Rozproszone systemy monitoringu sieci elektroenergetycznej

Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i ElektronikiKatedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych

Krzysztof Piątek

Plan prezentacji

1. Definicja systemu rozproszonego

2. Cechy systemu

3. Struktura systemu

4. Przykłady zastosowania

3

Rozproszony system pomiarowy

Ogół urządzeń pomiarowych, mediów transmisyjnych, urządzeń IT i oprogramowania

przeznaczony do ciągłego zbierania i przetwarzania danych pomiarowych z wielu punktów przez długi

okres czasu

4

Motywacja

Skąd wynika konieczność stosowania:

● kontrola stanu pracy sieci – przewidywanie i reagowanie na sytuacje awaryjne

● kontrola jakości energii elektrycznej w różnych punktach systemu

● przewidywanie i optymalizacja zużycia energii elektrycznej – rozliczenie z dostawcą

● Smart Metering – podstawa koncepcji Smart Grid

Nie tylko energia elektryczna, ale również woda, gaz itp. – zasoby podlegające ciągłej dystrybucji przez określone medium na dużym obszarze terytorialnym

5

Motywacja

Obszar zastosowania:

● inteligentne sieci elektroenergetyczne Smart Grid

● systemy ciągłego monitoringu w wydzielonych sieciach, np. dużych zakładach przemysłowych

● badania dorywcze stanu sieci: diagnostyka, poszukiwanie przyczyn awarii – jednocześnie w wielu punktach położonych w różnych miejscach

6

Inteligentne sieci elektroenergetyczne – Smart Grid

Bardzo szerokie pojęcie, określające sieci elektroenergetyczne kontrolowane z wykorzystaniem nowoczesnych technologii informatycznych

● zaawansowane technicznie rejestratory do pomiarów parametrów sieci – Smart Metering

● kontrola na każdym etapie przesyłu i rozdziału energii elektrycznej

● możliwość kontroli źródeł rozproszonych, odnawialnych, itp.

● centralny system zarządzania i zbierania danych oparty o technologie IT

7

Inteligentne sieci elektroenergetyczne – Smart Grid

Możliwości:

● zarządzanie rozproszonym wytwarzaniem energii elektrycznej

● elastyczność sieci, optymalizacja przesyłu, łatwość rozbudowy

● kontrola jakości dostarczanej energii

● dokładne dane o poborze energii i stanie sieci

● elastyczne taryfy cenowe dla klientów

8

Inteligentne sieci elektroenergetyczne – Smart Grid

Korzyści ze stosowania Smart Metering:

● zmniejszenie kosztów odczytów mierników

● wprowadzenie nowych, zorientowanych na użytkownika usług (np. taryfy)

● zwiększenie efektywności wykorzystania i oszczędności energii

● zwiększenie świadomości użytkowników końcowych, optymalizacja zużycia energii i zmniejszenie rachunków

9

Systemy ciągłego monitoringu w sieciach wydzielonych

Stosowane w sieciach wydzielonych:

● zakłady przemysłowe mające dużą sieć wewnętrzną

– kontrola w punktach rozliczeniowych– kontrola najważniejszych odbiorników

● duże budynki zapewniające podwyższoną jakość dostawy energii elektrycznej dla wynajmującego

– monitoring zasilania pomieszczeń

10

Systemy ciągłego monitoringu w sieciach wydzielonych

Sie

ć dost

awcy

Sie

ć w

ewnęt

rzna

110/6 kV

T2T1

110/6 kV 110/6 kV 110/6 kV 110/6 kV 110/6 kV 110/6 kV

T2T1 T2T1T3

Monitoring w punktach rozliczeniowych

Monitoring w punktach sieci wewnętrznej

Linie przesyłowe 110 kV

Linie kablowe 6 kV

Rozdzielnia 1 Rozdzielnia 2 Rozdzielnia 3

11

Pomiary dorywcze stanu sieci

● System instalowany w celu rozwiązania konkretnego problemu

– badania stanu sieci, poszukiwanie przyczyn awarii

● System złożony z rejestratorów przenośnych – łatwość instalacji i deinstalacji

– instalowanych w punktach pomiarowych– na czas pomiaru

● Użytkownicy wykwalifikowani – przeszkoleni w zakresie użytkowania systemu

● Nacisk na różnorodność zebranych danych – przebiegi chwilowe, zdarzenia, współczynniki itp.

12

Cechy rozproszonego systemu monitoringu

13

Cechy systemu

● System złożony z wielu elementów spełniających określone funkcje

– elementy sprzętowe: rejestratory, modemy itp.– oprogramowanie: serwisy WWW, bazy danych itp.

● Różnorodność funkcji – wymagania jakie stawiane są systemowi

● Budowa warstwowa – elementy systemu można pogrupować w warstwy o specyficznej funkcjonalności

– różne sposoby określania warstw systemu– skalowalność – możliwość rozbudowy

14

Budowa warstwowa

Rozróżnienie ze względu na przepływ danych:

1.Zbieranie danych – pomiar

2.Transmisja danych

3.Zarządzanie danymi i ich składowanie

4.Przetwarzanie danych

5.Prezentacja danych

Podział – możliwość zmiany technologii w obrębie pojedynczej warstwy bez konieczności zmian w pozostałych warstwach

15

Dziedzina interdyscyplinarna

Budowa i utrzymanie systemu wymaga specjalistów z różnych dziedzin:

● metrologia – zbieranie danych, przetwarzanie danych

● telekomunikacja, sieci komputerowe – przesyłanie danych

● informatyka, IT – przetwarzanie, składowanie i prezentacja danych

● i inne

16

Otwartość, interoperacyjność

Powstawanie systemu monitoringu:

● całościowe – jednolita architektura, wszystkie elementy systemu znane i niezmienne

● stopniowe – jednolita architektura, różnice wynikają z instalowanych urządzeń w chwili rozbudowy lub modernizacji systemu

● na bazie istniejącej infrastruktury pomiarowej lub SCADA – różne urządzenia, różne architektury, konieczność wprowadzania warstw tłumaczących

17

Otwartość, interoperacyjność

System zamknięty:

● rozwiązania własnościowe poszczególnych firm

● współpraca z konkretnie wyszczególnionymi urządzeniami i oprogramowaniem

– ograniczone możliwości rozbudowy – vendor lock-in

● współpraca z innymi urządzeniami utrudniona lub niemożliwa

– konieczność „tłumaczenia” formatów danych

● zachowana spójność i jednorodność sytemu

18

Otwartość, interoperacyjność

System otwarty:

● określenie standardów komunikacji między składnikami systemu

● współpraca z urządzeniami i oprogramowaniem wspierającymi dane standardy

– duże możliwości rozbudowy

● problemy współpracy

– możliwe problemy z kompatybilnością– niejednorodność systemu

19

Konieczność zapewnienia bezpieczeństwa

Raport CyberKnowledge i U.C.Berkeley dla California Energy Commission (październik 2005)

„Sensor networks may suffer from many layers of potential vulnerabilities: they are subject to the problems of computer networks in general [...] and additional physical attacks [...]”

Raport NIST (wrzesień 2009)

„Ensuring cyber security of the Smart Grid is a critical priority. To achieve this requires that security be designed in at the architectural level.”

20

Konieczność ochrony prywatności

Raport NIST The Cyber Security Coordination Task Group (wrzesień 2009)

„The lack of consistent and comprehensive privacy policies, standards, and supporting procedures [...] creates a privacy risk that needs to be addressed.”

Raport dla Information and Privacy Commissioner, Ontario, Canada (listopad 2009):

„[Smart Grid] introduces the possibility of collecting detailed information on individual energy consumption use and patterns within the most private of places – our homes.”

21

Zagadnienia bezpieczeństwa informacji

Złożony system wielowarstwowy wymaga całościowej koncepcji zapewnienia bezpieczeństwa informacji:

● bezpieczeństwo w każdej warstwie – rozwiązania techniczne i programowe

● polityka dostępu do danych – autoryzacja użytkowników, zarządzanie uprawnieniami

● polityka bezpieczeństwa systemu – reakcja na incydenty, zarządzanie informacjami poufnymi (np. hasła, klucze kryptograficzne)

22

Zagrożenia

● Zagrożenia w każdej warstwie

– sabotaż mierników– podmiana danych, „zanieczyszczenie bazy” –

oszustwa finansowe, zmiana statystyk, fałszowanie informacji o systemie

– przejęcie kontroli – szantaż, nadużycia systemu, dezorganizacja pracy

● Zagrożenia prywatności klientów– wycieki danych – profilowanie klientów– stwierdzenie obecności w budynku

23

Zagrożenia

● Wykorzystanie standardowych komponentów stosowanych w IT

– wykorzystanie zalet, ale również przejęcie podatności

● Błędy w implementacji– zamknięte, słabo przetestowanie oprogramowanie

● Błędy w projektowaniu systemu– wykorzystanie przestarzałych lub słabo

przetestowanych technologii– nieuwzględnienie spraw bezpieczeństwa informacji

24

Jak poważny jest ten problem?

● Testy wykonane przez IOActive (czerwiec 2009): meter worm – samoreplikujący się program, rozprzestrzeniający się przez sieć urządzeń AMI

– konferencja Black Hat w Las Vegas, czerwiec 2009

● Problemy z siecią bezprzewodową ZigBee (wykorzystywaną obecnie w AMI np. w USA)

– konferencje ToorCon w San Diego, październik 2009 i Black Hat 2009

● Możliwości fizycznego dostępu do podzespołów mierników AMI

– konferencja CONFidence, Warszawa, listopad 2009

25

Budowa rozproszonego systemu pomiarowego

26

Budowa rozproszonego systemu pomiarowego

Składowaniedanych

bieżących

Zbieraniedanych

Przesyłaniedanych

Przetwarzaniedanych

Prezentacjadanych

Pomiar

Koncen trator

Bridge

Gatew

a y

Internet

Siećlokalna

WAN

Odczyt danych

Archiwizacja

Integralnośćdanych

Wyznaczaniewielkościzłożonych

Lokalneskładowanie

danych

Komunikacja

Zarządzaniedanymi

Zgodność z:• normami• taryfami• cennikiem

Raportowanie• zdarzenia• stan sieci

Wyznaczanie:• korelacji• indeksów• zużycia

energii

Raportowanieawarii

Alarmy

Decyzje??

?

?

• Serwis WWW• Rozsyłanie

raportów• Zarządzanie

systemem

Dostęp dla:• klientów• operatorów• managerów• serwisantów

27

Warstwa zbierania danych pomiarowych

Ogół zagadnień związanych z rejestracją parametrów energii elektrycznej

28

Zbieranie danych pomiarowych

System złożony z rejestratorów:

● przystosowanych do równoczesnych pomiarów w różnych geograficznie miejscach

● umożliwiających komunikację z bazą (lub bazami) danych i przesyłanie zmierzonych wielkości

● przystosowanych do długotrwałej i bezobsługowej pracy

29

Urządzenia pomiarowe

● Pomiary zgodnie z wytycznymi norm np. PN-EN 61000-4-30,PN-EN 61000-4-15, PN-EN 61000-4-7, lub przepisów jak Rozporządzenie systemowe...

● Pomiar wartości chwilowych i wyznaczanie współczynników jak THD, PLT, PST, harmoniczne

● Możliwość składowania pewnej porcji danych

● Wyposażone w moduły komunikacyjne

● Problem synchronizacji czasowej

30

Mierniki AMR

Koncepcja AMR (automated meter reading)

● motywacja – zdalny odczyt wyników pomiaru

● umożliwiają komunikację– przez rodzaj bridge– często dwa media np. PLC i GSM

● rejestratory energii przystosowane do elastycznego systemu taryf

● wersja on-site AMR – dane odczytywane przez obsługę w miejscu instalacji lecz bez konieczności bezpośredniego dostępu do urządzenia

31

Urządzenia pomiarowe AMI

Koncepcja urządzeń AMI (Advanced Metering Infrastructure)

● następca AMR, podstawa budowy Smart Grid

● komunikacja dwustronna realtime — zdalny odczyt danych i konfiguracja, zarządzanie miernikiem

● dostosowany do elastycznego systemu taryf i płatności: prepaid, postpaid i inne

● możliwość załączania lub wyłączania odbiorników, sterowanie poborem mocy

32

Urządzenia transparent ready

Urządzenia wyposażone w złącze sieci Ethernet, mogące komunikować się z użytkownikiem za pomocą serwisu WWW

● szeroki zakres urządzeń z zakresu dystrybucji energii elektrycznej

● dostęp do danych i ustawień przez standardową przeglądarkę WWW (MSIE, Firefox i inne)

● podgląd stanu urządzenia np. stanu łączników (wyłączników, rozłączników)

33

Urządzenia transparent ready

● Umożliwiają podgląd odczytów w czasie rzeczywistym

● Zapewniają gromadzenie danych – podgląd historii umożliwia wykrywanie stanów awaryjnych

● Często komunikacja realizowana jest za pośrednictwem urządzenia typu gateway

– zapewnia połączenie z siecią LAN kilku urządzeń– realizuje funkcje dedykowanego miniserwera WWW

● Brak standardu – rozwiązania własnościowe poszczególnych firm

34

Urządzenia pomiarowe

Przykłady:

● przenośne rejestratory np. Fluke 1760 umożliwiają długotrwałą rejestrację oraz komunikację przez sieć Ethernet

● dedykowane rejestratory montowane na stałe np. Dranetz Encore 61000 z własnym oprogramowaniem i systemem zbierania danych

● istniejące urządzenia pracujące w systemach SCADA – po dostosowaniu do wymagań systemu pomiarowego

35

Warstwa przesyłania danych

Ogół zagadnień związanych z przesyłem informacji w obu kierunkach (od i do

rejestratorów)

36

Przesyłanie danych

● Różne media transmisji

● Różne protokoły

● Wykorzystanie technologii Internetu: sieć oparta o protokół TCP/IP

● Wykorzystanie standardowych urządzeń sieci LAN, WAN: routery, przełączniki, modemy itp.

37

Media transmisji

● Telefoniczne linie przewodowe: DSL, ASDL

● Własna infrastruktura kablowa: linie przewodowe, linie światłowodowe, PLC (Power Line Carrier)

● Sieci telefonii komórkowej GSM – usługa transmisji danych w trybie z komutacją kanałów lub komutacją pakietów GPRS (EGPRS, EDGE, UMTS, i inne)

● Sieci bezprzewodowe: WiFi (802.11), WiMax (802.16), 6LoWPAN, ZigBee (802.15.4), Bluetooth (802.15.1) i inne

38

Przesyłanie danych

Sieci lokalne Sieć WAN

Miernik 1

Miernik 2

Miernik n

Koncen trator

Odczytdanych

Miernik Bridge

Obs

zary

mie

jski

eO

bsza

ry w

iejs

kie

Koncentrator

ZigBeeModbusEthernet

WiFi, ZigBee, Ethernet...

GPRS,DSL,BPL,

światłowódWiMax

TCP/IP

Zarządzaniemiernikami

39

Warstwa składowania i zarządzania danymi

Ogół zagadnień związanych z gromadzeniem danych pomiarowych: odczytem,

składowaniem i obiegiem

40

Zarządzanie danymi

● Odczyt danych

● Sprawdzanie integralności danych

● Przechowywanie bieżących danych

● Archiwizacja danych

● Integracja danych pomiarowych z różnych rejestratorów lub podsystemów pomiarowych – ujednolicenie formatu odczytywanych danych

● Zarządzanie miernikami – konfiguracja, stan bieżący, aktualizacja firmware

41

Zarządzanie danymi

Odczyt danych

● pobieranie danych mierzonych w sposób ciągły – prądy, napięcia, moce, współczynniki jakościowe

● odbieranie i reagowanie na alarmy i komunikaty: – alarmy wywołane przez: wyłączenia awaryjne,

nieprawidłowe stany pracy instalacji, sieci, miernika – reakcja: powiadomienia przez SMS, e-mail, itp.

Nawiązanie połączenia

● inicjowane przez serwer (poll) – np. rejestracje

● inicjowane przez miernik (push) – np. zdarzenia

42

Integralność danych

Kontrola poprawności i jakości danych – zapewnienie nieprzerwanego strumienia danych pomiarowych

● błędy w transmisji lub pomiarze

● problem synchronizacji czasowej

● dane zdublowane, lub niepełne

● dane oznaczone – zdarzenia

Działania: ponowny odczyt danych, sprawdzenie stanu przyrządu, powiadomienie obsługi lub serwisu

43

Składowanie danych

System umożliwiający zapis i dostęp do dużych ilości danych:

● oparty o rozwiązania sprzętowe i programowe stosowane w sektorze IT – relacyjna baza danych SQL

● zapewnia równoczesny dostęp wielu użytkownikom

● autoryzacja użytkowników – uprawnienia do odczytu, zapisu, zmiany danych itp.

● redundancja i przechowywanie danych archiwalnych

44

Warstwa przetwarzania danych

Ogół zagadnień związanych z przetwarzaniem danych zgromadzonych w celu uzyskania informacji koniecznych do

podejmowania decyzji

45

Przetwarzanie danych

Obróbka i interpretacja zgromadzonych danych pomiarowych – wszelkie informacje dla raportów i analiz

● operuje na danych zmagazynowanych w bazie danych

● specjalizowane moduły programowe do wykonywania obliczeń

46

Przetwarzanie danych

Przykłady:

● określanie zgodności z normami i przepisami (np. PN-EN 50160)

● obliczanie statystyk i indeksów systemowych (np. SARFI)

● określenie stanu systemu, jakości energii w różnych punktach

● określanie zużycia energii dla celów rozliczeniowych

i inne

47

Warstwa prezentacji danych

Ogół zagadnień związanych z interakcją systemu z jego użytkownikami

48

Prezentacja danych

Prezentacja danych dla różnych grup użytkowników:

● klienci – odbiorcy energii elektrycznej

● pracownicy techniczni poziomu rozdziału energii

● pracownicy biura obsługi klientów

● pracownicy poziomu zarządzania

● i inni

Każda z grup potrzebuje innego rodzaju danych lub innego sposobu prezentacji danych.

49

Prezentacja danych

● Systemy oparte o serwisy WWW – dostęp on-line

– systemy zarządzana treścią (CMS content maganement system)

– dostęp określany przez grupę i hasło– prezentacja danych dostosowana do potrzeb– integracja z innymi systemami (np. księgowym)

● Automatyczne generowanie raportów– stan systemu, awarie, zdarzenia, jakość energii itp.– rozliczenia, zgodność z planem taryfowym itp.

● Powiadamianie użytkowników: SMS, e-mail

50

Przykładowe zastosowanie rozproszonych systemów monitoringu

51

Przykładowe zastosowania

Przykłady wykorzystania rozproszonych systemów monitoringu na świecie:

● Włochy – dostawca energii ENEL wprowadza „Telegestore project”

– 27 milionów mierników zainstalowanych do 2005 – komunikacja: PLC i GSM

● Holandia – dwóch dostawców Continuon i Oxxio wprowadza inteligentne rejestratory tzw. „Metripoint”

– energia elektryczna i gaz– komunikacja GSM (GPRS)

52

Przykładowe zastosowania

● Wielka Brytania – wyspa Guernsey, operator Guernsey Electricity Ltd.

– obszar 65 tys. km2, ok. 60 tys. mieszkańców, generatory spalinowe i połączenie 90 kV z Francją

– inteligentne rejestratory u ok. 50% użytkowników

● Kanada, stan Ontario – podstawowy standard zaproponowany przez The Ontario Energy Board

– każdy dostawca wprowadza swój własny system– planowane objęcie różnymi systemami łącznie 4,3

miliona klientów do roku 2010

53

Przykładowe zastosowania

● USA, stan Kalifornia – trzech głównych dostawców energii wprowadza systemy Smart Grid

– każdy wprowadza własny system AMI– planowane całkowite przejście na system AMI do

roku 2012 lub 2013

54

Dziękuję za uwagę

Slajd 1Slajd 2Slajd 3Slajd 4Slajd 5Slajd 6Slajd 7Slajd 8Slajd 9Slajd 10Slajd 11Slajd 12Slajd 13Slajd 14Slajd 15Slajd 16Slajd 17Slajd 18Slajd 19Slajd 20Slajd 21Slajd 22Slajd 23Slajd 24Slajd 25Slajd 26Slajd 27Slajd 28Slajd 29Slajd 30Slajd 31Slajd 32Slajd 33Slajd 34Slajd 35Slajd 36Slajd 37Slajd 38Slajd 39Slajd 40Slajd 41Slajd 42Slajd 43Slajd 44Slajd 45Slajd 46Slajd 47Slajd 48Slajd 49Slajd 50Slajd 51Slajd 52Slajd 53Slajd 54