Цифровизация подстанций

Современные вызовы тотальной цифровизации, возможностей несанкционированного удаленного доступа к информации и ее модификации, а также усложнения технологических процессов жизнеобеспечения нашли отражение в новых технических требованиях к приборам и системам учета и управления электроэнергией, главным образом со стороны ПАО «Россети» и гарантирующих поставщиков: в первую очередь, это объем, периодичность доставки и защищенность информации, также это стандартизация протоколов передачи, и, наконец, это обеспечение выполнения первых двух задач без существенного удорожания точки учета, да еще при условии совмещения функций технического учета и диспетчеризации.

Техническая реализация новых функций, даже таких, как переход к измерению с дискретностью полупериода промышленной частоты – для параметров качества сети и телемеханики, задача вполне решаемая с учетом бурного развития элементной базы и свободного предложения ее не только ведущими западными производителями микросхем, но и конкурирующими с ними производителями из Юго-Восточной Азии. Сдерживающим фактором для большинства производителей приборов и систем учета являются каналы связи. Наиболее продвигаемый в последние годы канал удаленного сбора данных – Power Line Communication (PLC), т.е. передача информации по силовым проводам. Эта технология всегда благосклонно воспринималась энергетиками, ведь по крайней мере среда передачи – это их зона ответственности. Интерес к этой технологии подогревался также примерами успешного внедрения в западных энергокомпаниях.

Именно среда передачи, вернее, ее состояние в сравнении с западным, и оказывается «узким горлышком» для российских энергокомпаний, пытающихся использовать современные технологии. Конечно, технология PLC не стоит на месте и новые вызовы предлагает решать экстенсивным методом – переходом к параллельной передаче информации на нескольких десятках ортогональных поднесущих частотах (Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing, OFDM). Данный подход хорошо зарекомендовал себя в известных радиотехнологиях, таких как LTE или WiMax, обеспечивая высокую скорость передачи данных. Однако PLC OFDM – заведомо более дорогое решение, так как требует применения специальных процессоров цифровой обработки сигналов (digital signal processor, DSP) и очень качественных источников питания. При этом плохое состояние сетей порой сводит на нет все усилия по достижению бесперебойной связи по этой технологии, так как основное преимущество OFDM, как отмечалось выше, это скорость, а не помехозащищенность.

Альтернативой PLC является радиосвязь во всем многообразии модуляций и спецификаций. Известные ограничения беспроводных технологий связи – это разрешенные диапазоны и мощность. Разрешенный уровень мощности – основная техническая проблема передачи информации на существенные расстояния. Поэтому, как правило, для достижения приемлемых расстояний используется ретрансляция данных через модемы, встроенные в приборы учета, которые находятся в направлении передачи данных, а при их отсутствии – через специально устанавливаемые ретрансляторы.

Это означает, с одной стороны, что даже при использовании самых совершенных алгоритмов автоматической ретрансляции (построение mesh-сетей) остается непредсказуемость необходимости ручной пусконаладки, а с другой стороны, что декларируемая высокая скорость передачи данных на деле уменьшается в разы, а то и на порядок из-за многоступенчатой ретрансляции. Кроме того, использование традиционных способов модуляции радиосигнала (используются, как правило, частотная или фазовая модуляция) без специального помехозащищающего и восстанавливающего кодирования вносит еще большую в сравнении с PLC неопределенность в достижение результата – в бесперебойную, своевременную и достоверную передачу данных, причем не только из-за непредсказуемости и непостоянства электромагнитной обстановки в конкретном месте, но и, например, из-за сезонной смены ландшафта. Некоторые производители для достижения упомянутых целей предлагают комбинации PLC и радиоканалов. Такое решение сможет быть эффективным, только если каналы не дублируют, а подменяют друг друга при изменении качества связи, и конкурентоспособным по цене, если не предполагает простого дублирования каналов, а использует одинаковые алгоритмы, сетевые и транспортные протоколы.

Решения WAVIoT для цифровизации подстанций

Проблему помехозащищенной передачи данных на дальние расстояния и с разрешенной мощностью предлагается решить с помощью технологии LPWAN (англ. Low Power Wide Area Network, «энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия»).

Основная идея технологии – это специальная цифровая обработка информации в сочетании с разделением разрешенного частотного диапазона на полосы и работа в этих полосах. Это позволяет «вылавливать» полезную информацию на фоне шума. Понятно, что за дальность приходится платить ограничением скорости и информативности, что на первый взгляд идет вразрез с задачей достижения соответствия новым требованиям энергокомпаний.

Компания «Телематические Решения», один из лидеров на российском рынке решений Интернета вещей (IoT, Internet of Things), работающая под брендом WAVIoT, разработала и стандартизировала в России технологию NB-Fi, которая является технологией передачи данных класса LPWAN. В этой технологии упор делается на адаптивное манипулирование шириной и количеством частотных полос, в которых передается информация. Использование системы уникальных ключей, с реализацией криптографической защиты протокола (включая шифрование по ГОСТ), а также с помехозащищенным кодированием, обеспечивает максимальную информационную безопасность и помехоустойчивость связи.

Кроме этого, задача бесперебойной доставки необходимого объема данных обеспечивается альтернативной организацией самого принципа обмена данными. Как известно, традиционным методом является «инициатива сверху» – запрос информации от прибора учета со стороны среднего уровня системы учета (УСПД – ИВКЭ) или верхнего уровня (ПО – ИВК ВУ).

Как правило, процедуры запроса, а затем разбора полученных ответов являются последовательными, да еще зависящими от состояния и длины каждого маршрута до конкретного прибора учета.

Соответственно эффективность использования каналов связи низка. Построение системы учета WAVIoT, основанное на применении технологии NB-Fi, предполагает основной способ доставки информации по «инициативе снизу». Каждый прибор учета с настраиваемым периодом в отведенное ему квазислучайным образом время передает информацию на средний уровень системы. Дополнительные методы разрешения коллизий в сочетании с упомянутым уникальным шифрованием обеспечивают достаточно высокую (не менее 95%) вероятность доставки информации.

Недоставленная информация собирается дополнительными адресными запросами «сверху». Очевидно, что для разбора информации, хаотично поступающей от приборов учета, требуются значительные вычислительные ресурсы, но эта добавленная стоимость ИВКЭ несравнимо меньше влияет на стоимость системы, чем дорогие OFDM или комбинированные решения в каждом приборе учета.

Такой подход позволяет максимально эффективно организовать обмен информацией по сравнительно медленному каналу связи и достичь полного соответствия требованиям энергокомпаний.

АСКУЭ ВАВИОТ на основе технологии NB-Fi прошла многолетнее тестирование как на пилотных объектах, так и на коммерческих проектах в региональных подразделениях ПАО «Россети»: «Ленэнерго», «МОЭСК», «МРСК Северо-Запада», «МРСК Центра», «МРСК Центра и Приволжья». Система учета в полном объеме подтвердила свою функциональность и соответствие заданным требованиям и техническим политикам ПАО «Россети».

В 2018 г. началось массовое коммерческое внедрение системы ВАВИОТ в «МРСК Центра» и «МРСК Центра и Приволжья» (более 130 тыс. точек учета). Параллельно с организацией коммерческого учета электроэнергии идет реализация решений по цифровизации подстанций.

Реальные результаты, полученные в ходе выполнения этих и других проектов, позволяют говорить о высокой эффективности технологии NB-Fi для решения задач автоматизации учета и цифровизации объектов энергетики.

Основные характеристики АСКУЭ «ВАВИОТ»: