PTPiREE - Konferencja Naukowo Techniczna

PTPiREE - Konferencja Naukowo Techniczna Pomiary i diagnostyka w sieciach elektroenergetycznych Szerokopasmowa transmisja TCP-IP w sieciach energetycznych średniego i niskiego napięcia w oparciu o technologię BPL Broadband Power Line teoria i praktyka PTPiREE, Kołobrzeg, 12-13 czerwiec 2018

Agenda O firmie Wstęp do IEEE1901 Broadband Power Line BPL vs. PLC oraz Infrastruktura BPL Bezpieczeństwo i szyfrowanie w sieciach BPL Zagadnienie EMC dla systemu BPL Przykładowe wdrożenia 2

O firmie Polski lider Systemów Automatyki Podstacji, dostawca SSiN SCADA SYNDIS RV 35 lat działalności 350 pracowników 3

O firmie Systemy BPL realizowane przez firmę Mikronika od 2009 roku Smart Metering oraz komunikacja dla Smart Grid 10 lat doświadczeń w Polskich warunkach 4

O firmie PPC partner, producent urządzeń systemu BPL Wiodący w rozwoju urządzeń - zgodnych z niemieckim profilem ochrony (BSI) z komunikacją bezprzewodową / mobilną BPL i M2M Unikalne rozwiązanie Broadband Power Line firmy PPC umożliwia niezawodną komunikację opartą na protokole TCP / IP w sieci energetycznej PPC dostarcza Hardware BPL Firma działa głównie w Europie i na Bliskim Wschodzie Siedziba Mannheim, Niemcy Produkcja na zlecenie Około 70 pracowników, głównie dział R&D Niemcy Międzynarodowi Partnerzy Metering, UK 5

O firmie Smart Meter Gateway Projektowanie sprzętu, oprogramowania oraz integracja IT BPL & inne Techniki Komunikacyjne Usługi SMGW z wbudowanym Ethernet Mobile (GPRS, LTE) BPL Hybrydowe rozwiązanie LTE-BPL Interoperability testowana z licznikami oraz urządzeniami CLS Projektowanie hardware & software BPL and M2M Network Management System dla komunikacji WAN System SCADA dla nadzoru systemu Smart Metering / Smart Grid System akwizycji danych pomiarowych z liczników i innych urządzeń Moduły BPL zintegrowane z licznikiem Projektowanie urządzeń BPL oraz innych technologii komunikacyjnych (LTE, ) pod wymagania użytkownika Rozwiązania BPL dla sieci średniego napięcia Koncepcja wdrożenia Koncepcje WAN Planowanie, zarządzanie projektem Doradztwo dla IT i imsys Szkolenie dla WAN i imsys Wsparcie operacyjne, usługi hostingu i aktualizacji Szkolenia i warsztaty praktyczne z zakresu techniki BPL imsys = Intelligent Metering Systems SMGW = Smart Meter Gateway CLS = Controllable Local System 6

Wstęp do IEEE1901 Broadband Power Line Co to jest BPL? Szerokopasmowa sieć TCP/IP zbudowana w oparciu o sieć elektroenergetyczną średniego i niskiego napięcia. RP BPL RP BPL RP BPL RP BPL HE BPL HE BPL RP BPL 8

Wstęp do IEEE1901 Broadband Power Line 20 db Broadband Narrowband 1 10 Frequency (MHz) Typowe spektrum szumu dla linii energetycznych Dlaczego BPL? Założenia: Zapewnienie dużej szybkości transmisji danych Zapewnienie wysokiego poziomu QoS Obsługa bardzo dużej ilości węzłów dziesiątki i setki tysięcy Możliwość współużytkowania pasma częstotliwości Mały pobór mocy z sieci do zasilania urządzeń Implementacja standardu TCP/IP (wersja 4 i 6) Odporność na zmiany topologii w medium transmisyjnym Dostosowanie do rosnących wymagań na sieć komunikacyjną w obrębie sieci elektroenergetycznej: Więcej systemów działających w tym samym czasie Zwiększająca się ilość danych Pojawienie się nowych technologii Potrzebne środki do realizacji celu: Mniejszy szum Duża ilość częstotliwości nośnych możliwa do użycia 9

dbuv BPL w sieciach SN oraz nn Wstęp do IEEE1901 Broadband Power Line 160 PLC max sygnał EN50065-1 vs. BPL max sygnał EN50561-1 20 db 140 Broadband 120 Narrowband 100 80 60 40 1 Frequency (MHz) 10 20 Typowe spektrum szumu dla linii energetycznych 0 0,001 0,01 0,1 1 10 100 Częstotliwość MHz 10

Wstęp do IEEE1901 Broadband Power Line Standaryzacja Powerline Communication Narrowband PLC < 500 khz Broadband BPL 2 MHz 50 MHz one carrier wave (Single Carrier System) FSK/S-FSK more carrier waves (Multi Carrier System) OFDM IEEE1901 G.hn Proprietary IDIS Prime Iberdrola G3 EDF/ERDF In home Homeplug 2 MHz 50 MHz Access 2 MHz 30 MHz In home Inter System Signaling Protocol for co-existing Standards IEEE 1901.2 11

Transmission Level BPL w sieciach SN oraz nn BPL vs. wąskopasmowy PLC Narrowband PLC Broadband Powerline IEEE 1901 Access IEEE1901 In home 3 khz 148,5 khz CENELEC 1,8 MHz 30 MHz 50MHz 13

BPL PLC G3 Prime BPL w sieciach SN oraz nn BPL vs. wąskopasmowy PLC 14

BPL PLC G3 Prime BPL w sieciach SN oraz nn BPL vs. wąskopasmowy PLC 15

BPL BPL PLC G3 FCC PLC G3 Prime CENELEC A Prime BPL w sieciach SN oraz nn BPL vs. wąskopasmowy PLC 488 Hz 97 Carrier 42-89 khz 42-471 khz 36 Carrier 35,9-90,6 khz 1,5 khz 72 Carrier 154-487,5 khz 4,6 khz 24,4 khz 917 Carrier 2-30MHz 16

Smart Grid w sieciach elektroenergetycznych BPL vs. wąskopasmowy PLC Automatyczna adaptacja do aktualnych warunków panujących w kanałach transmisji BPL system Chip BPL używa około 1,000 nośnych w zakresie 2-30 MHz Chip BPL wykonuje pomiary szumu w paśmie kilka razy na sekundę Gdy szum jest za duży w części pasma, chip BPL wyłącza nośne w tym paśmie. Zaszumiony kanał: szybkość transmisji zostaje zmniejszona (np.. Zmiana typu modulacji), ale dane są przesyłane Średnio 25kbps na własne potrzeby do organizacji komunikacji 17

BPL vs. wąskopasmowy PLC Podsumowanie Mniejszy szum w wysokim zakresie częstotliwości 2-30Mhz vs. 3-148,5kHz trudniej jest zakłócić szerokie pasmo Większa ilość częstotliwości nośnych możliwa do użycia 1000 vs. 100 Dostosowanie typu modulacji do aktualnego poziomu S/N w sieci dla używanych nośnych Osiągnięcie wysokiego poziomu QoS Transmisja danych w czasie rzeczywistym z bardzo małymi opóźnieniami rzędu pojedynczych milisekund (odczyty liczników online ze skutecznością 99,8%) Możliwość obsługi bardzo dużej ilości węzłów ponad 250 000 w jednej komórce BPL (np. obszar nn dla jednej stacji transformatorowej) Możliwość współużytkowania pasma częstotliwości (pasmo ogólnie dostępne) koegzystencja i niezakłócanie innych użytkowników w paśmie częstotliwości 2-30MHz (np. komunikacja radiowa w pasmie fal krótkich) Mniejszy pobór mocy z sieci do zasilania urządzeń (mniejsza amplituda sygnału w szerszym pasmie częstotliwości) Implementacja standardu TCP/IP (wersja 4 i 6) Odporność na zmiany w topologii medium transmisyjnym (odporność na zmiany w topologii sieci elektroenergetycznej) Dostosowanie do rosnących wymagań na sieć komunikacyjną w obrębie sieci elektroenergetycznej: Więcej systemów działających w tym samym czasie Zwiększająca się ilość danych Możliwość zapewnienia sprawnej i stabilnej komunikacji dla nowych systemów takich jak Smart Grid, Smart Metering, Smart Metering Prepaid, IoT 18

Infrastruktura BPL BPL BPL BPL Bazuje na standardzie IEEE 1901 Korzysta z istniejącej infrastruktury sieci Odpowiedni do aplikacji czasu rzeczywistego Łatwy w instalacji i solidny w działaniu Jeden system transmisji danych dla wielu niezależnych aplikacji 19

Infrastruktura BPL niskie napięcie L1 L2 L3 PEN Kabel niskiego napięcia 230/400V Interfejsy: RJ45 ETH M-BUS Wireless M-BUS Zigbee BPL modem Modem wew. Modem zew. RS485 20

Infrastruktura BPL średnie napięcie MV Cable MV Cable Kabel SN MV200 MV200 MV200 MV200 BPL MV24CC BPL MV24CC BPL MV24CC BPL MV24CC MV BPL Modem MV BPL Modem RJ45 ETH TCP/IP RJ45 Ethernet Kabel koncentryczny MV BPL Coupler MV BPL Coupler Kabel koncentryczny RJ45 ETH TCP/IP RJ45 Ethernet 21

Infrastruktura BPL - NMS Algorytm nieustannie optymalizuje topologię sieci typu mesch. Ten zrzut ekranu pokazuje tylko używane łącza BPL. Niewykorzystane linki są również optymalizowane Jakość połączenia wyświetlana jest w kolorach: Czerwonym, Czarnym, Zielonym Charakterystyki kanałów każdego łącza są stale monitorowane 22

Infrastruktura BPL most do HAN BPL jako pomost pomiędzy systemem AMI / SM oraz HAN 23

BPL niskie napięcie BPL w sieciach SN oraz nn Infrastruktura BPL 800m BPL średnie napięcie 24

Infrastruktura BPL 25

Infrastruktura BPL sprzęgacze dla SN 26

Bezpieczeństwo i szyfrowanie w sieciach BPL Trzy strefy szyfrowania w implementacji BPL MDM System RP RP Network Management System Technologia Backbone HE RP RP Licznik Strefa 1: komórka BPL Strefa 2: Zarządzanie ruchem : Modemy BPL <-> NMS Strefa 3: End-To-End szyfrowanie danych aplikacji 28

Bezpieczeństwo i szyfrowanie w sieciach BPL Bezpieczeństwo sieci oparte na urządzeniach IEEE 1901 Encryption Keys Są trzy różne klucze: Network Encryption Key (NEK) Network Management Key (NMK) Device Access Key (DAK) (opcjonalnie) Network Encryption Key (NEK) Służy do szyfrowania wszystkich danych użytkownika Losowo generowany przez HE, jednolity w całej komórce BPL Zmieniany regularnie (mniej więcej raz na godzinę) Network Management Key (NMK) Służy do autoryzacji RP przy dołączaniu do komórki BPL Używany przez HE do szyfrowania NEK gdy jest on przesyłany do RP: Pierwsze skojarzenie RP z komórką Godzinowa zmiana NEK Rzadko używany (zmieniany) Device Access Key (DAK) Służy do uwierzytelniania RP, który chce się skojarzyć z komórką Unikatowy dla każdego RP (losowo generowane podczas produkcji) Używany przez HE do szyfrowania NMK podczas wysyłania go do RP Bardzo rzadkie użycie - tylko podczas dostawy Wszystkie klucze są symetryczne AES-128 29

Bezpieczeństwo i szyfrowanie w sieciach BPL Szyfrowana komunikacja BPL podczas normalnej pracy NMS MAC DAK MAC 1 DAK 1 MAC 2 DAK 2 SNMPv3 NMK NEK HE Can be changed manually Valid for one hour AES 128 (encrypted with NEK) Communication DAK NMK NEK RP 1 Can't be changed Can be changed manually Valid for one hour Komunikacja jest szyfrowana z użyciem klucza Network Encryption Key (NEK) Network Management Key (NMK) jest potrzebny do dystrybucji zaktualizowanego NEK 30

Bezpieczeństwo i szyfrowanie w sieciach BPL Działania wykonywane w sieci BPL: Wewnątrz sieci BPL oraz podczas komunikacji NMS moduł BPL Przyłączenie nowego RP do komórki BPL Aktualizacja klucza NEK Wykluczenie (usunięcie) RP z komórki BPL Wymiana FW w module BPL Konfiguracja modułu BPL w liczniku Konfiguracja adresu IP / portu MDM Pułapki z modułu BPL do NMS (zdarzenia BPL) Wymiana danych o ruchu w sieci BPL Komunikacja MDM licznik Zarządzanie danymi pomiarowymi licznika Konfiguracja licznika (np.: ustawienie limitu mocy) Sterowanie licznikiem (np.: wysłanie polecenia załącz/wyłącz) Zarządzanie funkcjami prepaid 31

Zagadnienie EMC dla systemu BPL - definicja Zagadnienie EMC dla BPL związane jest z emisją zakłóceń elektromagnetycznych powstających w wyniku wstrzykiwania w sieć elektroenergetyczną sygnału z pasma od 2MHz do 30MHz. Dopuszczalne limity zakłóceń opisane są w normach CISPR*, np.: CISPR 11 (EN55011) oraz CISPR 22 (EN55022). Zakres częstotliwości to 150kHz do 1GHz. Występują dwa typy emisji zakłóceń: Emisja przewodzona (Conducted Emission) kable podziemne Emisja promieniowana (Radiated Emission) kable napowietrzne Emisja dotyczy dwóch grup urządzeń: Class A - urządzenia przemysłowe, medyczne, specjalne (ogólnie nie domowe), Class B urządzenia domowe, dla których występują inne limity dozwolonej emisji zakłóceń. CISPR (fr. Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques - Specjalny Międzynarodowy Komitet do spraw Zakłóceń Radioelektrycznych) międzynarodowy komitet techniczny, stanowiący część International Electrotechnical Commission (IEC), założony w 1934 roku w celu ustanawiania standardów związanych z kontrolą oddziaływań elektromagnetycznych i urządzeń elektronicznych. 59

Zagadnienie EMC dla systemu BPL - przykład X Y Z 60

Zagadnienie EMC dla systemu BPL - przykład Siatka pomiarów W każdym punkcie wykonujemy trzy pomiary z anteną ustawioną w trzech płaszczyznach X, Y, Z. Emisję wypadkową wyliczamy wg. poniższego wzoru: Słup z modemem BPL MPx = punkt pomiarowy x 61

Zagadnienie EMC dla systemu BPL - przykład Wyniki pomiarów w odległości 3m od słupa punkt pomiarowy MP1 SZUM SYGNAŁ BPL 62

Wdrożenie Kleszczów Smart Grid (SCADA + Smart Metering) Skuteczność odczytu liczników 99,8% Kontakt z licznikiem online opóźnienia poniżej 100ms Szybkość komunikacji MDM licznik kilka Mbps (nie mniej niż 1Mbps) Infrastruktura oparta na BPL stwarza możliwość szybkiej implementacji Smart Grid np. kontrola napięcia w sieci nn (funkcja IVVC) Obszar wiejsko miejski (10x10km 100km 2 ) Pięć stacji 110/15kV Kilkadziesiąt stacji SN 15/0,4kV Około 1500 (docelowo 2500) liczników u indywidualnych odbiorców energii Około 200 liczników u przemysłowych odbiorców energii SCADA - System Sterowania i Nadzoru nad stacjami 110/15kV i 15/0,4kV Smart Metering dla odbiorców indywidualnych System Bilansowania Mediów dla odbiorców przemysłowych Kilkaset przydomowych instalacji PV do 40kW (ponad 80% odbiorców) Komunikacja BPL (w sieci średniego i niskiego napięcia) Komunikacja światłowodowa dla sieci wysokiego i średniego napięcia. 66

Wdrożenie Kleszczów Smart Grid (SCADA + Smart Metering) 67

BPL niskie napięcie BPL w sieciach SN oraz nn Wdrożenie Kleszczów Smart Grid (SCADA + Smart Metering) ZKP9.6.5 BPL średnie napięcie 800m ZKP10.5.6 905m 68

Wdrożenie Kleszczów Smart Grid (SCADA + Smart Metering) Link komunikacyjny Długość linku Prędkość transmisji GPZ ST3 800m 39 Mbps ST3 ST10 905m 29 Mbps ST10 ST9 525m 30 Mbps GPZ ST9 2230m 9,4 Mbps GPZ ZKP10.5.6 1005m 10 Mbps GPZ ZKP9.6.5 2330m 5,75 Mbps ZKP10.5.6 ST10 100m 14 Mbps 69

Wdrożenie KCETAS, Kayseri, Turcja Smart Communication Trzy obszary: miejski 5 stacji 10/0,4kV miejski 17 stacji 31,2/0,4kV wiejski 17 stacji 31,2/0,4kV Medium komunikacyjne: podziemny kabel 10kV podziemny kabel 31,2kV linia napowietrzna 31,2kV 2150 m Użyta technologia: BPL Broadband Power Line Topologia: P2P 70

Wdrożenie KCETAS, Kayseri, Turcja Smart Communication 71

Podsumowanie Pomoc i wsparcie: Poznać BPL (szkolenia i warsztaty praktyczne) Opracować koncepcję systemu BPL (implementacja pilotażowa, docelowa) Opracować i wytworzyć dedykowane elementy systemu BPL pod wymagania użytkownika Licznik z modułem Oprogramowanie (akwizycja danych, nadzór i serwis) Sprzęgacze dla SN Dostarczyć elementy systemu Wdrożyć implementację BPL Serwisować i wspomagać w użytkowaniu 72

Dziękuję za uwagę Jacek Koźbiał jacek.kozbial@mikronika.pl