Rozproszone systemy monitoringu sieci elektroenergetycznej

Rozproszone systemy monitoringu sieci elektroenergetycznej Krzysztof Piątek Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych

Plan prezentacji 1. Definicja systemu rozproszonego 2. Cechy systemu 3. Struktura systemu 4. Przykłady zastosowania

3 Rozproszony system pomiarowy Ogół urządzeń pomiarowych, mediów transmisyjnych, urządzeń IT i oprogramowania przeznaczony do ciągłego zbierania i przetwarzania danych pomiarowych z wielu punktów przez długi okres czasu

Motywacja Skąd wynika konieczność stosowania: kontrola stanu pracy sieci przewidywanie i reagowanie na sytuacje awaryjne kontrola jakości energii elektrycznej w różnych punktach systemu przewidywanie i optymalizacja zużycia energii elektrycznej rozliczenie z dostawcą Smart Metering podstawa koncepcji Smart Grid Nie tylko energia elektryczna, ale również woda, gaz itp. zasoby podlegające ciągłej dystrybucji przez określone medium na dużym obszarze terytorialnym 4

5 Motywacja Obszar zastosowania: inteligentne sieci elektroenergetyczne Smart Grid systemy ciągłego monitoringu w wydzielonych sieciach, np. dużych zakładach przemysłowych badania dorywcze stanu sieci: diagnostyka, poszukiwanie przyczyn awarii jednocześnie w wielu punktach położonych w różnych miejscach

6 Inteligentne sieci elektroenergetyczne Smart Grid Bardzo szerokie pojęcie, określające sieci elektroenergetyczne kontrolowane z wykorzystaniem nowoczesnych technologii informatycznych zaawansowane technicznie rejestratory do pomiarów parametrów sieci Smart Metering kontrola na każdym etapie przesyłu i rozdziału energii elektrycznej możliwość kontroli źródeł rozproszonych, odnawialnych, itp. centralny system zarządzania i zbierania danych oparty o technologie IT

7 Inteligentne sieci elektroenergetyczne Smart Grid Możliwości: zarządzanie rozproszonym wytwarzaniem energii elektrycznej elastyczność sieci, optymalizacja przesyłu, łatwość rozbudowy kontrola jakości dostarczanej energii dokładne dane o poborze energii i stanie sieci elastyczne taryfy cenowe dla klientów

8 Inteligentne sieci elektroenergetyczne Smart Grid Korzyści ze stosowania Smart Metering: zmniejszenie kosztów odczytów mierników wprowadzenie nowych, zorientowanych na użytkownika usług (np. taryfy) zwiększenie efektywności wykorzystania i oszczędności energii zwiększenie świadomości użytkowników końcowych, optymalizacja zużycia energii i zmniejszenie rachunków

9 Systemy ciągłego monitoringu w sieciach wydzielonych Stosowane w sieciach wydzielonych: zakłady przemysłowe mające dużą sieć wewnętrzną kontrola w punktach rozliczeniowych kontrola najważniejszych odbiorników duże budynki zapewniające podwyższoną jakość dostawy energii elektrycznej dla wynajmującego monitoring zasilania pomieszczeń

10 Systemy ciągłego monitoringu w sieciach wydzielonych Sieć dostawcy Linie przesyłowe 110 kv Sieć wewnętrzna T1 T2 T1 T2 T3 T1 T2 110/6 kv 110/6 kv 110/6 kv 110/6 kv 110/6 kv 110/6 kv 110/6 kv Linie kablowe 6 kv Rozdzielnia 1 Rozdzielnia 2 Rozdzielnia 3 Monitoring w punktach rozliczeniowych Monitoring w punktach sieci wewnętrznej

Pomiary dorywcze stanu sieci System instalowany w celu rozwiązania konkretnego problemu badania stanu sieci, poszukiwanie przyczyn awarii System złożony z rejestratorów przenośnych łatwość instalacji i deinstalacji instalowanych w punktach pomiarowych na czas pomiaru Użytkownicy wykwalifikowani przeszkoleni w zakresie użytkowania systemu Nacisk na różnorodność zebranych danych przebiegi chwilowe, zdarzenia, współczynniki itp. 11

Cechy rozproszonego systemu monitoringu 12

13 Cechy systemu System złożony z wielu elementów spełniających określone funkcje elementy sprzętowe: rejestratory, modemy itp. oprogramowanie: serwisy WWW, bazy danych itp. Różnorodność funkcji wymagania jakie stawiane są systemowi Budowa warstwowa elementy systemu można pogrupować w warstwy o specyficznej funkcjonalności różne sposoby określania warstw systemu skalowalność możliwość rozbudowy

14 Budowa warstwowa Rozróżnienie ze względu na przepływ danych: 1.Zbieranie danych pomiar 2.Transmisja danych 3.Zarządzanie danymi i ich składowanie 4.Przetwarzanie danych 5.Prezentacja danych Podział możliwość zmiany technologii w obrębie pojedynczej warstwy bez konieczności zmian w pozostałych warstwach

15 Dziedzina interdyscyplinarna Budowa i utrzymanie systemu wymaga specjalistów z różnych dziedzin: metrologia zbieranie danych, przetwarzanie danych telekomunikacja, sieci komputerowe przesyłanie danych informatyka, IT przetwarzanie, składowanie i prezentacja danych i inne

16 Otwartość, interoperacyjność Powstawanie systemu monitoringu: całościowe jednolita architektura, wszystkie elementy systemu znane i niezmienne stopniowe jednolita architektura, różnice wynikają z instalowanych urządzeń w chwili rozbudowy lub modernizacji systemu na bazie istniejącej infrastruktury pomiarowej lub SCADA różne urządzenia, różne architektury, konieczność wprowadzania warstw tłumaczących

17 Otwartość, interoperacyjność System zamknięty: rozwiązania własnościowe poszczególnych firm współpraca z konkretnie wyszczególnionymi urządzeniami i oprogramowaniem ograniczone możliwości rozbudowy vendor lock-in współpraca z innymi urządzeniami utrudniona lub niemożliwa konieczność tłumaczenia formatów danych zachowana spójność i jednorodność sytemu

18 Otwartość, interoperacyjność System otwarty: określenie standardów komunikacji między składnikami systemu współpraca z urządzeniami i oprogramowaniem wspierającymi dane standardy duże możliwości rozbudowy problemy współpracy możliwe problemy z kompatybilnością niejednorodność systemu

19 Konieczność zapewnienia bezpieczeństwa Raport CyberKnowledge i U.C.Berkeley dla California Energy Commission (październik 2005) Sensor networks may suffer from many layers of potential vulnerabilities: they are subject to the problems of computer networks in general [...] and additional physical attacks [...] Raport NIST (wrzesień 2009) Ensuring cyber security of the Smart Grid is a critical priority. To achieve this requires that security be designed in at the architectural level.

20 Konieczność ochrony prywatności Raport NIST The Cyber Security Coordination Task Group (wrzesień 2009) The lack of consistent and comprehensive privacy policies, standards, and supporting procedures [...] creates a privacy risk that needs to be addressed. Raport dla Information and Privacy Commissioner, Ontario, Canada (listopad 2009): [Smart Grid] introduces the possibility of collecting detailed information on individual energy consumption use and patterns within the most private of places our homes.

21 Zagadnienia bezpieczeństwa informacji Złożony system wielowarstwowy wymaga całościowej koncepcji zapewnienia bezpieczeństwa informacji: bezpieczeństwo w każdej warstwie rozwiązania techniczne i programowe polityka dostępu do danych autoryzacja użytkowników, zarządzanie uprawnieniami polityka bezpieczeństwa systemu reakcja na incydenty, zarządzanie informacjami poufnymi (np. hasła, klucze kryptograficzne)

22 Zagrożenia Zagrożenia w każdej warstwie sabotaż mierników podmiana danych, zanieczyszczenie bazy oszustwa finansowe, zmiana statystyk, fałszowanie informacji o systemie przejęcie kontroli szantaż, nadużycia systemu, dezorganizacja pracy Zagrożenia prywatności klientów wycieki danych profilowanie klientów stwierdzenie obecności w budynku

23 Zagrożenia Wykorzystanie standardowych komponentów stosowanych w IT wykorzystanie zalet, ale również przejęcie podatności Błędy w implementacji zamknięte, słabo przetestowanie oprogramowanie Błędy w projektowaniu systemu wykorzystanie przestarzałych lub słabo przetestowanych technologii nieuwzględnienie spraw bezpieczeństwa informacji

24 Jak poważny jest ten problem? Testy wykonane przez IOActive (czerwiec 2009): meter worm samoreplikujący się program, rozprzestrzeniający się przez sieć urządzeń AMI konferencja Black Hat w Las Vegas, czerwiec 2009 Problemy z siecią bezprzewodową ZigBee (wykorzystywaną obecnie w AMI np. w USA) konferencje ToorCon w San Diego, październik 2009 i Black Hat 2009 Możliwości fizycznego dostępu do podzespołów mierników AMI konferencja CONFidence, Warszawa, listopad 2009

Budowa rozproszonego systemu pomiarowego 25

Koncentrator Bridge Gateway Zbieranie danych Budowa rozproszonego systemu pomiarowego Przesyłanie danych Zarządzanie danymi Przetwarzanie danych Prezentacja danych Pomiar Wyznaczanie wielkości złożonych Alarmy Lokalne składowanie danych Komunikacja Sieć lokalna WAN Internet Odczyt danych Integralność danych Składowanie danych bieżących Archiwizacja Zgodność z: normami taryfami cennikiem Wyznaczanie: korelacji indeksów zużycia energii Raportowanie zdarzenia stan sieci Raportowanie awarii Serwis WWW Rozsyłanie raportów Zarządzanie systemem Dostęp dla: klientów operatorów managerów serwisantów? Decyzje?? 26

27 Warstwa zbierania danych pomiarowych Ogół zagadnień związanych z rejestracją parametrów energii elektrycznej

28 Zbieranie danych pomiarowych System złożony z rejestratorów: przystosowanych do równoczesnych pomiarów w różnych geograficznie miejscach umożliwiających komunikację z bazą (lub bazami) danych i przesyłanie zmierzonych wielkości przystosowanych do długotrwałej i bezobsługowej pracy

29 Urządzenia pomiarowe Pomiary zgodnie z wytycznymi norm np. PN-EN 61000-4-30,PN-EN 61000-4-15, PN-EN 61000-4- 7, lub przepisów jak Rozporządzenie systemowe... Pomiar wartości chwilowych i wyznaczanie współczynników jak THD, P LT, P ST, harmoniczne Możliwość składowania pewnej porcji danych Wyposażone w moduły komunikacyjne Problem synchronizacji czasowej

30 Mierniki AMR Koncepcja AMR (automated meter reading) motywacja zdalny odczyt wyników pomiaru umożliwiają komunikację przez rodzaj bridge często dwa media np. PLC i GSM rejestratory energii przystosowane do elastycznego systemu taryf wersja on-site AMR dane odczytywane przez obsługę w miejscu instalacji lecz bez konieczności bezpośredniego dostępu do urządzenia

31 Urządzenia pomiarowe AMI Koncepcja urządzeń AMI (Advanced Metering Infrastructure) następca AMR, podstawa budowy Smart Grid komunikacja dwustronna realtime zdalny odczyt danych i konfiguracja, zarządzanie miernikiem dostosowany do elastycznego systemu taryf i płatności: prepaid, postpaid i inne możliwość załączania lub wyłączania odbiorników, sterowanie poborem mocy

32 Urządzenia transparent ready Urządzenia wyposażone w złącze sieci Ethernet, mogące komunikować się z użytkownikiem za pomocą serwisu WWW szeroki zakres urządzeń z zakresu dystrybucji energii elektrycznej dostęp do danych i ustawień przez standardową przeglądarkę WWW (MSIE, Firefox i inne) podgląd stanu urządzenia np. stanu łączników (wyłączników, rozłączników)

33 Urządzenia transparent ready Umożliwiają podgląd odczytów w czasie rzeczywistym Zapewniają gromadzenie danych podgląd historii umożliwia wykrywanie stanów awaryjnych Często komunikacja realizowana jest za pośrednictwem urządzenia typu gateway zapewnia połączenie z siecią LAN kilku urządzeń realizuje funkcje dedykowanego miniserwera WWW Brak standardu rozwiązania własnościowe poszczególnych firm

34 Urządzenia pomiarowe Przykłady: przenośne rejestratory np. Fluke 1760 umożliwiają długotrwałą rejestrację oraz komunikację przez sieć Ethernet dedykowane rejestratory montowane na stałe np. Dranetz Encore 61000 z własnym oprogramowaniem i systemem zbierania danych istniejące urządzenia pracujące w systemach SCADA po dostosowaniu do wymagań systemu pomiarowego

35 Warstwa przesyłania danych Ogół zagadnień związanych z przesyłem informacji w obu kierunkach (od i do rejestratorów)

36 Przesyłanie danych Różne media transmisji Różne protokoły Wykorzystanie technologii Internetu: sieć oparta o protokół TCP/IP Wykorzystanie standardowych urządzeń sieci LAN, WAN: routery, przełączniki, modemy itp.

37 Media transmisji Telefoniczne linie przewodowe: DSL, ASDL Własna infrastruktura kablowa: linie przewodowe, linie światłowodowe, PLC (Power Line Carrier) Sieci telefonii komórkowej GSM usługa transmisji danych w trybie z komutacją kanałów lub komutacją pakietów GPRS (EGPRS, EDGE, UMTS, i inne) Sieci bezprzewodowe: WiFi (802.11), WiMax (802.16), 6LoWPAN, ZigBee (802.15.4), Bluetooth (802.15.1) i inne

Koncentrator Przesyłanie danych Obszary miejskie Obszary wiejskie Miernik 1 Miernik 2 Miernik n Miernik Bridge WiFi, ZigBee, Ethernet... Sieci lokalne ZigBee Modbus Ethernet Koncentrator GPRS, DSL, BPL, światłowód WiMax Sieć WAN Zarządzanie miernikami TCP/IP Odczyt danych 38

39 Warstwa składowania i zarządzania danymi Ogół zagadnień związanych z gromadzeniem danych pomiarowych: odczytem, składowaniem i obiegiem

40 Zarządzanie danymi Odczyt danych Sprawdzanie integralności danych Przechowywanie bieżących danych Archiwizacja danych Integracja danych pomiarowych z różnych rejestratorów lub podsystemów pomiarowych ujednolicenie formatu odczytywanych danych Zarządzanie miernikami konfiguracja, stan bieżący, aktualizacja firmware

41 Zarządzanie danymi Odczyt danych pobieranie danych mierzonych w sposób ciągły prądy, napięcia, moce, współczynniki jakościowe odbieranie i reagowanie na alarmy i komunikaty: alarmy wywołane przez: wyłączenia awaryjne, nieprawidłowe stany pracy instalacji, sieci, miernika reakcja: powiadomienia przez SMS, e-mail, itp. Nawiązanie połączenia inicjowane przez serwer (poll) np. rejestracje inicjowane przez miernik (push) np. zdarzenia

42 Integralność danych Kontrola poprawności i jakości danych zapewnienie nieprzerwanego strumienia danych pomiarowych błędy w transmisji lub pomiarze problem synchronizacji czasowej dane zdublowane, lub niepełne dane oznaczone zdarzenia Działania: ponowny odczyt danych, sprawdzenie stanu przyrządu, powiadomienie obsługi lub serwisu

43 Składowanie danych System umożliwiający zapis i dostęp do dużych ilości danych: oparty o rozwiązania sprzętowe i programowe stosowane w sektorze IT relacyjna baza danych SQL zapewnia równoczesny dostęp wielu użytkownikom autoryzacja użytkowników uprawnienia do odczytu, zapisu, zmiany danych itp. redundancja i przechowywanie danych archiwalnych

44 Warstwa przetwarzania danych Ogół zagadnień związanych z przetwarzaniem danych zgromadzonych w celu uzyskania informacji koniecznych do podejmowania decyzji

45 Przetwarzanie danych Obróbka i interpretacja zgromadzonych danych pomiarowych wszelkie informacje dla raportów i analiz operuje na danych zmagazynowanych w bazie danych specjalizowane moduły programowe do wykonywania obliczeń

46 Przetwarzanie danych Przykłady: określanie zgodności z normami i przepisami (np. PN-EN 50160) obliczanie statystyk i indeksów systemowych (np. SARFI) określenie stanu systemu, jakości energii w różnych punktach określanie zużycia energii dla celów rozliczeniowych i inne

47 Warstwa prezentacji danych Ogół zagadnień związanych z interakcją systemu z jego użytkownikami

48 Prezentacja danych Prezentacja danych dla różnych grup użytkowników: klienci odbiorcy energii elektrycznej pracownicy techniczni poziomu rozdziału energii pracownicy biura obsługi klientów pracownicy poziomu zarządzania i inni Każda z grup potrzebuje innego rodzaju danych lub innego sposobu prezentacji danych.

49 Prezentacja danych Systemy oparte o serwisy WWW dostęp on-line systemy zarządzana treścią (CMS content maganement system) dostęp określany przez grupę i hasło prezentacja danych dostosowana do potrzeb integracja z innymi systemami (np. księgowym) Automatyczne generowanie raportów stan systemu, awarie, zdarzenia, jakość energii itp. rozliczenia, zgodność z planem taryfowym itp. Powiadamianie użytkowników: SMS, e-mail

Przykładowe zastosowanie rozproszonych systemów monitoringu 50

51 Przykładowe zastosowania Przykłady wykorzystania rozproszonych systemów monitoringu na świecie: Włochy dostawca energii ENEL wprowadza Telegestore project 27 milionów mierników zainstalowanych do 2005 komunikacja: PLC i GSM Holandia dwóch dostawców Continuon i Oxxio wprowadza inteligentne rejestratory tzw. Metripoint energia elektryczna i gaz komunikacja GSM (GPRS)

52 Przykładowe zastosowania Wielka Brytania wyspa Guernsey, operator Guernsey Electricity Ltd. obszar 65 tys. km 2, ok. 60 tys. mieszkańców, generatory spalinowe i połączenie 90 kv z Francją inteligentne rejestratory u ok. 50% użytkowników Kanada, stan Ontario podstawowy standard zaproponowany przez The Ontario Energy Board każdy dostawca wprowadza swój własny system planowane objęcie różnymi systemami łącznie 4,3 miliona klientów do roku 2010

53 Przykładowe zastosowania USA, stan Kalifornia trzech głównych dostawców energii wprowadza systemy Smart Grid każdy wprowadza własny system AMI planowane całkowite przejście na system AMI do roku 2012 lub 2013

Dziękuję za uwagę 54