DNP3 (protocolo de rede distribuída) e IEC 61850

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DNP3 (protocolo de rede distribuída) e IEC 61850 | COPA-DATA

O protocolo DNP3, ou protocolo de rede distribuída, é um padrão de telecontrole estabelecido usado por companhas elétricas nos EUA e em muitos outros países. Embora o DNP3 seja um padrão muito usado no setor de energia dos EUA, o IEC 61850 europeu está ganhando popularidade e é visto como o referencial futuro para comunicação local. Com o amplo uso de ambos os padrões, mais empresas estão interessadas em usar uma combinação deles, o que pode ser facilitado por sistemas como o zenon.

Sobre o protocolo DNP3

DNP3, também conhecido como IEEE Std 1815, é um padrão de protocolo abrangente que define as regras pelas quais os computadores se comunicam entre si. Iniciado em 1993, o protocolo DNP3 definiu especificamente a interação entre sistemas de computador de companhias elétricas pensando em comunicação remota. Para isso, o DNP3 tem como foco oferece rum meio leve de transportar valores de dados simples com um alto grau de integridade.

O DNP3 define dois tipos de pontos de extremidade que se comunicam entre si: um mestre e uma estação remota. Eles são definidos como explicado a seguir:

  • O mestre
    O mestre é um computador ou rede usado em um centro de controle. Esse computador é potente, armazenando todos os dados recebidos de fontes de estações remotas e processando-os para exibição.
  • A estação remota
    Conhecida também como escravo, a estação remota é um computador usado em campo. Esses computadores da estação remota coletam informações de muitos dispositivos no local em campo, como sensores de corrente e transdutores de tensão, e comunicam os dados à estação mestre. Uma estação remota DNP3 também pode ser um dispositivo remoto que se comunica diretamente com o mestre, como um RTU ou IED, um medidor de fluxo de energia ou água, um inversor fotovoltaico ou qualquer tipo de estação controlada.

Além disso, o DNP3 define variáveis de dados por tipo e comportamento e prioriza-as conforme se representam ou não uma mudança do estado basal. Todos esses valores e regras são configurados pelo mestre na inicialização por meio de uma sondagem de integridade, que solicita à estação remota o envio do valor e do estado de todos os pontos configurados ao mestre. Depois desse processo de configuração, a estação externa transmite de modo seletivo os eventos com base em se os dados mudaram desde a última sondagem. Essas transmissões costumam ocorrer de modo cíclico, mas podem ser enviadas espontaneamente se determinados parâmetros forem atendidos.

Essas regras de comunicação permitem aos computadores mestre e da estação remota comunicarem-se usando largura de banda de rede limitada para transportar valores de dados e comandos simples entre as duas extremidades do sistema. Isso permite o envio de sinais por links seriais, links seriais multi-drop, links de rádio, conexões discadas e redes dedicadas usando TCP/IP ou UDP. Devido à capacidade de adaptação do sistema, o DNP3 pode lidar com a maioria dos cenários de interrupção de conexão, criando um sistema de comunicação altamente resiliente com poucos erros ou falhas. Essa flexibilidade e confiabilidade são integrais ao desenvolvimento do padrão DNP e sua adoção para comunicação remota no setor.

Na prática, DNP3 é usado principalmente na automação de estações remotas e sistemas de controle para o setor de energia elétrica. Porém, o DNP3 também foi adotado por outras áreas e companhias de serviços públicos essenciais, como água e esgoto. Conforme a tecnologia e a utilidade do protocolo evoluíram, o Grupo de Usuários de DNP continuou a desenvolver a especificação para melhorar a utilidade e manter a compatibilidade e interoperabilidade entre os dispositivos implementando a especificação original ou quaisquer recursos adicionados.

  • O padrão DNP3 foi projetado para comunicação remota em companhias elétricas, em que baixa largura de banda interrupções de rede são críticas.

    Segurança e criptografia do DNP3

    Embora o DNP3 seja comprovadamente eficaz no transporte de dados de uma extremidade à outra, a proteção dos dados é outra questão. A cibersegurança requer um conjunto de medidas organizacionais, de arquitetura e técnicas. A utilização do DNP3 em um sistema especificamente aumenta a demanda por proteção de dados em todos os pontos do caminho de transmissão. Principalmente, o sistema precisa ser protegido contra intervenção não autorizada. Para isso, aplicativos baseados em DNP3 costumam usar uma combinação de criptografia TLS e procedimentos de autenticação segura, definidos abaixo:

    • Criptografia TLS
      A criptografia TLS protege sistemas conectados por canais TCP/IP criptografando os dados de modo que apenas o sistema interno possa lê-los. A criptografia TLS é bem definida pelo padrão DNP3 e o Padrão IEC 62351 Parte 3 relacionado, assim, é comumente usada como uma medida de linha de base para proteger contra a divulgação de informações, acesso não autorizado e manipulação de mensagens.
    • Autenticação segura
      Esse mecanismo opcional requer autenticação quando determinadas solicitações chegam do lado do mestre ou da estação remota. Essas funções protegidas por autenticação costumam ser funções críticas que afetam a interoperabilidade do sistema, como configurar saídas de comando, a leitura de mensagens de confirmação ou similar. A autenticação é bidirecional e funciona usando o princípio de desafio-resposta, de modo que, se uma função é solicitada, o computador mestre é desafiado a fornecer uma resposta adequada a uma mensagem da estação remota conforme uma chave pré-compartilhada. Isso impede operação não autorizada ou não intencional. Embora a autenticação não criptografe os dados ou garanta confidencialidade, ela oferece uma camada extra de segurança para proteger contra funções ou alterações ao sistema possivelmente danosas.

    Idealmente, sistemas DNP3 usam uma combinação dessas medidas para garantir confidencialidade e segurança nos níveis do mestre e da estação remota.

    DNP3 vs. IEC 61850

    Embora o DNP3 seja o padrão mais usado no mercado de energia dos EUA, em instalações de eletricidade, água e esgoto, outro padrão está rapidamente ganhando aceitação global. O padrão europeu IEC 61850 está ganhando reconhecimento como o referencial futuro para protocolos de comunicação local. Agora amplamente adotado no mundo inteiro, empresas que usam o DNP3 também estão escolhendo adotar funcionalidade mista de DNP3 e IEC 61850. Porém, é importante entender cada protocolo e como ele compara a outro.

    No nível mais básico, o DNP3 tem como o foco o transporte de dados simples de modo seguro e leve para comunicação remota. O IEC 61850, por sua vez, tem como foco a comunicação entre ativos, como equipamentos de proteção, IEDs ou sistemas HMI/SCADA locais, dentro de uma instalação local. Outra diferença importante entre DNP3 e IEC 61850 é que o padrão IEC foca o contexto dos dados. Embora o DNP3 foque os dados e repasse a contextualização para os engenheiros, o IEC 61850 integra contexto no sistema mapeando os dados para nós lógicos com nomes contextuais predefinidos. Isso garante que o contexto nunca seja perdido na tarefa de compilar dados.

    Ao adotar padrões IEC 61850, as companhias elétricas podem aproveitar os seguintes benefícios:

    • Menores tempos de configuração
      Os protocolos IEC 61850 reduzem o tempo necessário para configurar novos sistemas de automação de subestação. Devido à disponibilidade de um modelo de dados bem definido para ativos da subestação, as Ferramentas de Configuração do Sistema (SCT) podem ser usadas para criar um rápido design de uma instalação de subestação. As configurações para os sistemas envolvidos, como dispositivos de proteção ou sistemas HMI podem ser geradas com base nisso. O zenon pode usar diretamente esses dados para gerar um aplicativo HMI de modo automático. Isso pode cortar o tempo de configuração em até 90%.
    • Melhor padronização e organização
      Ao organizar os designs com uma abordagem orientada a objeto, o padrão IEC 61850 permite aos designers desenvolver configurações padrão para diferentes elementos no sistema de energia. Isso significa que é possível adicionar ou remover blocos de construção individuais sem reformular todo o sistema desde o princípio.
    • Menores reconfiguração física
      Se forem necessárias alterações, o IEC 61850 permite que elas sejam feitas facilmente por mudanças de software, em vez de reconfiguração física. Assim, os engenheiros podem fazer alterações ou reverter para configurações anteriores com facilidade sem exigir mudanças de equipamento de alto custo.
    • Maior virtualização
      Os protocolos IEC 61850 permitem que modelos de subestação sejam desenvolvidos e testados em uma configuração virtual antes da implementação. Isso permite um design inicial mais robusto que requer menos modificação ao longo do tempo.

    Com os benefícios acima, não é surpresa que o IEC 61850 esteja se tornando mais popular. É importante lembrar, porém, que adotar o IEC 61850 não significa abandonar o DNP3. A semântica do IEC 61850 pode ser usada em protocolos DNP3 mesmo quando o IEC 61850 não é usado. Essa adoção pode ser uma etapa inicial ao planejar uma integração futura do IEC 61850.

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      Com o zenon, as companhias elétricas podem simplesmente se beneficiar de ambos, DNP3 e IEC 61850, uma solução integrada.

      Como o zenon dá suporte a DNP3

      Gerenciar o DNP3 pode ser desafiador – e usar tanto DNP3 quanto IEC 61850 pode ser ainda mais difícil. Porém, uma plataforma de software como o zenon, que controla a automatiza o gerenciamento do equipamento, pode tornar isso muito mais fácil.

      O zenon fornece suporte abrangente para DNP3 ao oferecer uma gama de funções e aceitando uma variedade de configurações. A seguir estão alguns dos recursos e funções de mais destaque do zenon e como eles podem ajudá-lo com a configuração do DNP3.

      • Funcionalidade de mestre e estação remota
        O zenon oferece suporte abrangente para o protocolo DNP3 para mestres e estações remotas. O sistema faz isso assumindo ambas as funções na transferência de dados. Como um mestre DNP3, o zenon adquire dados de unidades subordinadas e está em conformidade com os níveis de subconjunto 1, 2, 3 e 4, para solicitações e respostas. Como uma estação remota DNP3, o zenon fornece dados para unidades superordenadas e pode agir como um gateway DNP3 e encaminhar dados de uma instalação de estação remota para o computador mestre. Além disso, o software zenon pode ser implantado em vários dispositivos integrados e oferecer funcionalidade DNP3.
      • Funcionalidade de segurança
        A plataforma de software zenon também oferece a integração abrangente de funções de segurança, como TLS (62351-3) e autenticação segura via DNP3. Além disso, o zenon oferece informações de segurança estatística das estações remotas para monitoramento.
      • Funcionalidade de automação
        Ao controlar ambas as extremidades do sistema de comunicação, o zenon pode mediar os comandos e as respostas de controle, oferecendo mais funcionalidade. A automação de energia pode ser obtida incorporando dados com várias funções de tecnologia no zenon, enquanto o roteamento de comando pode mediar comandos e respostas de controle entre drivers de protocolo upstream e downstream.

      Essas funções são uma pequena amostra do que o zenon faz para dar suporte à funcionalidade DNP3.

      Uma visão geral do driver mestre DNP3 do zenon

      Como um exemplo de como o zenon dá suporte aos requisitos DNP3, vamos nos aprofundar em exatamente como o mestre DNP3 funciona no sistema zenon. O driver mestre DNP3 do zenon (também conhecido como “DNP3 TG”) é um mestre DNP3 quecumpre o padrão IEEE 1815-2012. O mestre está em conformidade com o Subconjunto de nível 4 para solicitações e respostas. O mestre também dá suporte a estações remotas do Subconjunto nível 1, 2 ou 3. Além dessas funcionalidades, o driver mestre DNP3 zenon também oferece o seguinte:

      • Transferência de arquivo
        O driver mestre DNP3 zenon dá suporte a funcionalidades de transferência de arquivo DNP, incluindo a habilidade de obter informações do arquivo, ler o diretório, ler arquivos, gravar arquivos, excluir arquivos e dar suporte a transferências de arquivo.
      • Autenticação segura
        O zenon dá suporte a autenticação segura DNP v2 e v5, que permite comunicação segura com os dispositivos conforme IEEE 1815-2010 e IEEE 1815-2012.
      • Configuração mestre automática
        O banco de dados de pontos mestre é preenchido automaticamente de uma sondagem de classe 0 ou importando perfis de dispositivo XML.
      • Estatísticas de comunicação avançadas
        O driver fornece estatísticas de comunicação local detalhadas para monitoramento de conexão, o que permite aos usuários criar alarmes, configurar o log ou coletar percepções detalhadas para solução de problemas e melhorias operacionais.
      • Excelente flexibilidade
        Ciclos de sondagem podem ser alterados dinamicamente para atender a mudanças nas necessidades e ser personalizados para obter dados de grupos de subestações muito pequenos ou muito grandes.
      • Compatível com versões anteriores
        Quaisquer projetos que usem o driver DNP332 anterior ou o driver DNP3 NG podem migrar facilmente para o novo driver.

      Além desses benefícios o driver mestre DNP3 zenon é desenvolvido e mantido pela COPA-DATA. Como um membro do Grupo de Usuários de DNP, temos um papel ativo no desenvolvimento contínuo do padrão IEEE 1815 e atualizamos de modo proativo nosso software para atender a mudanças nas necessidades. Em resumo, o driver mestre DNP é um driver mestre que pode atender às suas necessidades de comunicação.

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        Conformidade, alta cobertura funcional e flexibilidade de engenharia são essenciais para o rápido progresso em projetos baseados em DNP3 e IEC 61850

        Configuração do driver mestre DNP3 do zenon

        Uma das tarefas mais importantes e desafiadoras ao configurar sistemas DNP3 é a configuração do driver. Porém, com o zenon, essa etapa é simples, mas continua sendo altamente personalizável. Se você já comprou a plataforma de software zenon ou apenas está curioso em saber como a configuração do driver funciona, aqui estão as etapas envolvidas depois de abrir a janela de configuração:

        • Tipo de comunicação
          Selecione a guia ”Opções” e acesse a seção “Link de dados” para escolher as configurações certas para o canal de comunicação para suas estações remotas. Pode ser um link TCP/IP, um ponto de extremidade duplo, uma conexão UCP ou um link serial. Se você tiver um link serial, selecione a guia “Com” para definir as configurações da porta.
        • Configuração de hora
          Acesse a guia “Opções” e então a seção “Aplicativo” para escolher se as estações remotas usam UTC ou hora local. Esta seção também permite que você configure a duração do pulso para controles e define o mapeamento para valores binários de dois bits.
        • Configuração de conexão
          Selecione a guia “Conexões” para configurar uma ou mais estações remotas. Para criar uma nova conexão com uma estação remota, selecione “Novo” e especifique o endereço de rede para a estação remota. Cada estação remota pode ser configurada com um “nome amigável” para fácil identificação. Selecione “Adicionar” para configurar o endereço IP e qualquer endereço IP secundário para a estação remota. Você também pode configurar o tempo de conexão TCP para que a conexão se feche depois de um tempo ocioso definido ou permaneça aberta de modo independente da atividade.
        • Finalização
          Depois de ter configurado a conexão da estação remota, pode preencher o banco de dados mestre. Isso pode ser feito automaticamente importando do perfil de dispositivo XML ou importando diretamente da estação remota com uma sondagem de classe 0. Depois de adicionar todos os itens e selecionar “OK”, todos os pontos são criados no banco de dados com um link para a configuração correspondente da estação remota para o driver por meio do endereço de rede associado.

        Para obter mais informações sobre a configuração do driver, consulte seu representante da COPA-DATA.

        Escolha a COPA-DATA

        O zenon é um sistema abrangente habilitado para DNP3 que permite funcionalidade total em ambas as extremidades da configuração da comunicação DNP3. Se você estiver procurando funcionalidade comprovada respaldada por anos de conhecimento, o zenon é a escolha certa. A plataforma de software zenon é da COPA-DATA, um membro do grupo de usuários DNP e um participante ativo no desenvolvimento dos padrões IEEE 1815.

        Com mais de 30 de experiência no setor, a COPA-DATA melhora continuamente o software e garante a manutenção de toda a lógica e algoritmos necessários. Você está interessado em aprender mais sobre as funcionalidades do zenon?

        A newly released standard from the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) has utilities thinking about their next-generation Smart Grid equipment. The IEEE 1547 standard has been updated and enforced in 7 states as of 2021. Starting in 2022, more states in the US will be forced to comply with the updated IEEE 1547 standard.

        The IEEE 1547 standard establishes criteria and requirements for interconnection of distributed energy resources (DER) with electric power systems (EPS) and associated interfaces. It provides requirements relevant to the interconnection and interoperability performance, operation, testing, safety, maintenance and security.

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