Радиосети сбора данных и управления для автоматизированных систем управления в энергетике (часть 1)

В статье рассматриваются основные требования к радиосетям сбора данных и управления АСУ в энергетике, приведены примеры, подтверждающие справедливость данных требований.

Топливная и электроэнергетика является одним из самых крупных пользователей радиосетей сбора данных и управления (обмена данными), что обусловлено особенностями обеспечиваемых такими радиосетями технологических процессов и характеристиками объектов автоматизации:
- основные технологические процессы относятся к категории критически важных, поскольку собираемые данные должны поступать с заданной задержкой, а управляющие воздействия осуществляться в регламентированные сроки;
- значительная часть объектов размещается распределенно на большой территории, что делает использование проводных средств связи нецелесообразным, или находится в таких местах, в которые сложно или невозможно проложить проводные коммуникации.

Энергетика является потенциально опасным производством, на котором периодически возникают аварии и сбои, ликвидация которых требует наличия надежной связи, функционирующей в любых условиях и в режимах, требующихся в таких ситуациях. В связи с этим именно в энергетике широко применяются автоматизированные системы управления (АСУ) различного назначения (АСДУ – автоматизированные системы диспетчерского управления, АСКУЭ – автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии, АСТУЭ – автоматизированные системы технического учета электроэнергии; АСУ ТП – автоматизированные системы управления технологическими процессами).

Типовая АСУ включает в себя три функциональных уровня:
- нижний уровень (программно-технические средства, устанавливаемые на контролируемых объектах энергетики, реализующие функции генерации данных от средств объективного контроля и исполнения получаемых с верхнего уровня системы управляющих сигналов и команд);
- промежуточный уровень (средства связи и обмена данными, устанавливаемые на контролируемых объектах, а также в стационарных и подвижных пунктах управления и реализующие функции обмена информацией между нижним и верхним уровнями системы);
- верхний уровень (программно-технические средства, устанавливаемые в стационарных и подвижных пунктах управления, реализующие функции сбора данных от средств объективного контроля и формирования управляющих сигналов и команд на основе анализа полученных с нижнего уровня данных).

В настоящей статье рассматриваются вопросы, связанные с реализацией промежуточного уровня типовой АСУ для топливной и электроэнергетики – радиосети сбора данных и управления.



Энергетическая система должна надежно функционировать в обычной обстановке, в чрезвычайных ситуациях, в угрожаемый и особый периоды. Поэтому обеспечивающие работу АСУ радиосети обмена данными должны создаваться с учетом условий работы в любой обстановке и обладать соответствующим уровнем надежности (1) и живучести (2).

Радиосеть обмена данными позволяет реализовать следующие функциональные возможности АСУ:
- мониторинг протекания технологических процессов (автоматический сбор объективной информации о технических и производственных параметрах, включая учет электроэнергии);
- диспетчерское (3) и оперативное (4) управление объектами энергетики (передача управляющих сигналов и команд в направлении «диспетчер – контролируемый объект», а также подтверждений о получении управляющих сигналов и докладов о выполнении команд в направлении «контролируемый объект – диспетчер»).

В зависимости от назначения АСУ она может обеспечивать выполнение всех или части вышеперечисленных функций, при этом функции мониторинга являются общими и обязательными для всех систем.

В связи с вышеизложенным к радиосетям сбора данных и управления АСУ в энергетике предъявляются следующие основные оперативно-технические требования:
- функционирование радиосети во всей оперативной зоне;
- высокая надежность и живучесть радиосети;
- оперативный и своевременный доступ к ресурсам радиосети;
- минимальные и предсказуемые задержки в доставке информации;
- достаточная пропускная способность для полномасштабного функционирования всех приложений АСУ;
- безопасность циркулирующей в радиосети информации;
- контроль и регулирование использования ресурсов радиосети в различной обстановке;
- возможность функционирования в жестких условиях;
- простота эксплуатации;
- совместимость с разнородным оборудованием сбора и обработки данных по широко типовым и нестандартным интерфейсам;
- низкая стоимость эксплуатации;
- простота перемещения и оперативность развертывания в новом районе.

Приведенные выше требования могут иметь различный приоритет при создании радиосетей сбора данных и управления различного назначения и ведомственной принадлежности, но в целом должны учитываться при создании любой радиосети.

В настоящее время в АСУ в энергетике применяются различные радиосети обмена данными, которые по назначению разделяются на две основные группы (5):

- радиосеть общего пользования (англ. public network). Предназначена для возмездного оказания услуг электросвязи любому пользователю услугами связи на территории Российской Федерации и включает в себя сети электросвязи, определяемые географически в пределах обслуживаемой территории и ресурса нумерации и не определяемые географически в пределах территории Российской Федерации и ресурса нумерации, а также сети связи, определяемые по технологии реализации оказания услуг связи);

- технологическая радиосеть, ранее ведомственная или корпоративная (англ. private network). Предназначена для обеспечения производственной деятельности организаций, управления технологическими процессами в производстве. Технологии и средства связи, применяемые для создания технологических сетей связи, а также принципы их построения устанавливаются собственниками или иными владельцами этих сетей.

К первой группе относятся радиосети, доступ к которым предоставляется владельцем радиосети для всех желающих пользователей, ко второй – радиосети, в которых работают только пользователи владельца сети. Радиосети обеих групп могут строиться с применением одинаковых технологий, однако назначение радиосети принципиально определяет ее возможности при обслуживании работы АСУ.

Радиосети общего пользования включают в себя сети сотовой связи различных стандартов, сети операторов профессиональной мобильной связи диапазона ультракоротких волн (УКВ) – обычно транковые радиосети – и широкополосные сети связи и передачи данных сверхвысокой частоты (СВЧ), включая наземные и спутниковые.

Технологические радиосети включают в себя сети профессиональной мобильной связи УКВ-диапазона – транковые (6) и конвенциональные (7) – и широкополосные сети передачи данных сверхвысокой частоты (СВЧ), включая наземные и спутниковые.

Ниже рассматриваются вопросы, связанные с созданием и эксплуатацией только конвенциональных радиосетей обмена данными УКВ диапазона, как наиболее широко распространенных и применяемых для создания АСУ в энергетике.



Краткая сравнительная информация для радиосетей обмена данными общего пользования (РОП) и конвенциональных технологических радиосетей обмена данными представлена в таблице.


Анализ представленных в таблице данных позволяет сделать вывод о том, что по оперативно-техническим параметрам радиосети общего пользования могут использоваться для создания только систем мониторинга и не в состоянии в полном объеме выполнить требования, предъявляемые к современным АСУ в энергетике. Они принципиально не могут применяться для обеспечения работы ответственных АСУ, связанных с управлением устройствами телемеханики в добыче и транспортировке нефти и газа, а также с диспетчерским управлением в электроэнергетике, которые предъявляют повышенные требования к надежности функционирования радиосети и срокам доставки информации.

Следует отметить, что в настоящее время развернуто значительное количество комплексов мониторинга и сбора данных на базе радиосетей общего пользования, в первую очередь сетей сотовой связи. Создание таких сетей на первый взгляд кажется весьма эффективным и несложным решением, поскольку одна из наиболее серьезных задач в рамках такого комплекса – доставка данных между пунктом управления и контролируемым пунктом – выполняется через имеющуюся радиосеть, развернутую и сопровождаемую за счет средств компаний-операторов сотовой связи.

Серьезными преимуществами таких комплексов являются оперативность развертывания и относительно невысокие начальные финансовые затраты. Однако на этом преимущества заканчиваются.

Использование сети сотовой связи для обеспечения работы автоматизированной системы диспетчерского управления любого назначения является для компании-оператора «непрофильной» услугой. В соответствии с действующими тарифными планами оплата услуг по передаче данных по каналам сотовой связи, например по каналам пакетной радиосвязи общего пользования GPRS (8), производится по объему переданной информации. Объем данных, генерируемых АСУ в энергетике, оказывается крайне малым. Например, в течение суток 1000 контролируемых пунктов, ежеминутно передающие данные о состоянии технологического процесса, в течение 24 часов работы передают в сеть около 17 Мб данных (12 байт х 1000 КП х 60 сеансов х 24 часа = 17 280 000 байт), что при стоимости 0,25 доллара за мегабайт (9) составляет около $4,25 в сутки или $1551 в год ($1,55 на один КП в год – практически бесплатно). Таким образом, обслуживание автоматизированной системы управления по действующим тарифам оказывается для оператора системы сотовой связи финансово необоснованным.

Функционирование АСУ имеет свои особенности, обусловленные необходимостью оперативной передачи большого количества сообщений очень малого объема. Такой характер потока данных накладывает дополнительную нагрузку на радиосеть обмена данными общего пользования, в которой в основном передаются относительно длинные сообщения (например, электронная почта, информация из информационной сети Интернет, мультимедиа­данные). Существующие и перспективные радиосети общего пользования оптимизированы для передачи именно таких сообщений. Учитывая, что при работе АСУ основное время при доступе к каналу связи затрачивается на выполнение процедур связи, а собственно информационный поток оказывается мизерным, она оказывается «инородной» для радиосети общего пользования. АСУ потребляет ресурсы, неадекватные потребностям «обычных» пользователей без генерации потока данных, который может окупить эти ресурсы.

В связи с тем что оплата работы АСУ по действующим тарифам является неприемлемой для компании-оператора, существующие системы обслуживаются по специальным тарифам, размер которых для различных регионов и операторов составляет не менее 200 рублей в месяц (10). В принципе он должен быть максимально приближен к среднему по отрасли размеру ARPU (11) и изменяться вместе с ним (12), а в идеале – превышать размер среднего ARPU, поскольку функционирование АСУ связано с дополнительной нагрузкой на сеть оператора и более высокими, по сравнению с другими пользователями, накладными расходами.

В результате относительно невысокие затраты пользователя на этапе подключения к радиосети общего пользования «компенсируются» на этапе ее эксплуатации, который, по мировому опыту, должен составлять не менее 12 лет. Например, ежегодная стоимость оплаты услуг связи функционирующего на базе сети сотовой связи комплекса мониторинга на 1000 КП составит не менее: $14,2 х 1000 КП х 12 месяцев = $172 400 или более $2 млн за двенадцать лет.

Как правило, финансовые средства на оплату услуг связи в интересах обеспечения функционирования АСУ выделяются из бюджета энергетической компании, предназначенного на совершенствование инфраструктуры. В случае использования сотовой связи основная часть финансовых средств, выделенных на создание АСУ, используется на оплату услуг сотовой связи. То есть средства на практике вместо их целевого использования на развитие собственной инфраструктуры связи идут на оплату услуг сторонних организаций. В результате энергетическая компания получает доступ к возможности реализации ограниченного набора функций мониторинга, но лишается собственной системы связи, которая является незаменимой и обязательной в чрезвычайных ситуациях, в угрожаемый и особый период.

Основные затраты по проекту создания и эксплуатации АСУ в энергетике в случае использования сети сотовой связи распределяются на весь период эксплуатации и не поддаются реальной оценке на этапе ее проектирования и развертывания. Поскольку стоимость услуг связи может меняться в значительных пределах в зависимости от объемов трафика и тарифов, которые определяются сотовым оператором исходя из рыночной ситуации, ежегодные объемы финансирования эксплуатации АСУ оказываются слабо предсказуемыми. Часто изменение тарифов (обычно в сторону увеличения) происходит после утверждения годового бюджета энергетической компании, а сотовый оператор имеет возможность манипулировать тарифом для удовлетворения естественного стремления увеличения прибыльности собственного бизнеса (ARPU). Такие манипуляции практически не могут контролироваться руководством энергетической компании. В результате финансовое обеспечение эксплуатации АСУ постоянно находится под угрозой срыва, а нагрузка на бюджет в конечном итоге оказывается достаточно высокой.

В случае использования сотовой сети связи возможности АСУ ставятся в прямую зависимость от планов оператора по развитию собственной сети – АСУ в энергетике будет работать только там, где имеется сотовая связь. Между тем очень часто у энергетической компании возникают потребности в расширении АСУ, например, на новые районы городской застройки, в которых плотность населения еще не достигла уровня, который оператор сотовой связи считает достаточным для развертывания собственных средств.

Функционирование АСУ полностью подчиняется планам оператора сотовой связи по поддержанию собственной инфраструктуры в работоспособном состоянии. Плановые и внеочередные отключения базового оборудования для проведения технического обслуживания и ремонта проводятся оператором сотовой связи без уведомления пользователей и тем более без согласования с ними графика проведения работ. В результате в период проведения регламентных работ на аппаратуре оператора сотовой связи полностью работоспособная АСУ будет простаивать по причине отсутствия связи.

Зависимость АСУ в энергетике от сотовой сети связи создает реальную угрозу безопасности населения города. Общеизвестно, что в кризисных ситуациях и в особый период нагрузки на системы связи многократно возрастают и их работа существенно осложняется (в первую очередь это касается сотовой связи). В результате работа АСУ становится невозможной именно в тот период, когда она жизненно необходима. Аналогичная ситуация складывается и в повседневной обстановке, например при проведении массовых мероприятий: в местах значительного скопления людей, использующих сотовую связь, многократно увеличивается нагрузка на базовые станции, обслуживающие район скопления, что приводит к неминуемым отказам в доступе и сбоям в работе сотовой связи. Предпринимаемые операторами сотовой связи усилия по предотвращению таких ситуаций, например, за счет временного развертывания в зоне дополнительных мобильных базовых станций, оказываются недостаточно эффективными в связи с организационными трудностями, невозможностью во многих случаях точно предсказать место возникновения и масштабы кризисных ситуаций, а также в связи с объективно ограниченными техническими возможностями операторов по локализации таких ситуаций.

На практике существующие технологии сотовой связи, например GPRS/EDGE, не в состоянии в полном объеме обеспечить выполнение требований, предъявляемых современной АСУ в энергетике, в том числе относительно:

- Непрерывности связи. Основной причиной, по которой радиосети общего пользования не рекомендуется использовать для обеспечения работы АСУ, является непредсказуемость их функционирования. Работа радиосети сотовой связи в значительной степени зависит от текущей нагрузки (количества одновременно работающих абонентов). Изменения этой нагрузки предсказать очень сложно, поэтому даже в самых современных сетях сотовых операторов возможны отказы от обслуживания и задержки в предоставлении доступа к сети. Передача данных в режимах GPRS/EDGE для операторов сотовой связи является второстепенной, поэтому даже при незначительном возрастании голосового трафика выделяемые для обслуживания обмена данными ресурсы сотовой сети могут сокращаться.

- Надежности связи. В связи с технологическими особенностями организации связи в радиосетях сотовой связи второго поколения (2G, к этому поколению относятся все основные существующие сети операторов сотовой связи) невозможна гарантированная доставка отправленных сообщений. Доступ к радиосети в режимах GPRS/EDGE в процессе работы АСУ может периодически пропадать. Эта ситуация не изменится и после появления сетей связи третьего поколения 3G, поскольку наряду с возрастанием скорости обмена и общей пропускной способности этих радиосетей пропорционально возрастет и нагрузка на них за счет обмена мультимедийной информацией (MMS, интерактивное телевидение, скоростной доступ в Интернет и т.п.).

- Оперативности связи. Использование коротких SMS-сообщений не гарантирует своевременную доставку информации для ее обработки вычислительным комплексом АСУ. В этом случае автоматизация части функций АСУ, связанных с выполняемыми в реальном масштабе времени расчетами, становится принципиально невозможной, поскольку выполнение всех этих функций обусловлено необходимостью получения полной информации в масштабе времени, близком к реальному.

- Продолжительности срока эксплуатации. Технологии сотовой связи бурно развиваются. Например, в настоящее время практически все операторы сотовой связи в Российской Федерации ведут активные работы по развертыванию радиосетей сотовой связи третьего поколения (3G), а за рубежом уже созданы экспериментальные сети четвертого поколения (4G). С внедрением новых технологий владельцы АСУ встают перед необходимостью полной модернизации собственных систем. Таким образом, в течение назначенного срока эксплуатации АСУ ее владельцу приходится несколько раз модернизировать оборудование обмена данными, подстраиваясь под оператора сети связи.

В связи с тем что развертывание новых сетей связано с крупными финансовыми затратами, а их технические возможности существенно шире, операторы сотовой связи имеют все объективные основания для изменения тарифов в сторону их увеличения, что негативно сказывается на эксплуатации созданной АСУ.

Радиосети обмена в сотовых сетях строятся на GPRS-модемах, которые создаются на базе GSM-модулей, выпускаемых небольшой группой производителей. Эти модемы оптимизированы для подключения к информационной сети Интернет, однако обеспечение работы АСУ в энергетике предъявляет к этим устройствам совершенно иные требования, которые включают в себя:
- необходимость поддержки основных сервисов сотовой сети: GPRS/EDGE, CSD и SMS;
- наличие интерфейсов подключения к оборудованию контролируемых пунктов: RS-232, RS-485, Ethernet;
- конструктивное исполнение, обеспечивающее монтаж на DIN-рейку;
- возможность эксплуатации в жестких условиях;
- поддержка работы в необслуживаемом режиме;
- оперативное автоматическое восстановление соединения;
- автоматический переход в рабочий режим после сбоев и аварий;
- дистанционный мониторинг технического состояния и удаленная подстройка рабочих параметров;
- высокая надежность и живучесть;
- малое время доступа к каналу связи;
- гарантированная доставка сообщений в установленные сроки.

В настоящее время ни один из известных GPRS-модемов не обеспечивает выполнения всех этих требований, а выполнение отдельных из них приводит к усложнению сети с соответствующим снижением ее надежности и увеличением затрат на ее создание и эксплуатацию.

Развертывание сетей обмена данными на GPRS-модемах сопряжено с рядом серьезных и не всегда преодолимых на практике технических ограничений, к которым относятся:
- установка должна производиться в точках, где имеется электромагнитная доступность минимум к двум базовым станциям сотовой сети;
- использование двух SIM-карт для одновременного подключения к сетям различных сотовых операторов;
- обеспечение уверенного приема сигнала. Малая выходная мощность радиомодема не позволяет монтировать антенну на значительном удалении от модема, в точке с наиболее подходящими параметрами для приема сигнала базовой станции;
- автоматический контроль баланса счета обеих SIM-карт и оповещение в случае его снижения до заданного уровня.

Таким образом, сети обмена данными общего пользования имеют ограниченные возможности по обеспечению функционирования АСУ в энергетике.

__________________________________
(1) Надежность (англ. reliability) – свойство системы сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания и транспортирования [ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения»].

(2) Живучесть (англ. survivability) – свойство системы, характеризуемое способностью выполнять установленный объем функций в условиях воздействий внешней среды и отказов компонентов системы в заданных пределах [ГОСТ 34.003-90 «Автоматизированные системы. Термины и определения»].

(3) Диспетчерское управление – организация управления процессом, при котором технологические режимы работы или эксплуатационное состояние находящихся под контролем объектов изменяются только по оперативной команде диспетчера.

(4) Оперативное управление – управление текущими событиями; совокупность мер, позволяющих воздействовать на конкретные отклонения от установленных заданий. Оперативное управление подразделяется на оперативное планирование, оперативный учет и оперативный контроль.

(5) Федеральный закон «О связи» от 07.07.2003 № 126-ФЗ.

(6) Многоканальная радиосеть с автоматическим предоставлением доступа к каналу, в которой ограниченное число каналов используется всеми пользователями. Свободный канал выделяется абоненту только на время сеанса связи.

(7) Радиосеть с ручным предоставлением доступа к каналу, в которой канал выбирается пользователем и закрепляется за ним на весь период работы.

(8) GPRS (англ. General Packet Radio Service – пакетная радиосвязь общего пользования) – надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных. GPRS позволяет пользователю сети сотовой связи производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Интернетом. GPRS предполагает тарификацию по объему переданной/полученной информации, а не по времени подключения.

(9) Тарифы на передачу данных могут отличаться в зависимости от региона и компании-оператора.

(10) В некоторых регионах у ряда операторов сети сотовой связи эта цифра может быть в несколько раз выше.

(11) ARPU (англ. Average revenue per user, средняя выручка на одного пользователя) – показатель, используемый телекоммуникационными компаниями и означающий среднюю выручку (обычно за месяц) в расчете на одного абонента. Также данный показатель используется и другими ориентированными на потребителя телекоммуникационными (в частности, интернет-провайдерами) IT-компаниями и др.

(12) По оценкам экспертов, средний ARPU сотовых компаний составляет $14,2 и в ближайшем будущем вырастет до $17,00.