Technika smart meteringu

Technika smart meteringu
Jacek Świderski
Marcin Tarasiuk
© IEn Gdańsk 2010
Instytut Energetyki JBR Oddział Gdańsk
Warszawa 23-24.03.2010
Zakres prezentacji
™ Wprowadzenie
™ Wymiana informacji w systemach inteligentnego pomiaru – relacje
komunikacyjne
™ Znormalizowane rozwiązania komunikacyjne w systemach AMI
Komunikacja systemu odczytowego z licznikiem energii
elektrycznej
Dodatkowe interfejsy licznika energii elektrycznej
Komunikacja systemu odczytowego z centralnym
systemem zarządzania danymi OSD
© IEN Gdańsk 2010
™ Podsumowanie
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
2 /20
Wprowadzenie
™ W referacie zostaną przedstawione znormalizowane rozwiązania
komunikacyjne związane z funkcjonowaniem systemów
inteligentnego pomiaru.
© IEN Gdańsk 2010
™ 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.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
3 /20
Zakres prezentacji
™ Wprowadzenie
™ Wymiana informacji w systemach inteligentnego pomiaru –
relacje komunikacyjne
™ Znormalizowane rozwiązania komunikacyjne w systemach AMI
Komunikacja systemu odczytowego z licznikiem energii
elektrycznej
Dodatkowe interfejsy licznika energii elektrycznej
© IEN Gdańsk 2010
Komunikacja systemu odczytowego z centralnym
systemem zarządzania danymi OSD
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
4 /20
Wymiana informacji w systemach inteligentnego
pomiaru – relacje komunikacyjne
Terminal obsługi technicznej
System odczytowy
Licznik
Inne liczniki
Terminal
odbiorcy
Źródło: Open Meter
Report D1.1, ver. 1.0,
2009
System
zarządzania
danymi
© IEN Gdańsk 2010
Koncentrator
AMI - Advanced Metering Infrastructure
MDM -Meter Data Management
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
5 /20
Zakres prezentacji
™ Wprowadzenie
™ Wymiana informacji w systemach inteligentnego pomiaru – relacje
komunikacyjne
™ Znormalizowane rozwiązania komunikacyjne w systemach
AMI
Komunikacja systemu odczytowego z licznikiem
energii elektrycznej
Dodatkowe interfejsy licznika energii elektrycznej
© IEN Gdańsk 2010
Komunikacja systemu odczytowego z centralnym
systemem zarządzania danymi OSD
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
6 /20
Komunikacja systemu odczytowego z licznikiem
energii elektrycznej
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.)
© IEN Gdańsk 2010
™Przewodowa transmisja danych na łączu dedykowanym
(M-bus, RS-485, Ethernet itp.)
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
7 /20
Komunikacja systemu odczytowego z licznikiem
energii elektrycznej
Styk: Licznik – Węzeł sieci komunikacyjnej AMI (koncentrator)
rozwiązanie w warstwie fizycznej
© IEN Gdańsk 2010
™ 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 61334-5-1 – Kluczowanie częstotliwości z rozpraszaniem widma
sygnału S-FSK
IEC 61334 -5-2- – Kluczowanie częstotliwości FSK
IEC 61334-5-4 – 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 - 2.4 kb/s,
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
8 /20
Komunikacja systemu odczytowego z licznikiem
energii elektrycznej
Styk: Licznik – Węzeł sieci komunikacyjnej AMI (koncentrator)
rozwiązania nieznormalizowane: PRIME
© IEN Gdańsk 2010
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
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
9 /20
Komunikacja systemu odczytowego z licznikiem
energii elektrycznej
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 62056-62. Każdy z interfejsów oprócz
przyporządkowanych funkcji określa strukturę danych – tj. obiekty danych
COSEM. Wszystkie obiekty danych COSEM tworzą model danych licznika.
© IEN Gdańsk 2010
™ Każdy obiekt danych jest identyfikowany przez kod OBIS (Object
Identification System). Kodowanie obiektów za pomocą kodów OBIS jest
zgodne z normą IEC 62056-61.
™ Model danych COSEM licznika jest w pełni niezależny od
wykorzystywanego protokołu warstwy aplikacji.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
10 /20
Komunikacja systemu odczytowego z licznikiem
energii elektrycznej
Model przesyłanych danych COSEM +
protokół warstwy aplikacji DLMS (2)
™ Norma IEC 62056-53 definiuje protokół warstwy aplikacji przeznaczony
m.in. do komunikacji z licznikami energii elektrycznej. 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.
© IEN Gdańsk 2010
™ Rolę klienta pełni:
Koncentrator - gdy w AMI komunikacja pośrednia z systemem odczytowym,
System odczytowy – gdy w AMI komunikacja bezpośrednia z systemem
odczytowym.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
11 /20
Komunikacja systemu odczytowego z licznikiem
energii elektrycznej
Model przesyłanych danych COSEM +
protokół warstwy aplikacji DLMS (3)
© IEN Gdańsk 2010
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).
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
12 /20
Komunikacja systemu odczytowego z licznikiem
energii elektrycznej
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).
© IEN Gdańsk 2010
™ 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”.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
13 /20
Komunikacja systemu odczytowego z licznikiem
energii elektrycznej
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.
© IEN Gdańsk 2010
™Przesyłany plik SML może podlegać ochronie kryptograficznej.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
14 /20
Komunikacja systemu odczytowego z licznikiem
energii elektrycznej
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:
© IEN Gdańsk 2010
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) .
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
15 /20
Komunikacja systemu odczytowego z licznikiem
energii elektrycznej
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 61334-5-2 (FSK), prędkość 2,4
kb/s – jest odpowiedzialna za przesył strumieni 11-bitowych znaków .
© IEN Gdańsk 2010
™ Warstwa łącza danych – IEC 61334-4-32/IEC 61334-4-33 (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”).
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
16 /20
Komunikacja systemu odczytowego z licznikiem
energii elektrycznej
Styk Koncentrator – System odczytowy
DLMS
™ W warstwie aplikacji dane z koncentratora do systemu odczytowego
mogą być przesyłane przy wykorzystaniu znormalizowanego protokołu
DLMS.
© IEN Gdańsk 2010
™ 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.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
17 /20
Komunikacja systemu odczytowego z licznikiem
energii elektrycznej
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.
© IEN Gdańsk 2010
Prędkość transmisji w praktyce od kilku do kilkudziesięciu kb/s.
Zgodnie z normą IEC 62056-47 (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.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
18 /20
Zakres prezentacji
™ Wprowadzenie
™ Wymiana informacji w systemach inteligentnego pomiaru – relacje
komunikacyjne
™ Znormalizowane rozwiązania komunikacyjne w systemach
AMI
Komunikacja systemu odczytowego z licznikiem energii
elektrycznej
Dodatkowe interfejsy licznika energii elektrycznej
© IEN Gdańsk 2010
Komunikacja systemu odczytowego z centralnym
systemem zarządzania danymi OSD
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
19 /20
Dodatkowe interfejsy licznika energii elektrycznej
™ Interfejs lokalny do celów obsługi w miejscu instalacji (odczyt i konfiguracja)
IEC 62056-21 (IEC1107) tryb C lub tryb E z DLMS/COSEM na porcie optycznym
DLMS na IEC 62056-31 (Euridis),
Przyszłościowo należy rozważyć zastosowanie rozwiązań bezprzewodowych
IEEE802.15.4 (ZigBee) lub IEEE802.11 (Wi-Fi) w niższych warstwach stosu
komunikacyjnego.
™ Interfejs do podłączenia liczników innych mediów
IEC 13757 (M-Bus) – przewodowy lub bezprzewodowy,
IEC 62056-31 (Euridis),
IEEE 802.15.4 (ZigBee),
Zaleca się stosowanie DLMS/COSEM w warstwie aplikacji.
© IEN Gdańsk 2010
™ Interfejs do podłączenia terminala klienta
PLC,
Bluetooth (IEEE 802.15.3),
ZigBee (IEEE 802.15.4),
Zaleca się stosowanie DLMS/COSEM w warstwie aplikacji.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
20 /20
Zakres prezentacji
™ Wprowadzenie
™ Wymiana informacji w systemach inteligentnego pomiaru – relacje
komunikacyjne
™ Znormalizowane rozwiązania komunikacyjne w systemach
AMI
Komunikacja systemu odczytowego z licznikiem energii
elektrycznej
Dodatkowe interfejsy licznika energii elektrycznej
© IEN Gdańsk 2010
Komunikacja systemu odczytowego z centralnym
systemem zarządzania danymi OSD
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
21 /20
Komunikacja systemu odczytowego z centralnym
systemem zarządzania danymi OSD
™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.
System
MDM
SCADA
EMS
System
GIS
© IEN Gdańsk 2010
SOA
Service
Oriented
Architecture
Enterprise Service Bus
System
dostępowy
System
odczytowy
System
odczytowy
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
22 /20
Komunikacja systemu odczytowego z centralnym
systemem zarządzania danymi OSD
™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.
© IEN Gdańsk 2010
™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.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
23 /20
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
© IEN Gdańsk 2010
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.
www.ien.gda.pl
e-mail: [email protected]
24 /20