42 - Billing

44 - Third Party

16 - Field Crew Tools

2 - Customer

10 - Submeter (EUMD)


and Equipment


System


(EVSE/PEV)



8 - Meter

4 - Customer DER:


HAN

Local Meter NW

Meter Serv ice IF NW

DMZ

DMZ FWInternet

Home FW

TP FW

AMI NW

Serv ice NW FW

Phone Connection

Enterprise NW

Enterprise/DMZ FW

Serv ice NW

Operations NW

Operations/DMZ FW

Market NW

Operations/Market FW

Market/Enterprise FW

Enterprise/Serv ice FW

Enterprise/Remote FW

Operations/Remote Serv ice FW

TP NW

Enterprise/Operations FW

Interfaces und Security Requirements IKT Netzwerk-Topologie


Begriffsbildung G

ebäu

de

Smar

t Grid





Viewpoints




Abstraktions- Level


Häuschen




SGAM Toolbox IKT, Security, Interfaces, ET,…

Referenz-Architektur?

Lösungen???

Component

Communication

Business

Function

Information


Market

Enterprise

Operation

Station

Field

Process

High Level Use Case 1


Referenz-Architektur

ENTSO-E Role Model Business Layer

16




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

17

NIST Logical Reference Model

Aktor Interfaces Interface Category

Security Requirements




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

18

NIST LRM

ENTSO-E RM

NIST UC



Beispiel Modellierung mit SGAM Toolbox - Szenario „Smart Metering“

19


Market

Enterprise

Operation

Station

Field

Process

U17U16


Market

U17U16

U17

U20

19 - Energy Market

Clearinghouse

U17

U20

U16

U10U13

37 - Transmission

SCADA

U16

U10U13

U10

U11 U12U15

U7

U8

U9 27 - Distribution

Management System

U10

U11 U12U15

U7

U8

U9

U27U9

29 - Distribution

SCADA

U27U9

U1

U2U5

U8

33 - Meter Data

Management System

U1

U2U5

U8

U2U21

U22

U24U25

U26

U3

U6

U7

21 - AMI Headend

U2U21

U22

U24U25

U26

U3

U6

U7

U14

U21

U31

U33

U37U38

23 - Customer

Information System

U14

U21

U31

U33

U37U38

U11

U13

U22

U32

U33

U36


System / Demand

Response Management

System

U11

U13

U22

U32

U33

U36

U12 U30

U31

U34U36


System

U12 U30

U31

U34U36

U38U40


Representativ e

U38U40

U26

U29

U30

U27


System

U26

U29

U30

U27

U37

U3938 -

Customer Portal

U37

U39

U20

U4

U1541 -

Aggregator/Retail Energy

Prov ider

U20

U4

U15

U1

U4

42 - Billing

U1

U4

U18U5

U6 44 - Third Party

U18U5

U6

U3

15 Distribution

RTUs or IEDs

U3U14U29 U34

U3516 - Field Crew Tools

U14U29 U34

U35

U39

U40

2 - Customer

U39

U40

U46

U47

U48 U50

10 - Submeter

(EUMD)

U46

U47

U48 U50

U43 U44


and Equipment

U43 U44

U41

U42U44

U45

U46


System

U41

U42U44

U45

U46

U49U50


(EVSE/PEV)

U49U50

U18U25U32

U42

U43

U49U60



U18U25U32

U42

U43

U49U60

U24

U35

U41

U47

U60

8 - Meter

U24

U35

U41

U47

U60

U45

U48

4 - Customer DER:


U45

U48

Interfaces mit Security Requirements



Kommunikations- und Daten Standards Interaktive Übersicht der IEC: http: http://smartgridstandardsmap.com/

20


Begriffsbildung G

ebäu

de

Smar

t Grid





Viewpoints




Abstraktions- Level


Häuschen




SGAM Toolbox Electric Network, ICT- Network, Security,…

ENTSO-E Role Model, NIST

LRM,…

Lösungen???

Component

Communication

Business

Function

Information


Market

Enterprise

Operation

Station

Field

Process

High Level Use Case 1

Generation Transmission Distribution DER CustomerPremise

Market

Enterprise

Operation

Station

Field

Process

Demand Side Management

Gateway

CEMS

FirewallInternet

Home Automation

InternetDSM

Serv ice

E-Car Charging

CSMS

Firewall

Client COM

HA COME-Car COM

DSM Mgmt

HMI

Communication

ICT Connection

Legend

Protocol:

Protocol:

Protocol:

Protocol:

Protocol:

Protocol:


Anwendung

Projekt INTEGRA Smart Grids Modellregion Salzburg

~20 Smart Grid Teilprojekte und Demonstratoren www.smartgridssalzburg.at

INTEGRA: Konsolidierung zu einer Smart Grid Gesamt-Architektur 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: 31.3.2016

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Anwendung

Projekt „RASSA“ „Reference Architecture for a Secure Smart Grid in Austria“ Start Juni 2015

Inhalte (u.a.)

Fertigstellung des Modells der internationalen Referenz-Architektur Veröffentlichung als EA file und HTML (Click-through Model) Mitte Juli 2016

www.en-trust.at oder [email protected] Ableitung eines adaptierten Österreich Modells aus der Referenz-Architektur

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mailto:[email protected]


Zusammenfassung

Beschreibung von Smart Grid Architekturen… SGAM liefert einheitliche Basis SGAM Toolbox: Modellierungswerkzeug

www.en-trust.at Downloads

Smart Grid Architekturen… Verschiedener Input für Referenz-Architekturen

NIST, ENTSO-E, M/490,…

Basis für Instanziierung konkreter Architekturen

Aktuelle Arbeiten… ENTSO-E + NIST LRM + M/490 Use Cases + IEC Standards = Referenzarchitektur

Release Juli 2015 www.en-trust.at oder [email protected]

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mailto:[email protected]


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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Documents

Das SGAM Modell und seine praktische Anwendung · Die „SGAM Toolbox“ Domänenspezifische Sprache (SGAM) Erweiterung für Enterprise Architect Modellierungswerkzeug Schritt-für-Schritt