Rozproszone systemy
monitoringu sieci
elektroenergetycznej
Krzysztof Piątek
Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych
Plan prezentacji
1. Definicja systemu rozproszonego
2. Cechy systemu
3. Struktura systemu
4. Przykłady zastosowania
Rozproszony system pomiarowy
Ogół urządzeń pomiarowych, mediów
transmisyjnych, urządzeń IT i oprogramowania
przeznaczony do ciągłego zbierania i przetwarzania
danych pomiarowych z wielu punktów przez długi
okres czasu
3
Motywacja
Skąd wynika konieczność stosowania:

kontrola stanu pracy sieci  przewidywanie i
reagowanie na sytuacje awaryjne

kontrola jakości energii elektrycznej w różnych
punktach systemu

przewidywanie i optymalizacja zużycia energii
elektrycznej  rozliczenie z dostawcą

Smart Metering  podstawa koncepcji Smart Grid
Nie tylko energia elektryczna, ale również woda, gaz
itp.  zasoby podlegające ciągłej dystrybucji przez
określone medium na dużym obszarze terytorialnym
4
Motywacja
Obszar zastosowania:

inteligentne sieci elektroenergetyczne Smart Grid

systemy ciągłego monitoringu w wydzielonych
sieciach, np. dużych zakładach przemysłowych

badania dorywcze stanu sieci: diagnostyka,
poszukiwanie przyczyn awarii  jednocześnie w
wielu punktach położonych w różnych miejscach
5
Inteligentne sieci elektroenergetyczne 
Smart Grid
Bardzo szerokie pojęcie, określające sieci
elektroenergetyczne kontrolowane z wykorzystaniem
nowoczesnych technologii informatycznych

zaawansowane technicznie rejestratory do
pomiarów parametrów sieci  Smart Metering

kontrola na każdym etapie przesyłu i rozdziału
energii elektrycznej

możliwość kontroli z
ródeł rozproszonych,
odnawialnych, itp.

centralny system zarządzania i zbierania danych
oparty o technologie IT
6
Inteligentne sieci elektroenergetyczne 
Smart Grid
Możliwości:

zarządzanie rozproszonym wytwarzaniem energii
elektrycznej

elastyczność sieci, optymalizacja przesyłu, łatwość
rozbudowy

kontrola jakości dostarczanej energii

dokładne dane o poborze energii i stanie sieci

elastyczne taryfy cenowe dla klientów
7
Inteligentne sieci elektroenergetyczne 
Smart Grid
Korzyści ze stosowania Smart Metering:

zmniejszenie kosztów odczytów mierników

wprowadzenie nowych, zorientowanych na
użytkownika usług (np. taryfy)

zwiększenie efektywności wykorzystania i
oszczędności energii

zwiększenie świadomości użytkowników
końcowych, optymalizacja zużycia energii i
zmniejszenie rachunków
8
Systemy ciągłego monitoringu w sieciach
wydzielonych
Stosowane w sieciach wydzielonych:

zakłady przemysłowe mające dużą sieć
wewnętrzną

kontrola w punktach rozliczeniowych

kontrola najważniejszych odbiorników

duże budynki zapewniające podwyższoną jakość
dostawy energii elektrycznej dla wynajmującego

monitoring zasilania pomieszczeń
9
Systemy ciągłego monitoringu w sieciach
wydzielonych
Linie przesyłowe 110 kV
T1 T2 T1 T2 T3 T1 T2
110/6 kV 110/6 kV 110/6 kV 110/6 kV 110/6 kV 110/6 kV 110/6 kV
Linie kablowe 6 kV
Rozdzielnia 1 Rozdzielnia 2 Rozdzielnia 3
Monitoring w punktach rozliczeniowych
Monitoring w punktach sieci wewnętrznej
10
Sieć wewnętrzna
Sieć dostawcy
Pomiary dorywcze stanu sieci

System instalowany w celu rozwiązania
konkretnego problemu

badania stanu sieci, poszukiwanie przyczyn awarii

System złożony z rejestratorów przenośnych 
łatwość instalacji i deinstalacji

instalowanych w punktach pomiarowych

na czas pomiaru

Użytkownicy wykwalifikowani  przeszkoleni w
zakresie użytkowania systemu

Nacisk na różnorodność zebranych danych 
przebiegi chwilowe, zdarzenia, współczynniki itp.
11
Cechy rozproszonego systemu
monitoringu
12
Cechy systemu

System złożony z wielu elementów spełniających
określone funkcje

elementy sprzętowe: rejestratory, modemy itp.

oprogramowanie: serwisy WWW, bazy danych itp.

Różnorodność funkcji  wymagania jakie stawiane
są systemowi

Budowa warstwowa  elementy systemu można
pogrupować w warstwy o specyficznej
funkcjonalności

różne sposoby określania warstw systemu

skalowalność  możliwość rozbudowy
13
Budowa warstwowa
Rozróżnienie ze względu na przepływ danych:
1.Zbieranie danych  pomiar
2.Transmisja danych
3.Zarządzanie danymi i ich składowanie
4.Przetwarzanie danych
5.Prezentacja danych
Podział  możliwość zmiany technologii w obrębie
pojedynczej warstwy bez konieczności zmian w
pozostałych warstwach
14
Dziedzina interdyscyplinarna
Budowa i utrzymanie systemu wymaga specjalistów
z różnych dziedzin:

metrologia  zbieranie danych, przetwarzanie
danych

telekomunikacja, sieci komputerowe  przesyłanie
danych

informatyka, IT  przetwarzanie, składowanie i
prezentacja danych

i inne
15
Otwartość, interoperacyjność
Powstawanie systemu monitoringu:

całościowe  jednolita architektura, wszystkie
elementy systemu znane i niezmienne

stopniowe  jednolita architektura, różnice
wynikają z instalowanych urządzeń w chwili
rozbudowy lub modernizacji systemu

na bazie istniejącej infrastruktury pomiarowej lub
SCADA  różne urządzenia, różne architektury,
konieczność wprowadzania warstw tłumaczących
16
Otwartość, interoperacyjność
System zamknięty:

rozwiązania własnościowe poszczególnych firm

współpraca z konkretnie wyszczególnionymi
urządzeniami i oprogramowaniem

ograniczone możliwości rozbudowy  vendor lock-in

współpraca z innymi urządzeniami utrudniona lub
niemożliwa

konieczność  tłumaczenia formatów danych

zachowana spójność i jednorodność sytemu
17
Otwartość, interoperacyjność
System otwarty:

określenie standardów komunikacji między
składnikami systemu

współpraca z urządzeniami i oprogramowaniem
wspierającymi dane standardy

duże możliwości rozbudowy

problemy współpracy

możliwe problemy z kompatybilnością

niejednorodność systemu
18
Konieczność zapewnienia bezpieczeństwa
Raport CyberKnowledge i U.C.Berkeley dla California
Energy Commission (paz
dziernik 2005)
 Sensor networks may suffer from many layers of
potential vulnerabilities: they are subject to the
problems of computer networks in general [...] and
additional physical attacks [...]
Raport NIST (wrzesień 2009)
 Ensuring cyber security of the Smart Grid is a
critical priority. To achieve this requires that security
be designed in at the architectural level.
19
Konieczność ochrony prywatności
Raport NIST The Cyber Security Coordination Task
Group (wrzesień 2009)
 The lack of consistent and comprehensive privacy
policies, standards, and supporting procedures [...]
creates a privacy risk that needs to be addressed.
Raport dla Information and Privacy Commissioner,
Ontario, Canada (listopad 2009):
 [Smart Grid] introduces the possibility of collecting
detailed information on individual energy
consumption use and patterns within the most
private of places  our homes.
20
Zagadnienia bezpieczeństwa informacji
Złożony system wielowarstwowy wymaga całościowej
koncepcji zapewnienia bezpieczeństwa informacji:

bezpieczeństwo w każdej warstwie  rozwiązania
techniczne i programowe

polityka dostępu do danych  autoryzacja
użytkowników, zarządzanie uprawnieniami

polityka bezpieczeństwa systemu  reakcja na
incydenty, zarządzanie informacjami poufnymi
(np. hasła, klucze kryptograficzne)
21
Zagrożenia

Zagrożenia w każdej warstwie

sabotaż mierników

podmiana danych,  zanieczyszczenie bazy 
oszustwa finansowe, zmiana statystyk, fałszowanie
informacji o systemie

przejęcie kontroli  szantaż, nadużycia systemu,
dezorganizacja pracy

Zagrożenia prywatności klientów

wycieki danych  profilowanie klientów

stwierdzenie obecności w budynku
22
Zagrożenia

Wykorzystanie standardowych komponentów
stosowanych w IT

wykorzystanie zalet, ale również przejęcie
podatności

Błędy w implementacji

zamknięte, słabo przetestowanie oprogramowanie

Błędy w projektowaniu systemu

wykorzystanie przestarzałych lub słabo
przetestowanych technologii

nieuwzględnienie spraw bezpieczeństwa informacji
23
Jak poważny jest ten problem?

Testy wykonane przez IOActive (czerwiec 2009):
meter worm  samoreplikujący się program,
rozprzestrzeniający się przez sieć urządzeń AMI

konferencja Black Hat w Las Vegas, czerwiec 2009

Problemy z siecią bezprzewodową ZigBee
(wykorzystywaną obecnie w AMI np. w USA)

konferencje ToorCon w San Diego, paz
dziernik 2009
i Black Hat 2009

Możliwości fizycznego dostępu do podzespołów
mierników AMI

konferencja CONFidence, Warszawa, listopad 2009
24
Budowa rozproszonego systemu
pomiarowego
25
Budowa rozproszonego systemu
pomiarowego
Zbieranie Przesyłanie Zarządzanie Przetwarzanie Prezentacja
danych danych danymi danych danych
Sieć
" Serwis WWW
Zgodność z:
Pomiar
Odczyt danych
lokalna
" normami
" Rozsyłanie
" taryfami raportów
Integralność
" cennikiem
" Zarządzanie
Wyznaczanie
danych
wielkości systemem
Wyznaczanie:
złożonych
" korelacji
Dostęp dla:
" indeksów
" klientów
Alarmy
Składowanie
" zużycia
" operatorów
danych
energii
" managerów
WAN
Lokalne
bieżących
" serwisantów
składowanie
Raportowanie
danych " zdarzenia
" stan sieci
Internet
Archiwizacja
?
Komunikacja
Raportowanie Decyzje
?
?
awarii
?
26
Koncentrator
Gateway
Bridge
Warstwa zbierania danych pomiarowych
Ogół zagadnień związanych z rejestracją
parametrów energii elektrycznej
27
Zbieranie danych pomiarowych
System złożony z rejestratorów:

przystosowanych do równoczesnych pomiarów w
różnych geograficznie miejscach

umożliwiających komunikację z bazą (lub bazami)
danych i przesyłanie zmierzonych wielkości

przystosowanych do długotrwałej i bezobsługowej
pracy
28
Urządzenia pomiarowe

Pomiary zgodnie z wytycznymi norm np. PN-EN
61000-4-30,PN-EN 61000-4-15, PN-EN 61000-4-
7, lub przepisów jak Rozporządzenie systemowe...

Pomiar wartości chwilowych i wyznaczanie
współczynników jak THD, PLT, PST, harmoniczne

Możliwość składowania pewnej porcji danych

Wyposażone w moduły komunikacyjne

Problem synchronizacji czasowej
29
Mierniki AMR
Koncepcja AMR (automated meter reading)

motywacja  zdalny odczyt wyników pomiaru

umożliwiają komunikację

przez rodzaj bridge

często dwa media np. PLC i GSM

rejestratory energii przystosowane do
elastycznego systemu taryf

wersja on-site AMR  dane odczytywane przez
obsługę w miejscu instalacji lecz bez konieczności
bezpośredniego dostępu do urządzenia
30
Urządzenia pomiarowe AMI
Koncepcja urządzeń AMI (Advanced Metering
Infrastructure)

następca AMR, podstawa budowy Smart Grid

komunikacja dwustronna realtime  zdalny
odczyt danych i konfiguracja, zarządzanie
miernikiem

dostosowany do elastycznego systemu taryf i
płatności: prepaid, postpaid i inne

możliwość załączania lub wyłączania odbiorników,
sterowanie poborem mocy
31
Urządzenia transparent ready
Urządzenia wyposażone w złącze sieci Ethernet,
mogące komunikować się z użytkownikiem za
pomocą serwisu WWW

szeroki zakres urządzeń z zakresu dystrybucji
energii elektrycznej

dostęp do danych i ustawień przez standardową
przeglądarkę WWW (MSIE, Firefox i inne)

podgląd stanu urządzenia np. stanu łączników
(wyłączników, rozłączników)
32
Urządzenia transparent ready

Umożliwiają podgląd odczytów w czasie
rzeczywistym

Zapewniają gromadzenie danych  podgląd
historii umożliwia wykrywanie stanów awaryjnych

Często komunikacja realizowana jest za
pośrednictwem urządzenia typu gateway

zapewnia połączenie z siecią LAN kilku urządzeń

realizuje funkcje dedykowanego miniserwera WWW

Brak standardu  rozwiązania własnościowe
poszczególnych firm
33
Urządzenia pomiarowe
Przykłady:

przenośne rejestratory np. Fluke 1760 umożliwiają
długotrwałą rejestrację oraz komunikację przez
sieć Ethernet

dedykowane rejestratory montowane na stałe np.
Dranetz Encore 61000 z własnym
oprogramowaniem i systemem zbierania danych

istniejące urządzenia pracujące w systemach
SCADA  po dostosowaniu do wymagań systemu
pomiarowego
34
Warstwa przesyłania danych
Ogół zagadnień związanych z przesyłem
informacji w obu kierunkach (od i do
rejestratorów)
35
Przesyłanie danych

Różne media transmisji

Różne protokoły

Wykorzystanie technologii Internetu: sieć oparta o
protokół TCP/IP

Wykorzystanie standardowych urządzeń sieci LAN,
WAN: routery, przełączniki, modemy itp.
36
Media transmisji

Telefoniczne linie przewodowe: DSL, ASDL

Własna infrastruktura kablowa: linie przewodowe,
linie światłowodowe, PLC (Power Line Carrier)

Sieci telefonii komórkowej GSM  usługa
transmisji danych w trybie z komutacją kanałów
lub komutacją pakietów GPRS (EGPRS, EDGE,
UMTS, i inne)

Sieci bezprzewodowe: WiFi (802.11), WiMax
(802.16), 6LoWPAN, ZigBee (802.15.4), Bluetooth
(802.15.1) i inne
37
Przesyłanie danych
Zarządzanie
Miernik 1
miernikami
Miernik 2
Odczyt
ZigBee
danych
Miernik n
GPRS,
Modbus
DSL,
Ethernet
BPL,
światłowód
WiMax
Miernik Bridge
TCP/IP
Koncentrator
WiFi, ZigBee, Ethernet...
Sieci lokalne Sieć WAN
38
Koncentrator
Obszary miejskie
Obszary wiejskie
Warstwa składowania i zarządzania
danymi
Ogół zagadnień związanych z gromadzeniem
danych pomiarowych: odczytem,
składowaniem i obiegiem
39
Zarządzanie danymi

Odczyt danych

Sprawdzanie integralności danych

Przechowywanie bieżących danych

Archiwizacja danych

Integracja danych pomiarowych z różnych
rejestratorów lub podsystemów pomiarowych 
ujednolicenie formatu odczytywanych danych

Zarządzanie miernikami  konfiguracja, stan
bieżący, aktualizacja firmware
40
Zarządzanie danymi
Odczyt danych

pobieranie danych mierzonych w sposób ciągły 
prądy, napięcia, moce, współczynniki jakościowe

odbieranie i reagowanie na alarmy i komunikaty:

alarmy wywołane przez: wyłączenia awaryjne,
nieprawidłowe stany pracy instalacji, sieci, miernika

reakcja: powiadomienia przez SMS, e-mail, itp.
Nawiązanie połączenia

inicjowane przez serwer (poll)  np. rejestracje

inicjowane przez miernik (push)  np. zdarzenia
41
Integralność danych
Kontrola poprawności i jakości danych  zapewnienie
nieprzerwanego strumienia danych pomiarowych

błędy w transmisji lub pomiarze

problem synchronizacji czasowej

dane zdublowane, lub niepełne

dane oznaczone  zdarzenia
Działania: ponowny odczyt danych, sprawdzenie
stanu przyrządu, powiadomienie obsługi lub serwisu
42
Składowanie danych
System umożliwiający zapis i dostęp do dużych ilości
danych:

oparty o rozwiązania sprzętowe i programowe
stosowane w sektorze IT  relacyjna baza danych
SQL

zapewnia równoczesny dostęp wielu
użytkownikom

autoryzacja użytkowników  uprawnienia do
odczytu, zapisu, zmiany danych itp.

redundancja i przechowywanie danych
archiwalnych
43
Warstwa przetwarzania danych
Ogół zagadnień związanych z
przetwarzaniem danych zgromadzonych w
celu uzyskania informacji koniecznych do
podejmowania decyzji
44
Przetwarzanie danych
Obróbka i interpretacja zgromadzonych danych
pomiarowych  wszelkie informacje dla raportów i
analiz

operuje na danych zmagazynowanych w bazie
danych

specjalizowane moduły programowe do
wykonywania obliczeń
45
Przetwarzanie danych
Przykłady:

określanie zgodności z normami i przepisami (np.
PN-EN 50160)

obliczanie statystyk i indeksów systemowych (np.
SARFI)

określenie stanu systemu, jakości energii w
różnych punktach

określanie zużycia energii dla celów
rozliczeniowych
i inne
46
Warstwa prezentacji danych
Ogół zagadnień związanych z interakcją
systemu z jego użytkownikami
47
Prezentacja danych
Prezentacja danych dla różnych grup użytkowników:

klienci  odbiorcy energii elektrycznej

pracownicy techniczni poziomu rozdziału energii

pracownicy biura obsługi klientów

pracownicy poziomu zarządzania

i inni
Każda z grup potrzebuje innego rodzaju danych lub
innego sposobu prezentacji danych.
48
Prezentacja danych

Systemy oparte o serwisy WWW  dostęp on-line

systemy zarządzana treścią (CMS content
maganement system)

dostęp określany przez grupę i hasło

prezentacja danych dostosowana do potrzeb

integracja z innymi systemami (np. księgowym)

Automatyczne generowanie raportów

stan systemu, awarie, zdarzenia, jakość energii itp.

rozliczenia, zgodność z planem taryfowym itp.

Powiadamianie użytkowników: SMS, e-mail
49
Przykładowe zastosowanie
rozproszonych systemów monitoringu
50
Przykładowe zastosowania
Przykłady wykorzystania rozproszonych systemów
monitoringu na świecie:

Włochy  dostawca energii ENEL wprowadza
 Telegestore project

27 milionów mierników zainstalowanych do 2005

komunikacja: PLC i GSM

Holandia  dwóch dostawców Continuon i Oxxio
wprowadza inteligentne rejestratory tzw.
 Metripoint

energia elektryczna i gaz

komunikacja GSM (GPRS)
51
Przykładowe zastosowania

Wielka Brytania  wyspa Guernsey, operator
Guernsey Electricity Ltd.

obszar 65 tys. km2, ok. 60 tys. mieszkańców,
generatory spalinowe i połączenie 90 kV z Francją

inteligentne rejestratory u ok. 50% użytkowników

Kanada, stan Ontario  podstawowy standard
zaproponowany przez The Ontario Energy Board

każdy dostawca wprowadza swój własny system

planowane objęcie różnymi systemami łącznie 4,3
miliona klientów do roku 2010
52
Przykładowe zastosowania

USA, stan Kalifornia  trzech głównych dostawców
energii wprowadza systemy Smart Grid

każdy wprowadza własny system AMI

planowane całkowite przejście na system AMI do
roku 2012 lub 2013
53
Dziękuję za uwagę
54