Komunikační sítě pro energetiku (Smart Grid) Jiří Vodrážka

Transkript

1 Komunikační sítě pro energetiku (Smart Grid) Jiří Vodrážka

2 Autor: Jiří Vodrážka Název díla: Komunikační sítě pro energetiku (Smart Grid) Zpracoval(a): České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Kontaktní adresa: Technická 2, Praha 6 Inovace předmětů a studijních materiálů pro e-learningovou výuku v prezenční a kombinované formě studia Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

3 VYSVĚTLIVKY Definice Zajímavost Poznámka Příklad Shrnutí Výhody Nevýhody

4 ANOTACE Digitální signál, ať už se jedná o datový signál vykazující přirozeně digitální formu, nebo digitalizovaný, původně analogový signál (např. signál telefonní, audio apod.), je během přenosu ovlivňován šumem a rušením. Jak na vysílací, tak na přijímací straně po průchodu přenosovým prostředím je sledovat parametry signál u a ověřovat, zda nevybočuje z předepsaných limitů. Limitní hodnoty jsou pro telekomunikační rozhraní definovány v doporučeních mezinárodní telekomunikační unie (ITU-T). CÍLE Modul navazuje na modul Regenerace digitálního signálu a Chybovost při přenosu digitálního signálu. Předpokládá se znalost základní funkce regenerátoru digitálního signálu a mechanismus vzniku chyb při přenosu. Podrobně je popsána metodika vyhodnocení při měření bitové i blokové chybovosti. Dále je probrána problematika fázového chvění a způsoby jeho vyhodnocení. LITERATURA [1] Vodrážka, J., Havlan, M.: Přenosové systémy. Sítě a zařízení SDH, OTH, jejich návrh a měření. Vydavatelství ČVUT. Praha 2008.

5 Obsah 1 Energetické sítě Co je Smart Grid Koncepce Smart Grid Motivace k budování Smart Grid Požadavek vyrovnané bilance Interoperabilita Smart Grid Struktura energetické soustavy Současný stav ICT podpory Rozšiřování ICT podpory Komunikační sítě pro Smart Grid Možnosti řešení komunikační podpory energetických sítí Klasické řešení komunikace v energetické síti VVN Použití SDH pro řízení energetické sítě Použití SDH a PCM pro komunikaci mezi ochranami Průmyslová rozhraní Průmyslový Ethernet Prvky průmyslového Ethernetu Varianty rozhraní Ethernet Vývoj v oblasti komunikačních sítí pro energetiku Lokální sítě rozvodny Kvalitativní parametry přenosu Inteligentní měření AMM a Smart Metering Uspořádání sítě AMM Použití různých generací mobilní sítě Použití koncentrátorů a komunikace PLC Vize Smart Grid Závěrečné zastavení... 36

6 1 Energetické sítě 1.1 Co je Smart Grid Současný svět je plný chytrých (Smart) řešení a zařízení. Nevyhnul se ani oblasti elektroenergetiky, odkud vzešel pojem Smart Grid. Uveďme si jednu z možných definicí. Smart Grid je elektrická síť, která umí sofistikovaně integrovat veškeré funkce všech připojených zařízení generátorů i spotřebičů tak, aby byla zajištěna efektivní, ekonomická a bezpečná dodávka elektrické energie. Požadavky na energetickou síť se mění v souvislosti se zvyšujícím se podílem a počtem obnovitelných zdrojů energie, snahami se zvyšováním efektivity distribuce energie i v důsledku požadavku na spolupráci s inteligentními odběrnými místy. Řeší se otázky stability energetické sítě při významném podílu obnovitelných zdrojů, zajištění ostrovního a nouzového provozu při výpadcích hlavních napájecích tras, možnosti akumulace energie, nabíjecí stanice pro elektromobily, automatické měření a ovládání odběrných míst. To vyžaduje inovaci technologie a komunikační infrastruktury, vyšší podíl automatizace i možnost obousměrných toků energie v distribuční soustavě. Hlavní znaky inteligentní energetické sítě: Technologie o Podpora obousměrného toku energie o Vysoká míra podpory ICT o Flexibilní řízení sítě o Zasíťování odběrných míst za účelem měření, řízení, regulace Služby o Efektivní podpora alternativních zdrojů energie o Podpora inteligentní domácnosti o Flexibilní účtování energie o Měření jiných typů médií o Podpora elektromobility a dalších aplikací

7 1.2 Koncepce Smart Grid Koncepce inteligentní energetické sítě (Smart Grid) podle Statní energetické laboratoře USA (National Energy Technology Laboratory, NETL) počítá se s uplatněním těchto principů: Aktivní zapojení spotřebitelů a inteligentních odběrných míst do inteligentní sítě. Spotřebitelé a jejich inteligentní spotřebiče budou průběžně informováni a budou moci plynule přizpůsobovat své chování na základě široké nabídky tarifů a cenových plánů. Sdružení všech možností výroby a ukládání energie. Plnohodnotné zapojení obnovitelných zdrojů do distribuční soustavy při zachování celkové stability a návaznosti na případné akumulační systémy a nabíjecí systémy elektromobilů. Nové produkty, služby a obchodní příležitosti. V souvislosti s inteligencí spotřebičů a pružným tarifováním bude možno nabídnout řadu komplexních produktů. Budou vytvořeny i podmínky pro účinný velkoobchodní prodej energie díky operativní výměně informací. Spolehlivost a kvalita dodávky energie. Monitorování na všech úrovních distribuční sítě umožní včasnou diagnostiku závad. Pokročilá úroveň automatizace dovolí regulaci parametrů elektrické energie v úzkých tolerančních mezích. K dispozici může být více úrovní kvality za různých cenových podmínek. Optimální využití zdrojů a efektivní provoz distribuční sítě. Inteligence sítě umožní optimální funkci v kombinaci autonomního a centrálního řízení. Automatické odstraňování poruch. Automatické systémy řízení na všech úrovních sítě umožní včasné zásahy při odstraňování poruch, využití redundance a záložních mechanismů. Odolnost proti útokům. Záložní mechanismy, využití lokálních zdrojů umožní značnou odolnost proti fyzickému napadení a přírodním katastrofám. Řešení řídicích a komunikačních systémů musí tvořit účinnou bariéru proti kybernetickým útokům. 7

8 1.3 Motivace k budování Smart Grid Stávající struktura a filozofie klasických silových sítí, kdy se energie přenáší od jednoho výkonného zdroje (elektrárna) ke spotřebitelům (zákazníkům) se mění. Nová vize je založena na velkém množství rozptýlených zdrojů, mezi které nepatří jen elektrárny s výkonem ve stovkách MW, ale i menší zdroje, které jsou schopny dodat jen stovky kw až jednotky MW. Instalovaný výkon alternativních zdrojů (fotovoltaiky a větrné elektrárny - zdroj ČSRES ) v ČR Aby energetická síť vlivem velkého množství různých zdrojů mohla fungovat, je nutné zavést do sítě sofistikované a efektivní řízení, které umožní ovládat energetickou síť až na úrovni jednotlivých zdrojů. Síť umožní provést na základě znalosti informací o aktuální spotřebě rekonfiguraci sítě tak, aby bylo dosaženo co nejmenších ztrát při přenosu energie a zároveň byly optimálně využity všechny její zdroje. Rozptýlenost jednotlivých zdrojů a inteligentní řízení umožňuje efektivní řešení kritických stavů, které nastávají při poruchách rozvodné sítě vlivem výpadků zdrojů nebo poškozením vedení. 8

9 Alternativní zdroje 9

10 1.4 Požadavek vyrovnané bilance Hlavním cílem řízení v elektroenergetice je dosažení vyrovnané bilance mezi výrobou a spotřebou, která je podmínkou stability elektrorozvodné soustavy. V ČR přispívá k vyrovnání výroby a spotřeby systém HDO (hromadné dálkové ovládání) a akumulace energie do přečerpávacích elektráren (Štěchovice, Dalešice, Dlouhé Stráně). Na obrázku je uveden příklad průběhu odběru energie v celé ČR během 24 hodin ve dni roku s nevyšší a nejnižší potřebou. Průběhy spotřeby energie Vyrovnávání regulací výroby je u velkých zdrojů (jaderné a tepelné elektrárny) obtížná až nemožná. U alternativních zdrojů je rovněž problematická, protože jejich výroba je závislá na přírodních podmínkách. Od Smart Grid se očekává pružná koordinace výroby a spotřeby pomocí pružných tarifů a inteligentních spotřebičů, jakož i optimalizace spojená s rozvojem elektromobility (dobíjecí stanice, výměnné stanice pro akumulátory, akumulace energie do baterií a případné vykrývání špiček). 10

11 1.5 Interoperabilita Smart Grid Uplatnění konceptu inteligentní energetické sítě je spojeno s implementací odpovídajících standardů. V současné době jsou standardy rozvíjeny koordinovaně, jak např. na straně IEEE, tak především na straně IEC. Práce IEC v této oblasti je orientována do dvou základních oblastí. První z nich je proces vytvoření sady standardů, které budou tvořit základní rámec konceptu Inteligentní energetické sítě. Druhou pak dopracování či rozšíření jednotlivých standardů tak, aby pokryly celou síť (včetně řízení a datových modelů konkrétních typů energetických zdrojů apod.). Za jeden z klíčových standardů se považuje IEEE P2030 (Guide for Smart Grid Interoperability of Energy Technology and Information Technology Operation With the Electric Power System, and End-Use Applications and Loads). Zde je definován referenční model SGRIM (Smart Grid Reference Interoperability Model), který je dále rozpracován na oblasti: Energetických technologií Komunikačních technologií Informačních technologií Pro všechny tyto oblasti jsou definovány entity, rozhraní a vzájemné vazby mezi těmito doménami: Výroba energie (Bulk Generation). Přenos energie (Transmission). Distribuce energie (Distribution). Odběratel energie (Customer). Velkoobchod s energií (Markets). Maloobchod s energií (Service Providers). Řízení a provoz (Control and Operations). 11

12 Model energetické sítě Smart Grid 12

13 1.6 Struktura energetické soustavy Rozvod energie je realizován střídavým napětím a proudem pomocí 3 fází se jmenovitým kmitočtem 50 Hz. Přenosová soustava používá tyto napěťové hladiny: ZVN zvláště vysoké napětí 400 kv VVN velmi vysoké napětí 220 kv Přenosová soustava ČR provozovaná společností ČEPS Hierarchicky nižší distribuční soustava používá typicky tyto napěťové hladiny: VVN velmi vysoké napětí 110 kv VN vysoké napětí 22 kv NN nízké napětí 400 V (mezi fázemi, tj. běžných 230 V mezi fází a zemí) Přeměnu mezi napěťovými hladinami zajišťují transformovny a větvení rozvodu zajišťují rozvodny. 13

14 1.7 Současný stav ICT podpory V elektroenergetické soustavě je dnes používán poměrně vysoký stupeň podpory informačními a komunikačními technologiemi (ICT). Zejména se jedná o řídicí a dispečerské systémy, realizované z centrály pomocí systémů označovaných zkratkou SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition). Vysoký stupeň automatizace a ICT podpora lze nalézt v těchto částech energetické soustavy: Elektrárny Rozvodny a transformovny přenosové soustavy Transformovny 110 kv distribuční soustavy Nižší stupně energetické soustavy používají dosud omezených možností: Měřicí body s dálkovým odečtemv síti VN Dálkové odečty velkoodběratelů (příp. dodavatelů) energie Dálkově ovládané rozpínací stanice v síti VN Systémy HDO pro ovládání odběrného místa V koncepci Smart Grid se počítá se zajištěním ICT podpory až na úroveň transformátorů VN/NN a pomocí inteligentních elektroměrů (Smart Metering) až na úroveň odběrného místa. Příklad transformátoru VN/NN a rozvodny VVN 14

15 1.8 Rozšiřování ICT podpory Vedle zmíněné elektronizace na úroveň transformátorů VN/NN se v koncepci Smart Grid předpokládá: Podpora obousměrného toku energie (vlivem rozptýlených alternativních zdrojů dochází k přelivům energie mezi oblastmi) Decentralizace řízení na oblasti, tzv. Smart regiony Podpora ostrovního provoz, kdy daná oblast je schopna funkce bez dodávky z centrálních zdrojů (lokální zdroje energie s omezením rozsahu dodávky, podpora tzv. startu ze tmy) Měření odběru energie, případně dalších médií pomocí systémů AMM (Automated Meter Management) a pomocí inteligentních elektroměrů Ovládání odběrného místa, pro účely odpojení nebo omezení dodávky v krizových situacích. Smart region je budován v ČR jako pilotní projet společností ČEZ v oblasti Vrchlabí (lokalita Liščí kopec). Řeší se zde zejména tyto aspekty Smart Grid: Alternativní zdroje energie Zapojení plynové kogenerační jednotky (ostrovní provoz) Automatizace na úrovni VN (zálohovaná distribuce) Elektromobilita - dobíjecí stanice (emobility) AMM 15

16 2 Komunikační sítě pro Smart Grid 2.1 Možnosti řešení komunikační podpory energetických sítí Pro řešení komunikačních potřeb v energetice a podporu Smart Grid (SG) se používají technologie klasické telekomunikační sítě, technologie Ethernet a TCP/IP a také technologie známé z oblasti průmyslové sítě, jako jsou průmyslové sběrnice. Komunikační síť obecně je tvořena uzly (síťové prvky) a spojnicemi (přenosové cesty, realizované optickými vlákny, metalickými vedeními či bezdrátově). Používá se následující dělení sítí podle rozsahu: PAN (Area Network Personal) v SG odpovídá domácí síti LAN (Area Network Local) v SG odpovídá rozvodům NN, může se dále dělit o HAN (Home), BAN (Bussines), IAN (Industrial) MAN (Area Network Metropolitan) v SG odpovídá distribuční síti VN ve městech WAN (Area Network Wide) se dále dělí na o Přístupová síť (Access) v SG odpovídá distribuční síti VN o Páteřní síť (Backbone) v SG odpovídá distribuční síti VVN a přenosové soustavě 16

17 2.2 Klasické řešení komunikace v energetické síti VVN Klasické telekomunikační technologie PCM/SDH se stále v energetice vyskytují, i když ze sítí poskytovatelů telekomunikačních služeb jsou postupně vytlačovány, zejména z těchto důvodů: Vysoká spolehlivost, léty ověřené systémy, nízké přenosové zpoždění Vyhrazená přenosová kapacita, oddělení toků, vysoká bezpečnost Řešení komunikačních požadavků v energetice pomocí sítí SDH a zařízení PCM PCM (Pulse Code Modulation) je zkratka pocházející původně z digitální telefonie (telefonní kanál Hz), jakožto způsob digitalizace telefonního signálu a formát pro přenos dat v násobcích digitalizovaného hovoru n x 64 kbit/s. Digitální tok PCM 30/32 odpovídá rozhraní E1 dle doporučení ITU-T G.703 s rychlostí 2,048 Mbit/s. Všechny přenášené signály jsou multiplexováním sdruženy do jednoho rámce dle doporučení ITU-T G.704. Nad tímto základním tokem byla vybudována hierarchie vyšších přenosových rychlostí PDH (Plesiochronní digitální hierarchie). 17

18 2.3 Použití SDH pro řízení energetické sítě SDH (Synchronous Digital Hierarchy) dle doporučení ITU-T G.707 navazuje na americký systém SONET je uzpůsobena přenosu po optických vláknech synchronními transportní moduly STM-N, kde N v násobcích 4 vyjadřuje hierarchický stupeň: STM-1 (155,52 Mbit/s) STM-4 (622,08 Mbit/s) STM-16 (2 488,32 Mbit/s) STM-64 (9 953,28 Mbit/s) STM-256 (39 813,12 Mbit/s) Pro různé přenášených signálů jsou v SDH určeny různé typy tzv. virtuálních kontejnerů. Do nich lze ukládat a přenášet jimi PCM, PDH toky, ATM buňky, IP pakety, Ethernet rámce. SDH také obsahuje nástroje pro monitorování kvality a zajištění spolehlivého přenosu s metodou ochrany (Protection) zálohování, podporu pro centralizovaný management sítě a distribuci taktovacího signálu. Řešení řízení a sběru dat v energetice pomocí sítí SDH a zařízení PCM 18

19 2.4 Použití SDH a PCM pro komunikaci mezi ochranami Vysoké spolehlivosti systémů SDH a PCM se využívá pro zřejmě nejnáročnější komunikační požadavek v energetických sítích zajištění komunikace distančních ochran na úrovni VVN. S výhodou se zde využívá zálohovaná kruhová topologie sítě SDH. Distanční ochrany jsou instalovány na koncích tras VVN a vyžadují komunikaci rychlostmi až stovek kbit/s s velice malým zpožděním (max. několik málo ms) a s požadavkem nízké četnosti a délky výpadku (max. několik málo desítek ms). To je schopna bez problému zajistit technologie SDH. Při delších dobách výpadku by mohlo dojít k ztrátě funkce distanční ochrany a následkem toho k přetížení silnoproudých zařízení a jejich možnému poškození. Řešení komunikace mezi rozdílovými ochranami VVN pomocí sítí SDH a zařízení PCM 19

20 2.5 Průmyslová rozhraní Propojení různých typů řídicích jednotek, akčních členů, senzorů měřidel apod. zajišťuji v průmyslových systémech specifická datová rozhraní a tzv. průmyslové sběrnice. Základními požadavky jsou vysoká spolehlivost a možnost komunikace mezi více body. Původní průmyslová rozhraní vycházejí z klasických datových rozhraní RS232 (ITU-T V.24/V.28), RS422 (ITU-T V.11) případně sběrnicová varianta RS485. K tomu se postupně přidávaly varianty s optickým přenosem. Lze konstatovat, že průmyslové sběrnice konvergují postupně k řešení pomocí technologie Ethernet. Nad těmito rozhraními je pak provozována aplikační vrstva, kterou se liší jednotlivé typy průmyslových sběrnic. Uvádíme příklady některých z nich. Fieldbus - IEC více typů a variant o Typ 1 Foundation Fieldbus H1 o Typ 2 ControlNet o Typ 3 odpovídá Profibus o Typ 4 P-Net o Typ 5 HSE (High Speed Ethernet) o Typ 6 SwiftNet o Typ 7 WorldFIP o Typ 8 Interbus Profibus (Process Field Bus) RS 485, optika o Rychlosti 9 kbit/s až 12 Mbit/s (100 m až 1,2 km, optická varianta až 80 km) o Přístup k médiu založen na Token ring, komunikace master-slave Modbus varianta RS 485 používá protokol spojové vrstvy HDLC (Highlevel Data Link Control), další varianta založená na standardech Ethernet, TCP/IP 20

21 2.6 Průmyslový Ethernet Standardy pro průmyslové sítě a sběrnice postupně inklinují k prostředí Ethernet (1. a 2. vrstva komunikačního modelu RM-OSI) a rodině protokolů TCP/IP (3. a 4. vrstva komunikačního modelu). Tyto komunikační prostředky nabízí pro koncepci inteligentní energetické sítě univerzální datovou infrastrukturu, která je schopna realizovat přenos dat mezi jednotlivými body energetické sítě s respektováním povahy a účelu přenášených dat (zpoždění, priorita apod.). Technologie Ethernet definovaná v IEEE je dnes nejčastěji nasazovanou technologií v lokálních i metropolitních sítích. Fyzickou vrstvu této technologie lze realizovat jak na metalickém, tak i optickém vedení, a tím dosahovat vysokých přenosových rychlostí. Prvky tzv. průmyslového Ethernetu mají navíc tyto vlastnosti: Dlouhá životnost a spolehlivost Zvýšená odolnost EMC a proti přepětí Vyšší rozsah provozních teplot, např. o Vnitřní prostředí 0-70 C, krytí IP20 o Vnější prostředí C, krytí IP67 Vyšší mechanické namáhání Montáž na DIN lištu Galvanické oddělení Zálohování napájení Prvky průmyslového Ethernetu na DIN lištu 21

22 2.7 Prvky průmyslového Ethernetu U průmyslových prvků se vyskytují různé typy rozhraní, která jsou v širší škále než u běžných přepínačů Ethernet vzhledem ke specifickému určení a podmínkám: Metalická 100 Mbit/s Optická 100/1000 Mbit/s Metalická SHDSL, VDSL2 RS 232/ RS 485 Bezdrátové rozhraní - průmyslová síť WiFi Topologie sítě, tj. uspořádání síťových prvků není jen pro přepínaný Ethernet typická hvězda, ale i linie a zálohovaný kruh. Specifickým požadavkem bývá synchronizace, k níž vje možno použít tzv. synchronní Ethernet (SyncE), nebo protokol PTP (Precision Timing Protocol). Standardizaci Ethernetu zajišťuje skupina IEEE 802 (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Konkrétně standardem je specifikována původní metoda přístupu k médiu CSMA/CD spočívající ve vícenásobném přístupu s tzv. nasloucháním nosné a detekcí kolizí: CS Carrier Sense MA Multiple Access CD Collision Detection Ethernet má na 2. spojové vrstvě komunikačního modelu tyto podvrstvy LLC Logical Link Control (standard 802.2) MAC Medium Access Control Fyzická vrstva může být v řadě provedení s různými typy médií, z nichž některé si popíšeme dále. Důležitými vlastnostmi je možnost pracovat v poloduplexním nebo duplexním režimu a přizpůsobit vzájemně rychlost propojených rozhraní. Postupným vývojem došlo k doplnění dalších důležitých funkcí, jako jsou virtuální sítě VLAN a napájení po Ethernetu PoE. 22

23 2.8 Varianty rozhraní Ethernet Na nižších rychlostech se dnes na metalickém médiu setkáme s kombinovaným rozhraním, které se dokáže přizpůsobit propojeným zařízením (dohodnou si optimální podmínky komunikace): Rozhraní 10 Mbit/s Mbit/s 10/100BASE-T Rozhraní 10 Mbit/s až 1000 Mbit/s 10/100/1000BASE-T Max. délka segmentu je 100 m a přenosové médium symetrický pár (UTP Cat 5 a lepší, 4 páry). 1000BASE-X dle specifikace IEEE 802.3z používá optické vlákno na max. vzdálenost 5000 m Rozhraní s rychlostí 10 Gbit/s (10GbE) dle specifikace IEEE ae se vyskytuje v řadě variant pro optické vlákno jednovidové (SM) a mnohavidové (MM) v provedení pro sítě LAN nebo WAN: 10GBASE-SR MM 850 nm, 300 m, LAN 10GBASE-SW MM 850 nm, 300 m, WAN 10GBASE-LR SM 1310 nm, 10 km, LAN 10GBASE-LW SM 1310 nm, 10 km, WAN 10GBASE-ER SM 1550 nm, 40 km, LAN 10GBASE-EW SM 1550 nm, 40 km, WAN 10GBASE-LX4 MM (300 m), SM (10 km), WDM-4 kolem 1310 nm, 8B/10B Pro zajištění spolehlivého provozu v průmyslových sítí je nutno řešit redundantní topologii a zálohovací mechanizmy. Mechanismus STP (Spanning Tree Protocol) a jeho modifikace jsou pomalé, proto se vyvinuly speciální rychlé zálohovací mechanizmy pro kruhovou topologii inspirované technologií SDH. Vedle proprietárních firemních řešení je k dispozici doporučení ITU-T G Ethernet Ring protection. Pro zajištění ochranného přepínání a detekci poruch používá služební Ethernet rámce OAM (Operation and Maintenence) dle doporučení ITU-T Y.1731) a zprávy R-APS (Ring Automatic Protection Switching). Záložní spoj se označuje RPL (Ring Protection Link) a je za normálního stavu blokována. Při poruše je zablokován přerušený spoj a RPL se otevře pro provoz. Existuje též podpora více propojených kruhů kde se definuje hlavní (Major) a podřízené kruhy (Sub-ring). 23

24 Zálohování v Ethernet kruhu 24

25 2.9 Vývoj v oblasti komunikačních sítí pro energetiku Pro obecné telekomunikační sítě i pro sítě Smart Grid jsou dominantními komunikačními prostředky Ethernet (1. a 2. vrstva komunikačního modelu RM- OSI) a rodina protokolů TCP/IP (3. a 4. vrstva komunikačního modelu). Ty nabízejí univerzální datovou infrastrukturu, která je schopna realizovat přenos dat mezi jednotlivými body s respektováním povahy a účelu přenášených dat (zpoždění, priorita apod.). Použitím technologie Ethernet a protokolů TCP/IP je umožněno nasazení různorodých komunikačních systému založených na principech přenosu dat po optickém vlákně, metalickém kabelu nebo bezdrátově. Hierarchie s oddělením sítí pro řízení a běžně ICT služby Dochází tak ke konvergenci sítí, jejichž součástí jsou v klasických telekomunikacích: sítě nové generace NGN (Next Generation Network) internetová telefonie VoIP (Voice over IP) internetová televize IPTV (IP Television) 25

26 Konvergovaná síť Propojení průmyslové sítě a obecné ICT sítě ovšem přináší bezpečnostní rizika. 26

27 2.10 Lokální sítě rozvodny V oblasti energetiky se uplatňují průmyslové sběrnice a Ethernet, za tím účelem jsou přijímány standardy, jako je: Ochrana a automatizace rozvoden - IEC využívá Ethernet o Využití virtuálních sítí VLAN dle IEEE 802.1Q o Využití nastavení kvalitativních parametrů QoS dle IEEE 802.1P o Topologie hvězdy nebo kruhu o Speciální zprávy GOOSE (Generic Object Oriented Substation Events) dle IEC Komunikace mezi řídicími centry - IEC využívá protokoly TCP/IP Lokální síť na rozvodně V technologii Ethernet je definována podpora pro tvorbu virtuálních sítí VLAN, což umožní v rámci jedné fyzické datové infrastruktury LAN provozovat několik oddělených, virtualizovaných, datových sítí. Tato technologie má přímo implementovanou podporu kvality služby (QoS) a tím i z tohoto vyplývající možnost zavedení prioritizace datových toků při přenosu. Tuto vlastnost lze s výhodou využít pro přenos zpráv GOOSE. Specifickou úlohou těchto zpráv událostí GOOSE je vytvoření potřebných horizontálních vazeb pro chránění v sítích, které vyžaduje zajištění vzájemné komunikace mezi prvky sousedících rozvoden. Pro GOOSE zprávy se nastavuje vyšší priorita oproti standardním zprávám GSSE (Generic Substation State Events), takže je zajištěno jejich přednostní odbavení a minimální zpoždění při přenosu. 27

28 2.11 Kvalitativní parametry přenosu Souhrnně se schopnost poskytovat služby na určité úrovni pomocí komunikační sítě posuzuje pomocí parametrů kvality služby QoS (Quality of Service). Kvalita služby je tedy soubor opatření, které zajistí určitý stupeň uspokojení uživatele danou službou. Obecně jsou definována v doporučení ITU-T G.1000 tato kritéria: rychlost (speed) přesnost (accuracy) dostupnost (availability) spolehlivost (reliability) bezpečnost (security) jednoduchost (simplicity) pružnost (flexibility) Pomocí těchto kritérií se hodnotí všechny funkce související se službami (service management), jako je proces nabízení, zřizování a rušení služeb, provádění servisu a údržby, kvalita spojení (connection quality) zahrnující sestavení, vlastní komunikaci a zrušení spojení a také účtování a možnost zákazníka službu řídit. Pro paketově orientované sítě ošetřuje problematiku kvality doporučení ITU-T G Zde se kromě přenosové rychlosti sledují ještě tři základní kritéria: Zpoždění při přenosu (Delay) způsobené šířením signálu na určitou vzdálenost a zejména zpožděním při zpracování signálu v uzlech sítě (např. čekání paketů ve frontách směrovačů). Kolísání zpoždění při přenosu (Delay Variation). Ztrátovost informace (Information Loss) způsobená chybovostí při digitálním přenosu a krátkodobými výpadky spojení vyjadřovaná často v četnosti ztracených paketů PLR (Packet Loss Rate). Poskytovatel komunikačních služeb musí zajistit odpovídající stupeň SLA (Service Level Agreement) podle typu služby. Obsah SLA definuje doporučení ITU-T M.3342 rámcově takto: Obchodní ujednání Definice služeb Technická část obsahující dohodnuté parametry a jejich limitní hodnoty Způsob reportování ověřování splnění parametrů QoS 28

29 Parametry QoS se výrazně liší podle typu služby, nevyšší nároky jsou kladeny na řízení energetické sítě, kritické přenosy pro ochrany a řízení rozvoden VVN, nižší nároky jsou pak na telemetrii, data AMM a nejnižší na běžné ICT služby (kancelářské aplikace, telefonie, web). 29

30 3 Inteligentní měření 3.1 AMM a Smart Metering Systém inteligentního měření (Smart Metering) a řízení odběru elektrické energie je systém, který umožňuje zejména: dálkový odečet odběru elektrické energie pomocí inteligentních elektroměrů, dálkové vypínaní a zapínání odběru elektrické energie v odběrném místě, dálkové řízení kritických stavů v rozvodné síti NN, dálkové a inteligentní řízení spotřeby a dodávky elektrické energie v odběrném místě, dálkovou regulaci dodávky elektrické energie v odběrném místě, a potenciálně ještě celou řadu jiných funkcí. Systémy inteligentního měření a řízení odběru elektrické energie se mezinárodně označují ne zcela výstižnou ale dnes již zaužívanou zkratkou AMM (Automated Meter Management) a považují se za součást konceptu inteligentní energetické sítě (Smart Grid). Mimo vlastního měření je důležité i ovládání odběrných míst, tj. v kritických situacích je odpojit či omezit spotřebu. Při měření spotřeby v reálném čase lze pružně reagovat řídicími systémy na optimalizaci vyrovnání výroby a spotřeby. Zároveň lze zajistit možnost řízení spotřeby, pružné ovládání tarifů a spolupráci s inteligentními spotřebiči. 30

31 3.2 Uspořádání sítě AMM Síť pro dálkové odečty elektroměrů je charakteristická množstvím koncových bodů (odběrných míst). Proto se jako logický prostředek nabízí využití mobilních sítí, které jsou dostupné téměř všude. První možnost je využít klasickou síť GSM 2. generace a okruhově orientované datové spojení CSD (Circuit Switched Data). V tomto případě postupně obvolává centrála elektroměry a vyčítá z nich data. Nevýhodou je relativně nízká přenosová rychlost a omezená kapacita systému, který nedovolí celoplošné nasazení a odečty v reálném čase. Centrála shromažďuje data např. vždy odečty prováděnými s periodou 24 hodin a na základě toho je odběr fakturován typicky měsíčně. Příklad řešení s přímou bezdrátovou komunikací - CSD 31

32 3.3 Použití různých generací mobilní sítě Nevýhody okruhově orientované komunikace odstraňuje paketová komunikace GPRS, též označovaná jako mobilní technologie dvaapůlté generace. Zde je ovšem pro optimální využití sítě vhodné způsob odečtu obrátit a naopak posílat data z aktivity mobilního terminálu (GPRS modemu v elektroměru). Obdobným způsobem se dají využít technologie 3. (UMTS) a 4. generace (LTE). Příklad řešení s přímou bezdrátovou komunikací - GPRS GSM (Global System for Mobile Communications) standardizovaná technologie 2. generace pro digitální buňkové mobilní radiotelefonní systémy. GSM se využívá různá frekvenční pásma (900, 1800, 1900 MHz), ale principy, typy rámců a protokoly jsou vždy shodné. GSM umožňuje v základní variantě realizaci datových přenosů CSD o rychlosti 9,6 kbit/s. o GPRS (General Packet Radio Service) Služba GPRS umožňuje přenos dat v mobilní telekomunikační síti GSM prostřednictvím komutace paketů. Služba GPRS je dostupná všude tam, kde je pokrytí signálem GSM od daného operátora a dovoluje přenášet data teoretickou rychlostí až 171,2 kbit/s. o EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution) Technologie EDGE je rozšířením principu GPRS, je zde použitý jiný druh modulace a vylepšeny stávající protokoly. Celkové teoretická přenosová rychlost se zvýšila až na 384 Kbit/s. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) mobilní telekomunikační systém 3. Generace (3G). Teoreticky je možné dosáhnout rychlosti 384 kbit/s s plnou mobilitou (v dopravních prostředcích do 120 km/h) a až 2 Mbit/s s omezenou mobilitou (pohyb chůzí méně než 10 km/h). o HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) technologie HSDPA je zdokonalením stávající sítě UMTS. Teoreticky dovoluje dosáhnout přenosovou rychlost až 14,4 Mbit/s u terminálu s omezenou mobilitou a 1,8 Mbit/s u terminálu s plnou mobilitou. 32

33 o HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access) zaměřuje se na vysokorychlostní přenos dat ve směru od koncového uživatele. HSUPA umožňuje dosažení teoretické přenosové rychlosti 5,76 Mbit/s. LTE (Long Term Evolution) 4. generace mobilní sítě se zaměřuje na vysokorychlostní přenos dat v obou směrech až rychlostmi 100/50 Mbit/s řešením všech služeb včetně telefonie pomocí protokolu IP. 33

34 3.4 Použití koncentrátorů a komunikace PLC V případě velkého počtu elektroměrů v dané oblasti je vhodné řešit sběr dat hierarchicky nejprve přenosem dat do koncentrátoru, a teprve pak do centrály. Pokud se použije ve vyšší úrovni mobilní síť, značně se omezí počet terminálů i objem dat. Pro sběr dat z elektroměrů do centrály se často využívá komunikace po silnoproudém vedení. PLC (Power Line Communication) obecným termínem PLC se označuje technologie umožňující širokopásmový přenos dat prostřednictvím energetické sítě. V praxi se též můžeme setkat se zkratkami BPL (Broadband over Power Line) či PDSL (Power Digital Subscriber Line). Využití PLC je omezeno EMC limity. Z hlediska aplikace je možno rozlišit vnitřní systémy (In-Door) zajištující konektivitu uvnitř bytů a domů a venkovní (Out-Door) systémy řešící připojení lokalit (např. připojení chytrých elektroměrů k transformovně). Příklad řešení s PLC 34