Типовые решения для каналов GPRS-связи в системах АИИС КУЭ розничного рынка электроэнергии

До недавнего времени развитие АИИС КУЭ розничного рынка электро­энергии (РРЭ) сдерживалось отсутствием относительно дешевых средств сбора данных от большого количества приборов учета, установленных по границе балансовой принадлежности (0,4кВ). Появление устойчиво работающих GPRS/EDGE-каналов передачи данных, имеющих низкую стоимость внедрения и эксплуатации, а также высокую масштабируемость решений, привлекло в АИИС КУЭ РРЭ существенные инвестиции.

В настоящее время в различных регионах реализуются программы автоматизированного сбора показаний c приборов учета (AMR-системы и их развитие – AMI-технологии). АИИС КУЭ РРЭ, использующая GPRS-каналы передачи, может строиться по двухуровневой или трехуровневой схеме, должна соответствовать требованиям системы обеспечения единства времени (СОЕВ) и гарантировать безопасность и надежность передачи данных. Внедрение АИИС КУЭ РРЭ позволяет осуществлять: учет отпущенной электроэнергии, контроль баланса полученной и отпущенной электроэнергии, контроль параметров качества электроэнергии, удаленное конфигурирование счетчиков электроэнергии и УСПД, а также удаленный сбор полной информации со счетчиков по запросу для разрешения конфликтных ситуаций с абонентами.

Типовая двухуровневая структура АИИС КУЭ РРЭ:

- верхний уровень – информа­ционно-вычислительный комплекс центра обработки данных (серверы сбора, обработки и хранения данных, автоматизированные рабочие места). В масштабных системах для обеспечения связи с объектами учета между LAN диспетчерского пункта и сетью GSM-оператора организуется VPN-туннель. В простых системах достаточно иметь в диспетчерском пункте компьютер со статическим глобальным IP-адресом и выходом в Интернет;

- нижний уровень – информационно измерительный, состоящий из приборов и каналов связи. Приборы учета устанавливаются на трансформаторных и распределительных подстанциях, ВРУ мелкомоторных потребителей, ВРУ муниципальных предприятий, ВРУ многоквартирных домов, вводах в индивидуальные дома частного сектора и т.п. Если на объекте устанавливается несколько приборов учета, то они объединяются в сеть по интерфейсу RS-485. GPRS-модем подключается к сети RS-485 и обеспечивает каналы связи для сбора показаний со всех приборов учета. Дополнительные входы модема позволяют организовать охранную и пожарную сигнализацию на объекте. Информация о возникновении нештатной ситуации оперативно передается на диспетчерский пункт по GPRS и одновременно во вневедомственную охрану и/или МЧС с помощью SMS‑сообщений.

При необходимости используется трехуровневая схема построения АИИС КУЭ, в которой на энергообъекте или в центре дополнительно устанавливается УСПД.

Анализ типовых требований к GPRS‑каналам связи

Канал между приборами учета и центром обработки информации должен быть дуплексным и «непрерывным», т.е. без пунктов промежуточного накопления и обработки информации. Отсутствие прозрачности канала вызывает необходимость сертификации оборудования связи как средства измерения. Наиболее правильным методом построения является применение комплексного решения, когда распределенная сеть модемов поддерживается в центре обработки специальным программным обеспечением (телекоммуникационным TCP-сервером). Это позволяет выделить зону ответственности – «канал связи», а также упростить и стандартизировать обмен с функциональным ПО на уровне TCP/IP.

1. Должен обеспечиваться постоянный и «одновременный» доступ ко всем приборам учета с применением пакетной передачи данных на средней скорости 20 Кбит/с. Фактически это означает необходимость применения EDGE («улучшенный» GPRS), так как средняя скорость на GPRS в загруженных сотах составляет примерно 10 Кбит/с, а в EDGE – 30  Кбит/с.

2. Должна быть обеспечена встроенная система безопасности сети. Система безопасности должна строиться на нескольких уровнях:

- защита SIM-карты от ее использования не по назначению за счет применения автоматического ввода PIN-кода доступа (который хранится в модеме и не доступен для чтения) или специальных SIM‑карт с блокировкой по IMEI первого устройства (надежно, но менее удобно при эксплуатации);

- использование APN (Access Point Name, имя точки доступа), выделенного GSM-оператором под конкретный проект, с аутентификацией доступа;

- на уровне передачи по радиоканалу между модемом и SGSN (Serving GPRS Support Node, узел обслуживания абонентов GPRS) применяются алгоритмы шифрации GEA1, 2, 3;

- участок передачи данных между GSM-оператором и центром обработки должен строиться на базе VPN-туннеля с возможностью применения сертифицированных ФСБ РФ протоколов шифрования – GRE (Generic Routing Encapsulation), IPIP (IP over IP) и IPSec. Данная услуга предоставляется GSM-оператором;

- применение дополнительного контроля идентификаторов при установлении TCP/IP сокета и контроль используемых телефонных номеров при CSD-соединении.
Необходимо отметить, что встраивание в модемы дополнительных средств криптографической защиты регламентируется государственными органами и фиксируется в декларации соответствия.

3. Обеспечение надежности канала передачи:

- резервирование канала связи. Может быть осуществлено на нескольких уровнях:

- обеспечение автоматического перехода на SIM-карту резервного GSM-оператора с автоматическим возвратом на SIM-карту основного оператора. Данный подход целесообразен для систем, требующих повышенной надежности, например имеющих функции управления, так как увеличивает организа­ционно-финансовые затраты;

- обеспечение возможности перехода на CSD-канал при неисправности GPRS/EDGE в рамках одного GSM-оператора – достаточно для большинства АИИС КУЭ;

- обеспечение передачи SMS-сообщений при нештатных ситуациях на входах пожарно-охранных шлейфов;

- обеспечение гарантированной и подтвержденной доставки информации. Фактически данное требование обеспечивается применением TCP/IP;

- контроль напряжения питания и возобновление работы после его восстановления. Модем должен автоматически устанавливать соединение при подаче питания;

- выполнение автоматической перезагрузки в случае возникновения нештатных аппаратно-программных ситуаций.

Нештатные ситуации могут возникать как при установлении соединения, так и при дальнейшей работе. При установлении соединения модем должен контролировать все его фазы: сбои SIM-карты, уровень GSM-сигнала, регистрацию в GSM-сети, регистрацию в GPRS-сети и установку TCP/IP сокета. При работе должна проводиться самодиагностика оборудования и канала; 

самодиагностика оборудования и канала связи.

Наиболее действенными алгоритмами контроля являются:

- слежение в модеме за периодом опроса со стороны центра и перезапуск при его нарушении; 

- периодическое формирование и анализ контрольных посылок внутри информационного сокета (при этом посылки должны быть прозрачны для информационного канала пользователя).

Необходимо отметить, что использование в Windows команды Рing в большинстве случаев неэффективно, так как при этом контролируется наличие в сети IP-адреса и зависший из-за перегрузки сервера у GSM-оператора сокет информационного порта не будет обнаружен.

4. Используемые тарифы GSM-оператора должны быть оптимизированы для решения задач АИИС КУЭ.

При выборе тарифного плана необходимо обратить внимание на следующие аспекты:

- тип предоставляемого IP-адреса:

- локальный динамический – наиболее распространенный и дешевый;

- публичный динамический – может использоваться только для связи между двумя модемами;

- локальный статический – интересен, если модемы будут использоваться в режиме «сервер», предоставляется только в корпоративных тарифах;

- публичный статический – как правило, не предоставляется;

- наличие абонентской платы, объем входящего в нее GPRS-трафика и стоимость передачи 1 Мбайт данных;

- порог округления трафика (чем меньше, тем лучше, но не более 1…2 Кбайт) и период тарификации (чем больше, тем лучше, минута и более).
(Поясним: при обычной схеме «запрос (например, 32 байт) – ответ (например, 256 байт)» и времени доставки 15 секунд за 1 минуту фактически будет передано 576 байт, а платить придется за 1 Кбайт);

- тарифицируется ли факт предоставления IP-адреса;

- блокируется ли SIM-карта после превышения порогового количества установки GSM/GPRS сессий (для получения неблокируемой карты, возможно, надо заключить дополнительный договор с оператором);

- предоставление выделенного APN, возможность и стоимость организации VPN-туннеля и шифрации в нем данных. Эти услуги, как правило, предлагаются корпоративным клиентам, например: 

-- «МТС» – «Телематика», «APN: доступ к корпоративным ресурсам»;

-- «Билайн» – «Мониторинг», «Телеметрия»;

-- «Мегафон» – «Управление удаленными объектами»;

- возможность кроме GPRS/EDGE использовать CSD (рекомендуется проверить устойчивость работы и наличие V.110, а не V.32) и SMS для резервирования (и их тарифы);

- наличие поддержки GPRS/EDGE в предполагаемой зоне применения;

- отсутствие ограничений на длительность соединения;

- периодичность и время перезагрузки серверов (применяется для «обрыва» неиспользуемых сокетов);

- наличие скидок для оптовых покупателей.

5. Возможность подключения шлейфов охранно-пожарной сигнализации.

Необходимо отметить, что для выполнения данного требования необходимо иметь в модеме не только токовые входы подключения шлейфов, но и встроенный источник питания, как правило +12 В, для питания шлейфов и датчиков. Обязательно должен поддерживаться канал доставки сообщений в центр обработки по инициативе модема (например, GPRS в качестве основного и SMS – в качестве резервного). Метод периодического опроса состояния шлейфов не годится, так как событие «дверь открыта–закрыта» будет потеряно.

6. Обеспечение возможности удаленного конфигурирования и управления приборами учета.

Поддержка прозрачного канала (и «склеивание» пакетов на стороне приема), как правило, обеспечивает возможность удаленного конфигурирования и управления. Отдельно необходимо выделить поддержку коррекции времени в приборах учета (не имеющих собственных средств синхронизации, например по GPS) для удовлетворения требованиям СОЕВ (система обеспечения единства времени). Непосредственная коррекция времени по GPRS с необходимой точностью затруднена (в том числе при использовании Network Time Protokol – NTP). Применение эталона времени с передатчика «соты» также затруднительно. Для коррекции можно использовать временный переход на резервный CSD-канал, что обеспечивает точность лучше 0,5 с.

7. Возможность подключения к одному модему до 32 счетчиков.

Выполнение данного требования обеспечивается наличием в модеме интерфейса RS-485.

8. Наличие технологического программного обеспечения, поддерживающего процессы монтажа, настройки, ввода в эксплуатацию и дальнейшего обслуживания.Выполнение данного требования представляется достаточно значимым, так как без возможности автоматизации ввода настроек в модем, формирования «паспорта» радиообстановки при монтаже антенны, дистанционного изменения настроек и загрузки нового ПО в модем непосредственно на объекте строить и эксплуатировать сети передачи данных, имеющие более 30–40 точек учета, достаточно сложно и неэффективно.

9. Рабочий диапазон температур от –40 до +70 °С.

Модемы нескольких производителей имеют рабочий диапазон от –40 до +70 °С. Но необходимо обратить внимание, что обычные SIM-карты формально в данном диапазоне не работают. Исследования в термокамере показали, что фактически SIM-карты всех операторов работают до –40 °С. С целью соблюдения формальных ограничений заслуживает внимания применение специального типа SIM-карт (у МТС – «М2М термо» с диапазоном от –40 до +105 °С).

11. Требования по безопасности и электромагнитной совместимости.

Все используемые модемы должны иметь декларацию соответствия, зарегистрированную Федеральным агентством связи (на модем, а не только на используемый в нем GSM-модуль), и сертификат соответствия ГОСТ Р (электробезопасность и ЭМС).

Типовая схема построения АИИС КУЭ РРЭ

Типовая схема построения включает в себя установленные на объектах шкафы энергоучета (в сос­тав шкафа входят электросчетчики, модемы, устройства коммутации, GSM-антенна – целесообразно использовать вандалозащищенную двухдиапазонную антенну, установленную на верхней крышке шкафа) и центра обработки данных (серверы, рабочие места и т.п.).

На рис. 1 представлена схема построения АИИС КУЭ РРЭ, реализованная в ООО «Волгаэнергоприбор», г. Самара. Двухуровневая АИИС предназначена для коммерческого и технического учета электроэнергии розничного рынка отпущенной электроэнергии с распределительных и трансформаторных подстанций (РП, РТП, ТП, РУ) сетей 6–10/0,4 кВ. Дополнительно планируется измерение состояния питающей сети и нагрузки (мгновенные значения), измерение температуры, контроль доступа к объекту, пожарная сигнализация, дистанционное отключение нагрузки.

В модемах, установленных в шкафы энергоучета, используются SIM-карты с дешевыми и распространенными тарифами (динамические локальные IP-адреса). Модемы автоматически устанавливают связь с центром обработки и поддерживают устойчивость соединения. В зависимости от особенностей применения пользователь может оптимизировать соотношение времени восстановления соединения (надежность) и стоимости (трафик).

В центре обработки данных установлено программное обеспечение AnCom Server_RM, обеспечивающее связь со всеми модемами и использующее статический публичный IP-адрес. При этом желательно (а в больших проектах обязательно) использовать VPN-туннель между GSM-оператором и центром обработки. Сервер поддерживает простое подключение функционального программного обеспечения энергоучета (в том числе OPC-серверов и SCADA-систем), охранно-пожарных сис­тем и технологических программ для дистанционной настройки модемов и анализа радиообстановки в пунктах энергоучета.

В АИИС КУЭ РРЭ, построенных на базе модемов AnCom RM/D, обеспечиваются:

- законченное решение для канала связи: модемы AnCom RM/D на нижнем уровне и ПО AnCom Server RM на верхнем уровне;

- соответствие требованиям СОЕВ;

- надежность и безопасность канала передачи;

- расширенные функциональные возможности.

Законченное решение на базе AnCom RM/D и AnCom Server RM обеспечивает:

- автоматическая установка и поддержание устойчивой работы канала передачи данных между модемами (SIM-карты с дешевыми динамическими локальными IP-адресами) и компьютером, подключенным к Интернету (статический глобальный IP-адрес, желательно VPN-туннель);

- на нижнем уровне: 

-- интерфейсы RS-232C и/или RS-485; 

-- каналы системы измерения и управления;

- на верхнем уровне: 

-- простое подключение функционального ПО, выступающего в роли TCP-client (в том числе OPC-серверов);

-- каждый модем в виде четырех IP-портов (данные UART1 и UART2, СИУ, технологический); 

-- встроенная в Server RM поддержка идентификаторов и протокола ATSWP.

Соответствие требованиям СОЕВ

АИИС КУЭ должна обеспечивать соответствие требованиям к СОЕВ (система обеспечения единства времени) с точностью ± 5 с/сутки. За коррекцию времени в группе счетчиков обычно отвечает УСПД, которое с заданной периодичностью получает информацию о времени от сервера точного времени или приемника GPS/ГЛОНАСС. Использовать для синхронизации GPRS-канал, имеющий случайную задержку доставки пакетов от 3 до 30 с, нельзя. В системах, использующих модемы AnCom RM/D, коррекция времени в счетчиках и УСПД нижнего уровня может осуществляться системой верхнего уровня с использованием кратковременного перехода модема с GPRS на CSD-канал (задержка доставки 0,3–0,5 с, что соответствует требованиям к СОЕВ).

Безопасность канала передачи обеспечивается:

- на уровне SIM-карты – идентификатор абонента (IMSI), ключ аутентификации (Ki), алгоритмы шифрации (A8) и аутентификации (A3), PIN-код доступа;

- на уровне модема – идентификатор IMEI, алгоритм шифрации A5;

- на уровне установления соединения – аутентификация по номеру абонента, дополнительные идентификаторы;

- шифрация данных при передаче от модема до SGSN (обслуживающий узел), алгоритм GEA1, 2, 3;

- криптографическая шифрация на уровне VPN (виртуального канала).

Надежность канала передачи обеспечивается:

- встроенным аппаратным перезапуском при системных зависаниях, в том числе у GSM-оператора (независимый сторожевой таймер);

- контролем нештатных ситуаций в процессе работы с обеспечением максимально быстрого восстановления соединения, в том числе за счет перезагрузки или перехода на резервный канал. Контролируются сбои SIM-карты, уровень GSM-сигнала, регистрация в GSM/GPRS-сети, сбои в сети оператора связи, передача данных через TCP/IP сокет, активность на порту данных, тестовые Ping-сообщения и т.п.

Дополнительные возможности:

- встроенный в модем протокол ATSWP поддерживает:

-- «склеивание» пакетов на стороне приема – позволяет считывать данные со счетчиков электроэнергии и УСПД, использующих протоколы на базе ModBus, которые не допускают разрыв пакетов в канале передачи;

-- удаленное конфигурирование модемов – существенно упрощает ввод системы в эксплуатацию и ее дальнейшее обслуживание;

-- независимые потоки данных для нескольких интерфейсов (встроенный маршрутизатор) – дает возможность использовать модем для передачи данных от нескольких систем, например АСКУЭ (основной интерфейс RS‑232C или RS-485), телемеханики и телеметрии (дополнительный интерфейс RS-485), охранно-пожарной сигнализации (встроенная система измерения и управления);

-- локальный и удаленный Netmonitor радиообста­нов­ки – упрощает инсталляцию модемов на объектах: позволяет выбрать место установки GSM-антенны, провести анализ окружающих GSM-сот и доступности GPRS-связи, что облегчает выбор оператора связи, предоставляющего наилучшие условия работы в точке установки модема;

- расширенные до 64 Кб внут­ренние буферы данных – разрешает применять его в системах с «трехпроводным» интерфейсом (только RxD, TxD и GND) и существенно увеличивает реальную скорость передачи;

- модернизацию встроенного ПО у пользователя;

- варианты исполнения модема с встроенной системой измерения и управления: 8 универсальных аналого-цифровых входов, 3 выхода, термометр, источник 12В/100мА;

- технологическое ПО в комплекте поставки: настройка, тестирование, удаленное конфигурирование, TCP/IP-шлюз, Netmonitor, взаимодействие с СИУ, сервер на два порта и т.п.

Заключение

Беспроводной GPRS-модем AnCom RM/D является важным элементом современной распределенной системы АИИС КУЭ розничного рынка электроэнергии. Обеспечивая в системе надежную связь, GPRS-модемы позволяют объединить сотни и тысячи удаленных приборов учета в единую информационную сеть. Использование GPRS-модемов AnCom RM/D в автоматизированных системах учета позволяет в реальном масштабе времени получать достоверную информацию о потреб­лении энергоносителей, устранить влияние человеческого фактора, предотвратить аварийные ситуации, следить за техническим состоянием приборов и помещений и, как следствие, в целом повысить экономический эффект от применения приборов учета. 

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 3(27)_2010

И.В. Дианов, технический директор,

ООО «Аналитик-ТС», г. Москва,

тел.: (495) 775-6011,

е-mail: igor@analytic.ru