25
Zpráva dílčího cíle: „Přidružená měřidla a zařízení“ projektu „Smart metering systém pro energetiku“ (TA03011091) ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 1

 · Web viewAES Advanced Encryption Standard AMR Automated Meter Reading CRC Cyclic Redundancy Check ČVUT České vysoké učení technické DES Data Encryption Standard DIB Data

  • Upload
    others

  • View
    15

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Zpráva dílčího cíle:

„Přidružená měřidla a zařízení“ projektu „Smart metering systém pro energetiku“ (TA03011091)

Jan Fíla

V Trutnově 7.1.2015

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 1

1. Obsah

1. Obsah.............................................................................................................................................2

2. Seznam zkratek...............................................................................................................................3

3. Zadání dílčího cíle...........................................................................................................................4

4. WMBus – analýza a implementace protokolu................................................................................5

4.1. Master, Slave, Hybrid.................................................................................................................5

4.2. Módy..........................................................................................................................................5

4.3. Popis obsahu WMBUS rámců.....................................................................................................7

5. Uvažovaná koncepce......................................................................................................................9

5.1. WMBus Master...........................................................................................................................9

5.2. WMBus Slave..............................................................................................................................9

5.3. Šifrování přenášených dat........................................................................................................10

5.4. Objem přenášených dat...........................................................................................................10

5.5. OBIS kódy + kódy pro různé veličiny DIB / VIB..........................................................................10

5.6. Přenášené datové formáty.......................................................................................................11

5.7. Použitá rádiová komponenta....................................................................................................12

5.8. WMBus rádiové spektrum........................................................................................................13

5.9. Adresace měřidel......................................................................................................................13

6. Analyzovaná podružná měřidla....................................................................................................14

7. Jiná zajímavá zařízení...................................................................................................................16

8. Legislativa.....................................................................................................................................18

9. Použité řešení pro analýzu WMBus komunikace..........................................................................19

10. Závěr.........................................................................................................................................22

11. Seznam obrázků.......................................................................................................................23

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 2

2. Seznam zkratek

AES Advanced Encryption StandardAMR Automated Meter ReadingCRC Cyclic Redundancy CheckČVUT České vysoké učení technickéDES Data Encryption StandardDIB Data Information BlockDIF Data Information FieldDIFE Data Information Field ExtendedDRH Data Record HeaderDVB-T Digital Video Broadcasting — TerrestrialELM ElektroměrFW FirmwareHW HardwareID IdentificationOBIS Object identification systémSDR Software Defined RadioSW SoftwareUSB Universal Serial BusVIB Value Information BlockVIF Value Information FieldVIFE Value Information Field ExtendedWMBus Wireless Meter BusZPA Závody průmyslové automatizace

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 3

3. Zadání dílčího cíle

Dílčím cílem bude získat další měřidla jiných výrobců podporující standardy uvedené v etapě č. 1., prozkoumat jejich skutečné vlastnosti a zařadit je do vyvíjeného systému sběru dat. ČVUT bude zapojeno do výběru a testování podružných měřidel. Alternativní možností je vlastní vývoj přidružených měřidel a zařízení, případně jejich simulátorů s příslušnými komunikačními standardy včetně konfiguračního a testovacího SW. Důležitou částí této etapy je návrh a vývoj technického vybavení pro podporu instalací v reálném provozu. Pomocí tohoto technického vybavení bude možné analyzovat stav komunikace na komunikačních sběrnicích a stav jednotlivých připojených zařízení. Dále bude testována principiální možnost připojení do interoperabilního standardu dle daných parametrů. Technické vybavení bude určeno jak pro podporu instalací, tak může být určeno pro rutinní provoz a údržbu systému v reálném chodu.

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 4

4. WMBus – analýza a implementace protokolu

4.1. Master, Slave, HybridWMBus režimy – elektroměr se může chovat jako snímač (periodicky vysílá svoje naměřená data – režim SLAVE) nebo pasivně naslouchá (MASTER) a pokud přijde paket od zařízení v jeho whitelistu, tak si paket rozkóduje. Dále je možné provozovat obousměrnou komunikaci.

SLAVE - S definovanou periodou vysílá naměřené hodnoty MASTER - Přijímá WMBus pakety od ostatních měřidel HYBRID - Pokud nevysílá svoje hodnoty, tak se chová jako MASTER Opakovač - Naslouchá a rámce určené pro jiné zařízení (z dosahu druhé stanice) znovu vyšle

dále

4.2. Módy S – Station mód (optimalizováno pro nízkou spotřebu prvků)

o S1 – aktivní je pouze senzor (periodicky vysílá readout) T – Transmit mód (s periodou několika sekund prvek odesílá krátkou zprávu)

o T1 – vysílá ID a hodnotu (odesílá periodicky nebo náhodně)o T2 – odesílá pouze svoje ID, pokud druhá strana na toto odpoví, zahájí se

obousměrná komunikace.o Vyšší přenosová rychlost (oproti S)

R2 – Zařízení pasivně čeká a naslouchá, pokud zařízení obdrží výzvu, přejde do aktivního režimu a tím je možné odečítat najednou více zařízení (každé použije jednu frekvenci)

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 5

Obrázek 1 – Zobrazení komunikace pro různé módy

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 6

4.3. Popis obsahu WMBUS rámců

Obrázek 2 - Typ médií a jejich kódové značení

Formát přenášených dat (režim S):

Obrázek 3 - Režim S - formát přenášených dat - a

L-field – specifikuje délku, C-field – určuje typ paketu

Obrázek 4 - Režim S - formát přenášených dat - b

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 7

Formát přenášených dat (režim T):

Obrázek 5 - Režim T - formát přenášených dat - a

Obrázek 6 - Režim T - formát přenášených dat - b

Formát přenášených dat (režim R2):

Obrázek 7 - Režim R2 - formát přenášených dat - a

Obrázek 8 - Režim R2 - formát přenášených dat - b

Obrázek 9 - Režim R2 - formát přenášených dat - c

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 8

5. Uvažovaná koncepce

5.1. WMBus MasterV ELM jsou DLMS objekty pro každé měřidlo (ty obsahují ID, klíč, seznam DIFů a VIFů, které máme číst).

Počet objektů byl zpočátku experimentálně určen na 20. (Plyn, studená voda, teplá voda, měřidla tepla na každém radiátoru + rezerva)

WMBus subsystém naslouchá a přijímá jen pakety, které má ve Whitelistu. Takové pakety buď uloží jako binární data (pokud se bude jednat o zašifrovanou komunikaci) nebo se dále rozebírají. V capture definici (specifikuje WMBus subsystému, které hodnoty podružných měřičů ukládat) je vždy definován seznam VIFů a DIFů, které vysílá dané měřidlo. Tyto hodnoty jsou přijaty a převedeny na DLMS objekt k dalšímu zpracování.

5.2. WMBus SlaveV tomto režimu se elektroměr chová jako měřidlo (SLAVE) a periodicky vysílá nakonfigurované informační rámce. V ELM jsou definovány tyto datové objekty:

Název OBISActive Energy Import in tariff 1 (kWh) 1.8.1Active Energy Import in tariff 2 (kWh) 1.8.2Active Energy Export in tariff 1 (kWh) 2.8.1Active Energy Export in tariff 2 (kWh) 2.8.2Number of Power Supply Failtures C.7.0Instant Voltage in Phase 1 (V) 32.7Instant Voltage in Phase 2 (V) 52.7Instant Voltage in Phase 3 (V) 72.7Instant Current in Phase 1 (A) 31.7Instant Current in Phase 2 (A) 51.7Instant Current in Phase 3 (A) 71.7Instant Current Total (A) 71.8Instant Active Power in Phase 1 (W) 1.6.1Instant Active Power in Phase 2 (W) 1.6.2Instant Active Power in Phase 3 (W) 1.6.3Instant Active Power Total (W) 1.7.0

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 9

Z pohledu začlenění této funkcionality do FW elektroměru se jedná o stejný přístup, jako když se data zobrazují na displeji nebo posílají do klasického odečtu. V nastavovacím SW si uživatel vybere ze seznamu položky, které chce, aby elektroměr vysílal. Ty jsou pak zakódovány do WMBus paketu. Dále je možné definovat si více druhů „obrazovek“, lze tedy např. každou minutu odesílat paket s aktuálním příkonem a jednou za den poslat jiný paket s celkovou odebranou energií.

5.3. Šifrování přenášených dat Bez šifrování (mód 0) - V knihově již implementováno (WM-BUS stack – vytvořeno ve

spolupráci s ČVUT Praha – je možno nahlédnout na vyžádání v ZPA SMART Energy a.s.. AES (mód 5) - v knihově již implementováno. DES (módy 2 a 3) není implementované – zastaralá šifrovací technologie Šifrovací klíč, který slouží k zabezpečení vzájemné komunikace, musí být pro oba účastníky

komunikace stejný (měřidlo i přijímač - komunikace master – slave)

5.4. Objem přenášených datJedním WMBus rámcem je možné přenést 246B včetně hlavičky.

Krátká hlavička

(CI + AccNo. + Status + Config. = 5B), je tedy možné přenášet až 241 B aplikačních dat

Rozšířená hlavička

(CI + Ident. no. + Manufr. + Version + Dev. Type + AccNo. + Status + Config. = 13B), je tedy možné přenášet až 233 B aplikačních datPři zapnutém šifrování po hlavičce ještě následuje (0x2F, 0x2F).

5.5. OBIS kódy + kódy pro různé veličiny DIB / VIBKaždá přenášená hodnota je označena identifikátory DIF (DIFE) a VIF (VIFE).

Obrázek 10 - DIB / VIB

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 10

Obrázek 11 - Data

DIF v sobě nese informaci o formátu, v jakém je hodnota zapsána. (Viz tabulka v následující kapitole)

5.6. Přenášené datové formáty

Obrázek 12 - Přenášené datové formáty - a

Obrázek 13 - Přenášené datové formáty - b

Každá přenášená hodnota má své identifikátory (DIB a VIB).

Příklad odeslaných hodnot energií v T1 a T2:

22 44 01 6A 47 42 75 01 01 02 7A 08 00 00 20 86 10 83 00 76 23 85 01 00 00 86 20 83 00 97 31 92 00 00 00

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 11

86 DIF 48 - Bit Integer, 6 Byte velikost hodnoty, následuje DIFE10 DIFE Tarif 183 VIF Energie (následuje VIFE)00 Status VIFE 00 = OK, 18 = chyba76

Value 25502464,118 kWh

2385010000

86 DIF 48 - Bit Integer, 6 Byte velikost hodnoty, následuje DIFE20 DIFE Tarif 283 VIF Energie (následuje VIFE)00 Status VIFE 00 = OK, 18 = chyba97

Value 9580800,151 kWh

3192000000

5.7. Použitá rádiová komponentaJednotlivé verze rádiového modulu WMBus, použitého v elektroměru, je možné snadno rozpoznat přečtením registru PARTNUMBER, viz následující tabulka. Knihovna WMBus k tomu poskytuje příslušnou funkci API.

CC1125

http://www.ti.com/lit/ug/swru295e/swru295e.pdf

CC1200

http://www.ti.com/lit/ug/swru346b/swru346b.pdf

0x48 CC11201

0x58 CC11250x20 CC1200

1 Nepodporuje FW současného WM-BUS modulu vyvinutý ve spolupráci s ČVUT Praha

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 12

5.8. WMBus rádiové spektrumVšechny námi používané módy komunikace, tedy S a T mód, pracují v pásmu 868 MHz. Pro WMBus je dále možné využívat i pásma 433 MHz (F mód) a 169 MHz (N mód), které nejsou implementovány, jelikož převážná většina na trhu dostupných podružných měřidel využívá právě módy S a T.

Obrázek 14 - WMBus komunikace v pásmu 868 MHz

5.9. Adresace měřidelPříklady formátů:

19AC 50000420 0309EE 00000102 07Modře - kód výrobce (Bonega 0x09EE, Landis 0x19AC, ZPA 0x6A01)

Obrázek 15 - Tabulka pro výpočet kódu výrobce

Červeně - kód média (plyn 0x03, teplá a studená voda 0x06 a 0x07). Černá - výrobní číslo měřidla.

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 13

6. Analyzovaná podružná měřidla

Analýza se týkala nejen komunikace, ale také proměření HW. Jelikož se při analýzách objevují data, která jsou citlivá (např. šifrovací klíče), nebudou uvedena v tomto dokumentu, ale jsou k dispozici k nahlédnutí pro vybrané osoby (soubor WMBus snadno a rychle.docx).

Vodoměry SENSUS

Plynoměr L&G

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 14

Vodoměry Bonega

x50 jako snímač (TECO modul) Data z impuls-WM-Bus Gateway Data z poměrových měřidel VIPA Data z modulu pro vodoměry Sensus od VIPA Příjem WMBus paketů pomocí gMUC Poměrové měřidlo RTN Caloric 5 – AMR ENBRA (S1) WM-BUS modul nadesignován ve spolupráci s ČVUT, jako součást tohoto projektu (více

Závěrečná zpráva dílčího cíle_ Elektroměr s komunikačními moduly)

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 15

7. Jiná zajímavá zařízení

WM868-MM Převodník drát M-Bus na WMBus WM868-SI Převodník analog a digital na WMBus

http://www.colaut.cz/en/modules

Wireless M-Bus (OMS) Repeater Amber

http://amber-wireless.de/403-1-AMB8466-M-RP1.html

Temperature and Humidity Sensor Amber

http://amber-wireless.de/517-1-AMB8467-M.html

Cyble Wireless M-Bus – modul pro vodoměry. T1 i T2 (konfigurace)

https://www.itron.com/mxca/en/productsAndServices/Pages/Cyble%20Wireless%20M-Bus.aspx

MBT1DISP – informační displej (zobrazuje spotřeba z elektroměrů)

http://www.michaelrac.com/MBT1DISP.html

Wireless M-Bus Multi Sensor MBS-122 (teplota, tlak, osvětlení, detekce pohybu)

http://www.pikkerton.com/wireless_M-Bus/multisensor.html

Wireless M-Bus Smart Energy Meter MBS-110 - Mains Switch with highest Relay Contacts´ life time

http://www.pikkerton.com/wireless_M-Bus/energymeter.html

http://www.pikkerton.com/_mediafiles/105-mbs-framing-en.pdf

WMBus centrála

http://www.maddalena.it/repository/download/Cmex50Ing.pdf

Převodník RS232 <-> WMBus

http://tind.sk/portal/en/products/smart-metering/rs232-wireless-mbus-converter/

INCI Wireless MBUS Module – modul pro vodoměr T2 !!!

http://www.elektromed.com.tr/en/detay.aspx?id=53

WiSe-100 – WMBus teploměr – 200 až + 250 ºC

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 16

http://www.greatech.de/download/greatech/file_download/wireless-m-bus-temperature-sensor-WiSe-100_1.2.pdf

Měřič tepla + nabízejí i další měřidla pro další média

http://shop.adunos.com/en/funk-temperatursensor-von-adunos.html

zelsius® C5-ISF vodoměr s WMBus

http://www.zenner.com/tl_files/content/ZENNER%20COM%20ENGLISCH/Downloads/BRO_zelsius_C5-ISF_EN.pdf

Smart Gas Meter

http://www.sagemcom.com/EN/products/energy/multi-energy/advanced-metering/smart-gas-meter.html

Indikátory topných nákladů Qundis Caloric 5

http://www.enbra.cz/cs/ke-stazeni/dokumentace-k-mericum-tepla/indikatory-topnych-nakladu

WMBus modul pro vodoměry waterware (pomocí T2 je možná konfigurace)

http://www.waterware.co.nz/plumbing/water-metering/mbus-meters/bmeters-mbus-wireless-transmitter-wireless-water-meter-1

WMBus opakovač waterware

http://www.waterware.co.nz/plumbing/water-metering/mbus-meters/bmeters-repeater-wireless-water-meter

AMBILL® smart link (konvertor MBus na WMBus) T1 i T2 (konfigurace)

http://www.aquametro.com/downloads/docs/9780e_ambill_smart-link.pdf

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 17

8. Legislativa

V součinnosti s ČTU jsme zjišťovali požadavky, které normy a nařízení má zařízení splňovat. Naším cílem bylo získat potřebné znalosti příslušných norem a vytvořit seznam pro měření klíčových parametrů nutných pro provoz radiových zařízení na území evropské unie. Pro uvádění rádiových zařízení na trh platí ustanovení nařízení vlády č. 426/2000 Sb., kterým se stanoví technické požadavky na rádiová a na telekomunikační koncová zařízení, ve znění pozdějších předpisů, resp. evropské směrnice 1999/5/ES.

Konkrétní požadavky pro kmitočtové pásmo 868 MHz jako jsou maximální vyzařovací výkon a šířky jednotlivých pásem jsou uvedeny ve všeobecném oprávnění č. VO-R/10/05.2014-3 k využívání rádiových kmitočtů a k provozování zařízení krátkého dosahu.

http://www.ctu.cz/cs/download/oop/rok_2014/vo-r_10-05_2014-03.pdf

K prohlášení o shodě je nutné dodržet ustanovení, mimo jiné, normy ČSN ETSI EN 300 220

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 18

9. Použité řešení pro analýzu WMBus komunikace

Nástroj pro vyčtení měřidel

Pro analýzu komunikace, tedy obsahu přenášených WMBus rámců využíváme USB dongle AMB8465-AT od společnosti AMBER. Program prostřednictvím USB donglu přijímá WMBus rámce a tyto ukládá do souboru a zobrazuje. Každý jeden rámec je možné „rozebrat“ na jednotlivá datová pole a získat hodnoty a parametry přenášených veličin, dle normy EN 13757. Rozhraní je otevřené a díky tomu je možné si naprogramovat vlastní nástroj, což bylo částečně realizováno jako pomůcka pro měření kvality signálu WMBus. Obrázek znázorňuje jeden rozebraný rámec od měřidla, jsou zde patrná pole jako adresa měřidla, typ média (voda 0x07) a dále následují hodnoty. První hodnotou je naměřený odběr vody a druhá představuje datum pořízení této hodnoty.

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 19

Obrázek 16 – příklad odečítání rámců pomocí USB dongle AMB8465-AT

SDR měření

SDR umožňuje sledovat RF spektrum pomocí USB DVB-T dongle se specifickým čipem. Zástupci těchto zařízení jsou:

http://www.salikovi.cz/2012/10/nejlevnejsi-sdr/ - Rozsah 54 – 2200 MHz

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 20

http://wiki.ubuntu.cz/sdr

http://blog.ok1cdj.com/2012/04/levne-sdr-z-dvb-t-dongle.html

http://pandatron.cz/?3666&rtl_sdr-3+

http://rayer.g6.cz/hardware/rtl-sdr.htm

http://sdr.osmocom.org/trac/wiki/rtl-sdr

Obrázek 17 - SDR měření

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 21

10. Závěr

Tato část projektu měla za úkol zmapovat možnosti a způsoby připojeních podružných měřidel do sítě SMART metrů a celého SMART GRID systému. Výsledkem je jasná představa o trhu s podružnými měřidly, komunikačních protokolech a způsobu komunikace. V rámci úkolu jsme ve spolupráci s ČVUT vyvinuli nový Wireless M-BUS modul, který byl aplikován do řady elektroměrů AMx65. Byly stanoveny analytické nástroje pro zjištění stavu sítě v místě připojení, které mohou být použity na problémových připojovacích místech.

Realizací tohoto úkolu byly splněny námi stanovené cíle.

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 22

11. Seznam obrázků

Obrázek 1 – Zobrazení komunikace pro různé módy.............................................................................6Obrázek 2 - Typ médií a jejich kódové značení.......................................................................................7Obrázek 3 - Režim S - formát přenášených dat - a..................................................................................7Obrázek 4 - Režim S - formát přenášených dat - b.................................................................................7Obrázek 5 - Režim T - formát přenášených dat - a..................................................................................8Obrázek 6 - Režim T - formát přenášených dat - b.................................................................................8Obrázek 7 - Režim R2 - formát přenášených dat - a...............................................................................8Obrázek 8 - Režim R2 - formát přenášených dat - b...............................................................................8Obrázek 9 - Režim R2 - formát přenášených dat - c................................................................................8Obrázek 10 - DIB / VIB..........................................................................................................................10Obrázek 11 - Data.................................................................................................................................11Obrázek 12 - Přenášené datové formáty - a.........................................................................................11Obrázek 13 - Přenášené datové formáty - b.........................................................................................11Obrázek 14 - WMBus komunikace v pásmu 868 MHz..........................................................................13Obrázek 15 - Tabulka pro výpočet kódu výrobce.................................................................................13Obrázek 16 – příklad odečítání rámců pomocí USB dongle AMB8465-AT............................................20Obrázek 17 - SDR měření......................................................................................................................21

ZPA SMART ENERGY a.s. – Zpráva projektu TA03011091 23