Technika smart meteringu

Transkrypt

1 Technika smart meteringu Jacek Świderski Marcin Tarasiuk Instytut Energetyki JBR Oddział Gdańsk IEn Gdańsk 2010 Warszawa Zakres prezentacji Wprowadzenie Wymiana informacji w systemach inteligentnego pomiaru relacje komunikacyjne Znormalizowane rozwiązania komunikacyjne w systemach AMI energii elektrycznej Dodatkowe interfejsy licznika Komunikacja systemu odczytowego z centralnym Podsumowanie ien@ien.gda.pl 2

2 Wprowadzenie W referacie zostaną przedstawione znormalizowane rozwiązania komunikacyjne związane z funkcjonowaniem systemów inteligentnego pomiaru. Oprócz ważnych, zdaniem autorów, rozwiązań znormalizowanych podane zostaną komentarze do obecnie dostępnych lub będących w trakcie opracowywania rozwiązań otwartych, które z wysokim prawdopodobieństwem zostaną poddane procesom normalizacyjnym. Prezentacja rozwiązań skupia się na warstwie fizycznej i na warstwie aplikacji wielowarstwowej architektury komunikacyjnej. ien@ien.gda.pl 3 Zakres prezentacji Wprowadzenie Wymiana informacji w systemach inteligentnego pomiaru relacje komunikacyjne Znormalizowane rozwiązania komunikacyjne w systemach AMI energii elektrycznej Dodatkowe interfejsy licznika Komunikacja systemu odczytowego z centralnym ien@ien.gda.pl 4

3 Wymiana informacji w systemach inteligentnego pomiaru relacje komunikacyjne Terminal obsługi technicznej Inne liczniki Licznik System odczytowy Terminal odbiorcy Źródło: Open Meter Report D1.1, ver. 1.0, 2009 Koncentrator System zarządzania danymi AMI - Advanced Metering Infrastructure MDM -Meter Data Management ien@ien.gda.pl 5 Zakres prezentacji Wprowadzenie Wymiana informacji w systemach inteligentnego pomiaru relacje komunikacyjne Znormalizowane rozwiązania komunikacyjne w systemach AMI Dodatkowe interfejsy licznika Komunikacja systemu odczytowego z centralnym ien@ien.gda.pl 6

4 Styk: Licznik Węzeł sieci komunikacyjnej AMI (koncentrator) rozwiązania w warstwie fizycznej Wąskopasmowa transmisja danych przez sieć elektroenergetyczną niskiego napięcia (PLC Power Line Communication) Bezprzewodowa transmisja danych (GPRS, Wi-Fi, Radio w paśmie ISM itp.) Przewodowa transmisja danych na łączu dedykowanym (M-bus, RS-485, Ethernet itp.) ien@ien.gda.pl 7 Styk: Licznik Węzeł sieci komunikacyjnej AMI (koncentrator) rozwiązanie w warstwie fizycznej Wąskopasmowa transmisja danych przez sieć elektroenergetyczną niskiego i/lub średniego napięcia PLC Najczęściej wykorzystywana technika komunikacji z licznikiem w zakresie zdalnego odczytu zarejestrowanych wielkości pomiarowych Pasmo 3-95 khz (CENELEC A) Normy: PN-EN Kluczowanie częstotliwości z rozpraszaniem widma sygnału S-FSK IEC Kluczowanie częstotliwości FSK IEC DPSK różnicowa modulacja z kluczowaniem fazy + modulacja wielotonowa OFDM jednoczesna transmisja strumieni danych na ortogonalnych częstotliwościach nośnych, Typowa prędkość transmisji dla FSK 300 b/s kb/s, ien@ien.gda.pl 8

5 Styk: Licznik Węzeł sieci komunikacyjnej AMI (koncentrator) rozwiązania nieznormalizowane: PRIME PRIME (PoweRline Intelligent Metering Evolution) wykorzystuje technologię wąskopasmowego PLC w sieci nn. Definiuje warstwę fizyczną i podwarstwę dostępu do ośrodka transmisji MAC (Medium Access Control) oraz podwarstwę dopasowującą CL (Convergence Layer) do podwarstwy MAC (zorientowana połączeniowo komunikacja w trybie master/slave). W warstwie fizycznej stosowana jest modulacja OFDM i 97 nośnych (rozwiązanie przyszłościowe). Iberdrola, Landis&Gyr, ERDF (Electricite Reseau Distribution France), STMicroelectronics i in. Prędkość transmisji [kb/s] Typ modulacji BPSK QPSK 8PSK Kodowanie splotowe 21,4 42,9 64,3 Brak kodowania 42,9 85,7 128,6 ien@ien.gda.pl 9 Model przesyłanych danych COSEM + protokół warstwy aplikacji DLMS (1) Jedyny w pełni znormalizowany i przydatny do realizacji funkcji w systemach AMI sposób komunikacji z licznikami w warstwie aplikacji. Funkcjonalność licznika jest reprezentowana przez tzw. interfejsy COSEM zgodne z normą IEC Każdy z interfejsów oprócz przyporządkowanych funkcji określa strukturę danych tj. obiekty danych COSEM. Wszystkie obiekty danych COSEM tworzą model danych licznika. Każdy obiekt danych jest identyfikowany przez kod OBIS (Object Identification System). Kodowanie obiektów za pomocą kodów OBIS jest zgodne z normą IEC Model danych COSEM licznika jest w pełni niezależny od wykorzystywanego protokołu warstwy aplikacji. ien@ien.gda.pl 10

6 Model przesyłanych danych COSEM + protokół warstwy aplikacji DLMS (2) Norma IEC definiuje protokół warstwy aplikacji przeznaczony m.in. do komunikacji z licznikami. Jest to protokół DLMS (Device Language Message Specification). Został on znormalizowany na podstawie otwartej specyfikacji protokołu DLMS/COSEM opracowanej przez DLMS User Association. Protokół DLMS jest zorientowany połączeniowo i pracuje w konfiguracji klient-serwer. W komunikacji z licznikiem rolę serwera pełni licznik. Rolę klienta pełni: Koncentrator - gdy w AMI komunikacja pośrednia z systemem odczytowym, System odczytowy gdy w AMI komunikacja bezpośrednia z systemem odczytowym. ien@ien.gda.pl 11 Model przesyłanych danych COSEM + protokół warstwy aplikacji DLMS (3) Protokół kryptograficzny: AES 128 (Advanced Encryption Standard) Wymiana informacji przy wykorzystaniu protokołu może nastąpić po nawiązaniu logicznego, dwukierunkowego połączenia pomiędzy komunikującymi się aplikacjami za to jest odpowiedzialny protokół ACSE (Application Control Service Element). ien@ien.gda.pl 12

7 Model przesyłanych danych i protokół warstwy aplikacji SML (1) SML (Smart Message Language) jest protokołem opracowanym przy udziale RWE, E.ON, EnBW, Vattenfall nie jest znormalizowany, ale planowany jest proces normalizacji przez IEC; obecna specyfikacja ma charakter otwarty. Zastosowania: Landis&Gyr, Dr.Neuhaus/Sagem, Hager, EMH; Insys, Goerlitz, ITF-EDF Froeschl i in.- udział w niemieckim programie badawczo-rozwojowym. Jest to protokół warstwy aplikacji jest on całkowicie niezależny od niższych warstw architektury komunikacyjnej wykorzystywanej do komunikacji z licznikami (AMI). Protokół jest bezpołączeniowy nie jest wymagane, jak w przypadku DLMS, zestawianie dwukierunkowego połączenia logicznego w warstwie aplikacji. SML charakteryzuje się dużą prostotą minimalizuje ilość danych przesyłanych przez system zdalnej komunikacji z licznikiem. Jest to osiągane na drodze kompresji danych wykonywanej strumieniowo w locie. ien@ien.gda.pl 13 Model przesyłanych danych i protokół warstwy aplikacji SML (2) Zgodnie z SML dane z licznika tworzą jedną lub więcej niż jedną tzw. wiadomość (message). Poszczególne wiadomości są pakowane razem do wspólnego kontenera, jakim jest plik SML. Plik SML może przyjmować postać pliku binarnego lub znakowego (np. w formacie XML). Ten plik jest następnie przekazywany do koncentratora lub bezpośrednio do systemu odczytowego w zależności od konfiguracji sieci komunikacyjnej AMI. Do przekazywania plików SML może zostać wykorzystany np. powszechnie stosowany w rozwiązaniach intranetowych protokół FTP. Przesyłany plik SML może podlegać ochronie kryptograficznej. ien@ien.gda.pl 14

8 Model przesyłanych danych i protokół warstwy aplikacji SML (3) Dane z różnych liczników (np. w koncentratorze) mogą podlegać łącznej kompresji po stronie odbiorczej wymagana jest dekompresja a następnie dekoncentracja odebranych danych. W odniesieniu do licznika protokół SML umożliwia komunikację: typu pull tj. wymianę danych wymuszoną przez koncentrator lub bezpośrednio przez system odczytowy (np. odczyt danych pomiarowych zarejestrowanych w przeciągu doby), typu push tj. wymianę danych wymuszoną przez licznik do koncentratora lub bezpośrednio do systemu odczytowego (np. wysłanie zdarzenia o próbie włamania do licznika). ien@ien.gda.pl 15 Stos SITRED firmy ENEL SITRED SITRED został wdrożony przez ENEL (Włochy) w systemie Telegestore. Stos komunikacyjny 3-warstwowy stanie się rozwiązaniem otwartym. Warstwa fizyczna - PLC zg. z IEC (FSK), prędkość 2,4 kb/s jest odpowiedzialna za przesył strumieni 11-bitowych znaków. Warstwa łącza danych IEC /IEC (LLC Logical Link Control - tryb połączeniowy/bezpołączeniowy). Warstwa aplikacji implementuje elementy niezbędne do wymiany danych pomiędzy węzłami sieci, implementuje mechanizmy zarządzania (automatyczne wykrywanie liczników, automatyczna rekonfiguracja sieci) oraz wspiera zarządzanie bezpieczeństwem (szyfrowanie, identyfikacja/autentykacja, zabezpieczenie przed atakami typu playback ). ien@ien.gda.pl 16

9 Styk Koncentrator System odczytowy DLMS W warstwie aplikacji dane z koncentratora do systemu odczytowego mogą być przesyłane przy wykorzystaniu znormalizowanego protokołu DLMS. Najczęściej przyjmuje się, że łączność systemu odczytowego z koncentratorem ma charakter bezprzewodowy. GPRS (General Packet Radio Service) usługa bezprzewodowej łączności pakietowej oferuje wykorzystanie protokołu IP (Internet Protocol) w ramach zasięgu publicznej sieci telefonii komórkowej GSM. ien@ien.gda.pl 17 Styk Koncentrator System odczytowy Aby wykorzystać usługę GPRS w systemie AMI: OSD zawiera umowę z operatorem sieci GSM oferującym usługę GPRS. W ramach tej umowy operator sieci GSM udostępnia OSD wyodrębnioną w swojej sieci GSM podsieć, w której będzie dostępna usługa GPRS. Podsieć ta określana jest jako APN (Access Point Name) OSD będzie wymagać APNu prywatnego (korporacyjnego) z kartami SIM ze statycznymi adresami IP. Prędkość transmisji w praktyce od kilku do kilkudziesięciu kb/s. Zgodnie z normą IEC (COSEM Transport Layers for IPv4 Networks) należy wykorzystać protokół warstwy transportowej TCP (Transmission Control Protocol), który będzie wspomagał protokół DLMS (do odczytu danych pomiarowych z konc.) i wykorzystywał usługi protokołu IP oferowane w ramach usługi GPRS. ien@ien.gda.pl 18

10 Zakres prezentacji Wprowadzenie Wymiana informacji w systemach inteligentnego pomiaru relacje komunikacyjne Znormalizowane rozwiązania komunikacyjne w systemach AMI energii elektrycznej Dodatkowe interfejsy licznika Komunikacja systemu odczytowego z centralnym ien@ien.gda.pl 19 Dodatkowe interfejsy licznika Interfejs lokalny do celów obsługi w miejscu instalacji (odczyt i konfiguracja) IEC (IEC1107) tryb C lub tryb E z DLMS/COSEM na porcie optycznym DLMS na IEC (Euridis), Przyszłościowo należy rozważyć zastosowanie rozwiązań bezprzewodowych IEEE (ZigBee) lub IEEE (Wi-Fi) w niższych warstwach stosu komunikacyjnego. Interfejs do podłączenia liczników innych mediów IEC (M-Bus) przewodowy lub bezprzewodowy, IEC (Euridis), IEEE (ZigBee), Zaleca się stosowanie DLMS/COSEM w warstwie aplikacji. Interfejs do podłączenia terminala klienta PLC, Bluetooth (IEEE ), ZigBee (IEEE ), Zaleca się stosowanie DLMS/COSEM w warstwie aplikacji. ien@ien.gda.pl 20

11 Zakres prezentacji Wprowadzenie Wymiana informacji w systemach inteligentnego pomiaru relacje komunikacyjne Znormalizowane rozwiązania komunikacyjne w systemach AMI energii elektrycznej Dodatkowe interfejsy licznika Komunikacja systemu odczytowego z centralnym ien@ien.gda.pl 21 Komunikacja systemu odczytowego z centralnym Systemy odczytowe w ramach OSD powinny zostać zintegrowane z centralnym systemem zarządzania danymi (MDM), a także z innymi systemami informatycznymi OSD. Sugerowana jest integracja na poziomie metod. Polega ona na wzajemnym dostępie do metod (funkcji) tzw. komponentów reprezentujących usługi realizowane przez integrowane systemy. Elementem integrującym jest tzw. broker integracyjny. Broker integracyjny zastępuje sieć indywidualnych połączeń pomiędzy integrowanymi systemami. Sugerowane jest utworzenie w ramach OSD tzw. korporacyjnej magistrali usługowej ESB (Enterprise Service Bus) i zastosowanie brokera integracyjnego zgodnego z tzw. modelem usługowym. SOA System MDM System GIS SCADA EMS Service Oriented Architecture System dostępowy Enterprise Service Bus System odczytowy System odczytowy ien@ien.gda.pl 22

12 Komunikacja systemu odczytowego z centralnym Model usługowy polega na utworzeniu tzw. przestrzeni usług dostępnych dla poszczególnych integrowanych systemów, z których każdy udostępnia określone usługi do przestrzeni usług. Podstawową zasadą działania systemu integrowanego przy wykorzystaniu brokera zarządzającego przestrzenią usług jest zasada request-response. Zgodnie z tą zasadą: żądania kierowane są do przestrzeni usług, w której są one realizowane punkt wejścia ESB, wynik działania usługi lub procesu złożonego z szeregu usług przekazywany jest do aplikacji, która zgłosiła żądanie punkt wyjścia ESB. Jednym z możliwych i obecnie często stosowanych rozwiązań praktycznych jest integracja poprzez ESB usług nazywanych WebServices (usługi te mogą być na przykład oprogramowywane przy wykorzystaniu MS.NET lub BEA WebLogic Workshop). Każda usługa WebService dostępna w oferowanej przestrzeni usług jest opisana przy użyciu języka WDSL (Web Service Description Language). Opis ten jest zawarty w pliku tekstowym typu XML. Przenoszenie tych plików w zintegrowanym środowisku jest dokonywane przy wykorzystaniu protokołu SOAP (Simple Object Access Protocol) jest to protokół przenoszący strukturalizowane dane w środowisku rozproszonym. ien@ien.gda.pl 23 PODSUMOWANIE Wąskopasmowa transmisja danych przez sieć elektroenergetyczną niskiego napięcia / średniego napięcia (PLC Power Line Communication) jest preferowanym rozwiązaniem na styku: Licznik Węzeł sieci komunikacyjnej AMI (koncentrator). Bezprzewodowa transmisja danych z wykorzystaniem sieci GSM i usługi GPRS będzie, w przeważającej większości przypadków, stosowana na styku: Koncentrator System odczytowy. Jedynym znormalizowanym rozwiązaniem komunikacyjnym z licznikiem w warstwie aplikacji, spełniającym wymagania stawiane systemom AMI, jest protokół DLMS oraz model danych zgodny z COSEM. Istnieją także nieznormalizowane rozwiązania firmowe potwierdzające w praktyce swoją przydatność w systemach AMI. Przed wdrożeniem systemów AMI na szeroką skalę zalecane jest przeprowadzenie reprezentatywnych badań pilotażowych w ośrodkach miejskich i wiejskich. ien@ien.gda.pl 24