Tecnologie di comunicazione per reti attive

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1 Tecnologie di comunicazione per reti attive G. Proserpio, M. Sacchi, C. Tornelli, G. Colombo A. Tonello, F. Versalotto (Università di Udine) Febbraio 2010 Area: Governo, Gestione e Sviluppo del Sistema Elettrico Nazionale

2 TTD Tecnologie T&D Pag. 1/58 Contratto Accordo di programma con il Ministero dello Sviluppo Economico per le attività di ricerca e sviluppo di interesse generale per il sistema elettrico nazionale. Piano Annuale di realizzazione Oggetto Tecnologie di comunicazione per reti attive Progetto Linea di Ricerca Deliverable Note Ricerche su Reti Attive, Generazione Distribuita e Sistemi di Accumulo Ricerche su reti attive (Smart Grids) 14 PUBBLICATO (PAD ) La parziale riproduzione di questo documento è permessa solo con l'autorizzazione scritta di ERSE. N. pagine 58 N. pagine fuori testo Data 26/02/2010 Mod. RPRDS v. 03 Elaborato Verificato Verificato Approvato Approvato G. Proserpio (TTD), M. Sacchi (TTD), C. Tornelli (TTD); G. Colombo (SSE); A. Colombo Tonello, Giovanni F. Versolatto (SSE), (Università Sacchi Massimiliano AUT di Udine) (TTD), Proserpio Gianluigi Albino (TTD), AUT AUT Tornelli Carlo Ismaele (TTD) AUT A. Tonello, F. Versolatto (Università di Udine) Carlo Tornelli (TTD) Tornelli Carlo Ismaele (TTD) VER Michele De Nigris (TTD), Massimo Gallanti (SSE) De Nigris Michele (TTD), Gallanti Massimo (SSE) APP APP ENEA Ricerca sul Sistema Elettrico S.p.A. via R. Rubattino, Milano - Italia Tel Fax Capitale sociale Euro i.v. R.I. di Milano, C.F. e P.IVA , N. R.E.A ISO 9001 CH-32919

3 TTD Tecnologie T&D Pag. 2/58 Indice SOMMARIO EMULATORE DI SCAMBI INFORMATIVI PER IL PROTOCOLLO IEC Architettura generale della simulazione Ambiente di emulazione della rete di comunicazione Real-time database XMC Server IEC Controllore Centrale Sincronizzazione clock Procedura operativa Esempio di applicazione SISTEMA DI SINCRONIZZAZIONE TEMPORALE PER LA MISURA DEI TEMPI DI TRASMISSIONE DATI FRA DUE UNITÀ REMOTE Requisiti per il sistema di sincronizzazione Implementazione del sistema di sincronizzazione Configurazione del ricevitore GPS Server NTP Verifica del funzionamento Monitoraggio della sincronizzazione UTILIZZO DEL PROTOCOLLO STANDARD IEC SU RETE DI COMUNICAZIONE PUBBLICA Tecniche di sicurezza basate su Virtual Private Network Architettura del dimostratore Risultati della sperimentazione Latenza complessiva ed identificazione dei diversi contributi Analisi dei principali contribuiti alla latenza complessiva Conclusioni PREDISPOSIZIONE DI PUNTI DI MISURA PER LA CARATTERIZZAZIONE DEL CANALE DI COMUNICAZIONE POWER LINE IN RETI DI MEDIA TENSIONE VALUTAZIONE DI APPLICABILITÀ DI TECNICHE UWB A COMUNICAZIONI POWER LINE SULLA RETE MT La modulazione Impulsive Ultra Wide Band (I-UWB) Schema a blocchi del sistema Implementazioni del ricevitore a correlazione Modelli di canale e rumore Risultati delle simulazioni SNR funzione dell occupazione spettrale Incrementi del SNR al variare della PSD in trasmissione Processing Gain Interferenza al variare del tempo di frame Capacità del canale Copyright 2010 by ERSE. All rights reserved - Activity code 1049/01

4 TTD Tecnologie T&D Pag. 3/ Dipendenza del modello di canale dalla lunghezza del collegamento Il modello multipath Conclusioni RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI Copyright 2010 by ERSE. All rights reserved - Activity code 1049/01

5 TTD Tecnologie T&D Pag. 4/58 STORIA DELLE REVISIONI Numero Data Protocollo Lista delle modifiche e/o dei paragrafi modificati revisione 0 26/02/2010 Prima emissione SOMMARIO Il presente Rapporto è parte integrante della documentazione delle attività di Ricerca di Sistema previste dal Piano Annuale di Realizzazione 2009 nell ambito del progetto Ricerche su Reti Attive, Generazione Distribuita e Sistemi di Accumulo (Area Governo, Gestione e Sviluppo del Sistema Elettrico Nazionale ) e ne costituisce il Deliverable 14. Lo sviluppo e l impiego di nuovi sistemi di comunicazione a supporto dell esercizio della rete di distribuzione costituiscono una delle innovazioni più rilevanti per rendere possibile una gestione attiva della rete. Nel documento sono riportati i risultati di indagini e sperimentazioni condotte relativamente a nuove tecnologie di comunicazione per le reti di distribuzione. La tematica dei sistemi di comunicazione è di per sé particolarmente articolata, pertanto sono presi in considerazione aspetti tecnologici ai diversi livelli della comunicazione ma tra loro strettamente correlati. Il documento presenta dei contributi riguardanti sia le infrastrutture fisiche di comunicazione, sia i protocolli da utilizzare per la rete elettrica tenendo conto dei requisiti funzionali richiesti dalle applicazioni. Nel capitolo 1 viene descritto un ambiente software di emulazione in grado di configurare un caso applicativo di controllo e di emulare gli scambi informativi associati utilizzando il protocollo standard IEC Tale emulatore permette di riprodurre su una singola piattaforma il funzionamento reale di una applicazione, che coinvolge normalmente più dispositivi presenti su una rete di distribuzione, e permette quindi la stima del traffico dati e dei requisiti per la rete di comunicazione associata. Come esempio di prova delle funzionalità dell emulatore è stato rappresentato lo scambio informativo associato ad una applicazione di controllo centralizzato del profilo tensione in una microrete. In tale contesto si è previsto un sistema di controllo centrale che colloquia con alcuni sistemi di generazione distribuita. Alcune applicazioni di controllo e protezione per la rete pongono requisiti stringenti sul tempo di ritardo ammesso nella comunicazione. Il capitolo 2 descrive lo sviluppo di un sistema di sincronizzazione per la misura dei tempi di latenza nella comunicazione fra più nodi geograficamente distribuiti di una rete di comunicazione. L estensione del protocollo IEC all ambito della comunicazione con le risorse energetiche di una rete elettrica di distribuzione, essendo queste generalmente sparse sul territorio, pone la sollecitazione ad utilizzare a questo scopo una rete di comunicazione pubblica. Il capitolo 3 affronta i problemi legati all utilizzo del protocollo in questo ambito, in cui la rete di comunicazione non è più sotto il controllo del gestore della rete elettrica, e considera i problemi di protezione e sicurezza delle informazioni scambiate contro intrusioni e possibili attacchi proponendo meccanismi di salvaguardia e di protezione dello scambio informativo da queste eventualità. L ultima parte del documento è dedicata alle tecnologie di comunicazione power line applicate alla rete di media tensione. Nel capitolo 4 viene descritta l infrastruttura sperimentale allestita in ERSE per la

6 TTD Tecnologie T&D Pag. 5/58 caratterizzazione del canale power line di reti MT, in particolare per studiare l effetto delle stazioni di trasformazione MT/BT sulla funzione di trasferimento complessiva del canale trasmissivo. Il capito 5, infine, riporta i risultati di uno studio condotto per valutare le possibilità di impiego di nuove tecniche di modulazione UWB (Ultra Wide Band) alle comunicazione power line su linee di media tensione.

7 TTD Tecnologie T&D Pag. 6/58 1 EMULATORE DI SCAMBI INFORMATIVI PER IL PROTOCOLLO IEC61850 L esercizio in tempo reale di una rete elettrica comprendente generazione elettrica distribuita richiede la disponibilità di una rete di comunicazione con caratteristiche adeguate alle funzioni di controllo che si debbono implementare. Inoltre, le necessità di interoperabilità e sicurezza della comunicazione fra i diversi componenti e soggetti coinvolti in ciascuna applicazione richiede l impiego di protocolli standard i quali aggiungono un certo overhead ai contenuti informativi elementari. In questo contesto emerge quindi la necessità di disporre di strumenti che aiutino nella previsione e nella valutazione degli scambi informativi associati ad una particolare applicazione per poter specificare o valutare l adeguatezza di una infrastruttura di comunicazione al caso preso in considerazione. Per la valutazione dei requisiti associati a tale rete di comunicazione, con particolare riferimento al throughput, si è realizzato un ambiente di simulazione che consente di stimare tale parametro in un contesto di scambi informativi tra diversi dispositivi con protocollo IEC L'elemento base per la realizzazione della simulazione del sistema è rappresentato dal software open source Netkit per l'emulazione di reti di comunicazione, che consente la creazione di un notevole numero di macchine virtuali in ambiente Linux. Appoggiandosi a tale strumento si sono sviluppati dei moduli software che automatizzano la creazione di macchine virtuali rappresentanti server IEC ed il relativo meccanismo di accesso ai dati dinamici. A titolo di esempio, l'ambiente è stato successivamente utilizzato per simulare un sistema di controllo e monitoraggio della tensione di rete composto da un controllore centrale e da un numero variabile di dispositivi periferici associati ai diversi generatori distribuiti presenti. 1.1 Architettura generale della simulazione A differenza delle realizzazioni dei sistemi di controllo implementate in dispositivi reali (es. computer embedded), nell'ambito della presente simulazione ogni applicativo è eseguito all'interno di Virtual Machine (VM) che sono a loro volta implementate all'interno di un normale PC (host). Ogni VM è in grado di comunicare sia con le altre VM, sia con l'host che le ospita. Nella fattispecie l'ambiente di simulazione consente di emulare un sistema composto da un controllore centrale e da diversi IED (Intelligent Electronic Device), su ognuno dei quali è installato un server IEC rappresentante le funzioni di un generatore distribuito (DER). Ogni server è caratterizzato da un modello di dati conforme allo standard IEC-61850, rappresentante le funzioni associate ad uno specifico DER che risultano di interesse per l'applicazione da simulare. Ad esempio il modello di un impianto fotovoltaico, a differenza di una microturbina, risulta caratterizzato dall'assenza di possibilità di controllo dei set point di potenza da erogare, che quindi non saranno contemplati nel proprio modello di controllo. Viceversa, sia il modello dell'impianto fotovoltaico che quello della microturbina, prevedono i dati di misura di tensione rilevati in corrispondenza al punto di connessione elettrica con la rete di distribuzione, necessari al controllo del profilo di tensione. I modelli informativi di ciascun server possono contenere sia dati statici, ad esempio di tipo descrittivo come i dati di targa, che dinamici, come ad esempio i dati associati a misure elettriche tipicamente variabili nel tempo. I valori dei dati dinamici eventualmente previsti dal modello IEC di ciascun server, sono stati allocati in un database real-time denominato XMC, anch'esso installato sulla macchina host. La generazione dei dati dinamici è eseguita da un apposito software di simulazione, sempre residente sull'host, che modella in modo semplificato, solo per gli aspetti di comunicazione, il comportamento dei DER collegati alla rete elettrica.

8 TTD Tecnologie T&D Pag. 7/58 Il real-time database realizza quindi una funzione di intermediazione tra i server IEC ed il modello della rete elettrica/der. Sull'host viene eseguito anche il modulo software avente funzione di controllore centrale, che comunica con i server mediante il protocollo IEC In tale modulo software viene implementata la logica a livello applicativo correlata alle funzioni che si vogliono realizzare, e risulta di conseguenza la parte meno automatizzabile dell'intera simulazione. Nell'esempio che verrà illustrato di seguito, tale modulo presiede alle funzioni di monitoraggio dei parametri elettrici ed alla conseguente impostazione dei set point di ciascun DER, sulla base degli algoritmi in esso implementati. Figura 1-1: Struttura dell emulatore di traffico IEC Ambiente di emulazione della rete di comunicazione L'ambiente di simulazione Netkit consente la creazione di macchine virtuali dotate di risorse limitate (es. 32 Mbyte di RAM) all'interno di una macchina reale denominata host. Le diverse macchine virtuali sono tra loro interconnesse mediante una rete di comunicazione virtuale ideale, che trascura cioè gli aspetti fisici che caratterizzano la rete (latenza, error rate, ecc.). La rete di comunicazione fra le macchine virtuali è inoltre connessa ad una interfaccia virtuale residente sull'host, per cui è possibile far interagire i servizi residenti sulle macchine virtuali con quelli residenti sull'host Real-time database XMC Il modulo XMC presiede alla gestione dei dati dinamici, normalmente associati ai parametri elettrici del circuito simulato, mediante l'utilizzo di un'area di memoria condivisa in cui è possibile scrivere/leggere i dati mediante delle apposite API (Application Programming Interface).

9 TTD Tecnologie T&D Pag. 8/58 La definizione della struttura della memoria condivisa (shared memory) e delle variabili in essa allocate è realizzata mediante un file di configurazione scritto in XML la cui struttura viene realizzata automaticamente nella fase di creazione delle macchine virtuali Server IEC Per poter arrivare alla simulazione di un sistema caratterizzato dalla presenza di diverse tipologie di DER (ad esempio impianti fotovoltaici, microturbine, ecc.), è stato dapprima necessario realizzare un server prototipale per ciascuna di tali tipologie di DER. Nel server di ciascun prototipo sono implementati i relativi servizi IEC Nella successiva fase di configurazione delle Virtual Machine tali server prototipo vengono replicati in ciascuna macchina virtuale, permettendo così la realizzazione di un sistema di simulazione composto da quantità diverse di diversi tipi di DER Controllore Centrale Il controllore centrale (SCADA) è la parte del simulatore che implementa la logica di funzionamento dell applicazione e deve quindi essere realizzato di volta in volta in base al caso applicativo considerato. A livello di esempio può essere considerata l applicazione descritta nel paragrafo 1.3 in cui il controllore centrale interagisce con i diversi server IEC per rilevare il profilo di tensione sulla rete elettrica ed, in base a tali valori, calcola i set-point di potenza reattiva e li invia a ciascun DER. Il modulo software del controllore centrale viene eseguito sulla macchina host in quanto richiede maggiori risorse rispetto a quelle disponibili sulle VM e, in aggiunta all esecuzione delle funzionalità vere e proprie del processo di controllo, si occupa di funzioni accessorie quali la verifica periodica della presenza della comunicazione rispetto a ciascun server IEC Sincronizzazione clock Al fine di mantenere sincronizzati gli orologi di tutti i dispositivi componenti il sistema, sull'host è stato installato anche un modulo master IEEE-1588 mentre su ciascun server IEC61850 è presente un modulo slave IEEE La frequenza di sincronizzazione è pari a 1 secondo ed il relativo traffico di rete si sovrappone a quello IEC Procedura operativa Dopo aver realizzato i prototipi di server IEC e lo SCADA centrale è possibile predisporre la configurazione della simulazione mediante la scrittura dei parametri contenuti nello script clonavm.sh ed alla sua successiva esecuzione. Ad esempio, per creare due VM di tipo Microturbina, il cui server prototipo è definito nella directory MT001, e tre di tipo Fotovoltaico, devono essere definiti i seguenti parametri: # Crea le VM contenenti server IEC61850 di tipo Microturbina sulla base dei seguenti parametri e del server prototipo VMQuantity=2 # Numero di Virtual Machine da creare VMcommon_name="MT" # Prefisso comune al nome delle Virtual Machine (deve esistere la dir e lo startup file) host_ip=" " # IP dell'host di netkit prototypevm_number=1 # Parte finale del nome della VM prototipo prototypevmhostip=1 # IP finale della macchina prototipo, gli IP delle VM clonate seguono questo IP VMcommonIP=" " # Subnet della rete virtuale CreateVirtualMachines $VMQuantity $prototypevmhostip $VMcommon_name $host_ip $VMcommonIP $prototypevm_number \ $scada_path $osicfg_file $nomefilepuntixmc $prototype_server_path $fileout $prototype_server_path # Crea le VM contenenti server IEC61850 di tipo fotovoltaico sulla base dei seguenti parametri e del server prototipo #+Il modello di controllo è disabilitato e quindi il client non può regolare la potenza VMQuantity=3 #

10 TTD Tecnologie T&D Pag. 9/58 VMcommon_name="PV" # Prefisso comune al nome delle Virtual Machine (deve esistere la dir e lo startup file) prototypevmhostip=110 # IP finale della macchina prototipo, gli IP delle VM clonate seguono questo IP CreateVirtualMachines $VMQuantity $prototypevmhostip $VMcommon_name $host_ip $VMcommonIP $prototypevm_number \ $scada_path $osicfg_file $nomefilepuntixmc $prototype_server_path $fileout $prototype_server_path In tal modo saranno configurate due Virtual Machine contenenti server IEC con modello microturbina, e tre VM contenenti server IEC con modello fotovoltaico, ciascuna caratterizzata da specifici parametri di rete. Dal punto di vista operativo la simulazione è attivata secondo la seguente procedura: 1. Attivare il real-time database XMC eseguendo il login come utente proprietario di xmc (#su proprietario) e dalla home lanciare #xmc/procedure/xmcgo (esguire #rilbanc per interrompere il real-time database); 2. Lanciare il server ptpd su host per la sincronizzazione dei clock con #./ptpd -b nk_tap_root; 3. Eseguire il modulo modello_gd per simulare il comportamento del sistema elettrico e dei DER; 4. Lanciare le VM precedentemente configurate mediante #lstart -s ; 5. Eseguire il controllore centrale con #client_scada_ld ; 6. Eseguire wireshark per catturare ed analizzare il traffico di rete sull'interfaccia virtuale dell'host nk_tap_root. 1.3 Esempio di applicazione L'ambiente di simulazione sopra descritto è stato utilizzato per simulare un sistema composto da un controllore centrale, due DER di tipo Microturbina e tre DER di tipo fotovoltaico. L'applicazione simulata è orientata al controllo del profilo di tensione della rete elettrica a cui i DER sopracitati sono virtualmente collegati. La simulazione prevede il rilievo periodico da parte del controllore centrale della tensione ai capi di ciascun DER e, dopo aver verificato che il DER consente la regolazione di potenza reattiva, calcola i set point relativi e li invia ai server IEC rappresentanti i DER. Oltre allo scambio informativo associato all'applicazione, ne è previsto anche uno ausiliario per la verifica del link di connessione tra il controllore e ciascun server IEC-61850, oltre alla funzione di mantenimento della sincronizzazione dei clock delle varie IED realizzato mediante protocollo IEEE Di seguito sono sintetizzati i passi principali che costituiscono il processo di controllo: 1. Il software di modellazione della rete elettrica memorizza nel real-time database i valori di tensione e potenza in corrispondenza di ciascun DER previsto nella simulazione. 2. Ogni server IEC61850, su richiesta periodica del controllore centrale, rileva dal real-time database i dati memorizzati al punto 1, che risultano necessari all'algoritmo residente nel controllore centrale per la gestione del profilo di tensione. 3. Il controllore centrale invia ai server IEC i set point di potenza reattiva per il controllo del profilo della tensione. Ciascun server IEC memorizza nel real-time database tali valori, che saranno utilizzati in seguito per ricalcolare i parametri elettrici sulla base del modello della rete elettrica (punto 1). I modelli IEC rappresentati nei server (vedi Figura 1-2) contengono un Logical Device denominato DER_UNIT_CONTR che contiene il Logical Node DRCC1 (DER supervisory control) che è utilizzato per l'impostazione dei set-point ed il Logical Node MMXU1 (Measurement) che presiede alle misure delle principali grandezze elettriche.

11 TTD Tecnologie T&D Pag. 10/58 Al fine di esemplificare l impiego di differenti modelli IEC in una applicazione, il controllo di potenza reattiva è stato abilitato solo nel modello relativo alla microturbina mentre lo si è disabilitato nel modello dell'impianto fotovoltaico. Chiaramente il controllore centrale può impostare i set point di potenza reattiva solo per le unità in cui il controllo di potenza reattiva è abilitato. Figura 1-2: Vista della struttura dati del Server IEC Il modulo software relativo al modello associato alla rete elettrica ha la funzione di rilevare dal real-time database i set point di potenza reattiva ricevuti dal controllore centrale e di simulare con un algoritmo semplificato i valori di tensione, che a loro volta saranno memorizzati nelle corrispondenti variabili del real-time database. Al momento, il calcolo della tensione in corrispondenza a ciascun DER sulla base dei valori di set point impostati non viene eseguito utilizzando un simulatore di rete. Essendo interessati a rappresentare solo lo scambio informativo associato all applicazione le variazioni di tensione sono calcolate semplicemente aggiungendo un valore casuale ad un incremento elementare predefinito. Tale algoritmo elementare potrà in seguito essere sostituito da una modellazione più complessa, realizzata mediante simulatori quali Matlab o DIgSILENT, mantenendo comunque inalterata la struttura di accesso ai dati ed il resto della simulazione del sistema. In Figura 1-3 è riportata la visualizzazione dell ambiente di simulazione corrispondente al caso di esempio considerato. Le finestre PV001, PV002 e PV003 rappresentano i server IEC relativi ai tre campi FV, MT001 e MT002 corrispondono ai server associati alle microturbine mentre la restante finestra rappresenta il controllore centrale. Il grafico di Figura 1-4 riporta l'andamento nel tempo del traffico (bit/sec) rilevato sulla rete di comunicazione emulata e corrispondente all applicazione di esempio sopra descritta, in cui cinque unità DER sono controllate da un controllore centrale mediante il protocollo IEC Dal grafico risulta evidente la ciclicità del carico della rete di comunicazione correlato all intervallo di tempo stabilito per l esecuzione dell algoritmo di controllo centralizzato del profilo di tensione. Si misura per l esempio considerato un picco di traffico dell ordine di 100 kbit/s. In aggiunta al flusso dati principale associato all applicazione, nei periodi di silenzio è possibile notare anche un traffico secondario dovuto allo scambio dati per il mantenimento della sincronizzazione degli orologi di tutti i dispositivi componenti il sistema.

12 TTD Tecnologie T&D Pag. 11/58 Figura 1-3: Esempio di visualizzazione dell ambiente di emulazione Figura 1-4: Andamento nel tempo del traffico IEC (bit/s) per una applicazione di prova

13 TTD Tecnologie T&D Pag. 12/58 2 SISTEMA DI SINCRONIZZAZIONE TEMPORALE PER LA MISURA DEI TEMPI DI TRASMISSIONE DATI FRA DUE UNITÀ REMOTE Nell'ambito dei sistemi di comunicazione, il tempo di latenza rappresenta il ritardo che le relative infrastrutture di comunicazione introducono in occasione dell'inoltro di messaggi fra un punto e l altro della rete. Nel caso in cui l'applicazione che utilizza l'infrastruttura di comunicazione necessiti di particolari requisiti associati al tempo di risposta, la conoscenza di tale parametro risulta di fondamentale importanza. La misura puntuale di tale parametro fra più nodi geograficamente distribuiti, implica che gli orologi di ciascun sistema di rilievo degli eventi siano tra loro sincronizzati, in modo di disporre di un unico sistema di riferimento temporale al quale correlare gli eventi rilevati. 2.1 Requisiti per il sistema di sincronizzazione Per il rilievo dei tempi di latenza fra punti geograficamente distanti in una rete di comunicazione, le caratteristiche richieste ai sistemi di sincronizzazione sono le seguenti: precisione temporale nell'ordine del millisecondo, funzionamento indipendente dalla disponibilità di accesso alla rete internet, costi di realizzazione contenuti, in considerazione della numerosità richiesta. Una soluzione adatta a far fronte a tali requisiti è rappresentata dal sistema di sincronizzazione basato sul sistema satellitare GPS, il cui segnale rappresenta sia la posizione geografica del ricevitore che il riferimento temporale. Sulla base di queste considerazioni, si sono realizzati due sistemi di sincronizzazione prototipali aventi funzioni di server NTP. Ciascun di tali server NTP, che è sincronizzato in modo autonomo al sistema GPS, è in grado di distribuire il proprio riferimento temporale ad altri sistemi connessi in rete LAN/WAN, mediante il protocollo NTP (Figura 2-1). Figura 2-1: Architettura del sistema di sincronizzazione

14 TTD Tecnologie T&D Pag. 13/ Implementazione del sistema di sincronizzazione Il sistema di sincronizzazione che è stato realizzato è basato su un ricevitore GPS Garmin GPS18LVC collegato mediante linea seriale ad un PC che implementa sia la gestione delle informazioni provenienti dal ricevitore GPS sia le funzionalità di server NTP. Utili informazioni per l'implementazione di tale soluzione sono disponibili in Internet (http://time.qnan.org/, Sul PC è stato installato il sistema operativo FreeBSD 7.4, che gestisce in modo ottimale le informazioni provenienti dalla linea seriale, che comprendono sia la data/ora che il segnale PPS (Pulse Per Second) rappresentante l'istante in cui scatta un nuovo secondo. Il sistema operativo rende disponibili le informazioni di sincronizzazione così rilevate, direttamente al server NTP che a sua volta le mette a disposizione di altri dispositivi connessi alla rete di comunicazione mediante il protocollo NTP Configurazione del ricevitore GPS Il ricevitore GPS Garmin GPS18 è stato configurato mediante il software in dotazione SNSRXCFG_200, al fine di inviare sulle linee di trasmissione dell'interfaccia seriale le stringhe di caratteri in formato NMEA (GPGGA-GPRMC-GPGSV) a 4800 baud, analoghe alle seguenti: $GPGGA,130326, ,N, ,E,1,06,1.2,133.1,M,46.7,M,,*43 $GPGSV,2,1,08,04,07,306,18,11,57,157,18,13,17,205,18,17,37,292,22*74 $GPGSV,2,2,08,20,76,311,22,23,47,195,17,31,24,071,36,32,62,055,43*7D $GPRMC,130327,A, ,N, ,E,000.0,000.4,110210,000.9,E,A*16 Il ricevitore GPS deve essere inoltre configurato per emettere un segnale PPS con fronte positivo di durata 200 ms e precisione di 1 microsecondo, in corrispondenza dello scoccare di ogni secondo. Il driver dell'interfaccia seriale di FreeBSD, che è implementato a livello di kernel, gestisce sia le informazioni di data ed ora rilevate sulle consuete linee Rx/Tx (pin 2/3), che il segnale PPS (pin 1) Server NTP Il driver dell'interfaccia seriale rende disponibili le informazioni di sincronizzazione direttamente al server NTP, che a sua volta li rende disponibili agli altri dispositivi collegati in rete LAN/WAN mediante il protocollo NTP. Di seguito vengono riportati i principali parametri della configurazione del server NTP: server mode 1 minpoll 4 maxpoll 4 prefer fudge time flag3 1 flag2 0 refid PPS Lo pseudo indirizzo IP definisce che la sorgente della sincronizzazione è la linea seriale. Il parametro flag3 posto uguale ad 1, significa che deve essere usato il segnale PPS, mentre il valore 1 relativo al parametro flag2 significa che l'inizio del secondo corrisponde al fronte di salita del segnale PPS. 2.3 Verifica del funzionamento A valle dell'attivazione del sistema di sincronizzazione è possibile, mediante il comando ntpq -p, ottenere una valutazione della precisione con cui il sistema è sincronizzato al proprio riferimento GPS, analoga alla seguente:

15 TTD Tecnologie T&D Pag. 14/58 # ntpq -p remote refid st t when poll reach delay offset jitter ============================================================================== LOCAL(0).LOCL. 10 l *GPS_NMEA(0).PPS. 0 l Dalla presenza dell'asterisco in corrispondenza del device GPS_NMEA si desume che il sistema è attualmente sincronizzato mediante il dispositivo seriale.pps. e che la differenza attuale (offset) tra l'orologio di sistema ed il suo riferimento GPS è pari a 2 microsecondi (0.002 ms). All'interno del file di configurazione del server NTP è presente anche una sezione che attiva la registrazione sistematica dei principali parametri di sincronizzazione, tra cui l'offset. L'andamento nel tempo del parametro rappresentante l'offset tra l'orologio del sistema su cui risiede il server NTP ed il suo riferimento fornisce un'indicazione della stabilità della sincronizzazione. Nella Figura 2-2 viene riportato lo schema logico dei rilievi effettuati per determinare l'offset tra ciascuno dei due sistemi prototipali e il comune riferimento temporale rappresentato dal GPS. Figura 2-2: Schema dei rilievi per la verifica della stabilità dei server NTP Nella Figura 2-3 è riportata la differenza di tempo, rilevata nell'arco di due giorni, tra gli orologi di ciascuno dei due server NTP e l'orologio del GPS. Figura 2-3: Andamento temporale dell offset tra ciascuno dei due server NTP e l'orologio GPS

16 TTD Tecnologie T&D Pag. 15/58 Nella Figura 2-4 viene riportato lo schema dei rilievi delle differenze tra gli orologi di ciascun server NTP ed i rispettivi client NTP (PC1 e PC2) a cui risultano autonomamente associati. Figura 2-4: Schema dei rilievi dell offset fra ciascun server NTP ed i rispettivi client NTP La Figura 2-5 riporta l'offset rilevato secondo lo schema precedente. Figura 2-5: Andamento temporale dell offset fra ciascun server NTP ed i rispettivi client NTP Considerando l insieme delle dispersioni associate alla catena di sincronizzazione, ci si attende quindi una differenza massima tra i clock dei due PC contenuta entro i 100 µsec. Al fine di verificare sperimentalmente tale ipotesi, si è approntato lo schema di prova riportato in Figura 2-6. A valle della sincronizzazione di ciascuno dei due PC rispetto al server NTP di propria pertinenza, si è attivata una comunicazione TCP/IP che prevede l invio periodico di pacchetti TCP da PC1 verso PC2 e viceversa.

17 TTD Tecnologie T&D Pag. 16/58 Figura 2-6: Schema per la verifica dell errore complessivo del sistema di sincronizzazione Nella verosimile ipotesi che la trasmissione e la ricezione di frame ethernet all'interno di una switched LAN avvenga nel medesimo istante (T1~=T2), il confronto tra le differenze dei tempi associati all'istante di cattura dei frame trasmessi (T1) e ricevuti (T2) da ciascuno dei due PC, fornisce un indicazione della differenza fra gli orologi dei due sistemi di sincronizzazione. Infatti, nell ipotesi che ci sia un offset tra gli orologi dei due PC, si noterebbe un effetto di somma di tale offset nel caso di trasmissione in un senso (es. PC1 PC2) e di sottrazione nel caso inverso (PC2 PC1). In Figura 2-7 è riportata la differenza tra i tempi di trasmissione rilevati dal PC1 e di ricezione rilevati dal PC2 durante la trasmissione originata da PC1 verso PC2. In Figura 2-8 è invece riportata la differenza tra i tempi di trasmissione rilevati dal PC2 e di ricezione rilevati dal PC1, durante la trasmissione di pacchetti da PC2 verso PC1. Figura 2-7: Differenza tra i tempi rilevati da PC1 e PC2 nella trasmissione PC1 PC2

18 TTD Tecnologie T&D Pag. 17/58 Figura 2-8: Differenza tra i tempi rilevati da PC1 e PC2 nella trasmissione PC2 PC1 La sostanziale coincidenza dei valori medi delle differenze di tempo, pari a circa 50 microsecondi, conferma in modo implicito la sincronizzazione degli orologi dei due PC. 2.4 Monitoraggio della sincronizzazione Al fine di effettuare un monitoraggio della stabilità della sincronizzazione dei server NTP rispetto al sistema GPS su intervalli di tempo prolungati, si è predisposto un sistema di rilievo delle differenze degli orologi riferite ai seguenti intervalli di tempo: un giorno (valori mediati su 5 minuti) una settimana (valori mediati su 30 minuti) un mese (valori mediati su 2 ore) un anno (valori mediati su 1 giorno) I risultati di tale monitoraggio sono rilevabili on-line in forma grafica all'indirizzo /mrtg/ della rete locale ERSE. I grafici in Figura 2-9, Figura 2-10 riportano le differenze medie degli orologi rilevate tra ciascuno dei due server NTP ed il sistema GPS, nell arco di alcuni mesi. Per ragioni dovute allo strumento di reportistica grafica utilizzato, che prevede solo la rappresentazione di valori positivi, alle medie giornaliere delle differenze dei clock è stato aggiunto sistematicamente un offset fisso di 20 microsecondi; di conseguenza i dati riportati all'ordinata 20.0 corrispondono ad un valore reale di zero microsecondi.

19 TTD Tecnologie T&D Pag. 18/58 Figura 2-9: Andamento annuale dell errore di sincronizzazione del Server NTP1 Figura 2-10: Andamento annuale dell errore di sincronizzazione del Server NTP2 Nella Figura 2-11 è riportato l'andamento giornaliero della differenza, mediata sui cinque minuti, del clock del sistema NTP1 rispetto al clock del sistema GPS. Figura 2-11: Andamento nel corso della giornata dell errore di sincronizzazione del Server NTP1

20 TTD Tecnologie T&D Pag. 19/58 3 UTILIZZO DEL PROTOCOLLO STANDARD IEC SU RETE DI COMUNICAZIONE PUBBLICA Il protocollo standard IEC-61850, nato per la comunicazione fra i dispositivi installati in sottostazioni AT, utilizza in tale ambito un'infrastruttura di comunicazione basata su rete locale (LAN). L estensione di questo protocollo all ambito della gestione delle risorse energetiche associate ad una rete elettrica di distribuzione, normalmente caratterizzate da una collocazione distribuita sul territorio, rende economicamente interessante l'utilizzo di una rete di comunicazione pubblica. L'uso di una tale infrastruttura di comunicazione per applicazioni di controllo della rete elettrica impone tuttavia di affrontare i problemi di sicurezza e protezione associati a questi sistemi di comunicazione dati che, in assenza di adeguate contromisure, possono risultare oggetto di intrusioni ed attacchi informatici. La presente attività affronta il problema dello scambio protetto di messaggi con protocollo IEC veicolati su un'infrastruttura di comunicazione pubblica. Pensando alle applicazioni del protocollo che pongono dei requisiti temporali stringenti, nell affrontare questo tema si è posta particolare attenzione allo scambio di messaggistica veloce IEC GOOSE, che interessa il livello data link del modello ISO/OSI. 3.1 Tecniche di sicurezza basate su Virtual Private Network Una prima soluzione per affrontare il tema della sicurezza delle comunicazioni su rete pubblica è stata individuata nell'utilizzo di Virtual Private Network (VPN), che offre caratteristiche di sicurezza analoghe a quelle di una rete privata, anche nel caso si utilizzi un'infrastruttura di comunicazione pubblica. La struttura di una VPN prevede che la comunicazione tra due punti di una rete di comunicazione avvenga mediante l'utilizzo di canali di comunicazioni virtuali, detti tunnel, realizzati con l'ausilio di algoritmi di cifratura ed autenticazione. In tal modo sia l'interpretazione della comunicazione da parte di eventuali osservatori non autorizzati, sia eventuali attacchi informatici, sono resi particolarmente difficili. Al fine di meglio chiarire i concetti base di una VPN, nella Figura 3-1 è riportato un esempio di dati inviati in chiaro in rete da parte dell'applicativo Scrivi in rete e della relativa ricezione da parte dell'applicativo Leggi da rete. In tale condizione, un eventuale osservatore non autorizzato, potrebbe rilevare i messaggi scambiati tra gli applicativi e, comprendendone il significato, potrebbe mettere in atto strategie di attacco informatico. Figura 3-1: Esempio di collegamento in rete in chiaro tra due PC

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