INS-Slides/main.tex

\documentclass{f4_beamer}
\usepackage{graphicx}
\usepackage{float}
\usepackage{subfigure}
\usepackage{xspace}
\usepackage{textcomp}
\usepackage{tabularx}
\usepackage{booktabs}
\usepackage{amsmath}
\usepackage{subfigure} 
\usepackage{here}
\usepackage{verbatim}
\usepackage{listings}
\usepackage{url}
\usepackage{caption}
\usepackage[autostyle=true,german=quotes]{csquotes}

% Suppress numbering captions
\captionsetup{labelformat=empty}

% Setup für Codeblocks
\lstset{
	% Optionen
	breaklines=true,
	breakatwhitespace=true,
	breakautoindent=true,
	frame=single,
	%framexleftmargin=19pt,
	inputencoding=utf8,
	%language=awk,
	%numbers=left,
	%numbersep=8pt,
	showspaces=false,
	showstringspaces=false,
	tabsize=1,
	%xleftmargin=19pt,
	captionpos=b,
	% Styling
	basicstyle=\footnotesize\ttfamily,
	commentstyle=\footnotesize,
	keywordstyle=\footnotesize\ttfamily,
	numberstyle=\footnotesize,
	stringstyle=\footnotesize\ttfamily,
}
% Hack für Sonderzeichen in Codeblocks
\lstset{literate=%
    {Ö}{{\"O}}1
    {Ä}{{\"A}}1
    {Ü}{{\"U}}1
    {ß}{{\ss}}1
    {ü}{{\"u}}1
    {ä}{{\"a}}1
    {ö}{{\"o}}1
    {°}{{${^\circ}$}}1
}

\mode<presentation>
\title{IEC 61850}
\subtitle{Kommunikation und Datenmodell für Umspannwerke}
\author{Marcel Felix, Jan Philipp Timme}
\date{\today}

\begin{document}
\tableofcontents[hideallsubsections]

\begin{comment}
http://www02.abb.com/global/sgabb/sgabb005.nsf/bf177942f19f4a98c1257148003b7a0a/e81bb489e5ae0b68482574d70020bf42/$FILE/B5_G2_Enhanced+protection+functionality+with+IEC+61850+and+GOOSE.pdf

* Process Bus ist meist schon in die IED gewandert, ansonsten kann er auch auf dem selben Netz laufen wie der Station Bus (Keine Sorgen machen, passt schon irgendwie)
* GOOSE ist für IED<->IED, regelmäßige Updates, unregelmäßig bei Abweichungen etc.
* SMV werden (vermutlich über GOOSE) zwischen den IED geteilt, die IED werden über SCL konfiguriert (stimmt das?)
* Datenmodell ist zumindest im Grundkonzept interessant, da es mit GOOSE direkt zusammenpasst und somit stressfreier als Binärkram zu lesen ist (Interoperabilität) [Ja, aber halt nicht alle einzelnen möglichen Bestandteile durchgehen. Ich denke einfach eine Folie mit einer Übersicht zeigen und mal drüber fliegen wäre i.O]
* Process Bus ist sehr nah an Switchgear angesiedelt; eine Bay in einer Substation ist soetwas wie ein Rack im Serverraum - Dinge für eine gemeinsame Aufgabe stecken dort zusammen - so die Ideee
* 
\end{comment}

\section{Überblick}

\subsection{Überblick}
\begin{frame}{Überblick}
\begin{itemize}
\item Ausgangspunkt prorietäre Protokolle
\begin{itemize}
\item Binärkodierte Daten waren nur für Geräte des passenden Herstellers verwertbar
\end{itemize}
\item Arbeit an UCA\footnote{Utility Communications Architecture} begann
\item Woraus der IEC 61850 enstand
\end{itemize}
Mit IEC 61850 soll die technische Weiterentwicklung zur Vereinfachung der Datenübertragung und -repräsentationen genutzt werden.
\end{frame}
\begin{comment}
Früher hatte man wenig Bandbreite => Kommunikation erfolgte via wenigen bytes
 	=> Das hat zum Nachteil, dass vorher viel abgesprochen werden muss
    	=> welches byte bedeutet was, Konfiguration war aufwendig etc.
Heute hat man viel Bandbreite zur verfügung
=> Selbst erklärende Daten möglich
Daraus enstand die UCA (Utility Communication Architecture)
	=> Grundstein für den IEC 61850 (GSSE stammt aus dem UCA (erwähnenswert?) <- Lieber nicht, GSSE und GOOSE sind zwei Paar Schuhe.
\end{comment}


\begin{comment}
Aufbau des IEC 61850
	- Funktionale Anforderungen für Kommunikation in einer substation werden ermittelt
    	- Diese Anforderungen dienen daraufhin dazu 
        	- Beispielsweise die Data Items und Service
            - Das Applikation Protokoll
            - das unterliegende transport, netzwerk, "data link" und physische "layer"
          zu finden, die diese Anforderungen erfüllen
	- Defintion der Data Items und Services die UNABHÄNGIG der darunter liegenden Protokolle sind.
      - Daraus entstehen ASCI (Abstract Communication Service Interface) für die Service
      - Und für die Data Models gibt es diese "Logical Nodes" (+ Sub-Typen) (Kommen ja später in dem Bild)
          - Hinzu kommen die: Common Data Classes (für die "common pieces" aus denen die data objects bestehen
   	- Das Mappen der abstrakten Data Items / Services zu echten Protokollen.
    	-	MMS
        - 	GOOSE
    - Sample Measures Values (Aufnehmen/Sammeln/Umwandeln der "echten" anlogen werte?)
    - Process Bus.
    - Zwischendrin wird das SCL (Substation Configuration Language) erklärt. (XML Dialekt)
    	- Formale beschreibung der Beziehung einer Substation und dem substation automation system (SAS)
        	- ("Substation Automation System (SAS) software provides an intelligent solution to monitor, analyze, control, and protect today's modern substations")
    
    - Eigentlicher Fokus war "inside" the substations. Wird jedoch auch für "Substation to Master" oder substation-to-substation communcation genutzt.
    -
   
<!------------------------------------------------------------------------------------------------------!>
\end{comment}

\subsection{Struktur des IEC 61850}
\begin{frame}{Struktur des IEC 61850}

\begin{minipage}{0.45\textwidth}
\begin{itemize}
\item Funktionale Anforderungen ermitteln (3-5)
\item Definition der Substation Configuration Language (SCL) (6)
\item Definition abstrakter \enquote{data items} und \enquote{services} (7)
\item Mappen der abstrakten Typen auf Protokolle (8)
\item Sample Measured Values (SMV) (9)
\end{itemize}
\end{minipage}
\hfill
\begin{minipage}{0.5\textwidth}
\begin{figure}[f]
\includegraphics[scale=0.20]{toc_IEC.png}
\caption{Ralph Mackiewicz, Technical Overview and Benefits of \dots - Tabelle 1}
\end{figure}
\end{minipage} 

\end{frame}


\begin{comment}
Device model begins with a physical device
	- defined by network address
    - contains one or more logical devices
    	- Each Logical device contains one or more logical nodes
        	-	A logical node:
            	- One or more "Named grouping of data und services" die in Verbindung zu einer power system function stehen.
                	- Typ am ersten Buchstaben des namens erkennbar. "M" is metering/measurement.
                   	- (Kurze Folie mit übersicht einblenden, aber nicht näher drauf eingehen?!?!)
                    - Weiter unterteilt in "sub datentyp"? Beispielsweise "Phase 2"
                    - Erfüllt specification of CSC (common data class) 
                    - Bild von so einem CSC einblenden? (overview paper, seite 3 Fig. 2.)
                 
                    	
\end{comment}

\section{Datenmodell}

\begin{comment}
Falls du das gebrauchen kannst :-)
\end{comment}
\subsection{Hierarchie definierter Typen/Objekte}
\begin{frame}{Hierarchie definierter Typen/Objekte}
\begin{figure}
\includegraphics[scale=0.27]{IEC61850-7-2-F1.png}
\captionsetup{labelformat=empty}
\caption{IEC 61850-7-2, Abbildung 1}
\end{figure}
\end{frame}

\subsection{Datenmodell}
\begin{frame}{Datenmodell}
Definition verschiedener, hierarchischer Abstraktionsebenen
\begin{itemize}
\item Server $\rightarrow$ Logical Device $\rightarrow$ Logical Node $\rightarrow$ Data Object $\rightarrow$ Data Attribute
\item Server enthalten mehrere Logical Devices
\item Logical Devices arbeiten gemeinsam an einer Funktion
\begin{itemize}
\item \dots und enthaltene mehrere Logical Nodes
\end{itemize}
\item Logical Nodes enthalten Datenobjekte mit Attributen
\end{itemize}
$\Rightarrow$ Adressierung einzelner Datenattribute über voll qualifizierten \enquote{Pfad} möglich
\end{frame}

\begin{frame}{Datenmodell}
\begin{figure}
\includegraphics[scale=0.40]{UCAIUG-Slide15.png}
\captionsetup{labelformat=empty}
\caption{UCAIug Summit; IEC 61850 Tutorial, Folie 15}
\end{figure}
\end{frame}


\begin{comment}
   => Daten sind nun abstrakt. (Logical devices/nodes, common data class etc.)
   		- Werden auf echtes Protokoll gemapped
        	=> MMS (Manufacturing Message Specification)
            	- Wurde gewählt, weil es leicht mit den Complexen Namen umgehen kann. Prinzipell jedoch jedes andere Protokoll denkbar,
                - (Kurze Folie die das IEC61850 to Object Mapping zeigen? Overview Paper, Seite 4, Table II)
                	- (Kurze übersicht über das Mappen. Ein "control model" service wird zu read/write services,  Logical device wird ein MMS Domain etc.)
                
\end{comment}

\section{Protokolle}
\subsection{GOOSE}
\begin{frame}{Protokolle: GOOSE}
\begin{itemize}
\item Generic Object Oriented Substation Events
\item Baut direkt auf Ethernet (Layer 2) auf
\begin{itemize}
\item VLANs werden als Nachrichtenkanäle genutzt
\item Peer-to-peer-Kommunikation über Multicast\footnote{Broadcasts innerhalb eines VLAN}
\item Nachrichtenpriorität wird direkt über Ethernet-Header angegeben
\end{itemize}
\item IED$\Leftrightarrow$IED-Kommunikation
\item Zustandsmeldungen (regelmäßig oder auch abhängig von Events/Wertabweichungen)
\item Kommunikation via GOOSE hauptsächlich \textit{innerhalb} des Umspannwerks
\end{itemize}
\end{frame}

\subsection{MMS}
\begin{frame}{Protokolle: MMS}
\begin{itemize}
\item Manufacturing Message Specification
\begin{itemize}
\item Gemäß ISO 9506\footnote{Nachrichtenformate für Fertigungszwecke} standardisiert
\item IEC 61850 definiert ein Mapping des Datenmodells für MMS
\end{itemize}
\item Client/Server-Protokoll
\item Findet über TCP/IP (Layer 3) statt
\item In unserem Kontext: Kommunikation zwischen HMI\footnote{Human Machine Interface} und IEDs
\begin{itemize}
\item \dots und somit auch ggf. zwischen Umspannwerken und Kontrollzentren
\end{itemize}
\end{itemize}
\end{frame}

\begin{comment}
\begin{frame}{Objektmapping von IEC 61850 auf MMS}
\begin{figure}
\includegraphics[scale=0.40]{mms_data_mapping.png}
\caption{Ralph Mackiewicz, Technical Overview and Benefits of \dots - Tabelle 2}
\end{figure}
\end{frame}
\end{comment}


\begin{comment}
Es fehlt hier auf jeden fall noch irgendwas Praxis bezogenes. Aka wie wird das ganze umgesetzt/eingesetzt. (Ich denke, dass das spannende für das Projekt ist?!?!?)
Laut der readme.
	- "betroffene Geräte"
    	=> Geräte die irgendwas mit dem IEC zu tun haben
        	-> Was haben sie zu zun? Kann man sicher eine tolle Grafiken aus der Präsi die du gestern geschickt hast übernehmen
    - "Beispiel für die Umsetzung eines einfachen Gerätes über den Standard."
    	- Das geht irgendwie ein wenig Hand in Hand mit vorherigen Punkt bzw. kann man das verbinden?
        	=> in einem (Praxisbezogenen) Bild die betroffenen Geräte aufzeigen
            	=> Inklusive der Beziehung zu einander
                	=> Kommunikation untereinader. Wer spricht was mit wem (und worüber)
                    	=> Daran kann man super den Station/Prozess Bus erklären, sowie am Beispiel aufzeigen, wer wie warum welches Datenpakete (über welchen layer) verschickt.
            
\end{comment}

\section{Datenfluss}

\begin{frame}{Datenfluss auf abstrakter Ebene}
\begin{figure}
\includegraphics[scale=0.7]{IEC61850-5-F3.png}
\caption{IEC 61850-5, Abbildung 3}
\end{figure}
\end{frame}

\begin{frame}{Schnittstellen eines IED}
\begin{figure}
\includegraphics[scale=0.7]{IEC61850-6-F18.png}
\captionsetup{labelformat=empty}
\caption{IEC 61850-6, Abbildung 18}
\end{figure}
\end{frame}

\begin{frame}{Kommunikationswege innerhalb eines Umspannwerks}
\begin{figure}
\includegraphics[scale=0.30]{IEC_OB_Substation_Architecture.png}
\caption{Ralph Mackiewicz, Technical Overview and Benefits of \dots - Abbildung 6}
\end{figure}
\end{frame}

\begin{comment}
In dem Overview paper steht afaik eine gute Zusammenfassung.
\end{comment}
\section{Fazit}
\begin{frame}{Fazit}
Der IEC 61850 bringt sehr, sehr viel mit\footnote{Vor allem eine Menge an Text \dots}. \\
Uns gefällt davon vor allem \dots
\begin{itemize}
\item \dots Interoperabilität durch Abstraktion der Daten/Services
\item \dots das selbstbeschreibendes Datenmodell
\item \dots vollständig \enquote{adressierbare} Datenattribute
\item \dots günstige und einfache Installation/Integration von IEDs
\begin{itemize}
\item Freiheit bei der Wahl der Hersteller
\end{itemize}
\end{itemize}
\vfill
\dots und das war erst ein Teil des Standards!
\end{frame}

\begin{frame}{Quellen}
\begin{itemize}
\item IEC 61850
\item Ralph Mackiewicz: Technical Overview and Benefits of the IEC 61850 Standard for Substation Automation
\item Ralph Mackiewicz on UCAIug Summit 11/2011: IEC 61850 Tutorial
\end{itemize}
\end{frame}

\begin{comment}
\begin{frame}{Überblick}
\begin{itemize}
\item Zu erfüllende Anforderungen (????)h
\item We can \enquote{know} a piece of information
\item We can \enquote{share} it with other devices
\item Protokolle (GOOSE, MMS, \dots)
\item Bild: physikal/logical Device, Node, Data (Übergang zwischen Datenmodell und den Geräten)
\item Architektur einer Substation
\item Highlevel Services
\item Datenmodell, Data classes, self describing, auf Elektronikkrams abgestimmt
\item Substation Configuration Language (SCL) (nur am Rande?)
\item Vorteile durch IEC 61850 und so?
\end{itemize}
\end{frame}
\end{comment}

% The end.
\end{document}