PTPiREE - Konferencja Naukowo Technicznapomiary.ptpiree.pl/konferencje/pomiary/2018/23.pdf · 2018-06-14 · PTPiREE - Konferencja Naukowo Techniczna Pomiary i diagnostyka w sieciach

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


O firmie


Polski lider Systemów Automatyki Podstacji, dostawca SSiN SCADA SYNDIS RV

35 lat działalności

350 pracowników

BPL w sieciach SN oraz nN O firmie


Systemy BPL realizowane przez firmę Mikronika od 2009 roku

Smart Metering oraz komunikacja dla Smart Grid

10 lat doświadczeń w Polskich warunkach



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



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


Agenda


O firmie









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


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



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



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


O firmie






BPL w sieciach SN oraz nN BPL vs. wąskopasmowy PLC


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



Pri

me

P

LC

G3

BP

L



Pri

me

P

LC

G3

BP

L



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



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 …


Infrastruktura BPL


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


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


MV200 MV200

MV Cable


MV200 MV200

MV Cable


MV200 MV200

MV BPL Modem

MV BPL Coupler MV BPL Coupler

MV BPL Modem

RJ45 ETH

TCP/IP RJ45 ETH

TCP/IP


RJ45 Ethernet RJ45 Ethernet

Kabel

koncentryczny Kabel

koncentryczny

Kabel SN


Infrastruktura BPL - NMS


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


Infrastruktura BPL – most do HAN


BPL jako pomost pomiędzy systemem AMI / SM oraz HAN


Infrastruktura BPL


BPL średnie napięcie

BP

L n

isk

ie n

ap

ięc

ie

800m


Infrastruktura BPL



Infrastruktura BPL – sprzęgacze dla SN




O firmie






BPL w sieciach SN oraz nN Bezpieczeństwo i szyfrowanie w sieciach BPL


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



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



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



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”



O firmie






BPL w sieciach SN oraz nN Zagadnienie EMC dla systemu BPL - definicja


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


X Y Z



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:



Wyniki pomiarów w odległości 3m od słupa – punkt pomiarowy MP1

SZUM

SYGNAŁ

BPL



O firmie






BPL w sieciach SN oraz nN Wdrożenie Kleszczów – Smart Grid (SCADA + Smart Metering)


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 średnie napięcie

BP

L n

isk

ie n

ap

ięc

ie

800m

90

5m

ZKP9.6.5

ZKP10.5.6



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


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


BPL w sieciach SN oraz nN Podsumowanie


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


Jacek Koźbiał

[email protected]

Dziękuję za uwagę

Documents

PTPiREE - Konferencja Naukowo Technicznapomiary.ptpiree.pl/konferencje/pomiary/2018/23.pdf · 2018-06-14 · PTPiREE - Konferencja Naukowo Techniczna Pomiary i diagnostyka w sieciach