Бадалов А.Ю., РКСС (badalov@gollard.ru), Куприяновский В.П., Esri CIS (vk@esri-cis.ru), Богданов А.Г., Huawei (abogdanov@huawei.com), Волков С.А., Ангстрем (serge.volkov@gmail.com)
Mobile Network Operators and Smart Grid Implementation
Взаимоотношения операторов связи с энергетикой – тема не новая. Во времена СССР энергетика обладала своей телефонной сетью связи, и ёмкость по телефонным номерам была порядка 1 млн. абонентов. Было много различных систем связи по отраслям промышленности. Они были автономными, но имели коммутацию на города и использовали инфраструктуру линий электропередач для модуляции голосового трафика.
В наступившие цифровые времена стали конкурентными две логичные концепции: строительство своей системы связи и взаимодействие с операторами связи. Но жизнь – это, как правило, компромисс, и что-то должно быть в наличии у самих энергетиков, а что-то нужно заказывать у профессиональных операторов.
Объекты энергетики, будучи протяжёнными и высотными, позволяли совместно решать многие вопросы связистов и энергетиков, например, прокладывая в грозотросах ЛЭП волоконно-оптические линии (ВОЛС) или используя высотные сооружения энергетики для радиосвязи разного рода. На этом этапе уже понадобились технологии и методы геоинформационных систем (ГИС), в том числе для точного расчёта оптики в условиях провисания провода или расчётов зон радиовидимости. Однако, при всей плодотворности взаимоотношений двух отраслей на начальном цифровом периоде, они были объективно не слишком плотными. Одной из причин был тот факт, что связь ушла от аналога (кто-то помнит декадно-шаговые телефонные станции ?) к тотальной цифре, а энергетика только сегодня начала переход от аналоговых к цифровым подстанциям. При этом надо понимать, что это в основном касается режимов управления передачей или распределением электроэнергии. Но постепенно и энергетика стала цифровой, появились компьютеры, программы, сенсоры и т.п. И это новое качество назвали Smart Grid, т.е. “умная (интеллектуальная) электрическая сеть”.
Внутри Smart Grid с успехом развиваются цифровые подстанции, smart metering (“умные измерения”), smart-диспетчерские и другие интеллектуальные подсистемы, обобщённо называемые Smart Utility.
Smart Utility требуют современных коммуникаций и механизмов контроля
Интеллектуальные энергосети (Smart Grid) – это термин, задающий направление интеграции всех элементов энергосистемы с использованием телекоммуникационных технологий и инструментов измерения и контроля. Термин “Smart Grid” не имеет общепринятого универсального определения, его границы варьируются в зависимости от точки зрения той или иной заинтересованной стороны внутри энергетической “экосистемы”. Однако, все определения Smart Grid включают следующие элементы: автоматизация распределения (АР), автоматизированная инфраструктура измерений (АИИ), рациональное использование и управление мощностями (УМ), распределенная генерация и хранение.
Фундаментальный фактор, способствующий Smart Grid – широкая доступность безопасной телекоммуникационной платформы. Технологические решения и активы, находящиеся у операторов мобильной связи, могут стать такой платформой для Smart Utilities, в том числе благодаря своему покрытию, безопасности, опыту в обслуживании миллионов распределённых объектов и абонентов, объемов передаваемых данных, а также финансовой силе и стабильности мобильной “экосистемы”.
Почему именно мобильные системы
Энергопередающие сетевые предприятия нуждаются в таких телекоммуникациях, которые охватывали бы всю территорию их деятельности, что позволило бы им предложить своим клиентам новые продукты и услуги, связанные с доставкой электроэнергии и других коммунальных удобств. Это требует всеобъемлющего покрытия двухсторонней системой связи. Операторы мобильной связи располагают широкополосными беспроводными сетями, покрывающими населенные районы, и могут быстро запустить надежные и безопасные коммуникационные системы типа “машина-машина” (M2M) с гарантированным уровнем мощности/пропускной способности и управляемым качеством сервисов (например, VPN / VPLS; QoS / CoS и т.д.). При этом необходимо учитывать, что мобильные операторы в России уже стали “проводными” (Мегафон, МТС, Вымпелком), а “проводные” становятся мобильными (Ростелеком) и могут предоставлять широкий спектр решений.
Система на основе Smart Grid будет поддерживаться множеством сложных и гетерогенных телекоммуникационных сетей. Энергетический сектор нуждается в практическом опыте построения и управления масштабными телекоммуникационными сетями партнёров. А индустрия мобильной связи имеет наибольший опыт в развертывании сетей и создании экономически эффективной и надежной телекоммуникационной инфраструктуры.
Smart Grid ставит сложную задачу управления быстрыми технологическими изменениями, притом, что сама энергетическая отрасль привыкла к медленному поэтапному развитию. Она нуждается в партнёрах из отрасли мобильной связи, где скорость внедрения технологических инноваций самая быстрая среди всех инфраструктурных отраслей.
Smart Grid дает возможность энергетическим компаниям предоставлять транзакционные сервисы, например такие, как тарификация и биллинг в реальном времени, прием платежей за зарядку аккумуляторов электромобилей и многие другие, как напрямую потребителям, так и через посредников. Операторы мобильной связи обладают наиболее развитыми инструментами и опытом в развитии, развертывании и предоставлении транзакционных сервисов.
Smart Grid потребует управления миллионами распределённых объектов и устройств. Операторы мобильной связи имеют опыт в интегрированном управлении большими сетями, а также опытом применения ГИС в решении многих задач.
Сетевые энергетические компании предпочитают работать с устойчивыми партнёрами с высокой капитализацией, что снижает операционные и производственные риски, связанные с большими инфраструктурными проектами. Операторы мобильной связи обладают таким масштабом бизнеса и финансовой стабильностью, с какой могут сравниться очень не многие отрасли.
Партнёрство между операторами мобильной связи и энергопередающими компаниями
Развёртывание Smart Grid обещает стать продолжительным процессом. Впрочем, уже реализуются сотни испытательных и пилотных проектов построения таких систем, и начинают появляться первые полностью завершенные сети разного уровня. Например, KEMA выделяет в партнёрстве мобильных и энергопередающих компаний множество прямых возможностей для взаимодействия и реализации совместных решений, поддерживающих процесс внедрения Smart Grid. Сильные стороны отрасли мобильной связи в области технологии и финансовой эффективности должны быть сосредоточены на направлениях усовершенствования измерений, автоматизации распределения, автоматизации подстанций, распределённой генерации, реагирования на изменения потребления, хранения запасенной энергии и интеграции с инфраструктурой для электромобилей, а также на дополнительных услугах. Каждое из этих направлений предполагает создание современных сервисов и обладает значительным потенциалом для извлечения прибыли для сервис-провайдеров, даже помимо предоставления каналов связи.
С развитием Smart Grid выгоды и преимущества сотовых операторов будут становиться все более очевидными и, по мере роста автоматизации, они будут расширять свое влияние не только в рамках распределительных электросетей. На тех рынках, где данные со счетчиков не принадлежат энергокомпаниям (для индивидуальных пользователей), основные и наиболее интересные возможности для операторов мобильной связи лежат в сфере предоставления услуг “Интеллектуального дома” и “Интеллектуального офиса”. Эти услуги объединяют управление энергопотреблением и функции автоматизации (наряду с уже существующими услугами triple-play и quad-play). Такие услуги помогут избежать путаницы для потребителей как коммунальных, так и телекоммуникационных услуг и предоставляют новые возможности для получения прибыли операторами.
Мобильные операторы могут также стать энергетическими реселлерами, работающими напрямую с частными и бизнес-потребителями. Возможность для потребителей осуществлять мониторинг, управлять и контролировать свое энергопотребление и эмиссию CO2 со своего мобильного телефона практически из любой точки в режиме реального времени, скорее всего, будет хорошо воспринята как потребителями, так и регулирующими органами. Более того, совместный брендинг мобильных и энергокомпаний может помочь повысить осведомленность потребителей и будет способствовать более быстрому принятию потребителями новых интеллектуальных услуг в области энергоснабжения. Создание и внедрение технологий Smart Grid и Smart Utility предоставляют перспективную глобальную возможность для операторов сетей связи сервис-провайдеров, производителей оборудования, разработчиков системного и прикладного программного обеспечения, системных интеграторов и хостеров. Осознание объемом этих возможностей зависит от тщательного изучения сектора инженерных коммуникаций и энергетики, а также от технических, коммерческих и законодательных требований к Smart Grid и Smart Utility. Более того, поставщики продуктов и сервисов для сектора инженерных коммуникаций должны в ближайшее время предпринять ряд эффективных инициатив, чтобы гарантировать эффективное позиционирование предлагаемых решений.
Инфраструктуры энергетических и мобильных операторов
Инфраструктура передачи служит для транспортировки электроэнергии от точек генерации к передающим подстанциям, снижающим напряжение, и затем к распределительным подстанциям, которые снова снижают напряжение, чтобы электричество могло использоваться промышленностью, бизнесом и жителями. Затем питающие провода получают электроэнергию от этих подстанций и доставляют её до конечных потребителей. Развитие сетей передачи в большинстве стран мира прошло путь от систем с отдельными «изолированными» электростанциями, через изолированные локальные системы к региональным и, наконец, к большим комплексным межрегиональным энергосистемам, которые существуют сегодня. Накопление и управление сведениями о состоянии энергетических сетей и их модель (CIM), как правило, реализуются с участием инструментария ГИС.
Поскольку электроэнергия не может эффективно накапливаться и сохраняться в значительных объёмах, подача в каждый момент должна быть сбалансирована с потреблением. Балансировка подачи и потребления в больших (высоковольтных) системах относится к зоне ответственности системных операторов. На некоторых рынках, например в США, системный оператор может являться собственником передающих активов, или же системный оператор может быть независим от владельца передающих сетей, при этом он носит название Независимого системного оператора (НСО).
Системные операторы взаимодействуют с операторами генерирующих активов для балансировки сети. Они добиваются этого за счет анализа потребления, анализа перетока мощности и прогнозирования, что определяет спрос, действующего напряжения в электросети, в то время как оптимальный поток мощности определяет оптимальную диспетчеризацию ресурсов для обеспечения надежного соответствия нагрузке.
На некоторых рынках системный оператор не только управляет диспетчеризацией больших объемов энергии, но также и администрирует оптовый энергорынок. Участники оптового рынка – это операторы генерирующих активов, операторы передающих сетей и операторы регулирования спроса. Операторы регулирования спроса – инновация, созданная Smart Grid. Регулирование спроса может участвовать в энергорынке, сокращая нагрузку, когда системным оператором подключаются дополнительные мощности. По сути, оператор регулирования спроса, снижая нагрузку, устраняет необходимость дополнительных поставок энергии в сеть.
Коммуникации играют ключевую роль в эффективности оптовых энергосистем и Smart Grid в передающих системах. Мониторинг и прогнозирование потребления, балансировка нагрузки и поставок – все это требует надежных, высокоскоростных коммуникаций между участниками оптового рынка электроэнергии. Регулирование спроса становится возможным благодаря распределенным, высокоскоростным коммуникациям с устройствами контроля нагрузки. Кроме того, мониторинг состояния и параметров передающих активов, таких как частота, температура, напряжение и сила тока, фазовый угол позволяет владельцам и операторам передающих компаний управлять надежностью и производительностью передающей системы.
Автоматизированные устройства управления коммутацией и напряжением являются неотъемлемым элементом безопасности и надежности энергосети. Автоматизация передающих подстанций – это ключевая функция, возможность которой обеспечивает коммуникационная инфраструктура энергосети. Надежные, высокоскоростные двусторонние коммуникации сегодня стали незаменимыми для обеспечения более сложного мониторинга, контроля и управления энергопередающей сетью.
Инфраструктура мобильных операторов – цифровые станции, кабели, в т.ч. ВОЛС, активное и пассивное оборудование, вышки сотовой связи – также часто хранится в ГИС, как пространственная инфраструктура и модель.
Объекты и системы энергетических сетевых компаний
Сетевые энергетические компании эксплуатируют и поддерживают развитую сеть распределительных объектов: воздушные и кабельные линии электропередачи, подстанции, трансформаторы, выключатели, конденсаторы и пр. Важнейшей задачей в этой связи является мониторинг в режиме реального времени состояния и параметров распределительной сети и обнаружение сбоев. Но способность компаний осуществлять его может существенно различаться, поскольку коммуникационные системы распределительных подстанций пока еще не достаточно распространены.
Сетевые энергетические компании работают в соответствии с обязательством обеспечивать бесперебойную поставку электроэнергии, и их решения направлены на соблюдение этого обязательства. Цена на электроэнергию, конечно, также имеет значительный вес в процессе принятия решений. Smart Grid поможет сделать деятельность таких компаний более эффективной за счет возможности осуществлять надежные коммуникации, их инспектирование и обслуживание в зависимости от текущих условий, что помогает повысить надежность и снизить издержки. Такой мониторинг и обслуживание могут выполняться удаленно: управление активами М2М («Machine-2-Machine»), например, уже предлагается многими поставщиками мобильных услуг.
Автоматизация фидеров – важная функция в эксплуатации и управлении распределительными системами. С ее помощью можно измерять и более точно контролировать напряжение, доходящее до потребителя, а также управлять переключателями между фидерами для локализации неисправности и минимизация времени отключения, то есть для общего повышения надежности.
Распределительные системы подают энергию на территорию потребителя. В настоящее время потребление отслеживается с помощью механических счетчиков, но сейчас они эволюционируют в сторону автоматического считывания показаний через расширенную инфраструктуру измерений (AMI). И это также ключевая возможность для обслуживания клиентов, предоставляемая Smart Grid.
AMI дает возможность взаимодействовать с потребителем и понимать их поведение. Благодаря частой загрузке данных, AMI может дать сетевой энергетической компании огромный массив информации для анализа потребительского поведения. Эффективно управляя этой информацией, компания может внедрить прямой контроль нагрузки, программы Demand Response и удаленное подключение/отключение, надежный мониторинг частной генерации (например, солнечных батарей на крыше). Ни одна из этих возможностей не может быть реализована без коммуникационной системы, которая позволяет энергокомпании быть в надежном «контакте» с эксплуатационными показателями на всей своей территории обслуживания. А пространственный анализ ситуации помогут обеспечить ГИС.
Традиционные системы связи энергетических сетевых предприятий
Традиционные системы оперативной связи исторически сфокусированы на четырех областях, критичных для отрасли поставок электроэнергии.
Во-первых, это связь системы диспетчерского контроля и сбора данных (SCADA), используемой для мониторинга параметров производительности и надежности электрораспределительной сети, таких как напряжение, мощность, качество электроэнергии и вольт-амперно реактивная мощность (VAR), а также для уведомления о нештатных или неожиданных событиях, таких как перегрузки или неисправность автоматического выключателя, и может осуществлять контроль деятельности на подстанциях и на фидерах.
Во-вторых, это полевая связь – системы наземной мобильной радиосвязи (LMR).
Далее, это транзитная связь – средства для поддержки нужд связи с высокой пропускной способностью, включая радиорелейные каналы и оптоволоконные линии.
Наконец, это телемеханическая релейная защита или защита магистральных систем электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения – выполняется специализированными системами высокочастотной связи по ЛЭП или выделенными каналами связи (медными или оптоволоконными) между реле телемеханической защиты.
К последним тенденциям в Соединенных Штатах, например, относятся требования к узкополосной связи FCC для снижения перегрузок, увеличение мощности и переход к более эффективному использованию спектральных каналов для передачи голоса LMR, переход к транкинговым или обычным цифровым системам (как правило, с обратной совместимостью с функционалом FM аналоговой связи). Эти системы включают P25, TETRA и ETSI DMR, они поддерживают передачу узкополосных данных (9600 бод) в дополнение к голосовой связи.
Требования к связи в Smart Grid
Новое поле деятельности и требования поддержки энергетического бизнеса, реализуемые в т.ч. поставщиками коммунальных услуг для обеспечения современных сервисов и возможностей, включают желание или необходимость:
- интеграции возобновляемых/цикличных источников энергии (солнечной, ветровой и др.) в существующую систему, которая разработана для управляемого крупномасштабного генерирования и одностороннего потока энергии;
- усиления КПД при распределении электричества; повышения качества и улучшения стабильности и доступности сети передачи/распределения электроэнергии;
- повышения гибкости системы с возможностью восстановления в случае стихийного бедствия, физической или кибернетической атаки;
- повышения эффективности работы, в том числе путем автоматизации и сокращения численности персонала, необходимого для эксплуатации и техобслуживания системы передачи/распределения;
- снижения затрат, связанных с фиксацией показаний счетчиков, для согласования тарификации потребителей в зависимости от времени суток и/или пиковой нагрузки с фактическими затратами сетевых энергетических предприятий, контроль нагрузки на стороне потребления и/или стимуляция потребителей использовать электроэнергию в часы с низкой нагрузкой;
- постепенного прекращения использования устаревшего оборудования связи с высокой стоимостью обслуживания. Оборудование поставщиков и операторов связи эволюционирует к коммутируемым сетям передачи данных и новым интеллектуальным оконечным устройствам (IED), которые заменяют старые RTU. Подобные устройства включают в себя связь IP/Ethernet.
Эти стремления выдвигают расширенные или совершенно новые требования к связи со счетчиками потребителей вплоть до счетчиков в домашней локальной сети, а также к расширенной автоматизации распределения (DA), обеспечивающей дополнительные точки контроля и мониторинга вдоль линий передачи и подстанций. Они обеспечивают расширение покрытия и ёмкости, повышение доступности и безопасности, контроль устаревания, снижение стоимости.
Большое внимание в рамках Smart Grid уделяется вопросам коммуникационной и информационной безопасности и защиты от кибератак (“кибербезопасность”). К энергетическим сетевым предприятиям в США предъявляются жесткие требования Североамериканской корпорации надёжности электроэнергетики (NERC) для защиты объектов жизнеобеспечения (CIP). CIP определяет методологию, которая выявляет критические ресурсы инфраструктуры и связанные кибернетические ресурсы с «квалифицированной подключаемостью”. Подобные требования к защите критических ресурсов выполняются также в Европе и в других регионах. Принимая во внимание, что большинство CIP фокусируются на средствах и системах “массовой поставки электроэнергии”, системы DA и AMI восприимчивы к требованиям NERC CIP. Например, системы, которые могут контролировать и, соответственно, поддерживать 300 MW требования или больше, таких как спуфинг команд разъединения интеллектуальных счетчиков AMI к 300K потребителей или более, приняты большинством сетевых энергетических предприятий для соответствия требованиям киберзащиты NERC CIP.
Smart Grid представляет крупное расширение границ и масштаба связи – в основном на базе IP – и инфраструктуру обработки данных, значительная часть которых физически не защищаема и открыта для потенциальных атак. Тут стоит упомянуть об атаке вируса Stuxnet32 на системы управления электропотреблением Siemens. Это широко известный пример появления многочисленных изощренных угроз для программного обеспечения и систем сетевых энергетических предприятий. Проект NERC CIP-10 и CIP-11, выпущенный в декабре 2010 Федеральной комиссией по управлению энергетикой для разрешения контрольно-надзорных органов, содержит ряд рекомендаций, которые должны целиком изменить существующую методологию идентификации кибернетических ресурсов, отменив концепцию “периметра электронной безопасности”, расширяя требуемую защиту ресурсов и ослабляя уязвимость текущих маршрутизируемых протоколов.
В целом можно отметить, что по оценкам экспертов около 40% расходов на инфраструктуру Smart Grid будет предназначено для отрасли мобильной связи.
Совместные услуги энергетиков и операторов связи
Энергетический сектор предоставляет широкое поле деятельности для телекоммуникационной отрасли в области разработки новых продуктов и видов услуг, обладающих высоким уровнем качества и полезности, а также предполагающих долгосрочные прибыльные проекты.
При предоставлении продукции и услуг Smart Grid обеспечивается ряд стандартных протоколов и технологий (рис. 1). Мобильные сети являются безопасной платформой с потенциалом экономии затрат и противопоставляются дополнительным конкурирующим беспроводным технологиям связи. В сравнении с другими технологиями мобильная связь предлагает более адекватные решения во всех технических аспектах при адекватном покрытии в целевых районах и с гарантией требуемых ресурсов и доступности для провайдера услуг. Использование выделенных средств предполагает низкие капитальные затраты, но относительно высокие эксплуатационных расходы.
Рис. 1. Технологии и стандарты связи Smart Grid (для архитектуры рабочей группы IEEE P2030 Smart Grid).
Решения на базе технологий беспроводной связи (включая GPRS, EDGE, WCDMA/HSPA, и LTE) предоставляют для операторов мобильной связи возможности, напрямую связанные с текущими и ожидаемыми потребностями связи, демонстрируют технологическую стабильность при их развертывании.
Одной из интересных и перспективных возможностей применения таких технологий является обеспечение услуг “Умный дом” или “Умный бизнес”. На этой основе реализуется управление энергопотреблением и услугами автоматизации, а их эффективность зависит от интеграции каждого компонента связи, которые спроектированы в точном соответствии со стандартами и поддерживают функциональную совместимость. Внедрение таких услуг наряду с существующими услугами triple-play (голос, видео, данные) и/или услуги quad-play (беспроводная мобильная связь, голосовые услуги, видео, передача данных) должно сократить количество отключений при обслуживании и предоставить новые возможности получения прибылей от внедрения услуги «Умный дом» и возможные прибыли от транзакций при организации обработки. Общая схема совместной архитектуры электрической сетевой и телекоммуникационной компании приводится на рис. 2.
Рис. 2. Соединения в экосистеме Smart Grid.
Заключение
Фактически, сотрудничество сетевых энергетических и телекоммуникационных компаний уже началось и в России. Упомянем только два соглашения: между Ростелеком и ФСК о создании и эксплуатации для ФСК цифровой системы связи и между Мегофон и ФСК по погодному мониторингу для ФСК. Потенциал взаимовыгодных совместных бизнес-решений этих компаний огромен. Фактически, они действуют на одном геопространстве, имеют на 90% совпадающую клиентскую базу, измеряемую десятками миллионов человек и организаций, находятся в конкурентной среде, требующей снижения издержек, что на наш взгляд достижимо за счет продвижения новых сервисов и услуг. В том числе при реализации проектов на основе Smart Grid и ГИС, как одной из его важных составляющих.
