Inteligentné meracie zariadenia sa stávajú realitou a štandardom v energetike. Legislatíva, ktorá z logickej potreby spravila povinnosť, tiež požaduje od prevádzkovateľov distribučných sústav použitie „Inteligentného meracieho systému“ (skrátene IMS). Spoločnosť Ipesoft pripravila pre prevádzkovateľov distribučných sústav, v poradí už 2. generáciu svojho Ipesoft IMS riešenia, najmä s ohľadom na škálovateľnosť, ako pre potreby malých, tak aj veľkých a rozľahlých sústav.

Prvá generácia Ipesoft IMS bola postavená na tradičnom komunikačnom module D2000 KOM. Tento modul je veľmi široko používaný v rôznych priemyselných aplikáciách. Podporuje desiatky komunikačných protokolov a priemyselných štandardov a v mnohých aplikáciách reálneho času sa výborne osvedčil.

Protokol DLMS/COSEM však obsahuje prvky, predovšetkým archív meraných hodnôt integrovaný v meracom zariadení, ktoré sa tradičnou konfiguračnou kaskádou linka – stanica – meraný bod modelovali príliš komplikovane. V prípade rozsiahlejších distribučných sietí tento model konfigurácie značne narastal a vytváral zvýšené nároky na ľudské aj výpočtové zdroje. Tok dát pri použití D2000 KOM ilustruje Obrázok 1.

Obrázok 1 Bloková schéma prvej generácie Ipesoft IMS z pohľadu toku dát z distribučnej siete

Aplikácia Ipesoft D2000 SGCom vznikla ako dôsledok potreby riešiť slabé stránky tradičného riešenia, špecificky v prostredí inteligentných meracích zariadení. V druhej generácii Ipesoft IMS nahrádza pôvodné komunikačné jadro. Ide však o samostatnú aplikáciu, ktorá na základe dodanej konfigurácie vykonáva zber dát z distribučnej siete. Zber dát prebieha podľa definovaného časového plánu a dáta sú dočasne uskladnené v perzistentnej databáze. Podľa iného časového plánu sú následne odovzdané do centrálneho IMS, s ktorým komunikuje cez aplikačné programové rozhranie (API). Vďaka tomu je výsledné riešenie lepšie škálovateľné na malé aj veľké distribučné siete, má vysokú odolnosť voči poruchám a zároveň nižšie nároky na ľudské a výpočtové zdroje. Tok dát ilustruje Obrázok 2.

Obrázok 2 Schéma komunikácie IMS a SGCom-u

IPESOFT D2000 SGCom

Všetky aplikácie od firmy Ipesoft majú distribuovanú architektúru typu klient – server, ktorá umožňuje škálovať rozsah riešenia potrebám konkrétneho nasadenia, umožňuje priblížiť potrebný výkon nie len logicky, ale aj geograficky bližšie k miestu, kde je potrebný a v neposlednom rade tiež chráni kritické moduly pred poruchami iných častí systému.

Ipesoft D2000 SGCom je z tohto pohľadu hybridná aplikácia. Na jednu stranu využíva aplikačné rozhranie Ipesoft D2000 Java API (skrátene D2JAPI), cez ktoré komunikuje s aplikáciou Ipesoft IMS prostredníctvom Remote Procedure Call (skrátene RPC). Na druhú stranu však toto spojenie používa len na prijatie konfigurácie a odovzdanie zozbieraných dát, mimo to však môže pracovať aj samostatne, vykonávať naplánovaný zber dát a dáta lokálne uskladňovať až pokým nebudú úspešne odovzdané.

Pracovný cyklus aplikácie je možné popísať v nasledovných krokoch:

Štart aplikácie, prečítanie parametrov z príkazového riadku.
Vykonanie údržby lokálnej databázy – vymazanie prípadných neželaných artefaktov, ktoré zostali v databáze, ak bola aplikácia vypnutá nekorektne. (Lokálna databáza obsahuje dočasne uskladnené zozbierané dáta z elektromerov.)
Podľa parametrov z príkazového riadku nadviaže spojenie s centrálou (typicky Ipesoft IMS).
Prijatie konfigurácie. Na prijatie novej konfigurácia, alebo na zmenu existujúcej je potrebná výmena viacerých RPC. Konfigurácia sa však prenáša v rámci transakcie a nemôže preto nastať situácia, že by bola nechcene aplikovaná len jej časť – je prijatá ako celok, alebo vôbec nie.
Zostavenie harmonogramu plánovaných úloh podľa prijatej konfigurácie.
Pravidelné vykonávanie naplánovaných úloh:
Zber dát z elektromerov, paralelne, ak to umožňuje zapojenie elektromerov.
Odovzdávanie dát do centrály. Až po potvrdení, že centrála úspešne prevzala dáta, sú tieto z lokálnej databázy uvoľnené.
Centrála môže prostredníctvom RPC zadať príkaz na okamžité vykonanie zvolenej úlohy mimo časový plán:
Čítanie ľubovoľných dát z meracieho zariadenia. Typickým prípadom je obnova dát z časového úseku, keď bolo dané meracie zariadenie nedostupné.
Synchronizácia presného času v meracom zariadení
Odpojenie alebo pripojenie zvoleného odberateľa na diaľku. Napríklad odpojenie neplatiča, až pokiaľ neuhradí faktúru za dodávku energií.
Ak dôjde k strate spojenia s centrálou, plánované úlohy sa naďalej vykonávajú podľa zvoleného časového plánu.

Model konfigurácie bol navrhnutý s dvomi hlavnými cieľmi:

Možnosť komunikácie s inteligentnými meracími zariadeniami v rôznorodých sieťach, pretože každá z existujúcich distribučných sietí je v niečom jedinečná a
Možnosť definovať typizovaných odberateľov, aby bolo pridávanie nových odberných miest ako aj zmena pravidiel tých existujúcich jednoduché.

Komunikačné protokoly fyzickej úrovne

Rôznorodosť komunikačných liniek, ktorými môžu byť inteligentné meracie zariadenia zapojené[1] ilustruje Obrázok 3. V praxi boli podporené a otestované nasledovné komunikačné rozhrania:

Optické – k meraciemu zariadeniu sa prikladá optická hlava, ktorá drží pomocou magnetu. V počítači sa rozhranie javí ako sériový port. Na obrázku je tak pripojený merač C, optická hlava je k počítaču pripojená cez USB a reprezentovaná ako COM13.
Sériové rozhranie RS485 – vyvedené na svorkovnici merača a/alebo na zásuvnom komunikačnom module – v závislosti od typu zariadenia. Na sériové rozhranie merača sa dá pripojiť viacerými spôsobmi.
USB/RS485 prevodník (napríklad Papouch SB485) (merače D, E) – ovládač zariadenia vytvoril v počítači sériový port COM14.
MOXA (na obrázku je MOXA onCell s GPRS modulom) (merače F, G) – MOXA slúži ako prekladač medzi UDP/IP a sériovou komunikáciou[2].
Ak má jeden merač zásuvný modul s IP aj sériovým rozhraním (merač B), môže prepúšťať komunikáciu medzi nimi a sprostredkovať tak komunikáciu s ďalšími meračmi pripojenými cez RS485 (merače H, I).
IP rozhranie – vo forme Ethernet portu, alebo GPRS modemu. V tomto prípade za „fyzickou“ prenosovou vrstvou nazývame TCP/IP spojenie alebo UDP/IP komunikáciu.

[1] Riešenie bolo vyvíjané predovšetkým na obsluhu inteligentných elektromerov v elektrickej distribučnej sieti, ale použité komunikačné protokoly umožňujú obsluhu aj iných typov inteligentných meracích zariadení.

[2] Zariadenie MOXA pozná aj režim, v ktorom ovládač zariadenia vytvorí v počítači virtuálny COM port (napr. COM15). Praktické skúsenosti však ukazujú, že toto riešenie nie je dostatočne spoľahlivé, bol preto uprednostnený UDP režim.

Obrázok 3 Rôzne príklady fyzického pripojenia k elektromerom

Komunikačné protokoly relačnej a aplikačnej úrovne

Komunikácia sa ďalej rôzni v tom, akým komunikačným protokolom vyššej vrstvy komunikujú jednotlivé inteligentné meracie zariadenia a do istej miery aj v tom, od akého výrobcu sú. Ipesoft D2000 SGCom bol primárne stavaný na komunikáciu protokolom DLMS/COSEM, pričom na relačnej vrstve podporuje protokoly IEC62056-46 (HDLC) aj IEC62056-47. Podporený je však aj protokol IEC62056-21 (IEC61107), pretože si to prax vyžiadala – niektoré merače, ktoré sú už v teréne, nepodporujú DLMS/COSEM, alebo ho vlastník elektromera pre zákazníka deaktivoval.

Protokol IEC62056-47 je použitý v elektromere ADDAX NP73E, ale iba pri komunikácii cez TCP/IP. V porovnaní s HDLC je jednoduchší, pretože nevytvára reláciu a neobsahuje prvky riadenia toku dát, lebo sa v tomto spolieha na spojovo orientovanú TCP vrstvu. Slúži iba na adresovanie konrétneho logického zariadenia v rámci jedného fyzického zariadenia a na uvedenie adresy klienta, ktorá predstavuje ekvivalent používateľského účtu.

Protokol HDLC je používaný elektromermi EMH, Landis+Gyr a v prípade sériovej komunikácie aj ostatnými. Na sériovej linke zabezpečuje spojovo orientovanú komunikáciu, riadi a kontroluje tok dát. Je preto zložitejší – obsahuje mechanizmus vytvorenia relácie a dohodnutie si parametrov komunikácie. Zároveň umožňuje adresovať konkrétne fyzické zariadenie na sériovej zbernici, na ktorej môže byť pripojených teoreticky až 32 zariadení. Zároveň adresuje logické zariadenie v rámci fyzického a prenáša tiež adresu klienta.

Protokol IEC62056-21 je súčasne protokolom aplikačnej aj relačnej vrstvy. Z historického a funkčného hľadiska ide o predchodcu protokolu DLMS/COSEM a z implementačného hľadiska je aj značne jednoduchší. Preto ho podporujú takmer všetky typy meračov, podporujú ho aj podstatne jednoduchšie a staršie zariadenia, ako moderné inteligentné elektromery. Na elektromeroch od výrobcu EMH je doteraz preferovanou voľbou, okrem iného aj preto, že si doň zaviedli rôzne rozšírenia nad rámec štandardu. Pri komunikácii sa nerozlišujú logické zariadenia ani sa neuvádza adresa klienta, ktorý so zariadením komunikuje, zariadenie sa adresuje ako celok svojim sériovým číslom.

DLMS/COSEM nie je v skutočnosti jeden protokol ale celá rodina štandardov, navrstvených na sebe, združených pod označenie IEC62056. Medzi jeho časti patrí:

Systém na identifikáciu objektov (OBIS) – IEC62056-61.
Definícia tried COSEM objektov – IEC62056-62.
Manažment DLMS správ – IEC62056-52.
Protokol aplikačnej vrstvy – IEC62056-51.
Dáta sú v správach kódované štandardom 1 BER.

Aj keď sú všetky uvedené protokoly štandardizované, jednotliví výrobcovia ich vo svojich zariadeniach implementovali s rôznymi odchýlkami, prípadne chybami. Ipesoft D2000 SGCom rozpoznáva typy jednotlivých meračov a podľa potreby sa im individuálne prispôsobuje. Či už ide o špecifické formátovanie HDLC rámcov, uvádzanie špecifických parametrov DLMS komunikácie, alebo spracovanie správ, ktoré si výrobcovia doplnili nad rámec štandardov.

Na záver

Naša spoločnosť už viac ako štvrťstoročie prináša technologické riešenia a aplikácie v prostredí priemyslu a energetiky. Za túto dobu sme zrealizovali viacero špičkových riešení, opierajúc sa o našu technológiu – aplikačný server reálneho času D2000. Veríme, že aj jeho rozšírenie D2000 SGCom je ďalším prvkom do skladačky, určenej pre kritické aplikácie v energetike. Našim partnerom prinášame riešenie, ktoré dokáže pokryť legislatívne ale najmä biznisové požiadavky, zvlášť dôležité v tomto období vytvárania „novej energetiky“ s vysokým dôrazom na schopnosti detailne poznať správanie sa odberateľov a dodávateľov v energetických sieťach, ako aj pri hľadaní a poskytovaní nových produktov a služieb spojených s dodávkou energií a energetických služieb.

16.6.2017, Ing. Tomáš Bača PhD, www.ipesoft.com

DLMS / COSEM v prostredí IPESOFT D2000, alebo „... vieme ako na smartmetering ... „

Tomáš Bača

IPESOFT D2000 SGCom

Komunikačné protokoly fyzickej úrovne

Komunikačné protokoly relačnej a aplikačnej úrovne

Na záver

Iné blogy

Komunikácia - MQTT Sparkplug

Komunikácia - optimalizácia v protokole Ethernet/IP

Diagnostika a ladenie databázových operácií v D2000