Micro Smart Grid – ZigBee – ГИС

Куприяновский В.П., Esri CIS (vk@esri-cis.ru), Гунько С.А., Huawei (svyatoslav.gunko@huawei.com), Синягов С.А., DATA+ (ssinyagov@dataplus.ru), Раевский М.А., НПО “Ангстрем” (lesdrov@bk.ru), Хрусталёва Н.М., Esri CIS (nkhrustaleva@esri-cis.ru)

Micro Smart Grid – ZigBee – GIS. From Smart Appliances to Smart City

Тематика “Smart” систем продолжает пополняться технологиями, обеспечивающими «сквозное» повышение интеллектуальности: от уровня одиночного бытового прибора до масштабов города или даже страны. Одной из таких технологий и соответствующих решений на ее основе является ZigBee. Усиленная возможностями таких платформ ее реализации, как ГИС, ZigBeе в совокупности с другими «Smart» технологиями позволяет положительно отвечать на вызовы, порождаемые повышающейся сложностью энергетических систем, систем управления городским хозяйством и др. Приложения в технологии Smart Grid подразумевают наличие «умных» устройств, оснащенных дополнительными интеллектуальными и коммуникативными возможностями, становящихся автоматизированными в глобальной сети Ecosystem. В статье приведен фактический материал, иллюстрирующий эти тезисы.

Стандарты – основа SmartGrid

Развитие направления Smart Grid (умная сеть) в настоящее время в значительной мере сфокусировано на принципах и методах стандартизации функциональной совместимости энергетического оборудования и информационных технологий (стандарт IEEE 2030-2011, опубликованный 10 сентября 2011г) и на работе с энергетикой непосредственно в зданиях, группах зданий, средних и небольших городках. То есть, в рамках Micro Smart Grid, стандарта IEEE 1547.4-2011, опубликованного 20 июля 2011г., большое внимание уделяется активно развивающейся практике применения стандарта ZigBee.

Союз производителей открытого стандарта ZigBee организован в качестве независимой, нейтральной, некоммерческой компании в 2004г. для разработки стандартов по беспроводным сенсорным сетям. Результаты этой деятельности впечатляют:

• ZigBee позволяет использовать сеть Интернет – это возможно уже сегодня, а не завтра;
• Глобальная открытая корпорация – свыше 400 компаний по всему миру;
• Сферы деятельности
  • открытые стандарты для беспроводных сенсорных сетей
  • сертификация продукции и программы соответствия нормам
  • торговые марки, развитие рынка и обучение пользователей;
• Стандарт, соответствующий основным требованиям к сети, для IoT
  • автономный процесс организации, конфигурирования и восстановления сетей со смешанной топологией, низкая стоимость, малое энергопотребление, масштабируемость, высокий уровень надежности за счет открытых глобальных стандартов.

Впечатляет и широта применения решений на основе ZigBee, которые охватывают ряд рынков и прикладных направлений (рис. 1). В сообществе стандартов IEEE решения ZigBee уверенно занимают собственную нишу (рис. 2), то есть ZigBee – самый низкоскоростной из указанных протоколов (250 кбит/с).

Рис. 1. Типовые рынки применения решений ZigBee.

Рис. 2. Место ZigBee в сообществе стандартов IEEE.

Рис. 3. Схема сети ZigBee.

С чем же связано его широкое применение? На самом деле, оно базируется на понятиях конечного устройства ZigBee, маршрутизаторах ZigBee и координаторах сети (рис. 3), в миниатюре повторяя идею управления активным электрическим оборудованием и информационно-коммуникационными системами в «большом» Smart Grid.

В итоге, сегодняшние (и улучшаемые) характеристики ZigBee таковы:

• до 65,536 сетевых узлов
• поддержка сетей с полносмешанной топологией
• множество каналов в общей полосе частот 2.4 ГГц и региональных полосах подчастот 1 ГГц
• скорость передачи данных 250 кбит/c

Большое семейство IEEE 802 – это, по сути, описание возможностей работы как с проводными IP протоколами (оптика, витая пара, коаксиал – Ethernet), так и с беспроводными (WiMax, WiFi, Bluetuth, ZigBee). Это позволяет активно использовать любые сочетания имеющихся физических реализаций как при проектировании новых внедрений, так и при модернизации старых. А стандарт, по сути, один!

Стек ZigBee определяет взаимодействие приложений на верхних уровнях модели ISO/OSI», в то время как нижние два уровня (физический и управления доступом) регламентируются стандартом 802.15.4 для беспроводных персональных сетей с низким уровнем скорости (Low-rate WPAN).

Главной отличительной особенностью стандарта 802.15.4 для беспроводных персональных сетей является низкая стоимость производства и расходов по эксплуатации, простота технологии. К его важнейшим функциям относятся: обеспечение работы в режиме реального времени посредством сохранения временных слотов, предотвращение одновременного доступа и комплексная поддержка защиты сетей. Устройства также включают функции управления расходом энергии, такие как качество соединений и детектирование энергии. Совместимые со стандартом 802.15.4 устройства могут использовать одну из трёх возможных частотных полос для работы.

Широта применения ZigBee

Благодаря этим особенностям, ZigBee имеет очень широкий спектр сфер применения:

• система автоматического управления домом ZigBee (ZHA)
• система интеллектуального управления энергоресурсами ZigBee (ZSE)
• система автоматизации зданий (CBA)
• система заботы о здоровье ZigBee (ZHC)
• система телекоммуникационных услуг ZigBee (ZTS)
• системы оплаты услуг розничной торговли ZigBee (ZRS)
• система удаленного управления ZigBee (ZRC)
• +будущие профили, предлагаемые все большим числом компаний.

Из этого перечня очевидно, что даже в рамках одного здания или дома возможно много применений ZigBee (рис. 4). Разнообразие выпускаемых «обычных» устройств с модулями ZigBee впечатляет – это практически все устройства, употребляемые в доме: розетки, выключатели, термостаты, счетчики, нагреватели, котлы, холодильники, стиральные машины и т.п. Растущий спрос на платформу Smart Energy, подогреваемый совместимостью с системой домашней автоматизации, помогает клиенту сделать свой обоснованный выбор.

Рис. 4. Где используется платформа ZigBee в масштабе здания.

Все это позволяет, отталкиваясь от достигнутых уровней экономии электроэнергии, осуществлять переход к интеллектуальным (Smart) приложениям на основе инфраструктуры ZigBee. По оценкам, только повышение осведомленности потребителей о расходах энергоресурсов позволяет сократить энергопотребление на 15%!

Здесь можно упомянуть, что компании Indesit и Freescale Semiconductor начали сотрудничество в рамках производства интеллектуальной стиральной машины, которая использует узел Freescale ZigBee, позволяющий настраивать время запуска стирки в зависимости от стоимости электроэнергии. Доступ к информации местной электросети осуществляется при помощи Интернет-подключения ZigBee к системе «Умные электросети». Аналогичным путем идут и другие крупнейшие компании, такие как GE, Whirlpool.

По исследованию AHAM (ассоциация производителей бытовой техники), опубликованному в декабре 2009г., цены на энергию будут ключевым фактором в деле привлечения клиентов к интеллектуальным сетям; при этом должны использоваться открытые стандарты и соблюдаться неприкосновенность частной жизни клиентов.

Что даёт применение «Smart» решений

Решение по управлению энергопотреблением на базе ZigBee для домашних персональных сетей (HAN) способствует оптимизации энергопотребления и устранению перегрузок. При этом важно, что через интернет это решение позволяет интерактивно взаимодействовать с сетевыми и сбытовыми компаниями, выбирая наиболее энергосберегающие режимы.

Приведем примеры реализации таких подходов в Штате Техас (США) и в г. Гётеборг (втором по величине городе Швеции).

Проект интеллектуальных измерений в Техасе. Техас занимает ведущие позиции по внедрению интеллектуальных измерений с участием более чем 6 млн. жителей штата, имеющих доступ к сети и информации. Поставщики и энергетические компании Техаса объединены в единый альянс. В проекте (вернее комплексе проектов) участвуют коммунальные компании, провайдеры AMI (AMI – расширенная инфраструктура измерений), запущен специализированный веб-портал.

Даже первые результаты внедрения этих проектов в Техасе впечатляют:

• В процессе подготовки к эксплуатации выполнено полное тестирование решения, начиная с потребителя и завершая государственным порталом SmartMeter.
• Подвергнуты оценке следующие случаи применения: ввод в эксплуатацию, текстовые сообщения, стоимостные события и т.д. При этом используются устройства HAN компании ZigBee, имеющие сертификаты безопасности.
• Организована эффективная обратная связь с коммунальными компаниями, поставщиками услуг по передаче и распределению электроэнергии, розничными поставщиками электроэнергии, потребителями и продавцами.

Гётеборг – город с населением около 500 тыс. человек, в котором технологической основой проекта Smart Grid является архитектура ZigBee. В городе установлено более 260 тыс. интеллектуальных счетчиков (квартиры, офисы, помещения), 180 тыс. измерительных устройств. В близлежащей сельской местности смонтировано около 15 тыс. точек измерения. Работу в этой сети конечных устройств обеспечивают 8000 коммутаторов и 7000 повторителей. Созданная структура может работать с показаниями порядка 1,1 млн. счетчиков. Примечательно, что более 99% этих счетчиков могут быть доступны 24 часа в сутки.

Сеть интеллектуальных счетчиков расширяется подключением средств измерения (управления) тепла, газа и воды. Все счетчики дистанционно управляемы и около 3000 из них подключены по протоколу GPRS через сеть местного мобильного оператора.

В его текущем состоянии проект обеспечивает:

• качественную поставку электроэнергии
• прием и обработку аварийных сигналов о возникающих неисправностях
• создание системы «Умные электросети» в части
  • измерения газа, теплоснабжения, воды
  • усовершенствованного управления счетчиками
  • снижения потребления в часы пиковой нагрузки с помощью программ регулирования спроса
  • внедрения или оптимизации соответствующих бизнес процессов.

Планируется развитие ряда сервисов, включая индивидуальное измерение (отопление, вода), систему безопасности, замки ZigBee и контроль доступа, контроль и управление освещением для уличных фонарей.

Владельцы помещений уже сегодня экономят в среднем 10% от общей суммы коммунальных платежей только на энергопотреблении. При вводе системы интеллектуальных измерений газа, тепла и воды планируемая экономия возрастет до 40%.

Вот еще несколько фактов развития проектов на основе ZigBee:

• более 40 млн. электросчётчиков ZigBee будет установлено и введено в эксплуатацию коммунальными компаниями в США в штатах Калифорния, Техас, Мичиган и Вирджиния;
• вопрос об установке дополнительных 40 млн. счетчиков в США находится на этапе согласования с различными регулирующими органами;
• в штате Виктория в Австралии все старые счетчики будут заменены;
• компания British Gas выбрала Smart Energy для установки нескольких миллионов счетчиков в ближайшем будущем.

Эта технология экономически эффективна не только в энергетике, но и ряде других областей, например, в комплексном управлении зданиями.

ГИС-платформа для реализации SmartGrid

Легко увидеть, что Smart-технологии и инфраструктура устройств ZigBee и обеспечиваемый ими функционал напрямую связаны с возможностями Геоинформационных систем (ГИС) и систем, построенных на их основе, включая Facility Management и др. (рис. 5-6).

Рис. 5. Пример применения Smart-технологий для энергетических сетей.

Рис. 6. Функциональный анализ здания и планирование расположения систем электропитания (вверху), принудительной вентиляции и пожаротушения в 3D-представлении (внизу).

Рис. 7. Управление городским хозяйством на основе Smart-технологий.

ГИС обеспечивает надёжное управление базами данных, предоставляет аналитические инструменты и возможности визуализации для поддержки территориальных и сетевых инфраструктур, а также национальных стратегий и стандартов для их обеспечения, обладает гибкостью, позволяющей применять различные подходы в том, что касается методологии и методов сбора информации. На рынке имеется ряд хорошо развитых готовых коммерческих приложений для оценки, управления и территориального развития, выдачи нарядов на работу и планирования пространства (рис. 7).

ГИС-приложения для оценки состояния объектов недвижимости, планирования объектов и окружающего пространства могут быть интегрированы для предоставления инженеру, архитектору, планировщику, собственнику, руководителю и другим заинтересованным лицам возможности всестороннего анализа площадки, здания, местной инфраструктуры и систем жизнеобеспечения. Анализ используется в процессе принятия решений для защиты людей и зданий, при планировании капитальной модернизации, эксплуатации и обслуживании, оценке риска для целей страхования или финансового планирования.

Особенно это актуально в условиях России. Широко известен факт, что Россия характеризуется высокой плотностью застройки при территориальной распределенности центров концентрации этой застройки (городов, предприятий и т.п.). Если для Европы и США характерна, в основной массе, малоэтажная застройка и индивидуальные дома, то в городах России превалируют многоэтажные строения, оборудование которых в соответствии с современными требованиями не просто важно, но необходимо и даже обязательно.

От местных сетей к интеллектуальному городу

Соединение этих «локальных» интеллектуальных сетей в единую систему с очевидностью приводит к представлению об интеллектуальном городе (Smart City). Несмотря на большое количество управляемых устройств и датчиков, интеллектуальные системы, построенные на основе ГИС, способны обеспечивать поддержку комплексного управления как всей системой, так и на уровне каждой ее части. Обеспечивается и интеграция разнообразных данных, позволяющая получать дополнительные преимущества, включая выявление неявных связей и влияния определенных факторов на эффективность системы в целом. Например, в плане экономии электроэнергии на уровне города и при решении других важных задач (рис. 8).

Рис. 8. Примерная архитектура интеллектуального города.

Таким образом, ZigBee-инфраструктура органично вписывается в современные тенденции развертывания Smart систем и обеспечивает дополнительные возможности для получения преимуществ от их применения как на утилитарном уровне отдельного жилого дома, так и на уровне города, региона и даже страны. Реализация этих преимуществ возможна, в том числе, через механизмы стандартизации.

Технологии Smart Grid решают задачи обеспечения надежности и безопасности энергосистем, постоянной доступности электроэнергии для потребителей, оптимального использования имеющихся ресурсов и снижения издержек.

Мировой рынок информационно-коммуникационных систем для создания Smart Grid оценивается сегодня в 89 млрд. долларов США, а его рост составляет более 20% в год. При этом интерес российских энергетических компаний к технологиям Smart Grid также неуклонно растёт.

В России началось активное движение в направлении энергосбережения. В настоящее время уже приняты Федеральные законы «О государственной информационной системе топливно-энергетического комплекса» и «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности».

Кроме того, начала функционировать система ГИС ЭЭ (энергетической эффективности). Голько ГИС в данном случае – это Государственная Информационная Система.

Вот такие совпадения.