Transmisja danych w inteligentnych systemach pomiarowych (ISP) Aleksander Babś, Instytut Energetyki oddział Gdańsk Arkadiusz Smeja, DGT sp. z o.o.
Agenda 1. Technologie w obszarze sieci PLC 2. Technologie w obszarze sieci dostępowych
Rodzaje łączności w systemach AMI PLC Power Line Communication Bezprzewodowa transmisja danych Przewodowa transmisja danych Wąskopasmowa transmisja danych przez sieć elektroenergetyczną niskiego napięcia +Dostępność w miejscu instalacji licznika +Duża niezawodność +Szybki rozwój techniki PLC Przepustowość zależna od sposobu modulacji typowo od 2,4 do 128.6 kb/s Różny 'poziom dojrzałości' poszczególnych technik Podatność na zakłócenia od sprzętu domowego Możliwe wydłużenie procesów komunikacyjnych GPRS/3G/LTE, CDMA, Wi-Fi, Radio w paśmie ISM (433MHz, 868 MHz, 2,4GHz) +Łatwość instalacji i relatywnie niska cena urządzeń +Brak ograniczeń prawnych +Bezpieczeństwo transmisji Trudność stosowania rozbudowanych standardów transmisji Podatność na zakłócenia od innych urządzeń Konieczność ponoszenia bieżących kosztów transmisji danych Przewodowy M-bus, RS-485, Ethernet +Niska cena +Polecany w zabudowie miejskiej wielomieszkaniowej +Niewrażliwość na zakłócenia Konieczność instalacji dodatkowej infrastruktury zbiorczej Konieczność zapewnienia ścieżki łączności 'powyżej' infrastruktury zbiorczej
Dojrzałość technik PLC minimum 4-5 lat P1901.2 G3 PRIME g.hnem OSGP IDIS/G3 IDIS/G1 Meters &Mor e
Pasma PLC Chiny FCC - USA ARIB - Japonia US FCC CENELEC - UE A: Pasmo dla OSD B: Otwarte dla różnych zastosowań C: Domowe systemy transmisji danych z obowiązkowym protokołem CSMA/CA D: Systemy alarmowe i bezpieczeństwa A B C D 3 khz 95 khz 140 khz 450 khz 490 khz 10 khz 125 khz 148.5 khz 500 khz 2 MHz 10 MHz 30 MHz Wąskopasmowe PLC Szerokopasmowe PLC
Częstotliwości poszczególnych standardów S 35 khz 42 khz 63.3 khz 74kHz 86 khz 89 khz 90 khz 75kHz Koegzystencja poszczególnych technologii pomiędzy 'słyszącymi się' odcinkami sieci nn wysoce problematyczna, lecz możliwa w określonych przypadkach Bezpieczne rozwiązanie: 'jedna technologia w ramach jednego GPZ' Freq [Hz]
Poziomy zakłóceń w sieciach PLC zakres maksymalny poziom maksymalny poziom częstotliwości transmisji zakłóceń 3 khz 95 khz 134 dbµv 120 dbµv 89 dbµv 75.5 dbµv 95 khz 148.5 khz 116 dbµv 75.5 dbµv 65.97 dbµv 1V 0,1V 10mV 1mV Normalizacja wymagań związanych z kompatybilnością elektromagnetyczną obejmuje rozwiązania wąskopasmowe PLC (zakresy robocze od 3kHz do 148.5 khz) dla sieci niskiego napięcia - norma PN-EN 50065-1. Raport CENELEC SC205A studium zakłóceń w wąskopasmowej sieci PLC: "Study report on electromagnetic interference between electrical equipment and systems in the frequency range below 150 khz". 1V= 120 dbµv 100mV=100 dbµv 10mV=80 dbµv
oparta na modelu CIGRE (Task Force C6.04, kwiecień 2014) pełna kontrola nad rodzajem, charakterystyką i poziomem wprowadzanych zakłóceń możliwość testowania wszystkich technik PLC zapewnienie identycznych warunków testowych możliwość realizacji identycznych przypadków użycia (use cases) wzorcowa i jasno zdefiniowana definicja 'SLA' (a właściwie poszczególnych parametrów operacyjnych), niezależnie od testowanej techniki PLC Referencyjna sieć PLC
Warstwy protokołów opartych na PLC Aplikacje wykorzystujące IP COSEM Metering Object model DLMS/COSEM App. Layer (IEC62056-53) M&M Data Model M&M App.Layer TCP/UDP IEC 62056-47 Wrapper Layer IPv6 IPv4 IEC 61334-4-32 LCC 6LoWPAN PRIME Convergence Layers IPv6/v4 4-32 M&M Convergence Layers DLMS M&M P1901.2 DL G3 MAC PRIME MAC IEC 61334-5-1 MAC Meters &More MAC P1901.2 PHY (OFDM) G3 PHY (OFDM) PRIME PHY (OFDM) IEC 61334-5-1 PHY (S-FSK) Meters &More PHY (PSK) źródło: STMicro
Dwa podstawowe rodzaje KPI: Definiowanie KPI Biznesowe z punktu widzenia aplikacji centralnej o Procent odczytanych liczników - zatrzaski dobowe A+ (na dzień n, n+1, etc) o Procent odczytanych liczników - kompletne profile zużycia o Procent poprawnie wykonanych operacji (wyłączenie/załączenie, zmiana ustawień strażnika mocy, zmiana taryfy, etc) Technologiczne z punktu widzenia sieci PLC lub GPRS/3G o Ilość zarejestrowanych liczników vs ilość zainstalowanych o Prędkość przekazywania zapytań i uzyskiwania odpowiedzi w warstwie aplikacji lub niższych warstwach (np. TCP/IP) o Procent czasu 'widoczności' liczników o Procent liczników rejestrujących się w 'niewłaściwych' koncentratorach
Komunikacja Headend - liczniki Koncentrator zbiera dane z liczników w trybie harmonogramowym, zdarzeniowym lub mieszanym Zgromadzone dane dostępne w koncentratorze dla aplikacji Headend Koncentrator jest klientem DLMS Koncentrator jest elementem opcjonalnym lub transparentnym na ścieżce komunikacji Aplikacja Headend jest klientem DLMS Model komunikacji z licznikami wyposażonymi w modem GPRS/3G źródło: Elster
'IP only' w szafkach AMI / SmartGrid Licznik bilansujący+ DLMS over TCP/IP Monitorowanie jakości dostaw energii Monitorowanie jakości energii Opcjonalnie moduły DO, DI, AI Odpowiednie obiekty COSEM Obsługa zdarzeń (event notification) DCU Bez licznika bilansującego PRIME, S-FSK, OSGP, IDIS. Sterownik Smart Grid DNP over TCP/IP IEC 60870-5-104 Pomiar prądów fazowych po stronie SN Sygnalizacja prądu zwarciowego Odczyt wejść i sterowanie wyjściami
Technologie w obszarze sieci dostępowych
Architektura szafki stacji transformatorowej Licznik bilansujący (jakość energii) Urządzenia do sterowania i monitoringu (SCADA jakość energii) Koncentrator danych licznikowych (SmartMetering) Urządzenie komunikacyjne
Wyposażenie szafki stacji transformatorowej Moduł komunikacyjny + switch Ethernet LAN Licznik bilansujący Listwa pomiarowa Koncentrator AMI 24 Vdc Zasilacz 230 Vac Moduł SG (min) A Bateria (min) I 0,4 kv U Sygnalizatory zwarć
Przykład połączenia funkcji Smart Grid i Smart Metering w ramach jednej szafki Sterownik telemechaniki Wspólny modem GSM/2G/3G Koncentrator systemu AMI Akumulatory zasilanie rezerwowe Cewki Rogowskiego do pomiaru prądu i wykrywania prądu zwarciowego
Transmisja danych do systemów Przewodowa PLC SN xdsl światłowodowa Bezprzewodowa 3GPP (GSM, UMTS, LTE) centralnych CDMA2000 (1xRTT, EVDO rev.a,b) Tetra Radio kognitywne tj. automatycznie dopasowujące swoje działanie do środowiska radiowego
Wymagania dla sieci dostępowej Aplikacje: - Odczyt pomiarów (kierunek w górę ) - Monitoring i telesterowanie (prędkość łącza niska, niezawodność dostępu wysoka, kierunek w górę i w dół ) - Odczyt licznika bilansującego - Dane do użytkownika (prosument, strażnik mocy etc.) Wymagania: - Dostępność - Przepustowość dla kierunku w górę i dół sieci - SLA (pewność dostarczenia danych)
Wymagania dla sieci dostępowej Aplikacja Funkcja priorytet maksymalne opóźnienie wymagana szerokość pasma AMI odczyt danych pomiarowych z koncentratora średni dobowe średnia AMI odczyt danych profilowych z koncentratora niski/ średni typowo pojedyncze godziny średnia/duża AMI AMI odczyt licznika bilansującego pomiar jakości dostaw energii komunikacja z HAN, odłączenie/załączenie odbiorcy średni pojedyncze minuty mała/średnia wysoki pojedyncze minuty mała SCADA urządzenia monitoringu sieci średni pojedyncze minuty mała SCADA telesterowanie łacznikami SCADA wysoki real time - bezzwłocznie mała Zarządzanie majątkiem zarządzanie infrastrukturą komunikacyjna i pomiarową niski dobowe mała
Technika bezprzewodowa + szybka i łatwa w implementacji + często jedynie możliwa (brak infrastruktury) + może spełnić wymagania na przepustowość i dostępność - wymaga wyższych kompetencji przy projektowaniu systemu (wybór odpowiedniej techniki, operatora) - kompetencje przy uruchamianiu i eksploatacji (np. zestrojenie układu antenowego) - współdzielenie pasma radiowego (natłoki, duża liczba urządzeń w jednym sektorze, bardziej widoczne przy licznikach)
Rodzaje telefonii komórkowej Technologia Dostęp Modulacja Pasmo Downlink Uplink GSM/GPRS TDMA GMSK Class 12 900/1800 85.6 kbps 85.6 kbps GSM/EDGE TDMA GMSK,8-PSK Class 12 900/1800 237 kbps 237 kbps UMTS WCDMA QPSK release 99 900/2100 384 kbps 384 kps HSPA WCDMA 16QAM cat.8/cat.6 900/2100 7.2 Mbps 5.76 Mbps HSPA+ WCDMA 64QAM cat.24/cat.6 900/2100 21 Mbps 5.76 Mbps HSPA+DC WCDMA 64QAM cat.24/cat.6, 2 nośne 900/2100 42 Mbps 5,76 Mbps LTE OFDMA QPSK,16QAM,64QAM cat.3 800/1800/2500 100 Mbps 50 Mbps CDMA2000 1xRTT CDMA QPSK,8-PSK,16QAM 450 subclass L 153 kbps 153 kbps CDMA2000 EVDO rev.a CDMA/TDMA QPSK,8-PSK,16QAM 450 subclass A i L 3,1 Mbps 1,8 Mbps CDMA2000 EVDO rev.b CDMA/TDMA QPSK,8-PSK,16QAM 3 nośne 450 subclass A 14,7 Mbps 5,4 Mbps Wybrane techniki dostępu bezprzewodowego
Dostępność do usługi transmisji danych w systemie komórkowym Dostępność do usługi jest zależna min. od: - wybranego systemu technologii bezprzewodowej - liczby urządzeń w sektorze komórki - charakterystyki ruchowej urządzeń Metody realizacji: - urządzenia jednosystemowe w oparciu o jednego operatora (1 karta SIM) - urządzenia jednosystemowe, z przełączaniem kart SIM - urządzenia hybrydowe (dwusystemowe) i wielosystemowe: oparte o jeden moduł radiowy dwusystemowy z dwoma różnymi modułami radiowymi (szybkie czasy przełączania, bez utraty sesji TCP) wielomodułowe (więcej niż 2 moduły)
Perspektywa zmian w technikach dostępu dla M2M Prognoza zmian technologii WWAN w urządzeniach M2M (2013-2022) Źródło: machinaresearch.com
LTE Nowoczesna i efektywna technologia dostępu radiowego o dużej przepustowości i zapewnieniem QoS Dostępna w różnych pasmach Wypiera technologie 2G (uwalnianie pasm na rzecz LTE) Rozwiązania radiowe najczęściej kompatybilne w dół z systemami GSM i UMTS Wysoki koszt modułów radiowych, ale z dużą tendencją spadkową Wsparcie 3GPP dla M2M w LTE Release 11: 3GPP TR 23.888 System improvements for Machine-Type Communications (MTC) min. zapewnienie dostępu
CDMA2000 1X revision F Najnowszym rozwinięciem standardu rodziny 1X jest 1X Rev. F zoptymalizowany dla obsługi urządzeń M2M. Niektóre cechy standardu 1X rev. F: - Zoptymalizowana obsługa sygnalizacji (5 -krotnie w stosunku do 1xRTT) - Lepsze wykorzystanie łącza radiowego dla przesyłu danych (4 krotnie) - 10 krotnie obniżenie zużycie energii modemów radiowych - Standard gotowy do wdrożeń komercyjnych
CDMA2000 i LTE w paśmie 450 (1) Miara jakości technologii radiowych dla M2M: maksymalna liczba urządzeń obsłużonych przez komórkę Cel oszacowanie maksymalnej liczby urządzeń pomiarowych w sektorze dla obu technologii. Założenia dla porównania technologii: Parametr jednostka wartość Komentarz Liczba mierników podłączonych do jednego modemu CDMA lub LTE Liczba danych generowanych kb 1 Narzut protokołu % 20 wartswa MAC Wysyłanie danych co: min 15 4 Interwał czasu pomiędzy wysłaniem danych a rozłączeniem szerokość kanału s 0 MHz 1,25 CDMA MHz 1,4 LTE
CDMA2000 i LTE w paśmie 450 (2) Technologia Maksymalna liczba zasobów systemu do jednoczenej obsługi ruchu czas zestawieniena/ rozłączenia połączenia [s] UP/DL [kbps] Maksymalna liczba mierników na sektor CDMA2000 1X, rev. F 24 na sektor 0,8 250/200 15,686 CDMA2000 1XEVDO, rev.a 24 na sektor 1 1200/6000 32,777 LTE450 6 na sektor 0,6 2400/1400 24,983 LTE obsługuje mniejszą liczbę jednoczesnych połączeń niż rozważane technologie CDMA Mniejsza liczba obsługiwanych połączeń w LTE, mimo większej przepustowości obsługuje mniej urządzeń M2M niż CDMA2000 EVDO rev.a Jednak większa przepustowość kanału LTE pomimo mniejszej dostępności zasobów dla jednoczesnych połączeń, daje większą pojemność systemu niż CDMA2000 1X rev.f
Porównanie cen modułów radiowych Moduł Cena [USD] GSM/GPRS 10-12 UMTS/HSPA 35-50 LTE (3G kompatybilne) 80-120 CDMA2000 1X 22-30 CDMA2000 1XEV-DO 35-50
Embedded SIM Możliwość zdalnej wymiany profilu rozwiązuje problem wymiany kart SIM, w wielu urządzeniach, w przypadku zmiany operatora usługi telekomunikacyjnej Urządzenie przełącza się samo wybierając operatora o najlepszym zasięgu Technologia dostępna Groupe Speciale Mobile Association (GSMA) pracuje nad standardem (http://www.gsma.com/connectedliving/embedded-sim/) Oczekiwania na regulacje Technologia automotive katalizatorem wprowadzenia technologii 2016(?) Bardziej odporny SIM
Zarządzanie urządzeniami komunikacyjnymi Ustalenie protokołu dla zarządzania urządzeniami np. SNMPv3 Przyjęcie jednolitej bazy MIB dla klasy urządzeń komunikacyjnych (definicje zarządzanych obiektów, zdarzeń, alarmów) Ustalona baza MIB - uproszczenie aplikacji zarządzająca (szybsze wdrożenie, niższe koszty) Kompetencje dla zarządzania grupą urządzeń M2M dla celu utrzymania sprawności komunikacyjnej pomiędzy systemami informatycznymi a infrastrukturą w stacjach transformatorowych (w obszarze TAN B) A może operator techniczny obsługujący styk radiowy WAN (przełączanie, natłoki, nadzór)
Urządzenie komunikacyjne i SJA IP
Dziękujemy Aleksander Babś, aleksander.babs@ien.gda.pl Arkadiusz Smeja, areksm@dgt.com.pl