Klí ové prvky AMM/SG systém a jejich vlastnosti ve sv tle

aktuálních zkušeností v R a zahrani í

Shrnutí vybraných výsledk výzkumu realizovaného v roce 2015 pro EZ Distribuce, a.s.

eská akademická expertní skupina

estavení• eská akademická expertní skupina pro otázky

smart-metering a smart-grid• Masarykova univerzita

• Centrum vzd lávání, výzkumu a inovací v informa ních a komunika ních technologiích -výkonná jednotka (CERIT-EU)

• Laborato softwarových architektur a informa ních systém

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

techniky• Spolupracující firmy a experti

2

Použité metody a zdroje• Analýzy výstup dosavadních realizovaných projekt zadavatele

• Analýzy dat poskytnutých zadavatelem

• Vlastní know-how realiza ního týmu, výstupy modelování a simulací

• Analýza evropského prost edí pokrývající• Oblast regulativy (legislativa EU strukturovaná dle závaznosti a dopad , p edpisy v relevantních

zemích EU);

• Sm vyplývajících z energetické politiky EU a dosavadních krok p i jejím napl ování;

• Evropské nebo evropskými zem mi i EU používané standardy;

• Analýzy výstup klí ových v deckých a demonstra ních projekt dotýkajících se významn AMM realizovaných d íve i nyní v Evrop

• Ostatní relevantní ve ejn dostupná data, dokumenty, prezentace atd.

3

Systémový pohled na AMM/SG ešení

eská akademická expertní skupina

Komponenty a funkce

5

Business funkce

Technická funkce

Funkce komponenty

je zavisla

poskytuje

poskytuje

poskytuje

je zavisla na

AMM/SG system

Subsystem

Komponenta

se sklada

se sklada

Business funkce

6

• BF 1. Ode ty pro vyú tování produkt a služeb• BF 2. ízení zát že a tarif• BF 3. Vzdálené p ipojení/odpojení, nastavování limit• BF 4. Monitoring stavu a parametr distribu ní soustavy• BF 5. P ímé poskytování údaj z elektrom ru zákazníkovi i

za ízením u zákazníka• BF 6. Odesílání informací zákazník m / za ízením prost ednictvím

elektrom ru• BF 7. Správa infrastruktury

Technické funkce

7

• TF 1. Sb r dat produkovaných prvky AMM infrastruktury• TF 2. Povelování prvk AMM infrastruktury• TF 3. ízení komunikace se za ízeními• TF 4. Zpracování nam ených dat• TF 5. Vým na informací s ostatními systémy• TF 6. Monitoring stavu AMM infrastruktury• TF 7. Vzdálená správa za ízení a infrastruktury• TF 8. P íjem zpráv od dalších ú astník trhu• TF 9. P ímé zp ístupn ní metrologických dat elektrom ru

zákazníkovi i za ízení• TF10. Správa d rnosti a integrity informací

Bezpe nost a provozovatelnostAMM/SG ešení

eská akademická expertní skupina

Východiska obecn

• AMM/SG infrastruktura se od standardní IT infrastruktury VÝZNAMN liší

• kvalita komunika ních linek • po et za ízení• rozptýlenost za ízení v terénu

• ejímání standardních metod bezpe nosti a dohledování je technicky/ekonomicky nerealizovatelné

• Ukazuje se, že neefektivní provozování je velmi drahé, rizikové a m že vést až k celkovému neúsp chuprojektu (viz zahrani ní zkušenosti)

9

Východiska dle zahrani ních zkušeností

• Bezpe nost • systematicky ešena již od fáze návrhu• šifrování dat na všech komunika ních rozhraních za použití

standardních algoritm (p . N mecko a Rakousko – závazný soubor bezpe nostních požadavk na Smart Meter Gateway).

• Dohledování• Za ízení a infrastruktury• Zajišt ní kvality dat• Vyhodnocování úsp šnosti provozování

• Integrace IT systém• Data z AMM/SG využitelná pro další procesy PDS

• Kvalitní technická a geografická (GIS) evidence • Konzistentnost a aktuálnost • Základ pro efektivní plánování a ízení implementace

10

Klí ová rizika a prost edky jejich eliminace

• Rizika• únik i kompromitace ených dat• podvrhnutí za ízení ovládaného t etí stranou

(m idla, koncentrátoru, informa ního systému, …)

• Prost edky eliminace• Šifrování komunikace na dvou úrovních

• na úrovni komunika ního kanálu• na úrovni aplika ního protokolu• … pot eba ov it dopady na kvalitu komunikace

• Autorizace za ízení pomocí certifikát (PKI)

11

Unifikovaná architektura

• Cílem je eliminovat• Nutnost dimenzovat všechny systémy pot ebující

pracovat s daty z AMM/SG na tok 60.000/s• Nutnost v každém systému separátn ešit základní

zpracování dat (validace, estimace, agregace, …)• Nekontrolovatelnou komunikaci více systém se za ízeními

v terénu• Potenciální nekonzistenci dat z AMM v r zných systémech

(kv li jiným zp sob m estimace, agregace, …)• Zpožd ní mezi p íjmem dat z terénu a možností jejich

využití v dalších systémech

12

Unifikovaná architektura

13

ízení komunikace

ízení zpracování dat

ízení zpracování požadavk

Za ízení v terénu – smart metery, datové koncentrátory, …

Systémy a uživatelé

Komunika ní protokoly a systémy

eská akademická expertní skupina

Komunika ní protokoly – aplika ní vrstva

15

L5(-7)•Aplika ní

•DLMS/COSEM

L4•Transportní

•TCP

L3•Sí ová

•IP – perspektivn verze 6

L2•Spojová

•6LoPLC

L1•Fyzická

•PRIME

L0•P enosové

médium

Klí ová pro funkci AMM systém• DLMS/COSEM (Device Language Message Specification/Companion Specification

for Energy Metering) - verze 8 eší zvýšení efektivity a bezpe nosti• IEC 62056

• SMITP (Smart Metering Information and Telecommunication Protocol) -Meters&More• CLC/TS 50568

• OSGP (Open Smart Grid Protocol) – LonWorks – bezpe nostní rizika• ETSI GS OSG 001 V1.1.1

• SML (Smart Message Language) • dosud nestandardizován (N mecko)

íležitosti

• DLMS/COSEM verze 8 eší adu nedostatk • Zvýšení efektivity p enosu• Zvýšení bezpe nosti -

standardní mechanismy pro správu klí - PKI

Identifikované problémy

• Nejednotnost v sou asných implementacích AMM

• Velká neefektivita p enosu• Bezpe nostní rizika

Komunika ní protokoly nižších vrstev• Transparentní komunikace centrála-elektrom r

• Standardní protokoly TCP/IP

• Perspektiva - dostate ný rozsah adres• Protokol IP verze 6

• Minimalizace režie na úzkopásmových kanálech• Standard IEEE802.15.4• 6LoWPAN (IPv6 Low power Wireless Area Networks) • 6LoPLC (IPv6 Low power Power Line Comunication)

16

L5(-7)•Aplika ní

•DLMS/COSEM

L4•Transportní

•TCP

L3•Sí ová

•IP

L2•Spojová

•6LoPLC

L1•Fyzická

•PRIME

L0•P enosové

médium

Komunikace po silovém vedení NN

ednosti

• Vlastní infrastruktura distributora

• Standardizace již pokro ila

• Vytvo eny podmínky pro interoperabilitu

• OFDM modulace• Všechny systémy

fungují na stejném principu

• Zm nu standardu lze ešit p ehráním SW

17

Úzkopásmové PLC

G3 (ITU-T G.9903)

PRIME (ITU-T G.9904)

G.hnem (ITU-T G.9902)

IEEE 1901.2

Širokopásmové PLC (BPL)

G.hn (ITU-T G.996x)

IEEE 1901

Komunikace po silovém vedení NNíležitosti

• Dosud jsou rezervy v dosažitelných parametrech• pokro ilejší kódování v robustních módech • dynamická bitová alokace modulace OFDM• filtrované modulace OFDM

Rizika• Problematické médium (odrazy, nehomogenity, rušení)

• Zm ny topologie, migrace IEM, zm ny kanálu a rušení• P eslechy mezi koncentrátory a sekcemi NN

• Nevhodné pro velmi rozptýlenou zástavbu • Nevhodné pro selektivní osazování s velmi nízkým

pom rem osazených/neosazených OM

18

L5(-7)•Aplika ní

•DLMS/COSEM

L4•Transportní

•TCP

L3•Sí ová

•IP

L2•Spojová

•6LoPLC

L1•Fyzická

•PRIME

L0•P enosové

médium

Komunikace pomocí mobilní sít

íležitosti

• Tém celoplošné pokrytí (95% populace a více)

• Komunikace jako služba (smluvn zajišt ny parametry)

• Širokopásmové sít LTE• Více pásem (800, 2100… 700 MHz)• Dostate rychlosti a nízké

zpožd ní• Podpora kvality služby a M2M

Rizika

• Závislost na telekomunika ních operátorech

• Postupný útlum 3G a 2G sítí (p echod na 4 a 5G)

• Omezená prostupnost signálu do budov

• Závislost propustnosti a dostupnosti na zatížení sít

19

2G• CSD

• A/B m ení

2G5• GPRS, EDGE

• Instalované AMM

3G• UMTS• CDMA2000 –

450 MHz?

4G• LTE/LTE-A/LTE-M

• Perspektivní pro AMM

5G• Budoucí sít

• 2025-2030

Rozvoj bezdrátových sítíLTE licence p id leny 2014 - platnost do 30. 6. 2029• ší ka pásma 2x10 MHz u 3 operátor v pásmu 800 MHz• garance 5 Mbit/s (download), dostupnost min. pro 95 % populaceDalší frekvence LTE (LTE-A více pásem sou asn pro p enos dat)• id leny v pásmu 2600 MHz (2016 probíhá dodate ná aukce)

• konverze pásma 2100 MHz 3G – UMTS na LTE - v horizontu cca 5 let• pásmo 700 MHz - tzv. digitální dividenda „2“ (DVB-2) - po roce 2024 • využití dosavadního GSM pásma 900 a 1800 MHz (dodate ná aukce)

• ekává se nejd íve po roce 2024

Další bezdrátové systémy• pásmo 450 MHz (nyní technologie CDMA2000) • širokopásmové systémy 3,7 GHz (pásma 5 × 40 MHz) - aukce 2016

• sít pro Internet v cí (IoT), nízkorychlostní negarantované p enosy(LoRa, SIGFOX - pásmo ISM 868 MHz)

20

Hodnocení VN komunikaceíležitosti

• Konvergence standard NN a VN• Rozší ené pásmo PLC nad CENELEC• P enos p ed TS VN/NN• Induktivní vazba na pláš kabelu

• nezáleží na zm nách topologie VN sít • není galvanicky spojena s vedením pod nap tím

• Kapacitní vazba • podstatn ú inn jší, u BPL malé rozm ry

Rizika• P erušené plášt VN kabel• Komplikace s odbo kami na vedení • P echody vzduch-kabel na venkov• Dlouhé linie a úseky VN mezi dTS• P eslechy mezi segmenty VN • Rušení – snížení propustnosti, výpadky

komunikace• El. bezpe nost – p ipojení vazby do sekce VN

21

PLC/BPL jen na NN (AMM)

PLC/BPL jen na VN ( ízení dTS)

PLC/BPL na NN i VN• Propojená technologie – p enos signálu p es Tr VN/NN• PLC CENELEC na NN – vyšší pásma PLC na VN• PLC na NN – BPL na VN

Sdílení komunika ní sít pro AMM a ízení, kombinace s optickými vlákny

Analýza komunika ních ešeníení a analýza - p íklady

• Problém nezakon ených odbo ek • Ov eno simulacemi• Nutnost maskování subkanál• Optimáln dynamická alokace

• Parametry komunikace z dTS• Testy mobilní a VN PLC komunikace• Originální metodika a za ízení

FlowTester (flowtester.fel.cvut.cz)• Datová propustnost, zpožd ní,

ztrátovost paket , stabilita

22

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

x 105

-70

-60

-50

-40

-30

-20

f [Hz]

H [d

B]

Shrnutí - perspektivy komunikace v AMMNa základ existujících poznatk a našeho odborného názoru:• ipojení odb rných míst

• Je ú elné kombinovat komunikaci po silových vedeních (PLC/BPL) a mobilní sí

– Pro instalace s o ekávanou dobou života i po roce 2022 používat modemy kompatibilní s mobilní sítí LTE (za p edpokladu akceptovatelné ceny)

– Pásmo 450 MHz (nyní technologie CDMA2000) by se dalo potenciáln využít pro specifickou technologickou sí – ale zatím licencováno jen do roku 2018 (žádoucí p echod na efektivn jší technologii)

• ipojení koncentrátor - dTS• Perspektivu dostate kvalitní komunikace pro AMM i ízení DS

lze zajistit s využitím optických vláken (p íp. v kombinaci s BPL)• Komunikace po VN je vhodná spíše pro v tší hustotu dTS (m sta),

kabelové trasy – a to ve variant širokopásmové BPL, nebo vyšší pásma PLC (do 500 kHz)

• V místech, kde není fixní p ipojení technicky i ekonomicky únosné lze využít mobilní komunikaci

23

Zkušenosti n meckého modelu zavád ní smart-meteringu –

ípadová studie

eská akademická expertní skupina

mecká koncepce a realita smart-meteringu

• Velkoryse pojatý model univerzálního systému smart-meteringu

• Multi-utility (elekt ina, voda, plyn, teplo, …)• Obecn nezávislý provozovatel m ení vs. distributor• Koncept Smart Metering Gateway (SMGW)• Centráln (BSI) definované požadavky na

provozovatele m ení a dodavatele SMGW

• Momentáln stále v legislativním procesu• Odezva spot ebitelských organizací (ú el, cena,

bezpe nost)• Odezva velkých distributor (náklady, provoz)

25

Co k tomu RWE jako klí ový distributor?

• Aktuální návrh zákona zp sobuje neefektivity zbyte prodražující zavedení SM a financování není dostate né

• Nákladov byla n mecká CBA studie zna podcen ná a tudíž i horní hranice cen za za ízení pro odb ratele

• Roll-out reáln nejd íve 2018• Chystaný zákon p edpokládá hv zdicovitou komunikaci mezi

SMGW a odb rateli dat • RWE navrhuje zachovat roli PDS jako centrální d ryhodné

„kotvy“ v systému a „datového koncentrátora“• Jinak se duplikují procesy vyvažování nabídky/poptávky a

komunikace mezi ú astníky trhu a provoz se prodražuje

Podrobn viz Smart Meter Rollout - Entwurf eines Gesetzes zur Digitalisierung der Energiewende – erste Analyse und Verbesserungsvorschläge, Dr. Oliver FranzRWE Deutschland AG, 25.11.2015

26

Doc. RNDr. Tomáš Pitner, Ph.D.

Doc. Ing. Ji í Vodrážka, Ph.D.

Mgr. Filip Procházka, Ph.D.

Ing. Zbyn k Kocur, Ph.D.

Mgr. Václav Stupka

eská akademická expertní skupina

kujeme za pozornost

27