Nowoczesne systemy akwizycji danych warunkiem rozwoju rozwiązań Smart Grid
Jacek Kujawa
Innovation Technology Group, Wroclaw
Otwarty, efektywny i skalowalny system akwizycji danych jest podstawą powstających obecnie systemów Smart Metering. Jego funkcjonalność nie ogranicza się do zapewnienia komunikacji, której celem jest odczyt danych z infrastruktury pomiarowej. System akwizycji staje się obecnie platformą komunikacyjną, pozwalającą na dostęp do zasobów nie tylko infrastruktury pomiarowej, ale również zasobów sieci HAN (Home Area Network) i urządzeń pomiarowych innych mediów. Konsumentami usług oferowanych przez nowoczesne systemy akwizycji danych coraz częściej stają się rozwiązania i narzędzia Smart Grid. Ich rozwój i szerokie wykorzystanie jest silnie uwarunkowane jakością i możliwościami, jakie oferują systemy akwizycji, a raczej już platformy integracyjne infrastruktury pomiarowej. Wszystkie te aspekty dodatkowo muszą być rozważane w kontekście zapewnienia dywersyfikacji dostawców poszczególnych elementów infrastruktury. Niniejszy referat przybliża problematykę wdrożenia systemów Smart Metering w kontekście zapewnienia funkcjonalności, niezbędnej dla przyszłych wdrożeń rozwiązań warstwy Smart Grid.
Doświadczenie i kompetencje
Stworzenie systemu klasy Smart Metering, a w szczególności nowoczesnego systemu akwizycji danych, wymaga połączenia w jednym przedsięwzięciu doświadczeń i umiejętności pochodzących z wielu obszarów kompetencyjnych. Znajomość zagadnień związanych z niskopoziomową komunikacją z urządzeniami pomiarowymi i elementami automatyki jest zaledwie wstępem do planowania budowy rozwiązań Smart Metering. Przez prawie dekadę burzliwego rozwoju elektronicznych urządzeń pomiarowych, ich producenci rozwinęli szereg autorskich rozwiązań. Doprowadziło to do braku przewodniego standardu komunikacji, choć pretendentem do miana dominującego wydaje się DLMS/COSEM (Device Language Message specification, COmpanion Specification for Energy Metering). Ogłoszone niedawno porozumienie pomiędzy wiodącymi dostawcami infrastruktury pomiarowej i pierwsze implementacje standardu IDIS (Interoperable Device Interface Specifications) pozwalają optymistycznie spojrzeć w przyszłość. Niemniej nawet wieloletnie doświadczenie w zakresie implementacji standardów i protokołów komunikacji jest niewystarczające. Obecne wymagania stawiane systemom Smart Metering, to także zdolność do szybkiego przetwarzania danych spływających z infrastruktury pomiarowej, pośredniczenie w komunikacji z urządzeniami pracującymi w strefie HAN, detekcja trendów i zdarzeń, skalowalność, bezpieczeństwo, niezawodność, otwartość architektury i gotowość do zmian. Konieczne są tu kompetencje z zakresu budowy rozwiązań nastawionych na przetwarzanie znaczących wolumenów danych. Przetwarzanie to musi być oparte o najefektywniejsze mechanizmy. Często wykorzystywane są technologie i rozwiązania niespotykane dotychczas w systemach pomiarowych dla energetyki, jak na przykład przetwarzanie strumieni danych, analizy i korelacje zdarzeń. Kluczowe są tu również kompetencje z zakresu budowy rozległych infrastruktur teleinformatycznych, z wykorzystaniem wielu różnorodnych mediów komunikacji. Należy ponadto uwzględnić specyfikę wykorzystywanych przez komunikujące się urządzenia protokołów. Nie można zapominać o doskonałej znajomości technik zabezpieczeń i szyfrowania danych monitorujących dostęp do danych wrażliwych, przesyłanych przez infrastrukturę pomiarową i przetwarzanych przez systemy informatyczne.
Otwarta architektura
Systemy Smart Metering są fundamentem, na którym staje się możliwa budowa rozwiązań i usług ulokowanych w warstwie Smart Grid. To dzięki szerokiej gamie usług i krótkim czasie dostępu do danych, możliwa jest budowa w warstwie rozwiązań Smart Grid narzędzi, pozwalających na zarządzanie popytem czy generacją rozproszoną. W miarę rozwoju koncepcji i planów wdrożeń Smart Grid pojawiają się coraz to nowsze wymagania. Dotyczą one udostępnianych przez systemy Smart Metering, usług czy też umożliwienia komunikacji z elementami infrastruktury pomiarowej i strefy HAN. Rośnie równocześnie ilość systemów i kontrahentów, będących klientami usług i danych, udostępnianych przez rozwiązania Smart Metering. Rysunek 1 przedstawia poglądowy schemat przepływu danych i wykorzystania usług w otoczeniu systemu. Jak łatwo zauważyć, na poziomie centralnych rozwiązań Smart Metering następuje integracja danych i sygnałów sterowania (komend). Realizacja funkcji związanych z pośredniczeniem infrastruktury, ulokowanej u OSD w komunikacji z np. NOP czy sprzedawcą energii z obszarem sieci HAN, musi odbywać się w odpowiedni sposób. Metoda ta zapewniać powinna bezpieczeństwo, wydajną komunikację oraz umożliwiać dywersyfikację dostawców sprzętu, usług i oprogramowania. Rysunek 2 przedstawia ogólną architekturę stworzonego przez ITG rozwiązania systemu Smart Metering, uwzględniającego poruszone wyżej zagadnienia. Za bezpośrednią komunikację z infrastrukturą pomiarową odpowiada moduł Zarządzania infrastrukturą pomiarową. Pozwala to na bezpośrednią komunikację z urządzeniami pomiarowymi, z wykorzystaniem takich metod transmisji jak GPRS, GSM, Internet. Łączność zapewniona jest również dzięki koncentratorom danych, umożliwiających dostęp do liczników z wykorzystaniem technologii PLC, czy transmisji radiowej. W przypadku komunikacji z systemami AMI/AMM, umożliwia nie tylko bezpośredni dostęp do warstwy koncentratorów danych z wykorzystaniem ich natywnych protokołów, ale również integrację w oparciu o warstwę usług biznesowych, czy API dostarczonego przez dostawcę sprzętu.
Rysunek 1. Schemat przepływu danych i wykorzystania usług w otoczeniu systemu Smart Metering.
Rysunek 2. Ogólna architektura systemu Smart Metering.
System zaprojektowany został z myślą o pracy w trybie pull, gdzie aktywną stroną komunikacji jest system centralny oraz w trybie push, gdzie stroną odpowiedzialną za przekazanie danych jest urządzenie pomiarowe lub koncentrator. Przewidziany został także tryb mieszany, gdzie podstawowym trybem pracy jest tryb push. Tryb pull wykorzystywany jest tylko w sytuacji, gdy system zidentyfikuje braki danych i automatycznie uruchomi procedurę doczytania brakujących danych. System zarządzania infrastrukturą pomiarową w pełni wspiera również komunikację dwukierunkową z urządzeniami pomiarowymi, jak i strefą HAN, udostępniając usługi infrastruktury pomiarowej systemom zewnętrznym. Repozytorium danych pomiarowych jest narzędziem umożliwiającym przechowywanie i przetwarzanie danych pomiarowych pochodzących z wielu różnych źródeł. Niezależnie od źródła danych, którym może być licznik, koncentrator, urządzenie przenośne itd., dane są przetwarzane i przechowywane w ujednolicony sposób. Dane pomiarowe są przetwarzane w dwóch, w pełni zautomatyzowanych etapach. Pierwszy z nich obejmuje pobranie danych pomiarowych z systemu akwizycji danych, ich wstępną weryfikację pod kątem kompletności i jakości, konwersję do jednolitej postaci, zgodnej ze strukturą repozytorium. Drugi etap obejmuje uruchomienie zdefiniowanych przez użytkownika procesów przetwarzania danych, w zależności od ustalonej segmentacji danych (np. dane odbiorcy, punkty graniczne, dane odbiorców TPA, itd.). Procesy te obejmują weryfikację i korekty oparte o reguły, agregacje względem przyjętych wymiarów (czas, taryfa, kalendarz, segment), wersjonowanie danych oraz ich publikację. Na każdym etapie przetwarzania danych użytkownik ma możliwości pełnej kontroli wykonania procesu. Jest również informowany o wszystkich błędach i wyjątkach, jakie powstały w trakcie przebiegu poszczególnych procedur obróbki danych. W zakresie prezentowanego rozwiązania przewidziano również funkcjonalność, zapewniającą wsparcie w zakresie zarządzania pracą w terenie. Moduł Zarządzania pracą mobilną składa się z modułu centralnego, umożliwiającego ewidencję zadań, import (utworzenie) dokumentów definiujących zadania, planowanie zadań i tras dla pracowników terenowych, kontrolę realizacji zadań oraz raportowanie. Drugim elementem systemu jest aplikacja, przeznaczona do pracy na urządzeniach mobilnych np.: PDA, tablety, smartfony, która umożliwia pracownikowi realizację zleconych mu zadań w terenie (w trybie on-line i off-line). Ponadto moduł umożliwia wykonywanie zadań związanych z odczytem danych, również z wykorzystaniem optozłącza. Zarządzanie pracą mobilną aktywnie wspiera użytkowników w czynnościach serwisowych infrastruktury pomiarowej oraz instalacji nowych układów pomiarowych. Powoduje to znaczne skrócenie czasu realizacji prac i podniesienie jakości ich wykonania. Moduł Analizy, raporty i diagnostyka zapewnia użytkownikom szybki dostęp do kluczowych danych z punktu widzenia podejmowanych decyzji. Raporty i analizy tworzone są w oparciu o definiowane szablony, łączą w sobie dane gromadzone i przetwarzane w systemie, jak również umożliwiają dostęp do danych udostępnianych przez współpracujące systemy zewnętrzne. Dostarczane narzędzia diagnostyczne znacząco ułatwiają wykrywanie awarii i sytuacji alarmowych. Narzędzie oferuje szereg mierników efektywności oraz możliwość definicji dla nich progów alarmowych. Dostępne są mierniki informujące o skuteczności odczytu, kompletności danych, wydajności łączy transmisji, efektywności transmisji danych, prognozowanych czasach oczekiwania na dane, kompletności realizacji procesów publikacji danych itd. Niezwykle istotnym aspektem jest komunikacja z odbiorcą i dostarczenie wszelkich niezbędnych informacji do racjonalnego gospodarowania zużyciem mediów. Portal informacyjny jest jednym z podstawowych narzędzi pozwalających na komunikację z szeroko rozumianym kontrahentem OSD, takim jak odbiorca, sprzedawca, czy pozostałe OSD, itd. Portal, jako narzędzie komunikacyjne umożliwia OSD publikacje użytkownikom informacji w formie komunikatów i dokumentów. Format, zawartość merytoryczna dokumentu oraz treść informacyjna portalu, ustalana jest przez administratora na etapie konfiguracji procesów publikacji danych dla zdefiniowanych grup kontrahentów. Przykładem dokumentów mogą być: elektroniczna faktura, dokumenty zawierające dane pomiarowe dla sprzedawcy, informacje o bieżącym zużyciu odbiorcy oraz raporty i analizy zamówione przez użytkownika portalu(np. analiza trendów zużycia). Portal informacyjny umożliwia również dostęp do zasobów sieci HAN, pozwalając na zarządzanie pracą zdefiniowanych urządzeń w celu optymalizacji kosztów zużycia energii. Jednocześnie jest jednym z elementów łańcucha komponentów, współpracujących na rzecz realizacji procesów biznesowych związanych z obsługą odbiorców, którzy zdecydowali się na skorzystanie z realizacji płatności w formie przedpłat.
Wydajność i skalowanie
Wydajność i skalowanie systemu są niezwykle istotnymi aspektami, jakie należy bezwzględnie rozważać na etapie budowy rozwiązań Smart Metering. Problem wydajności rozwiązania trzeba analizować na kilku płaszczyznach. Pierwszą z nich jest zapewnienie wysoko wydajnego procesu komunikacji z infrastrukturą pomiarową w zakresie pozyskiwania danych pomiarowych. Uzyskana wydajność systemu musi zapewnić możliwość odbierania danych i ich wstępnego przetworzenia bez blokowania łączy telekomunikacyjnych, związanych z oczekiwaniem infrastruktury pomiarowej na zakończenie przetwarzania i odbiór kolejnych porcji danych. Drugą analizowaną płaszczyzną tego zagadnienia jest zapewnienie odpowiedniej wydajności infrastruktury pomiarowej. Należy wziąć pod uwagę zakres danych i sygnałów sterujących, jakie będą wymieniane w procesie komunikacji z systemem nadrzędnym. Udostępniane przez system usługi będą musiały zapewnić efektywną komunikację również podmiotom zewnętrznym, jak chociażby NOP. Dlatego warto rozważyć wykorzystanie coraz szerzej dostępnego Internetu szerokopasmowego, jako technologii transmisji danych, również w zakresie tzw. ostatniej mili. Trzecią płaszczyzną zagadnień związanych z problematyką wydajności systemu Smart Metering jest zapewnienie wydajnego procesu przetwarzania zgromadzonych danych pomiarowych i ich udostępnienia systemom zewnętrznym. Jest to istotne ze względu na potrzeby prowadzonych rozliczeń usług dystrybucji, sprzedaży energii, obsługi rynku bilansującego czy procesów wspierających operacyjne i strategiczne zarządzanie siecią dystrybucyjną. Warto skorzystać z doświadczeń pochodzących z wdrożeń rozwiązań przetwarzających znaczne ilości danych, stosowanych w innych sektorach (bankowość, telekomunikacja). Nie ma wątpliwości co do faktu, że wdrożenie rozwiązania Smart Metering jest procesem rozciągniętym w czasie. Jest to spowodowane koniecznością instalacji nowych układów pomiarowych i budową infrastruktury telekomunikacyjnej. Drugim czynnikiem, wymuszającym zmierzenie się z problemem skalowalności, jest niejednoznacznie i nieprecyzyjnie określony katalog usług. Smart Metering udostępniać będzie zasoby infrastruktury pomiarowej systemom zewnętrznych kontrahentów takich jak NOP. Należy wziąć pod uwagę, że z czasem zakres tych usług będzie ulegał poszerzeniu, w miarę jak pojawią się nowe potrzeby i wymagania od strony systemów zewnętrznych, chociażby wymuszone rozwojem generacji rozproszonej i rozsianej.
Podsumowanie
Budowa systemu klasy Smart Metering, spełniającego stawiane wymagania oraz dającego możliwość sprawnego wdrażania w przyszłości rozwiązań Smart Grid, narzuca konieczność zastosowania wiedzy pochodzącej z wielu obszarów informatyki, a nawet inżynierii społecznej. Trzeba przewidywać, że na etapie budowy tego typu rozwiązań pojawiają się problemy i zagadnienia wymagające szerokiej wiedzy, doświadczenia i innowacyjnego podejścia do ich rozwiązywania. Obserwując rozwój koncepcji wdrożenia rozwiązań AMI / Smart Metering trudno nie ulec wrażeniu, że ich funkcjonalność, a zarazem potrzeby związane z komunikacją z infrastrukturą licznikową ulegają znacznemu rozszerzeniu. Systemy akwizycji danych stają się natomiast swego rodzaju platformami integracyjnymi. Z jednej strony odpowiedzialne są za integrację zasobów infrastruktury pomiarowej. Zapewnia to efektywne zarządzanie komunikacją, gwarantując jednocześnie dywersyfikację dostawców poszczególnych jej elementów. Z drugiej strony muszą w sposób inteligentny integrować potrzeby i wymagania stawiane przez uczestników rynku, nie należących do struktury organizacyjnej OSD. Nasuwa się wniosek, że tak naprawdę esencją idei Smart Meteringu będą nie tylko inteligentne urządzenia instalowane u klienta, a również inteligentne rozwiązania informatyczne, działające w strukturach OSD. Współgrać one muszą z rozwiązaniami wspomagających funkcjonowanie całego systemu elektroenergetycznego ulokowanego w strukturach innych podmiotów.
Literatura:
-
Stanowisko Prezesa URE w sprawie niezbędnych wymagań wobec wdrażanych przez OSD E inteligentnych systemów pomiarowo-rozliczeniowych z uwzględnieniem funkcji celu oraz proponowanych mechanizmów wsparcia przy postulowanym modelu rynku, URE 2011r