Intelligente Netze: Datenkonzentrator oder Gateway?
Seit der Einrichtung von Kommunikationsnetzen muss man sich zwischen zentralen und dezentralen Lösungen entscheiden. Es gibt jedoch nicht nur zwei Lösungen, sondern es können auch verschiedene Dezentralisierungsgrade gewählt werden. Welcher Grad der Dezentralisierung geeignet ist, hängt von einer Reihe von Parametern ab. Zu den wichtigsten Parametern gehören die Konnektivität zwischen verschiedenen Netzelementen und deren Rechenleistung.
Geräte und Topologie der intelligenten Netze
Das grundlegende Element eines jeden intelligenten Netzes ist ein intelligenter Zähler. Der Zähler wird als „intelligent“ bezeichnet, wenn er über eine Kommunikationsschnittstelle verfügt, die die Integration des Zählers in das intelligente Netz ermöglicht. Die gängigsten Kommunikationsschnittstellen sind: PLC (Power Line Communication), W-MBus, ZigBee, 6LoWPAN, GPRS, usw.
Abgesehen von GPRS, für das kein Gateway oder Konzentrator erforderlich ist, kann man sagen, dass die übrigen Kommunikationsarten in Bezug auf den Aufbau des Kommunikationsnetzes kostengünstig sind, sich aber durch eine geringere Zuverlässigkeit der Kommunikation und einen relativ geringen Datendurchsatz auszeichnen.
Aufgrund der relativ kurzen Kommunikationsdistanz der meisten Netze, die für die Kommunikation mit intelligenten Zählern verwendet werden, muss die Netzkonnektivität mit anderen Netzen wie dem Internet sichergestellt werden.
Diese Funktion kann von einem Gateway oder Datenkonzentrator bereitgestellt werden, der sich in einem Transformator, in Gemeinschaftsbereichen des Gebäudes oder an einem anderen Ort befinden kann. Diese Geräte kommunizieren mit einem Head-End-Server, meist über Mobilfunknetze. Ein Beispiel für eine Smart-Grid-Topologie mit Verbindung zum Head-End-Server ist in Abbildung 1 dargestellt.
Gateway
Die wichtigste Funktion eines Gateways ist die Übertragung von Nachrichten von einem Netz zum anderen. Darüber hinaus kann das Gateway die Topologie von Teilnetzen verwalten oder Routerfunktionen integrieren.
Es ist zu beachten, dass die Zähler in den meisten Fällen nicht die in Computernetzen verwendeten Protokolle unterstützen, die meist auf Webdiensten basieren. Selbst wenn die Geräte mit dem IP-Protokoll kompatibel sind, verwenden sie auf der Anwendungsebene spezielle Protokolle für intelligente Netze wie DLMS, W MBus usw.
Aufgrund dieser Tatsachen werden die Funktionen des Datenkonzentrators weiterhin benötigt, aber es ist möglich, sie auf der Serverseite zu implementieren, wo höhere Programmiersprachen verwendet werden können und es einfacher ist, die Software zu warten.
Gateway mit/ohne Warteschlange
Die Qualität der Kommunikation wird durch die Unterstützung von Nachrichtenwarteschlangen im Gateway beeinflusst. Wenn das Gateway keine Warteschlange unterstützt, kann das Gateway sehr einfach mit geringen Anforderungen an die Rechenleistung implementiert werden, aber mit potenziell schlechten Folgen für den Durchsatz, die Fehlerraten und die Latenzzeit der Kommunikation.
Wenn das Gateway Warteschlangen unterstützt, sollte es auch QoS (Quality of Service) unterstützen, was die Priorisierung von Nachrichten mithilfe eines Schedulers ermöglicht. Ein gutes Beispiel für einen solchen Scheduler ist LLQ (low-latency queuing), das in Ethernet-Routern verwendet wird. Die Implementierung der Warteschlange zusammen mit der QoS-Unterstützung ist jedoch rechenaufwändig.
Eine Möglichkeit zur Berechnung der Kommunikationsparameter für das Gateway ohne Warteschlange und mit Warteschlange, wenn das zweite Netz vom Typ Master-Slave (Anfrage-Antwort) ist, ist in Tabelle 1 zu sehen. Bei der Variante ohne Warteschlange ist die Baudrate [die Geschwindigkeit, mit der Informationen in einem Kommunikationskanal übertragen werden] immer kleiner als die Baudrate in beiden Netzen.
| Gateway ohne warteschlange | Gateway mit warteschlange / Konzentrator | |
| Baud rate (R) | R = ( R1 R2 ) / ( R1 + R2 ) | R = min (R1 , R2 ) |
| Latenzzeit | Latenzzeit = Latenzzeit1 + Latenzzeit2 | Latenzzeit = Latenzzeit2 |
| Fehlerquote (PER) | PER = 1 – (1 – PER1 ) (1 – PER2 ) | PER = ( R – min( R1(1-PER1 ), R2(1-PER2 )) / R |
| Durchsatz | L R / ( L + R Latenz ) ( 1 – PER ) |
Wenn diese Geschwindigkeiten ähnlich sind, kommt es zu einer deutlichen relativen Verringerung im Vergleich zur minimalen Baudrate. Die Latenz ist die Summe der Latenzen in beiden Netzen, und die Fehlerquote ist immer größer als die Fehlerquote in den einzelnen Netzen.
Ein deutlicher relativer Anstieg der Fehlerquote zur größten Fehlerquote tritt auf, wenn die Netze ähnliche Fehlerquoten aufweisen. Bei Gateways mit einer Warteschlange ist die Baudrate nur durch die Baudrate des langsameren Netzes begrenzt.
| GPRS | MT-PLC | |
| Baud rate (R) | R1 = 3200 B/s | R2 = 1160 B/s |
| Latenzzeit | Latenzzeit1 = 0,3 s | Latenzzeit2 = 0,022 s |
| Fehlerquote (PER) | PER1 = 20 % | PER2 = 30 % |
| Länge des Rahmens | L = 42 B |
Der langfristige Netzdurchsatz wird nur durch die Latenz des zweiten Netzes beeinflusst, da die Latenz des ersten Netzes durch die Warteschlange eliminiert wird. Die Fehlerquote des schnelleren Netzes tritt nur dann auf, wenn sein Durchsatz geringer ist als der des langsameren Netzes.
Die Beispielberechnung der Kommunikationsparameter für GPRS im ersten Netz und MT PLC im zweiten Netz sind in Tabelle 3 dargestellt; die Parameter von GPRS und MT PLC in Tabelle 2.
| Ohne warteschlange | Mit warteschlange | |
| Baud rate (R) | R = 851 B/s | R = 1160 B/s |
| Latenzzeit | Latenzzeit = 0,322 s | Latenzzeit = 0,022 s |
| Fehlerquote (PER) | PER = 44 % | PER = 30 % |
| Durchsatz | 64 B/s = 0,50 kb/s | 505 B/s = 3,95 kb/s |
Da die Baudrate beider Netze recht ähnlich ist, ist die Latenz des ersten Netzes wesentlich höher, und da die Fehlerquoten der Netze ebenfalls ähnlich sind, ist es nicht überraschend, dass der resultierende Durchsatz für das Gateway ohne Warteschlange viel niedriger ist als der des Gateways mit Warteschlange. Im Falle einer Kombination von Ethernet und MT PLC ist der Unterschied nicht so groß.
Tabelle 4 fasst die Vor- und Nachteile der Gateways mit Warteschlange und ohne Warteschlange zusammen.
| Gateway ohne warteschlange | Gateway mit warteschlange |
| + Preis + einfaches Software-Update + einfachere Entwicklung | + einfaches Software-Update + leichtere Entwicklung |
| – geringer Netzdurchsatz – komplexe Software auf der Server-Seite – größerer Datenfluss zwischen dem Gateway und dem Server | – komplexe Software auf der Server-Seite – größerer Datenfluss zwischen dem Gateway und dem Server – Server muss die Nutzung der Gateway-Warteschlange verwalten |
Datenkonzentrator
Ein Datenkonzentrator ist eine weitere Entwicklungsstufe des Gateways mit einer Warteschlange. Da das Gateway mit Warteschlange mehr Rechenleistung benötigt, besteht die Möglichkeit, die Leistung geringfügig zu erhöhen und mehr Funktionen hinzuzufügen. Die aktuellen Vor- und Nachteile eines Datenkonzentrators sind in Tabelle 5 aufgeführt.
Automatische Erstellung von Routineaufgaben – Die meisten Nachrichten in intelligenten Netzen sind periodische Auslesungen von Profilen mit Messdaten und asynchronen Protokollen, und nichts hindert den Konzentrator daran, diese Nachrichten selbst zu erstellen. Dies spart einen erheblichen Teil der Kommunikation zwischen Server und Konzentrator, und der Server muss diese Aufgaben nicht planen.
Zusammenfassen von Antworten zu größeren Einheiten – Da die Pakete im Netz zwischen dem Konzentrator und dem Server in den meisten Fällen wesentlich größer sein können als die Pakete im Netz der Zähler, ist es sinnvoll, mehrere Antworten von den Zählern an den Server in einer einzigen Nachricht zu übermitteln. Außerdem ist es möglich, Datenkompression zu verwenden. Wie zuvor spart sie eine beträchtliche Menge an Daten, die zwischen dem Konzentrator und dem Server übertragen werden.
| Datenkonzentrator |
| + geringerer Datenfluss zwischen Datenkonzentrator und Server + einfache Anwendungsentwicklung auf der Server-Seite + schnellere Reaktion auf Smart Grids-Ereignisse |
| – Preis – komplexe FW-Entwicklung und -Wartung |
Protokollübersetzung – Für serverseitige Anwendungen ist es schwierig, spezielle Protokolle wie DLMS, W-MBus usw. zu implementieren, die in intelligenten Netzen verwendet werden. Daher ist es von Vorteil, wenn der Konzentrator mit dem Server über ein Protokoll kommuniziert, das unabhängig von dem im Zählernetz verwendeten Protokoll ist. Außerdem kann dieses Protokoll optimiert werden und bietet mehr Komfort bei der Verarbeitung in höheren Programmiersprachen.
Datenanalyse, Filterung von Ereignissen – Der Konzentrator muss nicht nur Daten von Zählern an den Server weiterleiten. Der Konzentrator kann diese Daten analysieren, filtern oder andere Verarbeitungen vornehmen. Dies kann zu erheblichen Einsparungen bei der Kommunikation zwischen dem Konzentrator und dem Server führen und auch die Reaktion auf bestimmte Netzzustände erheblich beschleunigen.
Schlussfolgerung: Was ist die perfekte Lösung?
Ein Gateway ohne Warteschlange kann eine kostengünstigere Lösung sein, wenn das Netz zwischen Server und Gateway im Vergleich zum Zählernetz eine niedrige Latenzzeit und einen hohen Durchsatz mit minimalen Fehlerraten aufweist.
Da ein großer Teil der Lösungen in der Praxis Netze mit höheren Latenz- und Fehlerquoten und geringerem Durchsatz verwendet, ist die Verwendung des Gateways ohne Warteschlange in diesen Fällen unangemessen und könnte eine erhebliche Verringerung des Datendurchsatzes im Vergleich zu Geräten mit Warteschlange verursachen.
In diesen Fällen ist es notwendig, zumindest ein Gateway mit Warteschlange oder einen Datenkonzentrator zu verwenden, der die Kosten für die Entwicklung von Serveranwendungen und die Datenübertragung zwischen Konzentrator und Server einsparen kann.
Ein Konzentrator kann auch die Reaktion auf Smart-Grid-Ereignisse verbessern und generell mehr Komfort bei der Nutzung und Wartung des Geräts bieten. Wenn das Gerät über eine Warteschlange verfügt, ist die Anordnung des Warteschlangenplaners zur Gewährleistung der QoS ebenfalls sehr wichtig.