PTPiREE - Konferencja Naukowo Techniczna
Pomiary i diagnostyka w sieciach
elektroenergetycznych
Szerokopasmowa transmisja TCP-IP w sieciach
energetycznych średniego i niskiego napięcia w oparciu o
technologię BPL Broadband Power Line – teoria i praktyka
PTPiREE, Kołobrzeg, 12-13 czerwiec 2018
BPL w sieciach SN oraz nN
Agenda
2 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
O firmie
Wstęp do IEEE1901 Broadband Power Line
BPL vs. PLC oraz Infrastruktura BPL
Bezpieczeństwo i szyfrowanie w sieciach BPL
Zagadnienie EMC dla systemu BPL
Przykładowe wdrożenia
BPL w sieciach SN oraz nN
O firmie
3 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Polski lider Systemów Automatyki Podstacji, dostawca SSiN SCADA SYNDIS RV
35 lat działalności
350 pracowników
BPL w sieciach SN oraz nN O firmie
4 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Systemy BPL realizowane przez firmę Mikronika od 2009 roku
Smart Metering oraz komunikacja dla Smart Grid
10 lat doświadczeń w Polskich warunkach
BPL w sieciach SN oraz nN O firmie
5 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
PPC – partner, producent urządzeń systemu BPL
Metering, UK
Międzynarodowi
Niemcy Partnerzy • Wiodący w rozwoju urządzeń - zgodnych z niemieckim
profilem ochrony (BSI) z komunikacją bezprzewodową /
mobilną BPL i M2M
• Unikalne rozwiązanie Broadband Power Line firmy PPC
umożliwia niezawodną komunikację opartą na protokole
TCP / IP w sieci energetycznej
• PPC dostarcza Hardware BPL
• Firma działa głównie w Europie i na Bliskim Wschodzie
• Siedziba – Mannheim, Niemcy
• Produkcja na zlecenie
• Około 70 pracowników, głównie dział R&D
BPL & inne Techniki
Komunikacyjne
Projektowanie hardware & software
BPL and M2M
Network Management System dla
komunikacji WAN
System SCADA dla nadzoru systemu
Smart Metering / Smart Grid
System akwizycji danych pomiarowych
z liczników i innych urządzeń
Moduły BPL zintegrowane z licznikiem
Projektowanie urządzeń BPL oraz
innych technologii komunikacyjnych
(LTE, …) pod wymagania użytkownika
Rozwiązania BPL dla sieci średniego
napięcia
Usługi
Koncepcja wdrożenia
Koncepcje WAN
Planowanie, zarządzanie
projektem
Doradztwo dla IT i iMsys
Szkolenie dla WAN i iMsys
Wsparcie operacyjne, usługi
hostingu i aktualizacji
Szkolenia i warsztaty praktyczne
z zakresu techniki BPL
BPL w sieciach SN oraz nN O firmie
6 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Smart Meter Gateway
SMGW z wbudowanym
Ethernet
Mobile (GPRS, LTE)
BPL
Hybrydowe rozwiązanie LTE-BPL
Interoperability testowana z
licznikami oraz urządzeniami CLS
Projektowanie sprzętu, oprogramowania oraz integracja IT
iMSys = Intelligent Metering Systems
SMGW = Smart Meter Gateway
CLS = Controllable Local System
BPL w sieciach SN oraz nN
Agenda
7 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
O firmie
Wstęp do IEEE1901 Broadband Power Line
BPL vs. PLC oraz Infrastruktura BPL
Bezpieczeństwo i szyfrowanie w sieciach BPL
Zagadnienie EMC dla systemu BPL
Przykładowe wdrożenia
BPL w sieciach SN oraz nN
Wstęp do IEEE1901 Broadband Power Line
8 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Co to jest BPL ?
Szerokopasmowa sieć TCP/IP zbudowana w oparciu o sieć elektroenergetyczną średniego i
niskiego napięcia.
HE BPL RP BPL
HE BPL
RP
BPL RP
BPL
RP
BPL RP
BPL
BPL w sieciach SN oraz nN Wstęp do IEEE1901 Broadband Power Line
9 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Dlaczego BPL ?
Frequency (MHz)
10 1
Narrowband
Broadband
20 dB
Typowe spektrum szumu dla linii energetycznych
Założenia:
• Zapewnienie dużej szybkości transmisji danych
• Zapewnienie wysokiego poziomu QoS
• Obsługa bardzo dużej ilości węzłów – dziesiątki i setki tysięcy
• Możliwość współużytkowania pasma częstotliwości
• Mały pobór mocy z sieci do zasilania urządzeń
• Implementacja standardu TCP/IP (wersja 4 i 6)
• Odporność na zmiany topologii w medium transmisyjnym
• Dostosowanie do rosnących wymagań na sieć komunikacyjną w
obrębie sieci elektroenergetycznej:
• Więcej systemów działających w tym samym czasie
• Zwiększająca się ilość danych
• Pojawienie się nowych technologii
Potrzebne środki do realizacji celu:
• Mniejszy szum
• Duża ilość częstotliwości nośnych możliwa do użycia
BPL w sieciach SN oraz nN Wstęp do IEEE1901 Broadband Power Line
10 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Frequency (MHz)
10 1
Narrowband
Broadband
20 dB
Typowe spektrum szumu dla linii energetycznych 0
20
40
60
80
100
120
140
160
0,001 0,01 0,1 1 10 100
dB
uV
Częstotliwość MHz
PLC max sygnał EN50065-1 vs. BPL max sygnał EN50561-1
BPL w sieciach SN oraz nN Wstęp do IEEE1901 Broadband Power Line
11 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Standaryzacja
Powerline Communication
Narrowband
PLC
< 500 kHz
Broadband BPL
2 MHz – 50 MHz
Proprietary IDIS
more carrier
waves (Multi Carrier System)
OFDM
Prime G3
Iberdrola EDF/ERDF
one carrier wave (Single Carrier
System)
FSK/S-FSK
IEEE 1901.2
G.hn IEEE1901
In home
Homeplug
2 MHz – 50 MHz
Access
2 MHz – 30 MHz
In home
Inter System Signaling Protocol for co-existing Standards
BPL w sieciach SN oraz nN Agenda
12 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
O firmie
Wstęp do IEEE1901 Broadband Power Line
BPL vs. PLC oraz Infrastruktura BPL
Bezpieczeństwo i szyfrowanie w sieciach BPL
Zagadnienie EMC dla systemu BPL
Przykładowe wdrożenia
BPL w sieciach SN oraz nN BPL vs. wąskopasmowy PLC
13 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Tra
ns
mis
sio
n
Level
IEEE 1901
Access
3 kHz 148,5 kHz
CENELEC
1,8 MHz 30 MHz
Broadband Powerline
Narrowband PLC
IEEE1901
In home
50MHz
BPL w sieciach SN oraz nN BPL vs. wąskopasmowy PLC
14 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Pri
me
P
LC
G3
BP
L
BPL w sieciach SN oraz nN BPL vs. wąskopasmowy PLC
15 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Pri
me
P
LC
G3
BP
L
BPL w sieciach SN oraz nN BPL vs. wąskopasmowy PLC
16 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Pri
me
P
LC
G3
BP
L
…
Pri
me
P
LC
G3
BP
L
917 Carrier
2-30MHz
CE
NE
LE
C
A
FC
C
24,4 kHz
488 Hz
97 Carrier
42-89 kHz
42-471 kHz
36 Carrier
35,9-90,6 kHz
1,5 kHz
72 Carrier
154-487,5 kHz 4,6 kHz
Smart Grid w sieciach elektroenergetycznych BPL vs. wąskopasmowy PLC
17
Automatyczna adaptacja do aktualnych warunków panujących
w kanałach transmisji
BPL system
Chip BPL używa około
1,000 nośnych w zakresie
2-30 MHz
Chip BPL wykonuje
pomiary szumu w paśmie
kilka razy na sekundę
Gdy szum jest za duży w
części pasma, chip BPL
wyłącza nośne w tym
paśmie.
Zaszumiony kanał:
szybkość transmisji zostaje
zmniejszona (np.. Zmiana
typu modulacji), ale dane
są przesyłane
Średnio 25kbps na własne
potrzeby do organizacji
komunikacji
Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
BPL w sieciach SN oraz nN BPL vs. wąskopasmowy PLC
18 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Podsumowanie • Mniejszy szum w wysokim zakresie częstotliwości 2-30Mhz vs. 3-148,5kHz – trudniej jest zakłócić szerokie
pasmo • Większa ilość częstotliwości nośnych możliwa do użycia 1000 vs. 100 • Dostosowanie typu modulacji do aktualnego poziomu S/N w sieci dla używanych nośnych
• Osiągnięcie wysokiego poziomu QoS
• Transmisja danych w czasie rzeczywistym z bardzo małymi opóźnieniami rzędu pojedynczych
milisekund (odczyty liczników online ze skutecznością 99,8%)
• Możliwość obsługi bardzo dużej ilości węzłów ponad 250 000 w jednej komórce BPL (np. obszar nN
dla jednej stacji transformatorowej)
• Możliwość współużytkowania pasma częstotliwości (pasmo ogólnie dostępne) – koegzystencja i
niezakłócanie innych użytkowników w paśmie częstotliwości 2-30MHz (np. komunikacja radiowa w
pasmie fal krótkich)
• Mniejszy pobór mocy z sieci do zasilania urządzeń (mniejsza amplituda sygnału w szerszym pasmie
częstotliwości)
• Implementacja standardu TCP/IP (wersja 4 i 6)
• Odporność na zmiany w topologii medium transmisyjnym (odporność na zmiany w topologii sieci
elektroenergetycznej)
• Dostosowanie do rosnących wymagań na sieć komunikacyjną w obrębie sieci elektroenergetycznej:
• Więcej systemów działających w tym samym czasie
• Zwiększająca się ilość danych
• Możliwość zapewnienia sprawnej i stabilnej komunikacji dla nowych systemów takich jak Smart Grid,
Smart Metering, Smart Metering Prepaid, IoT …
BPL w sieciach SN oraz nN
Infrastruktura BPL
19 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Bazuje na standardzie IEEE 1901
Korzysta z istniejącej infrastruktury sieci
Odpowiedni do aplikacji czasu rzeczywistego
Łatwy w instalacji i solidny w działaniu
Jeden system transmisji danych dla wielu
niezależnych aplikacji
BPL
BPL BPL
BPL w sieciach SN oraz nN Infrastruktura BPL – niskie napięcie
20
L1
L2
L3
PEN
Kabel niskiego napięcia 230/400V
BPL
modem Interfejsy:
RJ45
ETH
M-BUS
Wireless M-BUS
Zigbee
Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
RS485
Modem
zew.
Modem
wew.
BPL w sieciach SN oraz nN Infrastruktura BPL – średnie napięcie
21
MV Cable
BPL MV24CC BPL MV24CC
MV200 MV200
MV Cable
BPL MV24CC BPL MV24CC
MV200 MV200
MV Cable
BPL MV24CC BPL MV24CC
MV200 MV200
MV Cable
BPL MV24CC BPL MV24CC
MV200 MV200
MV BPL Modem
MV BPL Coupler MV BPL Coupler
MV BPL Modem
RJ45 ETH
TCP/IP RJ45 ETH
TCP/IP
Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
RJ45 Ethernet RJ45 Ethernet
Kabel
koncentryczny Kabel
koncentryczny
Kabel SN
BPL w sieciach SN oraz nN
Infrastruktura BPL - NMS
22 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Algorytm nieustannie optymalizuje topologię sieci typu mesch.
Ten zrzut ekranu pokazuje tylko używane łącza BPL.
Niewykorzystane linki są również optymalizowane
Charakterystyki kanałów każdego łącza są stale monitorowane
Jakość połączenia wyświetlana jest w kolorach:
Czerwonym, Czarnym, Zielonym
BPL w sieciach SN oraz nN
Infrastruktura BPL – most do HAN
23 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
BPL jako pomost pomiędzy systemem AMI / SM oraz HAN
BPL w sieciach SN oraz nN
Infrastruktura BPL
24 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
BPL średnie napięcie
BP
L n
isk
ie n
ap
ięc
ie
800m
BPL w sieciach SN oraz nN
Infrastruktura BPL
25 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
BPL w sieciach SN oraz nN
Infrastruktura BPL – sprzęgacze dla SN
26 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
BPL w sieciach SN oraz nN Agenda
27 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
O firmie
Wstęp do IEEE1901 Broadband Power Line
BPL vs. PLC oraz Infrastruktura BPL
Bezpieczeństwo i szyfrowanie w sieciach BPL
Zagadnienie EMC dla systemu BPL
Przykładowe wdrożenia
BPL w sieciach SN oraz nN Bezpieczeństwo i szyfrowanie w sieciach BPL
28 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Trzy strefy szyfrowania w implementacji BPL
Backbone
Technologia
RP
RP
HE
Network
Management
System RP
MDM
System
Licznik
Strefa 1: komórka BPL
Strefa 2: Zarządzanie ruchem : Modemy BPL <-> NMS
Strefa 3: End-To-End szyfrowanie danych aplikacji
RP
BPL w sieciach SN oraz nN Bezpieczeństwo i szyfrowanie w sieciach BPL
29 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
IEEE 1901 Encryption Keys Są trzy różne klucze:
Network Encryption Key (NEK)
Network Management Key (NMK)
Device Access Key (DAK) (opcjonalnie)
Wszystkie klucze są symetryczne AES-128
Bezpieczeństwo sieci oparte na urządzeniach
Network Encryption Key (NEK) Służy do szyfrowania wszystkich danych użytkownika
Losowo generowany przez HE, jednolity w całej komórce BPL
Zmieniany regularnie (mniej więcej raz na godzinę)
Network Management Key (NMK) Służy do autoryzacji RP przy dołączaniu do komórki BPL
Używany przez HE do szyfrowania NEK gdy jest on przesyłany do
RP:
Pierwsze skojarzenie RP z komórką
Godzinowa zmiana NEK
Rzadko używany (zmieniany)
Device Access Key (DAK) Służy do uwierzytelniania RP, który chce się skojarzyć z komórką
Unikatowy dla każdego RP (losowo generowane podczas produkcji)
Używany przez HE do szyfrowania NMK podczas wysyłania go do RP
Bardzo rzadkie użycie - tylko podczas dostawy
BPL w sieciach SN oraz nN Bezpieczeństwo i szyfrowanie w sieciach BPL
30 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Szyfrowana komunikacja BPL podczas normalnej pracy
RP1
SNMPv3
AES 128
(encrypted with
NEK)
Communication
HE NMS
Komunikacja jest szyfrowana z użyciem klucza Network Encryption Key (NEK)
Network Management Key (NMK) jest potrzebny do dystrybucji zaktualizowanego NEK
DAK Can't be
changed
NMK Can be
changed
manually
NEK Valid for
one hour
MAC DAK
MAC1 DAK1
MAC2 DAK2
NMK Can be
changed
manually
NEK Valid for
one hour
BPL w sieciach SN oraz nN Bezpieczeństwo i szyfrowanie w sieciach BPL
31 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Działania wykonywane w sieci BPL:
Wewnątrz sieci BPL oraz podczas komunikacji NMS – moduł BPL
Przyłączenie nowego RP do komórki BPL
Aktualizacja klucza NEK
Wykluczenie (usunięcie) RP z komórki BPL
Wymiana FW w module BPL
Konfiguracja modułu BPL w liczniku
Konfiguracja adresu IP / portu MDM
Pułapki z modułu BPL do NMS (zdarzenia BPL)
Wymiana danych o ruchu w sieci BPL
Komunikacja MDM – licznik
Zarządzanie danymi pomiarowymi licznika
Konfiguracja licznika (np.: ustawienie limitu mocy)
Sterowanie licznikiem (np.: wysłanie polecenia załącz/wyłącz)
Zarządzanie funkcjami „prepaid”
BPL w sieciach SN oraz nN Agenda
58 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
O firmie
Wstęp do IEEE1901 Broadband Power Line
BPL vs. PLC oraz Infrastruktura BPL
Bezpieczeństwo i szyfrowanie w sieciach BPL
Zagadnienie EMC dla systemu BPL
Przykładowe wdrożenia
BPL w sieciach SN oraz nN Zagadnienie EMC dla systemu BPL - definicja
59 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Zagadnienie EMC dla BPL związane jest z emisją zakłóceń elektromagnetycznych
powstających w wyniku wstrzykiwania w sieć elektroenergetyczną sygnału z pasma od
2MHz do 30MHz. Dopuszczalne limity zakłóceń opisane są w normach CISPR*, np.:
CISPR 11 (EN55011) oraz CISPR 22 (EN55022). Zakres częstotliwości to 150kHz do
1GHz.
Występują dwa typy emisji zakłóceń:
Emisja przewodzona (Conducted Emission) – kable podziemne
Emisja promieniowana (Radiated Emission) – kable napowietrzne
Emisja dotyczy dwóch grup urządzeń:
Class A - urządzenia przemysłowe, medyczne, specjalne (ogólnie nie
domowe),
Class B – urządzenia domowe,
dla których występują inne limity dozwolonej emisji zakłóceń.
CISPR (fr. Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques - Specjalny Międzynarodowy Komitet do spraw
Zakłóceń Radioelektrycznych) – międzynarodowy komitet techniczny, stanowiący część International Electrotechnical
Commission (IEC), założony w 1934 roku w celu ustanawiania standardów związanych z kontrolą oddziaływań
elektromagnetycznych i urządzeń elektronicznych.
BPL w sieciach SN oraz nN Zagadnienie EMC dla systemu BPL - przykład
60 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
X Y Z
BPL w sieciach SN oraz nN Zagadnienie EMC dla systemu BPL - przykład
61 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
MPx = punkt pomiarowy x
Słup z modemem BPL
Siatka pomiarów
W każdym punkcie wykonujemy trzy
pomiary z anteną ustawioną w trzech
płaszczyznach X, Y, Z. Emisję wypadkową
wyliczamy wg. poniższego wzoru:
BPL w sieciach SN oraz nN Zagadnienie EMC dla systemu BPL - przykład
62 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Wyniki pomiarów w odległości 3m od słupa – punkt pomiarowy MP1
SZUM
SYGNAŁ
BPL
BPL w sieciach SN oraz nN Agenda
65 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
O firmie
Wstęp do IEEE1901 Broadband Power Line
BPL vs. PLC oraz Infrastruktura BPL
Bezpieczeństwo i szyfrowanie w sieciach BPL
Zagadnienie EMC dla systemu BPL
Przykładowe wdrożenia
BPL w sieciach SN oraz nN Wdrożenie Kleszczów – Smart Grid (SCADA + Smart Metering)
66 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Obszar wiejsko – miejski (10x10km – 100km2)
Pięć stacji 110/15kV
Kilkadziesiąt stacji SN 15/0,4kV
Około 1500 (docelowo 2500) liczników u indywidualnych odbiorców energii
Około 200 liczników u przemysłowych odbiorców energii
SCADA - System Sterowania i Nadzoru nad stacjami 110/15kV i 15/0,4kV
Smart Metering dla odbiorców indywidualnych
System Bilansowania Mediów dla odbiorców przemysłowych
Kilkaset przydomowych instalacji PV do 40kW (ponad 80% odbiorców)
Komunikacja BPL (w sieci średniego i niskiego napięcia)
Komunikacja światłowodowa dla sieci wysokiego i średniego napięcia.
Skuteczność odczytu
liczników 99,8%
Kontakt z licznikiem online –
opóźnienia poniżej 100ms
Szybkość komunikacji MDM –
licznik kilka Mbps (nie mniej
niż 1Mbps)
Infrastruktura oparta na BPL stwarza możliwość
szybkiej implementacji Smart Grid np. kontrola
napięcia w sieci nN (funkcja IVVC)
BPL w sieciach SN oraz nN Wdrożenie Kleszczów – Smart Grid (SCADA + Smart Metering)
67 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
BPL w sieciach SN oraz nN Wdrożenie Kleszczów – Smart Grid (SCADA + Smart Metering)
68 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
BPL średnie napięcie
BP
L n
isk
ie n
ap
ięc
ie
800m
90
5m
ZKP9.6.5
ZKP10.5.6
BPL w sieciach SN oraz nN Wdrożenie Kleszczów – Smart Grid (SCADA + Smart Metering)
69 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Link
komunikacyjny
Długość
linku
Prędkość
transmisji
GPZ – ST3 800m 39 Mbps
ST3 – ST10 905m 29 Mbps
ST10 – ST9 525m 30 Mbps
GPZ – ST9 2230m 9,4 Mbps
GPZ – ZKP10.5.6 1005m 10 Mbps
GPZ – ZKP9.6.5 2330m 5,75 Mbps
ZKP10.5.6 – ST10 100m 14 Mbps
BPL w sieciach SN oraz nN Wdrożenie KCETAS, Kayseri, Turcja – Smart Communication
70 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Trzy obszary:
miejski – 5 stacji 10/0,4kV
miejski – 17 stacji 31,2/0,4kV
wiejski – 17 stacji 31,2/0,4kV
Medium komunikacyjne:
podziemny kabel 10kV
podziemny kabel 31,2kV
linia napowietrzna 31,2kV
Użyta technologia:
BPL – Broadband Power Line
Topologia:
P2P
2150 m
BPL w sieciach SN oraz nN Wdrożenie KCETAS, Kayseri, Turcja – Smart Communication
71 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
BPL w sieciach SN oraz nN Podsumowanie
72 Konferencja Naukowo Techniczna PTPiREE
Pomoc i wsparcie:
Poznać BPL (szkolenia i warsztaty praktyczne)
Opracować koncepcję systemu BPL (implementacja pilotażowa, docelowa)
Opracować i wytworzyć dedykowane elementy systemu BPL pod wymagania
użytkownika
Licznik z modułem
Oprogramowanie (akwizycja danych, nadzór i serwis)
Sprzęgacze dla SN
Dostarczyć elementy systemu
Wdrożyć implementację BPL
Serwisować i wspomagać w użytkowaniu
Top Related