Návrh, modelování, simulace a testování smart metering ešení · Návrh, modelování, simulace a testování smart metering ešení eské vysoké u ení technické v Praze

Návrh, modelování, simulace a testování smart metering

ešení

eské vysoké u ení technické v Praze• Fakulta elektrotechnická• Katedra telekomunika ní techniky

Masarykova univerzita• Ústav výpo etní techniky• Fakulta informatiky• CERIT Scientific Cloud• Ústav práva a technologií

eská akademická expertní skupina

Východiska• Vršící se požadavky na koncep ní p ístup k problematice

inteligentních sítí• Národní Studie I (2012)• Národní Studie II (2017)• Státní Energetická Koncepce• Náro ní ak ní plán• EU koncepce (SET Plan 2020, EEGI), coordination groups

• Dobré zvládnutí tohoto rozvojového kroku je jednou z klí ových úloh v kontextu rozvoje kritických infrastruktur R

• Dobré zvládnutí = optimáln vzhledem k charakteru a pot ebám distribu ních soustav v R

Masarykova Univerzita eské vysoké u ení technické v Praze

Expertní skupina• Problematika smart grid je velmi široká

• jedno pracovišt neobsáhne vše• desítky pracoviš energetikám nedodají konzistentní prakticky

využitelný výstup

• Zformování expertní skupiny VUT & MU• Energo & HW: VUT• SW, bezpe nost a právo: MU

• Zkušenosti• z ady výzkumných projekt• znalost prost edí distribu ní soustavy EZ díky realizovaným

projekt m smluvního výzkumu• orientace ve stávající a p ipravované eské a evropské legislativ ,

která má na SM/SG dopad


Realizované projekty pro EZVUT

2011 EZ ICT Analýza možností uplatn ní služeb dálkového p enosu údaj na eské trhu

2012 EZ M ení Hodnocení útok na m icí systémy EZ M ení, s.r.o.

2013 EZ M ení Analýza kvality provedení sou ástkové základny elektrom

ešení obdobných úloh pro PRE, a.s.

Masarykova Univerzita

2012 EZ M ení Vytvo ení simula ního prost edí pro zát žové testování datových centrál, zát žový test 3.5M IEM v rámci WPP AMM

2013 EZ ICT Oponentura koncepce rozvoje energy data management systém ve skupin EZ

2013 EZ M ení Analýza vývoje telekomunikací

Spolupráce s Mycroft Mind, a.s. na projektech analýzy AMM dat, simulacích DTS a Lodis


Cíl

Být dlouhodobým kompetentním akademickým partnerem p i návrhu, výb ru, nasazování a provozování

technologie chytrých sítí

• stav t na dlouhodobých zkušenostech a znalostech prost edí distribu ní soustavy EZ

• využívat dlouhodob budované, rozvíjené aktualizované nástroje (infrastruktury, laborato e, simula ní modely, …)


Komplexní návrh variant ešení

• Jednotlivé ásti návrhu nelze vytrhávat z kontextu a hodnotit samostatn

• Vhodnost komunika ní technologie závisí na požadovaném charakteru komunikace• Charakter komunikace závisí na požadovaných funkcích ešení• Funkce ešení závisí na business požadavcích, které má systém napl ovat

• Cestou je komplexní modelzvažovaných variant, jehožchování lze ov it v simula nímprost edí


Role model a simulací


• Jak se navrhuje nová stíha ka?• Je návrh smart metering / smart grid ešení srovnateln složitý?

Klí ová témataCommunication layer aneb „bez spojení není velení“• Z pilotních projekt jasn plyne, že výb r vhodných komunika ních

technologií a protokol je zásadní• Komunikace mezi elektrom rem a datovým koncentrátorem v distribu ní

trafostanici• Komunikace mezi distribu ní trafostanicí a centrálními aplikacemi

Jedin efektivn provozovatelný systém je reáln použitelný• Spolehlivost

• Self-healing

• Dohledování


Nástroje pro testování, analýzu a optimalizaci nižších vrstev

komunika ních sítí


Ji í Vodrážka – Zbyn k Kocur – Tomáš Hégr

eské vysoké u ení technické v PrazeFakulta elektrotechnickáKatedra telekomunika ní techniky

eské vysoké u ení technické v Praze

Formy a oblasti innosti


• Analýza, diagnostika a testování• Výzkum a vývoj• Expertní a konzultantská innost, znalecký ústav• Školení a kurzy• Datové sít• Optické sít• ístupové sít (NGA)• Hodnocení a m ení QoS, QoE (mobilní sít LTE, 5G)• Smart Grid, Internet v cí• Kybernetická bezpe nost


Smart Grid - projekty


• Rozvoj ICT sítí pro energetiku, monitorování, QoS• Optimalizace p enosu na pomalých kanálech

(SCADA, telemetrie)• Smart metering, AMM• Komunikace v energetických sítích• Modemy PLC/BPL pro NN a VN (vyhodnocování

pilotních projekt )• M2M komunikace v mobilních sítích• Informa ní bezpe nost• Spolehlivost a životnost


• Laborato pro vývoj a realizaci

• Školicí centrum CeduPoint

• Katedra Elektroenergetiky

• Katedra Elektrotechnologie

• Inova ní centrum diagnostiky a aplikace materiál

• Fakulta informa ních technologií


Spolupráce v rámci VUT


• echod z klasických telekomunika ních a datových rozhraní na TCP/IP/Ethernet

• Konvergence sítí a služeb, Cloud computing

• Kybernetická bezpe nost

• ešení komunikace na st ední úrovni – hladina VN –ipojení dTS, koncentrátor AMM, využití PLC/BPL

• Nízká propustnost a spolehlivost mobilní sít a PLC komunikace


Aktuální problémy v oblasti SG a SM


• Komunikace po silnoproudých vedeních PLC/BPL• NN

• Úzkopásmová komunikace NB-PLC nebo BPL?• Systémy s modulací OFDM (PRIME, G3), nebo MCM, nebo

SCM?• VN

• Jaký použít typ vazby, jaký bude vliv na poruchovost?• Jaký bude dopad vyza ování p i hromadném nasazení?

• Mobilní komunikace • Jaká je perspektiva 2G/3G sítí?• Umožní technologie LTE dostate né pokrytí, prostup do

budov, propustnost a spolehlivost p enosu dat (M2M služby)?


Aktuální otázky SM


• Jak asto a co je vlastn pot eba ode ítat a p enášet z EM?

• Ukládat data v EM, koncentrátoru nebo jen v centrále?

• K emu všemu vlastn data budou sloužit, co se z nich dá vy íst?

• Plošné nasazení nebo jen pro ur ité t ídy odb ratel ?

• Jak nadále využít HDO a jak je vhodn kombinovat se SM?


Aktuální otázky SM


• Rozvoj a aplikace know-how z komplexní oblasti telekomunikací, ICT, datových sítí

• Metody a postupy ov ené v ad projekt v etn energetiky

• Zkušený tým od odborník na návrh HW až po programátory

• Široký záb r od isté techniky po procesní ízení a ekonomii


Odpov di na aktuální otázky



Testing, analysis and optimization of communicationnetworks


Analýza fyzické vrstvy

ení signálu, parametr

kanálu

Simulace kanálu a

komunikace

Optimalizace topologie a parametr

Analýza reálného provozu

Záchyt dat Analýza provozu

Analýza chování a vazeb

Emulace provozu

Generátory provozu Provozní testy Zát žové testy,

kyberútoky

Analýza test Vyhodnocení parametr sít Vizualizace dat Odolnost proti

kyberútok m

Optimalizace sítí

Simulace OMNET

Ov ení v lab. Podmínkách

Bezpe nostní analýza

Vlastní vývoj Laborato LVR Vývoj SW Za ízení 4mulcom

Laboratorní testy SM - PLC na NN


Stín ná komoraElektrom ry

Zatížení datovými toky r zného typu, pakety r zné velikosti

Filtr

230 V

Ethernetcca 100 m

100 m 100 mcca 100 m

Tester

Centrála

Dohled

PLC/BPL brána

Zdroj rušení

Analýza spektra

Koncentrátor

íklady výstup – testy SM


Testy komunikace BPL na VN


Zatížení datovými toky zného typu, pakety zné velikosti

230 V

Ethernet

Server

BPL brána

• Komunikace k dTS• Využití generátoru provozu a analytických nástroj

BPL master

Mini PC

22 kV


Testy komunikace BPL na VN


• Varianty komunikace• Bod-bod mezi jednotlivými dTS• Bod-multibod – sdílená sb rnice• Kmito tové / asové d lení• Vliv rušení a vazby

• Scéná e provozu – zát ž datovým provozem• RTU v dTS• ení v dTS• Koncentrátory SM v míst dTS

• Modelové topologie

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

x 105

0

10

20

30

40

50

60

70

f [Hz]

A [d

B]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

x 105

0

10

20

30

40

50

60

70

f [Hz]

A [d

B]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

x 105

0

10

20

30

40

50

60

70

80

f [Hz]

A [d

B]

Modelování komunikace po VN


• Aplikace pro m ení parametr komunika ních sítí (TCP/IP)• Analýza p enosové rychlosti, zpožd ní a ztrátovost• Možnost definovat si vlastní testovací profil

Generátor provozu FlowPing


• Univerzální datový analyzátor• Možnost on-line i off-line analýzy m ených údaj• Napojení na reálný HW i simula ní SW

Datový analyzátor UDA


íklad vizualizace dat – mobilní sít


• Simula ní model dle podklad z IEC 61850-5 se zam ením na vzorkované hodnoty

• Množství zdroj (ME) generující stabilní tok 5+ Mbit/s na L2

• Kritické zpožd ní p enosu v kombinaci se shluky

• Analýza r zných konfigurací sít v etn VLAN na odlišných enosových prost edcích (FE,GE)

Simula ní model IEC 61850 procesní sb rnice


• Zohledn ní typických p enosových vlastností r zných technologií (chybovost, zpožd ní, p enosová rychlost)

• Pln konfigurovatelný simula ní model aplika ního automatu

Simula ní model IEC 60870-5-104


• Modelování a emulace dle reálných záchyt v síti

Simula ní model IEC 60870-5-104


• Inverzní paketový adaptabilní multiplexor• Patentované ešení• Aplikace v mobilních sítích

Výzkum a vývoj komunika ních ešení


Prototypový vývoj


• Spojení aplikací FlowPing a UDA• Analýza sít v reálném ase• ešení pro RFID infrastrukturu a další pr myslové aplikace M2M

Testovací platforma pro Internet v cí


• Být nositelem špi kového know-how ve SG a SM

• Poskytovat expertní služby p edním hrá m

• Zapojit se do pilotních projekt další generace

• Odpov t na otev ené otázky dneška

• Vytvo it optimalizované scéná e pro variantní podmínky nasazování SG a SM


Naše cíle



Filip Procházka – Tomáš Pitner


Efektivní provozování smart metering ešení

Masarykova univerzita• Ústav výpo etní techniky• Fakulta informatiky• CERIT Scientific Cloud• Ústav práva a technologií

Jak rozsáhlý systém pot ebujeme dohledovat?


• 3.500.000 odb rných míst 3.5M smart meter• za ízení která m í, posílají události, lze je povelovat, vzdálen

upgradovat firmware, …• více výrobc , více verzí v poli v jeden as, …

• 50.000 distribu ních trafostanic 50.000 data koncentrátor• po íta s opera ním systémem, databází, aplikacemi, plánováním úloh,

vzdálenými upgrady, komunikací p es mobilní sít …• více výrobc , verzí

• 97.985 km NN sítí 97.985 km komunika ních linek• pomalých, nespolehlivých jejichž kvalita je vázaná na situaci

v distribu ní soustav • potenciáln více komunika ních technologií (m sta vs vesnice)

• Integrováno s 9 (WPP AMM) informa ními systémy v rámci SK

íklady provozních problém


• pokažený elektrom r (špatn m í, nespíná relé, neposílá události, nereaguje …)

• pokažená komunikace mezi elektrom rem a koncentrátorem (rozpad hesel, nekompatibilní firmware, chyby v komponentách, do asn špatná kvalita PLC linky, …)

• zaseklý modem v DTS• problém v mobilní síti (p etížení sít , lokální výpadky, …)

• problém na rozhraních mezi systémy (r zné verze, …)

• problém v systému pro zpracování dat

Jaké vlastnosti je pot eba brát v úvahu


• Pozorováním systému m níme jeho chování• ím více monitorujeme, tím h e to funguje (aneb pravidelný ping na

koncentrátory vede k pádu systému)

• Nejsou k dispozici kvalitní / nezávislé komunika ní linky• Nelze udržet online centrální evidenci všech zm n v systému

• upgrade BTS operátorem, topologické zm ny v soustav , práce technik v terénu, zm ny v okolních informa ních systémech, …

• Celý systém se postupn vyvíjí (a dlouho bude „ve výstavb )• nové verze elektrom , koncentrátor , protokol , informa ních systém ,

požadavk , …

• edpoklad uzav eného sv ta (CWA) – neplatí• to, že o n em nevím neznamená, že se to ned je

Dohledový systém


• zpracovává monitorovací data z provozu systému• aktivn se dotazuje na monitorovací data• vyhodnocuje monitorovací data

• agregace, korelace, detekce vzor , detekce anomálií, …

• poskytuje celkový pohled na aktuální stav• upozor uje na provozní problémy a poskytuje

podklady pro jejich ešení• identifikace p in

Hodnocení dohledového systému


• rozsah detekovaných provozních problém• spolehlivost

• false positives (falešný poplach)• false negatives (nedetekovaný problém)

• zpožd ní mezi výskytem a informováním o provozním problému

• že být i záporné (proaktivita)

• požadavky na vstupní data a komunika ní linky

Uživatel v roli vyhledáva e


prohledávání, porovnávání, ov ování, …

ení, logy, alerty, exporty, …

reakce

rozhodování

Uživatel v roli supervisora


ení, logy, alerty , exporty, …

reakce

Informace stojící za pozornost

Filtrování Korelace Validace

rozhodování

Úrovn vysp losti dohledového systému


•adaptace dohledování na základ zp tné vazby – od uživatelé, z prost edí

•pro-aktivní dohled•v asné upozorn ní pro p edcházení situacím

Úrove 3: edvídání situací

•pokro ilý dohled•rozpoznání významných situací na základ

zpracování událostí, historie a dalších souvisejících informací

Úrove 2: Rozpoznávání a

hodnocení situací

•základní dohled•výb r zajímavých událostí a jejich

p edání lidem

Úrove 1: Filtrování a sm rování

událostí

•úložišt log•sb r, išt ní a validace událostí

Úrove 0: Sb r událostí

Úrove 4: Adaptace

ešení problému nekvalitních linek


• pasivní monitoring komunika ních linek• nap . NetFlow monitoring

• lokální zpracování monitorovacích informací v koncentrátoru

• delta kritéria, detekce stav a událostí

• možnost vzdálené dynamické konfigurace podrobnosti monitoringu (zaost ení)

• metrika aktuální významnosti informace• jaká informace v dané situaci nejvíce pom že poznat

aktuální stav nebo vylou it p ítomnost nežádoucího stavu

Klí ové komponenty dohledového systému


• dohledové senzory• fyzické i logické

• katalog m itelných veli in, stav a událostí• detekovaných monitorovacími senzory• vypo ítané a odvozené dohledovým systémem

• detek ní a výpo etní funkce• stavy, veli iny, události

• ízení komunika ních dohledových úloh• pull dotazy, push p íjem a konfigurace

• ízení napl ování informa ních dohledovacích pot eb• co, kdy, kde, jak, pro zjiš ovat

Role simula ního modelu


• problematiku dohledování smart metering systému nelze ešit odd len od návrhu vlastního systému

• již existující simula ní model smart meteringu lze rozší it o aspekt dohledování

• navrhnout katalog monitorovacích informací• navrhnout sí monitorovacích senzor• navrhnout režim zjiš ování / p íjmu dohledových informací

• experimentální ov ení ú innosti zvoleného dohledového systému za r zných situací

kujeme za pozornost


Documents

Návrh, modelování, simulace a testování smart metering ešení · Návrh, modelování, simulace a testování smart metering ešení eské vysoké u ení technické v Praze