Делаем сеть «умнее»

 

Автор

Балашов Олег, Заслуженный конструктор РФ

 

    В отчете компании Echelon, США, обобщаются преимущества, которые получают энергоснабжающие компании при передаче данных в «умной» сети по существующим электрическим линиям, и системы NES (Network Energy System). Сравнение с радиоканальными сетевыми решениями показывает, что использование электросети, как и всех ключевых активов, которыми уже владеет и управляет энергокомпания, эффективнее других доступных технологий — такой подход позволяет значительно снизить из­держки и несет в себе меньше рисков, обеспечивает надежность энергоснабжения, повышает «интеллект» сети и создает базу для реализации новых «умных» проектов.
    Управление сетью
    Энергокомпании владеют и профессионально управляют обширной и надежной распределительной электросетью, которая снабжает электроэнергией их клиентов. К сетям подведены 100% абонентов, и это стало возможным благодаря опыту многолетней эксплуатации сетей и инве­стициям в их развитие.
    Система NES (Network Energy Sy­s­tem) компании Echelon использует линии электропередачи, которые тянутся от низковольтных распределительных подстанций до точек конечного потребления. В отличие от устаревших систем с медленной трансляцией данных по силовой сети, предназначенных для AMR (систем автоматизированного чтения показаний счетчиков), или дорогих широкополосных систем связи по линиям электропередачи, NES адаптирована для систем AMI1 и приложений для «умной» сети.
    Топология линии связи, размещения счетчиков и концентраторов NES привязана к месту расположения электроснабжающего и передающего оборудования компании. Система обеспечивает надежное высокоскоростное одиночное IP WAN-соединение для всех приборов учета в зоне действия трансформатора низкого напряжения. WAN (транспортная сеть до центрального офиса) может быть любого типа, но обязательно базируется на IP-технологии.
    Как правило, NES развертывается на платформе существующей публичной IP-сети или доставляет данные с помощью оператора сотовой связи, такого, например, как T-Mobile (Северная Америка). Радиоканальная транспортная сеть — это дополнительная структура по отношению к системе связи по электросети, находящейся в собственности энергокомпании. Специалисты (каждый в своей области) управляют соответ­ствующими элементами системы: энергопредприятие — своей сетью, а телекоммуникацонная компания — своей беспроводной сетью.
    В результате вся система становится менее дорогостоящей для внедрения, эксплуатации и обслуживания. Энергокомпании могут развертывать «умные» сети постепенно, не создавая каких-либо новых ин­фраструктур.­
    Сеть ближайшего окружения счетчика. Это распределительная сеть от трансформатора до счетчиков в домах, которая принадлежит энергокомпании и управ­ляется ею. Эксплуатация и обслуживание сети являются зоной особого внимания энергокомпании и одним из ее основных видов деятельности. Опыт и все имеющиеся ресурсы предприятие направляет на поддержание электрической и «умной» сети, счетчиков NES. Фактически энергокомпания может использовать собранные NES данные для повышения надежно­сти сети и сокращения расходов на содержание низковольтной сети.
    WAN (глобальная сеть) на основе стандартов IP. Применяя хорошо зарекомендовавшую себя технологию WAN и одновременно используя существующую инфраструктуру связи, энергокомпания получает гарантии большей бе­зопасности и надежности и более полный охват, чем при помощи самостоятельно сформированной коммуникационной сети.
    Например, операторы сотовой связи, такие как T-Mobile, эксплуатируют и обслуживают сети связи с высокой пропускной способностью, к которым подключены десятки миллионов конечных точек. Энергокомпания — потребитель услуг крупных WAN-провайдеров может переложить на них обслуживание сети и управление ею, а также затраты на ее развитие.
    Напротив, энергокомпании, которые обеспечивают связь с приборами учета посредством собственных радиоканальных сетей, при создании новой системы сталкиваются с дополнительными расходами и ри­сками, поскольку формирование уникальной структуры управления и обслуживания всегда подразумевает некоторую неопределенность:

  • отсутствуют данные о масштабируемости проекта в долгосрочной перспективе;
  • нет доказательств того, что система будет отвечать стандартам надежности энергокомпании;
  • сложно рассчитать стоимость последующей эксплуатации и обслуживания, так как ожидаемая сумма может варьироваться в связи с изменением условий окружающей среды (климата, природных факторов), модернизацией объектов и инфраструктуры энергоснабжения.
    Подтверждение производительности, надежности и масштабируемости
    У многих энергокомпаний есть опыт использования измерительных систем и технологии передачи данных по силовой сети. Эти системы попадают в одно из двух технологических направлений, не соответствующих в идеале современным требованиям к «умной» сети.
    Ранее создаваемые системы связи под общим названием PLC (Power Line Communication) имели ограниченную функциональность и охватывали огромные расстояния, передавая данные во всех направлениях от счетчиков электроэнергии до подстанций через трансформаторы. Чтобы обеспечить такую связь, скорость соединения должна быть крайне низкой, что фактически делает невозможным оказание перечня услуг, анонсированных для AMI.
    Широкополосная связь по силовым линиям BPL (Broadband over Power Lines) — полная противоположность системам PLC: она очень дорогая, с неограниченной (по крайней мере, в отношении измерений) пропуск­ной способностью от каждого счетчика, но менее надежная. К тому же BPL требует большого начального капитала для внедрения и немалых расходов на установку и эксплуатацию. В связи с этим многие, если не все, основанные на BPL системы измерения не нашли широкого применения.
    Учитывая недостатки PLC, некоторые энергокомпании вынуждены были использовать для экспериментальных проектов сетевые «радиоканальные» решения, несмотря на то что надежность и масштабируемость технологии еще не подтверждены, расходы по сравнению с эксплуатацией собственной электросети намного выше и не исключены проблемы с поддержанием в рабочем состоянии своей сети радиосвязи.
    Однако в технологии передачи данных по силовым электросетям к настоящему моменту многое изменилось.
    Связь по проводам распределительной линии Distribution Line Carrier (DLC). Силовая линия в качестве коммуникационной среды
    Современные технологии передачи данных по электросети значительно превосходят ранние версии PLC, и чтобы отделить их от предыдущих модификаций, целесообразно назвать решения последнего поколения системами связи по проводам распределительной линии (DLC).
    Передача данных по силовым электросетям по-прежнему эффективнее радиоканальной, поскольку связь и новые интеллектуальные возможности реализуются непосред­ственно в электрической сети. Системы этого типа имеют неоспоримые преимущества:
  • связь по силовой линии осуществляется только от низковольтного распределительного трансформатора до счетчика. Это фактиче­ски создает локальную сеть вокруг каждого трансформатора;
  • пропускная способность измеряется в килобитах, что во много тысяч раз больше, чем в ранних PLC-версиях;
  • функционал предоставляет все необходимые приложения для развития системы до уровня AMI и Smart Grid, поскольку действует в локальной сети счетчика в пределах трансформаторной подстанции и обеспечивает высокую пропускную способность;
  • технология «транспорта» данных по линии электропередачи доказала свою надежность, экономичность и масштабируемость, она адаптирована к работе с десятками миллионов счетчиков и «умными» приборами для «умного дома»;
  • транспортная сеть передачи данных использует возможности существующих сетей, основанных на IP-решениях;
  • эксплуатация электрических сетей исключает необходимость наличия беспроводной сети связи с дополнительными затратами на долгосрочное обслуживание и управление.
    Радиоканальные сети
    Прежние радиоканальные решения для энергокомпаний не были сетевыми — они обеспечивали связь «точка — точка» между одним счетчиком электроэнергии и ручным пультом или установленным в автомобиле приемником. Более позд­ние версии базировались на сложной пейджинговой технологии, что позволяло энергокомпаниям считывать показания счетчиков, находящихся в домах клиентов, но они не были масштабируемыми и надежными — точность данных приборов учета при ежедневном опросе абонентов составляла примерно 80%.
    Радиоканальные решения последнего поколения сегодня называют «сетевым радиоканалом». Их только начинают тестировать, ни одну из этих технологий не осваивали массово и в течение долгого времени, поэтому результаты испытаний чаще всего не подтверждаются в реальных условиях. Неизвестно, например, как такие факторы, как изменения во внешней среде, рост деревьев, новое строительство или резкое увеличение числа потребительских радиоустройств (в частности, смартфонов с Wi-Fi), могут повлиять на производительность «сетевого радиоканала», объем капиталовложений или величину расходов на его поддержание.
    Еще не доказано на практике, что пропускная способность узловых радиосетей соответствует проектной, что они могут быть легко восстановлены и повторно перекоммутированы после перебоев в питании.
    Напротив, от других радиосистем поступают сигналы о том, что надежность их работы требует постоянных затрат.
    Операторы сотовой связи планомерно наращивают инфраструктуру, чтобы качество их услуг не зависело от капризов окружающей среды. В повседневной жизни радиосистемы используются повсеместно, все больше подобных устройств засоряют эфир, но с течением времени все они, к сожалению, устаревают.
    Надежность и масштабируемость системы NES
    Система NES с локальной сетью DLC — самое проверенное, надежное и масштабируемое на сегодняшний день «умное» решение:
  • более 30 млн счетчиков электроэнергии, поддерживающих технологию передачи данных по электросети компании Echelon, находятся в постоянной эксплуатации уже сегодня;
  • более 1,5 млн счетчиков NES, выпущенных Echelon и установленных в домах по всему миру, успешно работают вот уже несколько лет;
  • с помощью низковольтных сетей NES обнаруживает отключение отдельных счетчиков, а также проблемы в самой электрической сети;
  • по данным шведской энергоснабжающей компании E.ON, количество звонков от клиентов по поводу обслуживания счетчиков сократилось вдвое после развертывания AMI-системы на платформе NES;
  • шведская энергоснабжающая ком­пания Vattenfall получила возможность считывать 99,7% показаний 600 тыс. счетчиков NES при ежедневном опросе абонентов и 100% данных — за двое суток. (Система NES в Vattenfall эффективно функционирует уже более двух лет. Пока проблемы возникают только в радиокоммуникациях — GPRS-связи.)
    Встроенные «умные» сетевые решения
    Система NES «встраивает» лежащие в ее основе технологии в основные активы энергокомпании — линии электропередачи (инфраструктуру распределения электроэнергии), что повышает уровень сетевого интеллекта функционала на базе NES, который не может быть обеспечен каким-либо беспроводным решением.
    Поскольку сетевые радиоканалы физически отделены от линий электропередачи, они не могут получать информацию о самой линии и о качестве электроэнергии — их возможности ограничиваются счетчиком.
    Сетевой интеллект системы NES включают следующее.
    «Умное» управление электро­сетью. Энергокомпании могут легко отслеживать провалы напряжения, быстро устранять неисправности и принимать информацию о том, что услуга предоставлена.
    Контроль качества электроэнергии. Эта опция еще не имеет широкого применения, но является важной составляющей «умной» сети. Система NES выявляет события, связанные со скачками и падением напряжения, перегрузками по току, чередованием фаз, определением длинных и коротких отключений и гармониче­ских искажений, и делает необходимые замеры.
    Она может строить графики изменения указанных и других параметров, таких как напряжение, токи и мощность, за кон­кретный интервал времени. Все это ключевые показатели физического состояния распределительной сети.
    Статистика связи по силовой сети. Данные диагностики могут сигнализировать энергокомпании о потенциальных неисправностях или элементах «устало­сти» в распределительных линиях.
    Статус трансформатора. Поскольку NES привязана к каждому трансформатору, она может дать уникальную информацию об этом устройстве, а также общие сведения о модели энергоснабжения, которая описывает процессы, имеющие отношение к подстанции в целом, емкостному компенсатору и трансформатору и не требующие специального мониторинга (с помощью дорогостоящей аппаратуры и сети передачи данных).
    В некоторых случаях только благодаря этим данным можно в течение нескольких лет компенсировать затраты на создание системы.
    Разработка открытых решений
    Энергокомпании должны иметь возможность сегодня принимать такие решения по сетям, которые не будут препятствовать их гибкости завтра. Реагирование на спрос в бытовом секторе потребления и его стимулирование, услуги по предоплате за энергию, выкуп альтернативной энергии и интеллектуальные станции зарядки электрических транспортных средств уже абсолютно реальны.
    Чтобы обеспечить максимальный уровень гибкости для энергопредприятий, система NES компании Echelon построена на открытых международных сетевых стандартах:
  • ISO/IEC14908.1 для протокола связи;
  • IP для транспортной сети WAN;
  • SOAP/XML (Web Services) для программного обеспечения API.
    Технология, лежащая в основе NES, активно используется во многочисленных приложениях по всему миру, в том числе для интеллектуальных измерений/систем AMI, домашних сетей и «умных» приборов.
    Сама система NES «открыта» в счетчиках, в глобальной сети WAN и системном программном обеспечении. Это дает возможность энергокомпаниям модернизировать и развивать «умные» сети, идти в ногу с рынком и новыми нормативными требованиями.
    Созданное как сервис-ориентированная архитектура (SOA) программное обеспечение системы NES предназначено для быстрой интеграции с новыми и существующими корпоративными приложениями с применением IT-стандартов. WEB-сервисный интерфейс NES позволяет принимать конкурентные услуги ПО различных поставщиков.
    «Умные» счетчики NES имеют несколько интерфейсов для расширения услуг в рамках жилых домов посредством интеллектуального оборудования и программного обеспечения:
  • ZigBee или 6LoWPAN2 — стандарты для радиоканальных сенсорных панелей, беспроводных «умных» термостатов или домашних дисплеев (контроля параметров энергопотребления), а также радиоканальных домовых сетей;
  • открытый последовательный интерфейс для домашних сетей или услуг;
  • M-Bus — шины для управления счетчиками воды и газа (европейский стандарт).
    Кроме того, система NES отслеживает более сотни технических ­решений счетчиков с концентраторами и ПО сбора данных, которые пользуются наибольшим спросом у энергосбытовых компаний по всему миру. Таким образом, даже если первоначальные планы энергосбытовой организации не предусматривают включение в функционал таких высокотехнологичных операций, как предоплата, формирование профилей нагрузки, измерение параметров качества электроэнергии, дистанционное включение и отключение абонента, контроль состояния сети, они могут быть добавлены в систему, построенную по технологии Smart Metering, в более поздний период и без замены счетчика.
    Когда новые возможности становятся востребованными, они загружаются в качестве нового программного обеспечения в систему из центрального офиса, как это уже многократно делалось за время существования NES.
    По аналогии с телефонией си­стема NES обеспечивает высокую надежность и «длинный гудок», иными словами — свободную линию к каждому клиенту. По мере необходимо­сти энергосбытовая компания может ввести и эти характеристики и функции.
    Выводы
    Базовая технология NES помогает сделать Smart Grid, если так можно выразиться, еще «умнее». Smart Metering/AMI-решения на основе NES — единственные, по-настоящему многофункциональные и проверенные, они — будущее «умной» сетевой связи. NES построена на открытых международных сетевых стандартах с использованием экосистемного подхода к выбору оборудования и программного обеспечения, она разработана для поддержки дополнительных продуктов и услуг, удовлетворения потребностей каждой энергокомпании — сегодня и в перспективе.
    Полномасштабное внедрение и распространение NES доказывает надежность и эффективность технологии DLC в Smart Grid и интеллектуальных измерениях. Технология NES устанавливает высокую планку эффективности, до которой «сетевые радиоканалы» до сих пор не могут дотянуться. И хотя некоторые энергокомпании все же предпочитают радиоканальные решения, их применение сопряжено с огромным риском, так как они имеют большое количество неконтролируемых переменных, связанных с затратами на развертывание и эксплуатацию, особенностями технологии и бизнеса (см. таблицу). Система NES исключает эти риски.