zeljko.popovic@ericsson.com D2 - 1

BOSANSKOHERCEGOVAKI KOMITET MEUNARODNOG VIJEA ZA VELIKE ELEKTRINE SISTEME BH K CIGR SARAJEVO 11. SAVJETOVANJE BOSANSKOHERCEGOVAKOG KOMITETA NEUM, 15. 19.09.2013.

R.D2.15.

M2M KOMUNIKACIJE ZA APLIKACIJE U NAPREDNIM ELEKTROENERGETSKIM MREAMA

M2M COMMUNICATIONS FOR SMART GRID APPLICATIONS

eljko Popovi Vanesa akovi Ericsson Nikola Tesla d.d Ericsson Nikola Tesla d.d

Zagreb - Hrvatska

Saetak: Informacijsko komunikacijske tehnologije (ICT) predstavljaju kljuni element u rastu i performansama naprednim elektroenergetskim mreama (Smart Grids). Sloena, pouzdana i brza komunikacijska infrastruktura je nuna za povezivost velike koliine distribuiranih elemenata, poput generatora, transformatorskih stanica, sustava za pohranu elektrine energije i potroaa, omoguujui razmjenu podataka i informacija u realnom vremenu koji su neophodni za upravljanje elektroenergetskim sustavom i za osiguravanje vee uinkovitosti, pouzdanosti, fleksibilnosti i breg povrata investicija za sve koji su ukljueni u vrijednosni lanac napredne elektoroenergetske mree. Ovaj lanak daje pregled pitanja koja se odnose na arhitekturu napredne elektroenergetske mree iz perspektive potencijalnih aplikacija i komunikacijskih zahtjeva potrebnih za osiguranje performansi, fleksibilan rad, pouzdanost i ekonominost. Kako bi se ostvarila pametna elektrina mrea, razmatrane su M2M komunikacije (Machine-to-Machine Communication) kao vrlo vaan element napredne elektroenergetske mree za implementaciju izrazito skalabilne infrastrukture za upravljanje i nadzor. U radu smo takoer razmatrali komunikacijske zahtjeve za neke tipine aplikacije u naprednim elektroenergetskim mreama i raspoloive tehnologije za implementaciju komunikacijske mree. Kjune rijei: napredna elektroenergetska mrea, komunikacijska infrastruktura, M2M komunikacije Abstract: Information and communication technologies (ICT) represent a fundamental element in the growth and performance of smart grids. A sophisticated, reliable and fast communication infrastructure is, in fact, necessary for the connection among the huge amount of distributed elements, such as generators, substations, energy storage systems and users, enabling a real time exchange of data and information necessary for the management of the system and for ensuring improvements in terms of efficiency, reliability, flexibility and investment return for all those involved in a smart grid: producers, operators and customers. This paper overviews the issues related to the smart grid architecture from the perspective of potential applications and the communications requirements needed for ensuring performance, flexible operation, reliability and economics. In order to realise the intelligent electricity network, machine-to-machine (M2M) communication is considered as a building block for Smart Grid as a means to deploy a wide-scale monitoring and control infrastructure. Finally, we also discussed the communication network requirements for typical Smart Grid applications and the technologies available for implementing the communication network. Key words: Smart Grid, Communication infrastructure, M2M Communications

D2 - 2

UVOD Arhitekture komunikacijskog sustava i protokoli koji se koriste za razmjenu informacija izmeu povezanih ureaja su kritini za uspjenu implementaciju naprednih elektroenergetskih sustava. Ureaji u naprednim elektroenergetskim sustavima trebaju komunicirati uinkovito, pouzdano i sigurno. U tijeku je vie napora za uspostavu komunikacijske arhitekture i protokola za napredne elektroenergetske sustave. Europske komisija je inicirala obveze standardizacije za napredne elektroenergetske mree [6], [7]. Glavni cilj EU mandata je razvoj skupa usklaenih standarda unutar zajednikog Europskog okvira koji integrira razliite digitalne raunarske i komunikacijske tehnologije da bi osigurali usluge i interoperabilnost za europske napredne elektroenergetske sustave. Pored mnogih inicijativa standardizacije za napredne elektroenergetske mree koje su u tijeku diljem svijeta, postoji odreeni broj inicijativa za standardizaciju M2M komunikacija. M2M komunikacije ukljuuju automatiziranu razmjenu podataka izmeu ureaja bez ili vrlo male intervencije ovjeka. Uobiajeni sluajevi koritenja (use case) za M2M komunikacije su autmatizacije kue, praenje vozila, e zdravstvo itd. Meutim, ne postoji zastupljeniji sluaj koritenja od M2M komunikacije unutar napredne elektroenergetske mree. Sustavi napredne elektroenergetske mree moraju omoguiti automatski odziv na dogaaje u elektrenergetskoj mrei bez ljudske intervencije. Standardizacijsko tijelo ETSI (European Telecommunication Standards Institute) je vodei u standardizaciji arhitekture M2M sustava koja omoguuje upravljanje senzorima i M2M mreama i implementaciju usluga prikupljanje i skladitenje podataka, posredovanja u komunikaciji, upravljanja ivotnim vijekom (ukljuujui nadogradnju softvera i firmware-a) i usluge sigurnosti. Aktivnosti 3GPP (3rd Generation Partnership Project) udruge usmjerene su na optimizaciji pristupne i jezgrene mrene infrastrukture kako bi se omoguila trokovno uinkovito isporuka M2M usluga [14]. Rad udruge 3GPP je usmjeren na poveanje skalabilnost i isplativost mobilne mree [15], uzimajui u obzir temeljna obiljeja M2M komunikacija kao to su: stacionarnost ureaja, mala koliina, ali esti prijenos podataka i razliiti modeli tarifa. Dizajniranje arhitekture komunikacijskog sustava koji e zadovoljiti sloene zahtjeve u naprednim elektroenergetskim mreama je kljuno za uspjenu implementaciju pametne elektroenergetske mree u budunosti. Komunikacijska mrea treba biti sigurna i raspoloiva da podri slijedeu generaciju aplikacija, i mora imati veliku propusnost da moe upravljati, pohraniti i intergirati veliku koliinu podataka koju generiraju pametni ureaji u naprednoj elektroenergetskoj mrei. Komunikacijski sistem mora pokrivati sve dijelove elektroenergetskog sustava ukljuujui proizvodnju, prijenos, distribuciju i potroae, koristei sve mogue resurse, od inih veza, do svjetlovoda, mikrovalnih veza i beinih komunikacija. 1. ARHITEKTURA KOMUNIKACIJSKE INFRASTRUKTURE U NAPREDNIM

ELEKTROENERGETSKIM MREAMA Koncept napredne elektroenergetske mree ima za cilj postii sloeni sustav integracijom infrastrukture informacijsko komunikacijskih tehnologija i postojee infrastrukture elektroenergetskog sustava i novih sustava distribuirane proizvodnje elektrine energije, kako bi se u potpunosti iskoristili sustavi obnovljivih izvora energije i maksimalno poveala uinkovitost cijelog elektroenergetskog sustava. U osnovi arhitektura napredne elektroenergetske mree se sastoji od tri glavna sloja: sloj aplikacije, sloj elektroenergetskog sustava, i sloj komunikacija [1], [3]. Sloj aplikacija ukljuuje napredne aplikacije koje osiguravaju meusobnu interoperabilnost. Upravljanje potronjom (DR Demand Response), automatizacija distribucije (DA Distribution Automation), upravljanje prekidom rada sustava (Outage Management), napredna mjerna infrastruktura (AMI Advanced Metering Infrastructure) su tipne aplikacije u naprednim elektroenergetskim mreama koje su u radu razmatrane s aspekta komunikacijskih zahtjeva. Temeljna novost u arhitekturi elektroenergetske mree je integracija obnovljivih izvora energije u sustav, koji su poremetili uravnoteenje predvienih izvora energije i zamjenili jednosmjerni komunikacijski sustav. Dvosmjerna komunikacija izmeu potroaa i komunalnog poduzea e omoguiti uravnoteenje izmeu zahtjeva i opskrbe elektrine energije. Sloj elektroenergetskog sustava upravlja elektrinom energijom koja se odnosi na proizvodnju, prijenos, distribuciju i potronju, i sadri veliki broj senzora, sustava za skladitenje elektrine energije, i sustava za prijenos i distribuciju. Ovaj sloj se podudara s M2M prostornom mreom u M2M sustavu, odnosna svaki dio energetskog sustava se moe promatrati kao jedna domena M2M ureaja [4]. Promjene u sloju elektroenergetskog sustava e imati utjecaj na percepciju potroaa kao aktivnog sudionika u cijelom sustavu. Komunikacijski sloj predstavlja najvaniji dio sustava osiguravajui meusobnu povezivost izmeu svih sustava i ureaja. U komunikacijskom sloju koristi se telekomunikacijska tehnologija koja omoguuje digitalizaciju podataka i poveanu pouzdanost. Dananje postojee elektroenergetske mree imaju ozbiljne nedostatke poput fragmentirane

D2 - 3

arhitekture, nedostatak odgovarajue proposnosti za postizanje dvosmjerne komunikacije, nedostatak interoperabilnosto izmeu komponenti sustava, i nemogunosti upravljanja poveanom koliinom podataka iz pametnih ureaja.

Slika 1. Arhitektura komunikacijske infrastrukture u naprednoj mrei Komunikacijski sloj se sastoji od vie prijenosnosnih hijerarhijskih mrea: mree irokog podruja (WAN), mree regionalnog podruja (NAN), mree u zgradama (BAN), i mree na podruju kue (HAN). Komunikacijska arhitektura na nioj razini distribucijske mree podjeljena je u vie hijerarhijskih mrea: NAN, BAN i HAN. Zbog jednostavnosti, svaka sekundarna distribucijska transformatorska stanica (DS) pokriva jednu prostornu mreu NAN, a NAN mrea pokriva odreeni broj BAN, odnosno HAN mrea. U svako domainstvo se implementiraju pametna brojila koja u arhitekturi napredne elektroenergetske mree predstavljaju naprednu mjernu infrastrukturu (AMI), koja omoguuje automatiziranu, dvosmjernu komunikaciju izmeu brojila i komunalnog pruatelja usluga. Pametna brojila se povezuju na pristupnik (GW - gateway) ili koncentrator koristei razliite komunikacijske tehnologije. Mnoge su komunikacijske tehnologije razmatrane za realizaciju M2M komunikacija u naprednim mreama. HAN mree se nalaze u okruenju koje se satoji od razliitih kuanskih aparata i ureaja koji trebaju komunicirati s naprednom mjernom infrastrukturom (AMI). AMI sustav skuplja podatke od potroaa i te informacije odailje u upravljaki centar za potrene nadzora i naplate elektrine energije. Zahtjevi na propusnost u HAN mreama su niski (1- 10 kbit/s) i zahtjeva se mala potronja elektrine energije i ogranieno pokrivanje. Ove zahtjeve zadovoljavaju beine tehnologije kratkog dometa, a od inih, komunikacije preko energetskih vodova PLC. Beine tehnologije kratkog dometa, poput Bluetooth (IEEE 802.15.1), ZigBee (IEEE 802.15.4), Ultra-Wide Band (IEEE 802.15.3a), i beina tehnologija srednjeg dometa WiFI (IEEE 802.11) jo uvijek nemaju mrenu arhitekturu da bi zadovoljili sve ope karakteristike M2M komunikacija. Stoga se ove tehnologije mogu koristiti samo na razini kunih mrea HAN. Najpogodnija beina tehnologija za M2M komunikacije u naprednim elektroenergetskim mreama na razini HAN mrea je ZegBee, jer zadovoljava zahtjeve na malu potronju, i jednostavnosti konfiguracije i upravljanja. ZegBee osigurava komunikacijsku pokrivenost u rasponu od 10 do 100m i znaajno malu potronju (1 100 mW). S druge strane, prostorne mree NAN trebaju pokrivati podruja od nekoliko km i povezivati veliki broj brojila koji su smjeteni u kuama, industrijskim postrojenjima i tvrtkama. Obino se ova brojila povezuju na koncentrator ili pristupnik koji se obino instaliraju na distribucijske stupove. Glavni zahtjevi na NAN mree su vea propusnost (100 500 kbit/s) i mogunost dvosmjerne komunikacije. Zahtjevana latencija s kraja na kraj za aplikacije (oitanje brojila, upravljanje potronjom, udaljeno iskljuivanje za kontrolu optereenja i dr) u NAN mrei je 1- 15 sec. Komunikacijske tehnologije koje zadovoljavaju ove zahtjeve su mobilne tehnologije GPRS, 3G , LTE i WiMAX. irokopojasna tehnologoja komunikacije preko elektroenergetskih vodova, BB-PLC je standardizirana za ovu namjenu ali se zbog

Potroai

Industrijski potroai

Sloj aplikacija

Komunikacijski sloj

Napredna mjerna

infrastruktura

Upravljanje potronjom

(DR)

Sloj elektroenergetske mree

Prizvodnja Prijenos Distribucija Potronja

Napajanje el. vozila

Automatizacija distribucije

(DA)

trafostanica

Nadzor i upravljanje energetske

mree

Optiki vodovi i mikrovalne veze (SDH/DWDM, IP/MPLS, Ethernet)

Optiki vodovi, mikrovalne veze i mobilne komunikacije (GPRS, 3G, LTE, WiMAX)

( WiFi, ZigBee, 6LoWPAN, xDSL,

FTTH, PLC)

El.vozila DER

BAN, HAN WAN, NAN JEZGRENA MREA

D2 - 4

visoke cijene rijetko koristi.. Mobilne mree prema 3GPP mogu osigurati povezivost M2M komunikacija na razini BAN (Building Area Network), NAN (Neighbourhood Area Network) i WAN (Wide Area Network). Napredna pokretna tehnologija LTE-Advanced moe se primjeniti u mreama s razliitim veliinama elija, npr. makroelije, pikoelije i femtoelije. 2. KOMUNIKACIJSKI ZAHTJEVI APLIKACIJA U NAPREDNIM MREAMA 2.1. Aplikacije u naprednim mreama Napredna elektroenergetska mrea je integracija infrastrukture elektroenergetske mree s naprednom komunikacijskom infrastrukturom gdje se razliiti tipovi podataka mogu uinkovito prenositi s razliitom razinom sigurnosti, pouzdanosti, kvalitetom usluge (QoS), i razliitim komunikacijskim zahtjevima. Dakle, integrirana , fleksibilna, interoperabilna, i sigurna dvosmjerna okosnica, koja zadovoljava komunikacijske zahtjeve svake komponente napredne mree je kritina za uspjeh napredne elektroenergetske mree. Ovdje su navedene neke od zahtjeva koje treba zadovoljiti komunikacijska mrea [2].

Latencija: moe se opisati kao kanjenje odailjanih podataka izmeu komponenata u naprednoj mrei. Neke aplikacije ne mogu tolerirati latenciju poput sustava za automatizaciju distribucije. Za neke druge aplikacije, poput napredne mjerne infrastrukture (AMI) ili upravljanja energijom u kuanstvu (HEM Home Energy Management), latencija nije kritina.

Pouzdanost: je mjera koja pokazuje kaliko pouzdano komunikacijski sustav moe izvriti prijenos podataka prema specifinim zahtjevima. Komunikacijski vorovi trebaju biti pouzdani za stalnu komunikaciju. Za neke aplikacije poput automatizacije distribucije zahtjeva se visoka pouzdanost komunikacije podacima. Potrebna pouzdanost za razliite aplikacije u naprednim mreama kree se u rasponu od 99,99% do 99,999% 11.

Brzina : zahtjevi na brzinu prijenos apodataka izmeu komponenti napredne mree mogu biti razliiti za svaku specifinu aplikaciju.

Sigurnost: Za gotovo sve aplikacije u naprednim elektroenergetskim mreama, sigurnost s kraja na kraj predstavlja najvei prioritet.

Propusnost: Procjena ukupne propusnosti koji se zahtjeva od komunikacijskog sustava raznih aplikacija, npr. Za AMI i upravljanje potronjom (Demand Response) zahtjeva se propusnost 3-10 Mbit/s.

U Tabel 1. prikazan je pregled komunikacijskih zahtjeva za tipine aplikacije u naprednim mreama. Tabela 1. Komunikacijski zahtjevi aplikacija u naprednim mreama Aplikacija Propusnost Latencija Pouzdanost Sigurnost Automatizacija transformatorskih stanica

9,6-56 kbit/s 15-200 ms 99,0-99,99% Visoka

Napredna mjerna infrastruktura (AMI)

10-100 kbit/s po voru, 500 kbit/s za sporednu mreu

2000 ms 99,0-99,99% Visoka

Automatizacija distribucije (DA)

9,6-56 kbit/s 20 200 ms 99,0-99,99% Visoka

Upravljanje potronjom (DR) 10-100 kbit/s po voru

500 ms nekoliko min

99,0-99,99% Visoka

Punjenje elektrinih vozila 9,6-56 kbit/s 2sec 5 min 99,0-99,99% Visoka 2.1.1. Napredna mjerna infrastruktura Prvo spajanje komunikacijskih tehnologija i mjernih sustava rezultiralo je sustavima za automatsko oitanje brojila (engl. Automatic Meter Reading, AMR). To je tehnologija koja osigurava kontinuirano prikupljanje, obradu i distribuciju podataka svim sudionicima na tritu i koja ima sposobnost ukljuenja i iskljuenja korisnika prilikom podmirivanja ili nepodmirivanja dugova. Nakon AMR sustava uslijedili su AMM sustavi automatskog upravljanja brojilima (engl. Automatic meter management, AMM). AMM se sastoji od sustava za nadzor i upravljanje koji ukljuuje programsku i strojnu opremu (centar), komunikacijske mree irokog podruja (WAN - Wide Area Network) i mjerne opreme (pametna brojila), lokalnog komunikacijskog medija i komunikacijskih ureaja. Zadnjih godina evolucija sustava mjerenja je nastavljena te su integrirana komunikacijska infrastruktura i mjerni sustavi, prepoznati kao cjelina, nazvani naprednom infrastrukturom mjernih sustava (engl. Advanced Metering Infrastructure, AMI), koja predstavlja korak prema naprednoj elektroenergetskoj mrei.

D2 - 5

Skupljane podataka o potronji elektrine energije od svih potroaa omoguuje komunalnim poduzeima uinkovitije upravljanje zahtjevima za energijom i omoguuje savjetima korisnicima o trokovnoj uinkovitosti koritenja elektrinih aparata. Izbor komunikacijske tehnologije za AMI ovisi o pokrivenosti i broju potroaa po podruju, raspoloivosti pristupa internetu, oekivanoj energetskoj uinkovitosti, skalabilnosti, zahtjevanoj brzini prijenosa, i oekivanim komunikacijskim kanjenjem. Komunikaciski zahtjevi se razlikuju u skladu s izabranom komunikacijsdkom tehnologijom za AMI implementacije. Niska latencija i vea propusnost su osnovni za neke AMI aplikacije. Latencija bi trebala biti 12-20 ms za mjerenja u realnom vremenu 12. Dosta je raireno koritenje tehnologije komunikacije preko energetskih vodova (PLC), naroito u urbanim podrujima, zbog koritenja ve postojeih elektroenergetskih vodova. Meutim, ova tehnologija je nedovoljna za neke aplikacije u skoro realnom vremenu gdje se zahtjeva propusnost do 100 kbit/s 11.

2.1.2. Upravljanje potronjom Jedan od najeih zajednikih koraka prema stvaranju pametnije elektroenergetske mree od strane komunalnih poduzea je poveanje implementacija upravljanja potronjom elektrine energije (DR Demand Response). Upravljanje potronjom je smanjenje potronje elektrine energije od strane korisnika kao odgovor na poveanje cijene elektrine energije ili zbog veih optereenja u elektroenergetskom sustavu. Upravljanje potronjom moe znaajno smanjiti vrna optereenja, a programi se mogu se provoditi na veleprodajnim i maloprodajnim razinama. Komunikacijski zahtjevi DR aplikacija mogu varirati ovisno o sloenosti eljenog sustava; na najosnovnijem, DR jednostavno alje naredbu za iskljuenje kuanskih aparata , kao to su klima ureaj ili bojler, a zahtjev na propusnost za ovu vrstu aplikacije je vrlo niska i lako se rjeava dananjom komunikacijskom infrastrukturom. Zahtjevi na propusnost su u rasponu od 14 kbit/s do 100 kbit/s po voru / ureaju, slino kao za AMI, ili moda ak i vie. Procjene zahtjeva za latenciju su u irokom rasponu, od 500ms 2 sekunde, do nekoliko minuta. Ovaj iroki raspon je zbog razliitih potencijalnih primjena upravljanja potronjom 11.

2.1.3. Automatizacija distribucije Distribucijska mrea obuhvaa dio elektroenergetske mree koji opskrbljuje srednje i niskonaponske potroae, a ujedno vee u sustav distribucijsku proizvodnju. Distribucijska bi proizvodnja kao sastavni dio europskog elektroenergetskog sustava trebala opskrbljivati potroae i dobavljae elektrine energije sigurnom, dostupnom, pouzdanom, elastinom i vremenski pristupanom energetskom uslugom. Temeljna beneficija distribucijske proizvodnje je izjednaavanje ili to blie pribliavanje proizvodnje razini potronje. Time se smanjuju gubici opskrbe i omoguuje korisnije koritenje otpadne topline generatora. Promicanje i dislociranje distribuirane proizvodnje i tehnologije koja olakava sudjelovanje potranje, donosi boljitak i potroaima energije, i cjelokupnom elektroenergetskom sustavu. Uz infrastrukturu napredne mree nastoji se optimizirati lanac izmeu ponuditelja i aktivnih potroaa elektrine energije. Sustav distribucije predstavlja sponu izmeu prijenosnog sustava i potroaa. Elektrina energija se isporuuje kroz sustave distribucije, stoga je automatizacija distribucije (Distribution Automation, DA) izrazito vana za komunalna poduzea kako bi osgurali uinkovite, pouzdane i kvalitene usluge. Automatizacija distribucije se definira kao mogunost automatskog i udaljenog nadzora i upravljanja distribucijskim komponentama u realnom vremenu. DA osigurava bru korekciju greaka, i smanjuje utjecaj i trajanje ispada energetske mree. Za aplikacije automatizacije distribucije obino se koristi sustav za nadzor i upravljanje, SCADA (Supervisory Control and data Acquisition). Automatizacija distribucije je jedna od kritinih aplikacija koja ne dozvoljava tolerancije latencije. Za komunikaciju alarma i upozorenja zahtjevana latencija je manja od 1 s, a za poruke izmeu distribucijskih toaka zahtjevana latencija je 100 ms. Za upravljake signale kod izmjerenih vrijednosti u elektroenergetskom sustavu zahtjeva se latencija od 15 ms. Openito, zahtjevana propusnost za komunikacije kree se u rasponu od 9,6 100 kbit/s 11.

2.1.4. Punjenje elektrinih automobila Prikljuenje elektrinih automobila na distribucijsku mreu moe znatno utjecati na optereenje u mrei. Elektrini automobili mogu imati razliite kapacitete baterija ovisno o tipu i namjeni automobila. Ako uzmemo u obzir da prosjeni dnevni put automobila iznosi oko 30 km uz potronju energije od 0,2 kWh/km dnevno je potrebno 6 kWh energije po vozilu. Potronja energije ovisi o nainu vonje, duljini i profilu prijeenog puta, a moe iznositiod 5 kWh do 40 kWh dnevno. Punjenje baterije u pravilu traje nekoliko sati, ovisno da li se koristi normalno i brzo punjenje, pa tako punjenje moe trajati od 3 do 8 sati. Komunikacijska infrastruktura treba osigurati pouzdanost, prihvatljiva vremena odziva, i primjerenu propusnost. Tehnologije komunikacije preko elektroenergetskih vodova (PLC), GSM, GPRS i 3G mogu osigurati alternativna rjeenja za aplikacije punjenja elektrinih vozila. Zahtjev za latenciju je izmeu 2 s i 5 min, a zahtjevana propusnost je izmeu 9,6 56 kbit/s za potrebe uravnoteenja optereenja i naplate 11.

D2 - 6

3. KOMUNIKACIJSKE TEHNOLOGIJE RASPOLOIVE ZA NAPREDNE MREE Razliite komunikacijske tehnolgije podrane s dva glavna komunikacijska medija , ino i beino, mogu se koristiti za prijenos podataka izmeu pametnih brojila i kominalnih poduzea. U nekim sluajevima, beine komunikacije imaju neke prednosti u odnosu na ine tehnologije, poput niske cijene infrastrukture i jednostavnije realizacije povezivanja u tekim i nedostupnim podrujima. Meutim, priroda prijenosnog puta moe degradirati signal i uzrokovati guenja. S druge strane , rjeenja ianog prijenosa nemaju probleme interferencije, a njihova funkcionalnost ne ovisi o baterijama. U osnovi, postoje dva tipa informacijske infrastrukture potrebne za informacijski tok u naprednim elektroenergetskim sustavima. Prvi tok informacija je od senzora i aparata do pametnih brojila, a drugi izmeu pametnih brojila i sredinjeg upravljakog sustava za prikupljanje i obradu mjernih podataka. Za prvi sluaj mogu se koristiti tehnolgije komunikacije preko elektroenergetskih vodova (PLC) ili beine tehnologije kratkog dometa poput ZigBee, 6LowPAN, Z-wave, i ostale. Za drugi sluaj mogu se koristiti mobilne tehnologije. Pregled komunikacijskih tehnologija primjenjivih u naprednim elektroenergetskim mreama prikazan je u Tabeli 2. Tabela 2. Komunikacijske tehnologije u SG Tehnologija Brzina Raspon pokrivanja Aplikacije Ogranienja GSM Do 14,4 kbit/s 1 10 km AMI, Upravljanje

potronjom (DR), HAN Male brzine

GPRS Do 170 kbit/s 1 10 km AMI, Upravljanje potronjom (DR), HAN

Male brzine

3G 384 kbit/s 2 Mbit/s 1 10 km AMI, Upravljanje potronjom (DR), HAN

WiMAX Do 75 Mbit/s 10 50 km (LOS) 1 5 km (NLOS)

AMI, Upravljanje potronjom (DR)

Nije rairena tehnologija

LTE 100 Mbit/s Do 4 km Automatizacija distribucije (DA)

PLC 2 3 Mbit/s 1 3 km AMI ZigBee 250 kbit/s 30 50 m AMI, HAN Male brzine,

kratki domet 3.1. ZigBee ZigBee je beina komunikacijska tehnoloija kratkog dometa, relativno malom potronjom, malim brzinama prijenosa, i malim trokovima implementacije. Ova tehnologija je vrlo pogodna za aplikacije poput automatizacije kue, automatskog oitanja brojila, nadgledanje elektrine energije, pametnog upravljanja rasvjetom i dr. ZegBee podrzava profil SEP (Smart Energy Profile) koji predstavlja najpogodniji komunikacijske standard za rezidencijsku domenu napredne mree. ZegBee ima 16 kanala u pojasu 2,4 GHz, svaki irine pojas od 5 MHz. Maksimalna izlazna snaga radijskog dijela je 1 mW s prijenosonim rasponom od 1 do 100m i brzinama od 250 Kbit/s. Glavne prednosti ZigBee tehnologije su jednostavnost, robusnost, niski trokovi instalacije, rad na nelicenciranom spektru i jednostavna implementacija mree. Zbog ograniene fizike veliine, ZegBee ureaji imaju bateriju ogranienog napajanja, malu internu memoriju i kapacitet procesiranja. Stoga je koritenje ZigBee tehnologije ogranieno na sustave automatizacije u kuama. Jedan od nedostataka ove tehnologije su interferencije s ostalim elektronikim aparatima koji koriste nelicencirani spektar (WiFi, Bluetooth, mikrovalne penice) 3.2. Napredne mobilne komunikacije Mobilne komunikacije su iroko rasprostranjene i trokovno uinkovite i danas predstavljaju vodeu komunikacijsku tehnologiju na tritu. Uz brzi razvoj beine komunikacijske tehnologije, napredne irokopojasne mobilne komunikacijske tehnologije mogu ispuniti zahtjeve napredne elektroenergetske mree i esto e se koristi u aplikacijama napredne mjerne infrastructure (AMI), upravljanja potronjom (DR) i automatizacije distribucije DA). Rezulteti raznih testiranja LTE tehnologije u laboratorijima i pilot projektima pokazuju da je LTE naroito pogodan jer u zadovoljava zahtjeve na latenciju i raspoloivost u kritinim aplikacijama automatizacije distribuicije (DA) [17].

D2 - 7

irokopjasne mobilne komunikacijske tehnologije poput LTE (Long Term Evolution) i 4G imaju mnoge prednosti kad se koriste u naprednim elektroenergetskim mreama. LTE i 4G su dvosmjerni komunikacijski sustavi iroko rasprostranjeni i pogodni za pristupt raznolikih terminala. LTE podrava brzine od 50 Mbit/s u odlaznom smjeru (uplink) i 100 Mbit/s u dolaznom smjeru (downlink), a nadolazea LTE-Advanced tehnologija e podrati brzine prijenosa do 500 Mbit/s u odlaznom smjeru i do 1 Gbit/s u dolaznom smjeru i znaajno e poboljati kvalitetu usluge (QoS) [13]. Implemantacija mobilnih tehnologija u napredne elektroenergetske mree prua mnoge prednosti u odnosu na fiksne mree, poput malih trokova instalacijem mobilnosti, dobre pokrivenosti, brze instalacije i dr. 3.3. Poslovni modeli za M2M komunikacije u naprednim elektroenergetskim mreama Komunikacijska infrastruktura u naprednim mreama moe biti javna ili privatna. Meutim, ako se koristi javna mrea za aplikacije u naprednim mreama, mogu nastati problemi sigurnosti i kvalitete usluge (QoS). Stoga, komunalna poduzea trebaju izvriti detaljnu analizu trokova i prednosti koritenja javnih komunikacija u odnosu na privatne mree. U vrijednosnom lancu M2M komunikacija danas se esto pojavljuje operator pokretne virtualne mree (MVNO) kao davatelj usluga povezivosti i omoguavanja M2M usluga. Model potpunog virtualnog operatora ima u vlasnitvu registar vlastitih pretplatnika (HLR), SIM kartice, sustav upravljanja, sustav naplate i jezgrenu mreu, ime je postignut vei stupanj upravljanja i nadzora.

Slika 3. Poslovni model za AMI

Veina MVNO davatelja usluga osigurava usluge specifinom segmentu poslovnih korisnika, a u pojedinim segmentima poput javnih govornih usluga mogu biti konkurenti operatorima s kojim imaju ugovor o meusobnom povezivanju i koritenju radijske pristupne mree. Komunalna poduzea openito ne trae javne govorne usluge, ve trae rjeenja uinkovitog povezivanja za vlastite potrebe da bi osigurali dvosmjernu komunikaciju za napredno oitanje brojila, automatizaciju trafostanica i distribucije, upravljanje imovinom i komunikaciju s osobljem za odravanje. Model privatnog virtualnog mrenog operatora (PVNO) ne zahtijeva izgradnju nove mree ve se za povezivost koriste postojee javne pokretne mree. Prednost ovog pristupa je da e se pojedine mree razvijati bez utjecaja na isporuku usluga povezivosti koristei najnovije tehnologije. Ovaj model znatno smanjuje komercijalni rizik za komunalna poduzea i osigurava najnovije tehnologije povezivanja. U osnovi, PVNO je rjeenje potpuno upravljane usluge, koje se sastoji od konvergirane paketske jezgrene mree sposobne za integriranje vie pristupnih tehnologija, platforme za povezivost ureaja, SIM baze podataka, i sredinjeg

Aplikacije HECS / MDMS

JEZGRENA MREA

PLC Net

PLC Net

GPRS/3G/LTE

MNO/MVNO KOMUNALNO PODUZEE

D2 - 8

sustava za prikupljanje mjernih podataka, povezan s vie javnih GPRS/3G radijskih mrea (preko nacionalnog roaminga).

Slika 4. Poslovni model PVNO

Ovako dizajnirao neutralano komunikacijsko agregacijsko rjeenje iskoritava sve dostupne pokretne i fiksne mree, na naelima otvorenosti i konkurentnosti, osiguravajui najbolju vezu, najbolju kvalitetu, i najbolju vrijednost. U rjeenju PVNO, komunalna tvrtka ima vlastiti IMSI brojevni prostor, i posjeduje vlastitu bazu podataka za SIM kartice (HLR). Na ovaj nain, izbjegnut je rizik vezivanja za jednog operatora, i izbjegnuta skupa zamjena SIM kartica u sluajevima promjene operatora. Kako se autentikacija i enkripcija upravlja iz HLR i SIM kartice, ovi elementi sigurnosti su sada u potpunosti pod kontrolom komunalnog poduzea. Kako komunalno poduzee ima puno veu kontrolu sigurnosti na sloju prijenosa, mogue je mjenjati enkripciju za svaku komunikaciju izmeu brojila i sredinjeg sustava za prikupljanje podataka (HECS). PVNO model znatno smanjuje trokove povezivanja s postojeim operatorima jer se temelje na uslugama veleprodaje meusobnog povezivanja. Razlog manjeg troka je to su usluge i infrastruktura za naplatu, upravljanje pretplatama i sl. u domeni PVNO, a ne zahtjevaju se govorne usluge. U ovom scenariju, danas su na tritu cijene u rasponu od 0,1 do 0,25 USD za 1 MB prometa i jednom mjerilu. Kako poslovni model PVNO nije ogranien na jednog operatora pristupne radijske mree, ve se koriste pristupne mrea vie operatora (nacionalni roaming), maksimalno se moe poveati pokrivenost pokretnih komunikacija na cijelom treitoriju zemlje. Na ovaj nain znatno se poveava pouzdanost i redundancija PVNO mree. 4. ZAKLJUAK Ovaj rad daje pregled razmatranih zahtjeva na komunikacijske mree u pogledu buduih aplikacija u naprednim elektroenergetskim mreama. U ovom radu smo razmatrali komunikacijske zahtjeve aplikacija naprednih mrea i komunikacijske tehnologije pristupne komunikacijske mree i komunikacijske mree na podruju distribucije. M2M komunikacije predstavljaju vanu ulogu u realizaciji slijedee generacije elektroenergetskog sustava. Vana znaajka ovog koncepta napredne elektroenergetske mree je transformacija izgradnje vertikalnih komunikacijskih silosa koji zadovoljavaju potrebe pojedinih sustava i aplikacija, prema generikoj komunikacijskoj mrenoj infrastrukturi koja podrava vie integriranih aplikacija. Ovakva arhitektura osigurava znaajne prednosti u trokovima rada i upravljanja, kao i bolju iskoristivost povezanih resursa izmeu razliitih aplikacija u naprednoj elektroenergetskoj mrei. Mobilne tehnologije su naroito pogodne u pristupnoj komunikacijskoj mrei koja ukljuuje aplikacije pametnog mjerenja i automatizaciju distribucije. Upravljanje ovom mreom moe biti od strane komunalnog poduzea ili od strane mobilnog operatora ili mobilnog virtualnog operatora, ovisno o poslovnom modelu.

Baza podataka za SIM kartice (HLR)

Radijske pristupne mree

Konvergirana jezgrena

mrea

Komunikacijski pristupnik

Upravljanje potronjom

Zatita infrastrukture

Upravljanje imovinom

Automatizacija trafostanice

Aplikacije

PVNO

Operator zakupa pristupne radijske mree

GPRS/3G, 4G

Usluge povezivosti

Krajnji ureaji

SIM

Standardizirana suelja Pametno

oitanje

Automatizacija distribucije

D2 - 9

U ovom radu predloena je komunikacijska infrastruktura temeljena na tehnologiji irokpojasnih mobilnih komunikacija, poput 3G, 4G i LTE, osiguravajui dvosmjernu, uinkovitu i pouzdanu komunikaciju u naprednim elektroenergetskim mreama. LITERATURA [1] V. Cagri Gungor, D Sahin, T. Kocak, S. Ergut, C. Buccella, C. Cecati, G. P. Hancke, A Survey on Smart Grid

Potential Applications and Communication Requirements, IEEE Transaction on Industrial Informatics, VOL. 9, NO.1, February 2013.

[2] M. Daoud, V. Vijayakamur, X. Fernando, On the Communication Requirements for Smart Grid, IEEE Canadian Review, 2011.

[3] A. Aggarwal, S. Kunta, P.K. Verma, A Propsed Communications Infrastructure for the Smart Grid, Innovative Smar Grid Technologies (ISGT), 2010, pp. 1-5.

[4] ETSI TS 102 690 V1.1.1, Machine-to-Machine communications (M2M); Functional architecture [5] Z.M. Fadlullah, M.M. Founda, N.Kato, A..Takeuchi, N.Iwasaki, Y.Nozaki, Towards Intelligent Machine-to-

Machine Communications in Smart Grid, Communications Magazine, IEEE vol.28, pp 59-69, 2011. [6] M/441 EN, March 2009., raspoloivo na:

http://www.cen.eu/cen/Sectors/Sectors/Measurement/Documents/M441.pdf [7] M/490 EN [8] Guang Lu, D.Seed, M. Starsinic, Chonggang Wang , P.Russell, Shao-Yu Lien; Kwang-Cheng Chen; Yonghua Lin,

Enabling Smart Grid with ETSI M2M standards, Wireless Communications and Networking Conference Workshops (WCNCW), 2012 IEEE.

[9] S.Abdul Salam, S.A.Mahmud, G.M. Khan, H.S. Al-Raweshidy, M2M communication in Smart Grids: Implementation scenarios and performance analysis, Wireless Communications and Networking Conference Workshops (WCNCW), 2012 IEEE .

[10] V.C.Gungor, D. Sahin, T. Koak, S. Ergt, C.Buccella, C.Cecati, and G. P. Hancke, Smart grid technologies: Communication technologies and standards, IEEE Trans. Ind. Inf., vol. 7, no. 4, pp. 529539, Nov. 2011.

[11] Communications Requirements of Smart Grid Technologies, Washington, DC, Dept. Energy, 2010. [12] Y. Yan, Y. Qian, H. Sharif, and D. Tipper, A survey on smart grid communication infrastructures: Motivations

requirements and challenges, IEEE Commun. Surveys & Tutorials, vol. PP, no. 99, pp. 116. [13] P. Cheng, Li Wang, B. Zhen, S. Wang, Feasibilty Study of Applying LTE to Smart Grid, IEEE First International

Workshop on Smart Grid Modeling and Simulation (SGMS), 2011. [14] 3GPP TS 22.368 v11.2.0, Service requirements for Machine-Type Communications, June 2011. [15] 3GPP TR 23.888 v1.3.0, System improvements for machine type communications, June 2011. [16] ETSI TR 102 691 v1.1.1, Machine-to Machine communications (M2M); Smart Metering Use Case, May 2010. [17] J.Weimer, Yuzhe Xu, C. Fischione, K.H. Johansson, P.Ljungberg, C.Donovan, A. Sutor, L.E.Fahlen, A Virtual

Laboratory for Micro-Grid information and communication infrastructures , Innovative Smart Grid Technologies (ISGT Europe), 3rd IEEE PES International Conference and Exhibition , 2012.