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

GPRS/3G/LTE, CDMA, Wi-Fi, Radio w paśmie ISM (433MHz, 868

MHz, 2,4GHz)Przewodowy M-bus, RS-485, Ethernet

…

+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

+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

+Niska cena

+Polecany w zabudowie miejskiej wielomieszkaniowej+Niewrażliwość na zakłócenia

▬Konieczność instalacji dodatkowej infrastruktury zbiorczej

▬Konieczność zapewnienia ścieżkiłączności 'powyżej' infrastruktury zbiorczej

Dojrzałość technik PLC

minimum 4-5 lat

G3 PRIME

Meters&Mor

e

OSGP

IDIS/G1

P1901.2

IDIS/G3

g.hnem

Pasma PLC

US FCC

10 MHz 30 MHz

FCC - USA

Chiny

ARIB - Japonia

CENELEC - UE

3 kHz 95 kHz

125 kHz

2 MHz490 kHz10 kHz 500 kHz

450 kHz

148.5 kHz

140 kHz

A B C D

A: Pasmo dla OSD

B: Otwarte dla różnych zastosowań

C: Domowe systemy transmisji danych

z obowiązkowym protokołem CSMA/CA

D: Systemy alarmowe i bezpieczeństwa

Szerokopasmowe PLCWąskopasmowe PLC

Częstotliwości poszczególnych standardów

Freq [Hz]

S

35 kHz 42 kHz 86 kHz 89 kHz 90 kHz63.3 kHz 74kHz75kHz

Koegzystencja poszczególnych technologii pomiędzy 'słyszącymi się' odcinkami sieci nn wysoce problematyczna, lecz możliwa w określonych przypadkach

Bezpieczne rozwiązanie: 'jedna technologia w ramach jednego GPZ'

Poziomy zakłóceń w sieciach PLCzakres

częstotliwościmaksymalny poziom

transmisjimaksymalny poziom

zakłóceń3 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

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 zakłóceńw 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

1V

0,1V

10mV

1mV

Referencyjna sieć PLC

• 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

Warstwy protokołów opartych na PLC

PRIME PHY(OFDM)

PRIME MAC

IPv6/v4 4-32

IEC 61334-5-1PHY (S-FSK)

IEC 61334-5-1MAC

IEC 61334-4-32 LCC

TCP/UDP

Wrapper Layer

DLMS/COSEM App. Layer (IEC62056-53)

COSEM Metering Object model

PRIME Convergence Layers

IEC 62056-47

Meters &More

PHY (PSK)

Meters &More

MAC

M&M App.Layer

M&M Data Model

G3 PHY(OFDM)

G3 MAC

IPv6 IPv4

DLMS M&M

M&M Convergence Layers

6LoWPAN

P1901.2 PHY(OFDM)

P1901.2 DL

Aplikacje

wykorzystujące

IP

źródło: STMicro

Definiowanie KPI

Dwa podstawowe rodzaje KPI:

Biznesowe – z punktu widzenia aplikacji centralnejo Procent odczytanych liczników - zatrzaski dobowe A+ (na

dzień n, n+1, etc)o Procent odczytanych liczników - kompletne profile zużyciao Procent poprawnie wykonanych operacji

(wyłączenie/załączenie, zmiana ustawień strażnika mocy, zmiana taryfy, etc)

Technologiczne – z punktu widzenia sieci PLC lub GPRS/3Go Ilość zarejestrowanych liczników vs ilość zainstalowanycho Prędkość przekazywania zapytań i uzyskiwania odpowiedzi

– w warstwie aplikacji lub niższych warstwach (np. TCP/IP)o Procent czasu 'widoczności' licznikówo Procent liczników rejestrujących się w 'niewłaściwych'

koncentratorach

Komunikacja Headend - liczniki

źródło: Elster

• Koncentrator zbiera dane z liczników w trybie harmonogramowym, zdarzeniowymlub 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

'IP only' w szafkach AMI / SmartGrid

• DLMS over TCP/IP• Monitorowanie jakości dostaw energii• Monitorowanie jakości energii• Opcjonalnie moduły DO, DI, AI• Odpowiednie obiekty COSEM• Obsługa zdarzeń (event notification)

Licznik bilansujący+

DCU

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

• Bez licznika bilansującego• PRIME, S-FSK, OSGP, IDIS….

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

Licznikbilansujący

Moduł komunikacyjny + switch Ethernet

Zasilacz

Bateria (min)

Moduł SG (min)

Listwapomiarowa

Koncentrator

AMI

LAN

24 Vdc

230 Vac

0,4 kVI U

A

Sygnalizatoryzwarć

Wyposażenie szafki stacji transformatorowej

Przykład połączenia funkcji Smart Grid i Smart Metering w ramach jednej szafki

Sterownik telemechaniki

Koncentrator systemu AMI

Cewki Rogowskiego do pomiaru prądu i wykrywania prądu zwarciowego

Akumulatory –zasilanie rezerwowe

Wspólny modem GSM/2G/3G

Transmisja danych do systemów centralnych

• Przewodowa

– PLC SN

– xDSL

– światłowodowa

• Bezprzewodowa

– 3GPP (GSM, UMTS, LTE)

– 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 priorytetmaksymalneopóźnienie

wymaganaszerokość

pasma

AMIodczyt danych pomiarowych z

koncentratoraśredni dobowe średnia

AMIodczyt danych profilowych z

koncentratoraniski/średni

typowo pojedyncze godziny

średnia/duża

AMIodczyt licznika bilansującegopomiar jakości dostaw energii

średni pojedyncze minuty mała/średnia

AMIkomunikacja z HAN,

odłączenie/załączenie odbiorcy

wysoki pojedyncze minuty mała

SCADA urządzenia monitoringu sieci średni pojedyncze minuty mała

SCADAtelesterowanie łacznikami

SCADAwysoki

real time -bezzwłocznie

mała

Zarządzanie majątkiem

zarządzanie infrastrukturą komunikacyjna i pomiarową

niski dobowemała

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

LTE4

Liczba danych generowanych kB 1

Narzut protokołu % 20 wartswa MAC

Wysyłanie danych co: min 15

Interwał czasu pomiędzy wysłaniem danych a rozłączeniem

s 0

szerokość kanału MHz 1,25 CDMA

MHz 1,4 LTE

CDMA2000 i LTE w paśmie 450 (2)

• 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

TechnologiaMaksymalna 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

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