PLC PRIME W SYSTEMACH ZDALNEGO ODCZYTU. Emil Michta Uniwersytet Zielonogórski Instytut Metrologii Elektrycznej e.michta@ime.uz.zgora.

Transkrypt

1 PLC PRIME W SYSTEMACH ZDALNEGO ODCZYTU Emil Michta Uniwersytet Zielonogórski Instytut Metrologii Elektrycznej e.michta@ime.uz.zgora.pl

2 Plan 1. Wprowadzenie 2. Smart Grid, Smart Metering 3. AMI z PLC Enel i Apator 4. PLC PRIME 5. Architektura AMI z PLC PRIME 6. Perspektywy PLC PRIME 7. Podsumowanie

3 Sieć elektroenergetyczna One of the largest, most complex infrastructures ever built The greatest engineering achievement of the 20th century - U.S. National Academy of Engineering

4 Smart Grid: Energy Internet Infrastruktura elektryczna Dwukierunkowy przepływ prądu i informacji Infrastruktura inteligentna Źródło:

5 AMI struktura systemu

6 Architektura systemu AMI - ENEL Źródło:

7 Architektura systemu AMI - APATOR Źródło:

8 PLC Power Line Communication (PLC) - transmisja danych poprzez istniejącą instalację elektroenergetyczną. Modulowany sygnał wysokiej częstotliwości jest dodawany do przebiegu napięcia zasilania w linii zasilającej. Sygnał ten rozchodzi się po przewodach zasilających. Moduł odbiorczy oddziela ten sygnał w paśmie nadawczym z napięcia zasilającego. Urządzenie nadawcze i odbiorcze PLC zawierają w swej strukturze odpowiednie filtry pozwalające odseparować napięcie panujące w sieci od sygnałów zawierających transmitowane dane.

9 PLC PRIME PRIME (PoweRline Intelligent Metering Evolution) Wprowadzony przez PRIME Alliance PRIME definiuje dwie warstwy modelu ISO/OSI warstwę fizyczną i warstwę łączenia danych dedykowany do systemów AMR i AMI specyfikacja protokołu jest otwarta typu royalty-free łatwo integruje się z IPv4, IPv6 lub IEC wspierając aplikacje COSEM/DLMS pozwala na automatyczne formowanie sieci o topologii drzewa (tree) posiada wbudowane mechanizmy podnoszące bezpieczeństwo sieci i poufność danych

10 PLC PRIME PRIME realizuje dwukierunkową komunikację z przepływnością Kbps w paśmie CENELEC-A band (42-89 khz). PRIME version 1.4 pokrywa pasmo CENELEC-A i pasmo FCC/ARIB (3kHz 490kHz) i pozwala na osiągnięcie przepływności: 40 Kbps-1 Mbps. Modulacja PRIME OFDM zapewnia wysoką odporność na interferencje i tłumienie. Węzły PRIME automatycznie podczas dołączania do sieci automatycznie tworzą topologię tree zarządzaną przez centralny węzeł BN root

11 PLC PRIME Trzy rodzaje węzłów: Podstawowy - BN, Przełączający - SN, Serwisowy -TN. PRIME jest siecią synchroniczną - węzeł BN wysyła okresowo beacons z określonym interwałem czasowym; węzły przełączające też wysyłają beacony; Podczas formowania sieci, podczas rejestracji węzłów następuje tworzenie tras routowania; Topologia utworzonej sieci może być wielopoziomowa;

12 PLC PRIME BN nadaje okresowe ramki kontrolne keep-alive do każdego węzła w sieci w celu monitorowania aktualnie podłączonych węzłów w sieci Jeżeli węzeł otrzyma ramkę keep-alive z BN, to odpowiada ramką keep-alive frame response. BN kontroluje keep-alive timeout dla każdego węzła Po upływie czasu keep-alive timeout węzeł zostaje odłączony i wymagana jest jego ponowna rejestracja.

13 PLC PRIME Podczas transmisji danych stosowany jest mechanizm Automatic Repeat request (ARQ). ARQ mechanizm w PRIME jest typu end-to-end, tzn. jedynie węzeł źródłowy może powtórzyć transmisję w przypadku braku potwierdzenia z węzła docelowego. MAC ARQ timeout jest stosowany w węźle źródłowym do wyzwalania retransmisji niepotwierdzonych ramek. Jeżeli odebrane jest negative-acknowledgement, to węzeł źródłowy retransmituje ramkę. Podobne mechanizmy stosuje się dla ramek kontrolnych

14 PLC PRIME struktura adresowania 48 bitów 8 bitów 14 bitów 9 bitów SNA LSID LNID LCID NID (22 bity) CID (31 bitów) SNA = EUI-48 - adres fizyczny = adres podsieci LSID identyfikator przełącznika lokalnego LNID identyfikator węzła lokalnego LCID identyfikator połączenia lokalnego NID identyfikator węzła CID identyfikator połączenia w danej podsieci

15 PLC PRIME zabezpieczenia Stosowane w protokole PLC PRIME zabezpieczenia zapewniają na poziomie warstwy MAC poufność, uwierzytelnienie i integralność danych za pomocą metody bezpiecznego połączenia i polityki zarządzania kluczami. opracowano dwa profile zabezpieczeń (0 i 1). Stosowany profil zabezpieczeń negocjowany jest w czasie rejestracji węzła Profil zabezpieczeń 0 - bez szyfrowania. Jest używany w scenariuszach, gdzie górne warstwy komunikacyjne zapewniają dostateczne zabezpieczenia. W profilu zabezpieczeń 1 stosuje się 128-bitowe szyfrowanie AES danych.

16 PLC PRIME zabezpieczenia Węzły serwisowe i węzły podstawowe korzystają z zestawu trzech kluczy roboczych do szyfrowania danych. Początkowy klucz roboczy (WK0) ma ograniczony zasięg i jest używany przez węzeł serwisowy w stanie funkcjonalnym rozłączony. Klucz roboczy (WK) jest wykorzystywany do szyfrowania wszystkich transmisji unicast, które są przesyłane z węzła podstawowego do węzła serwisowego i odwrotnie. Klucz roboczy podsieci (SWK) podsieci współdzielony jest przez całą podsieć. Klucze WK i SWK mają ograniczoną ważność czasową związaną z okresem generowania sekwencji losowych. Losowa sekwencja jest generowana i dystrybuowana przez węzeł podstawowy. Jeśli urządzenie nie otrzyma aktualizacji losowej sekwencji w określonym czasie to uznaje, że klucze WK i SWK nie są już prawidłowymi kluczami.

17 PLC PRIME warstwa konwergencji Warstwa konwergencji pośredniczy w wymianie danych pomiędzy warstwą MAC a warstwami wyższymi. obsługa protokołu IPv4 i IPv6. Węzeł serwisowy może wysyłać pakiety IPv4 lub IPv6 do węzła podstawowego lub innych węzłów serwisowych. Węzeł podstawowy działa jak router pomiędzy podsiecią PLC PRIME i inną siecią. Węzeł podstawowy może również działać jako NAT. Adresy IP węzłów serwisowych nadaje się statycznie lub dynamicznie przez węzeł podstawowy poprzez DHCP, Węzeł podstawowy przeprowadza konwersję adresu IPv4 do EUI-48 (ARP). Każdy węzeł serwisowy rejestruje swój adres IPv4 i adres EUI-48 w węźle podstawowym.

18 PLC PRIME aktualizacja oprogramowania Mechanizm aktualizacji oprogramowania sprzętowego może pracować w trybach unicast i multicast. Wszystkie komunikaty kontrolne są wysyłane za pomocą połączeń unicast, podczas gdy dane mogą być wysyłane za pośrednictwem unicast (domyślnie) lub multicast. W przypadku obsługi multicast, węzeł podstawowy powinien zażądać od węzłów określonych dostawców dołączenia do określonej grupy multicast, która została wyłącznie utworzona do przeprowadzenia aktualizacji oprogramowania sprzętowego i zostaje usunięta po zakończeniu jej. Węzły serwisowe nie mogą odrzucać żadnej z zapisanych wersji oprogramowania sprzętowego, aż do ostatecznego potwierdzenia przez węzeł podstawowy lub do czasu zakończenia tzw. okresu bezpiecznego.

19 System energetyczny punkty pomiarowe WN - punkt pomiarowy SN ~ nn Odbiorcy

20 AMI z PLC PRIME IEC nn PRIME koncentrator PRIME switch Węzły serwisowe PRIME Węzeł serwisowy PRIME

21 AMI pojedynczy klaster LE LG MK PLC MK RFD 230 V INTERNET VPN Serwer Telemetryczny AMI LW MK M-BUS MK PLC K FFD BRAMA Dedykowany serwer WWW LC MK M-BUS M-BUS MK M-BUS AGD MK RFD MK moduł komunikacyjny; PLC modem do sieci nn RFD urządzenie proste bez funkcji routowania FFD urządzenie złożone z funkcją routowania

22 Smart Meter Źródło:

23 Podsumowanie PRIME jest protokołem nowej generacji PRIME posiada wiele i bardzo rozbudowanych mechanizmów sieciowych w warstwie MAC Topologia tree tworzona automatycznie Integracja z sieciami IP i aplikacjami IEC Bardzo dobre doświadczenia ze stosowania PRIME v1.3 głównie Iberdrola W Polsce liderem we wdrażaniu rozwiązań PRIME jest operator ENERGA

24 Dziękuję za uwagę