Datenkonzentrator: Unbeachteter Teil der intelligenten Netze
Der Datenkonzentrator ist ein oft übersehenes Element der intelligenten Stromnetze. Oft wird er als Gateway zwischen einem TCP-IP-Netz und einem Kommunikationsnetz von Stromzählern gesehen. In Wirklichkeit übernimmt der Konzentrator eine Reihe anderer sehr wichtiger Aufgaben, die einen erheblichen Einfluss auf die erfolgreiche Datenabfrage von Zählern und die Nutzbarkeit einer breiten Palette von Funktionalitäten haben.
Konzentrator oder Gateway?
Zählernetzwerke verwenden oft PLC (Power Line Communication) oder Funkkommunikation, so dass die Kommunikation unzuverlässig sein kann. Zwischen dem Konzentrator/Gateway und dem Server wird eine GPRS/2G/3G/4G-, PLC- oder LAN-Verbindung verwendet. Die ersten beiden Verbindungen sind relativ unzuverlässig und haben eine höhere Latenzzeit.
Bei einem Gateway ist die Paketverlustwahrscheinlichkeit die Summe der Wahrscheinlichkeiten beider Netze; die Latenz ist die Summe der beiden Latenzen. Bei Konzentratoren ist die Paketverlustwahrscheinlichkeit gleich der größeren Wahrscheinlichkeit. Die Auswirkungen der Latenzzeit auf das Netz könnten durch die Zusammenführung von Daten in größeren Einheiten weitgehend beseitigt werden.
Dies wurde in einem Pilotprojekt in den Niederlanden bewiesen, bei dem G3 für die SPS-Kommunikation und GPRS für die Verbindung mit dem Server verwendet wurde, aber anstelle von Konzentratoren wurden Gateways eingesetzt. Das Auslesen der Profildaten von einem Zähler zum Server dauerte im Durchschnitt 59 Sekunden, was um ein Vielfaches langsamer ist als bei Verwendung des Konzentrators.
Es ist wichtig, die Verteilung der Rechenleistung zwischen den Geräten und die Einsparung des Datenflusses zu berücksichtigen. Die Verteilung bestimmter Aufgaben vom Server auf den Konzentrator kann die Rechenleistung des Servers und die zwischen dem Konzentrator und dem Server übertragene Datenmenge bei minimalen zusätzlichen Kosten für den Konzentrator einsparen.
In Fällen, in denen der Kommunikationskanal jedoch schnell genug ist oder einer der Kommunikationskanäle sehr zuverlässig ist, z. B.: 485 oder LAN, und eine Verteilung der Rechenleistung nicht erforderlich ist, kann ein Gateway erfolgreich eingesetzt werden.
Die Vereinheitlichung von Kommunikationsschnittstellen und -protokollen
Für den Aufbau eines Zählernetzes gibt es eine Reihe von Schnittstellen: PRIME, G3, W-MBUS, RS485, GPRS, usw., die eine Vielzahl von Protokollen verwenden können: DLMS, OSGP usw. Außerdem sind die Geräte verschiedener Hersteller, die dieselbe Schnittstelle und dasselbe Protokoll verwenden, nicht immer kompatibel.
Datenkonzentratoren sind am besten geeignet, diese Unterschiede zu vereinheitlichen. Moderne Datenkonzentratoren sollten die Kommunikation über alle in Zählernetzen verwendeten Schnittstellen und Protokolle ermöglichen und eine einheitliche Kommunikationsschnittstelle zum Server schaffen. Dadurch wird die übrige Infrastruktur hinter dem Konzentrator von den verschiedenen Implementierungen von Zählernetzen abgeschirmt.
Das Hinzufügen von Unterstützung für neue Kommunikationsschnittstellen oder Protokollspezifikationen für die Geräte eines bestimmten Herstellers sollte für einen modernen Datenkonzentrator einfach sein, unabhängig davon, ob es sich bei dem Gerät um einen Stromzähler, einen anderen Energiezähler oder ein bestimmtes Gerät im intelligenten Netz handelt.
Lesen und Verarbeiten von Daten
Der Konzentrator sollte Zähler mit einer beliebigen Anzahl von Profiltypen mit beliebigen Zeiträumen und beliebigen Registern unterstützen. Es sollte möglich sein, die Konfiguration der Datenauslesung für jeden Zähler, der dies unterstützt, zu ändern.
Wenn der Zähler keine Profilerstellung durchführt, sollte der Konzentrator dieses Verhalten emulieren, so dass auf der Serverseite die Zähler normalerweise eine Profilerstellung durchführen, obwohl der Zeitraum der Profilerstellung nicht garantiert werden kann.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Verarbeitung der gelesenen Daten. Die Möglichkeit, Daten an den Server zu senden oder sie im Konzentrator zu speichern, ist nur eine Grundfunktionalität. Der Konzentrator sollte eine Analyse der Daten anbieten, wobei nur die Ergebnisse an den Server gesendet werden können. Auf der Grundlage der Analyse kann der Konzentrator einige Aufgaben selbst erledigen, z. B. die Korrektur von Schalttabellen.
Unterstützung für mehrere Server
Herkömmliche Konzentratoren kommunizieren oft nur mit einem einzigen Server. Energieversorgungsunternehmen haben jedoch eine Reihe völlig unterschiedlicher Systeme, die direkt an den Konzentrator angeschlossen werden können. Zum Beispiel Abrechnungssysteme, Managementsysteme, Überwachungssysteme und so weiter.
Darüber hinaus könnte die Unterstützung mehrerer Server nützlich sein, wenn mehrere Stromzähler unterstützt werden, wobei die Informationen über den Stromverbrauch an ein Unternehmen gehen, die Informationen über den Gasverbrauch an ein anderes, usw.
Von größter Bedeutung ist die Serverauthentifizierung und -autorisierung für jede Transaktion, die davon abhängt, an welche Geräte die Transaktionen gesendet werden.
Veranstaltungen
Das System zur Meldung von Ereignissen von jedem Gerät sollte einheitlich sein. Moderne Konzentratoren sollten eine erweiterte Filterung von Ereignissen nach ihren Parametern ermöglichen. Die Regeln setzen „Ereignis senden Priorität“ zum Beispiel per SMS, standardmäßig, halten nur in Konzentrator oder ein Tropfen, oder eine andere Aktion durchführen.
Durch die Vereinheitlichung und Filterung werden der Übertragungskanal und die für die Ereignisverarbeitung auf dem Server erforderliche Rechenleistung erheblich reduziert.
Befehle und Parametrisierung
Auch hier ist es sehr wichtig, einen einheitlichen Ansatz für die Parametrierung aller Geräte zu haben. Die wichtigsten Parametrierungsmodelle sind SNMP, das in TCP-IP-Netzen verwendet wird und in erster Linie für Router, Gateways usw. gedacht ist und sich daher sehr gut für den Konzentrator eignet, und das COSEM-Modell, das für Energiezähler verwendet wird.
Teil des Konzentrators sollte eine Datenbank mit Informationen über Unterstützungsparameter in Geräten sein. Diese Informationen sollten Dritten in maschinenlesbarer Form zur Verfügung gestellt werden.
Einige Parameter beziehen sich auf ein Gerät, sind aber in einem anderen Gerät gespeichert. So kann beispielsweise die höhere Kommunikationspriorität eines bestimmten Zählers im Konzentrator gespeichert sein. Im Idealfall bemerkt der Benutzer dies nicht, und es sieht so aus, als ob es im Endgerät eingestellt wurde, selbst wenn ein Gerät unter einen anderen Konzentrator verschoben wird.
Es gibt Module für die 485- und SPS-Kommunikation mit Schedulern und getrennten Aufgaben in Threads zur maximalen Auslastung von CPU und Kommunikationskanal. Es gibt ein TCP-IP-Modul für die Kommunikation mit der Abrechnungs- und Verwaltungsanwendung. Es gibt auch ein Verwaltungsmodul für die Diagnose und Konfiguration von DC. Die Daten zwischen den Modulen werden über eine Datenbank ausgetauscht. Asynchrone Ereignisse zwischen den Modulen werden über den d-bus gesendet.
Der Vorteil könnte darin bestehen, dass ein Parameterwert eingestellt werden kann, der nur für ein bestimmtes Zeitintervall gültig ist und danach auf den vorherigen Wert zurückfällt. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, die richtigen Parameterwerte in der Reihenfolge der Anfragen und nicht in der Reihenfolge ihres Eintreffens beim Konzentrator festzulegen.
Die Befehle sollten die Möglichkeit bieten, eine Zeitüberschreitung in Bezug auf die Anzahl der Versuche oder die Ausführungszeit festzulegen. Natürlich sollte es auch Befehle zur Verwaltung von Warteschlangen geben.
Prioritätensetzung und Kommunikationsmanagement
Die meisten Übertragungskanäle in einem intelligenten Stromnetz haben einen geringen Durchsatz mit einer hohen Fehlerquote, so dass die Kommunikationssteuerung durch einen Konzentrator von entscheidender Bedeutung ist und die Menge der empfangenen Nutzdaten sowie die Zuverlässigkeit des Netzmanagements erheblich steigern kann.
Ein Beispiel könnte die Fähigkeit sein, die Datenmenge im Zähler, die Erfolgsquote der Kommunikation zum vorgesehenen Zeitpunkt, die Bedeutung der Daten im Zähler im Hinblick auf die spätere Verarbeitung usw. vorherzusagen.
Auf der Grundlage dieser Vorhersagen kann der Konzentrator entscheiden, welche Daten von welchem Zähler ausgelesen werden sollen. Das Netzwerkmanagement könnte mit dem modifizierten LLQ-Scheduler, einem der effektivsten Scheduler für TCP-IP, priorisiert werden.
Sicherheit
Die Sicherheit kann in Authentifizierung, Autorisierung und Verschlüsselung unterteilt werden. Die Authentifizierung und Verschlüsselung von Konzentrator und Server kann über ein standardmäßiges SSL/TLS-Protokoll oder über ein VPN erfolgen.
Die Autorisierung muss im Hinblick auf die Möglichkeit des Vorhandenseins mehrerer Server und im Hinblick auf die lokale Diagnose und die breite Palette von Privilegien für Techniken manuell durchgeführt werden.
Die Authentifizierung der Servicetechniker kann durch einen Benutzernamen und ein Passwort oder ein Sicherheits-Token erfolgen. Die Sicherheit des Zählernetzes hängt von den Fähigkeiten des Zählers ab. Der Konzentrator sollte die meisten kryptographischen Standardalgorithmen für eine mögliche zukünftige Unterstützung unterstützen.
Kommunikation mit dem Server
Zwischen Konzentrator und Server bestehen häufig widersprüchliche Kommunikationsanforderungen. Eine Anforderung ist ein bequemes und standardisiertes Protokoll, das meist auf Webservices basiert.
Andererseits besteht die Anforderung, die übertragenen Daten zu optimieren, nicht nur im Hinblick auf die geringe Geschwindigkeit von GPRS, sondern auch wegen der Möglichkeit, zumindest für einen Teil der Strecke PLC zu verwenden. Da die auf Webservices basierenden Protokolle in XML-Form vorliegen, ist es nicht einfach, beide Anforderungen zu erfüllen.
Die Lösung kann darin bestehen, eine serverseitige Anwendung zu verwenden, die ein optimiertes binäres Protokoll in ein Webservice-basiertes Protokoll auf der Serverseite umwandelt. Bei dieser Lösung bleibt die Einfachheit der Anbindung von Drittanwendungen an den Konzentrator erhalten und die übertragenen Daten werden maximal optimiert.
Der große Vorteil ist, wenn der Konzentrator Kommunikationsmodule für mobiles Internet, Ethernet, Wi-Fi oder andere Schnittstellen anbieten kann. Externe Lösungen sind immer teurer und möglicherweise nicht zu 100 % kompatibel.
Verwaltung, Diagnose und Konfiguration
Qualitätsdiagnose-Software löst problematische Situationen im Netz und erhöht die Erfolgsquote beim Auslesen der Daten und die Zuverlässigkeit des gesamten Netzes. Konfigurationssoftware ermöglicht eine Verhaltensänderung im System, um entsprechend den spezifischen Kundenanforderungen zu arbeiten.
Diese Software sollte benutzerfreundlich gestaltet sein, so dass die Kunden sie selbst nutzen können, ohne auf das Versorgungsunternehmen angewiesen zu sein. Ebenso sollte sie auf Sicherheit und Benutzerrechte ausgerichtet sein.
Schlussfolgerung
Ziel dieses Artikels war es, die Tatsache hervorzuheben, dass ein Datenkonzentrator kein Gateway mit einfacher Funktionalität ist, sondern dass er einen großen Einfluss auf den Kommunikationsdurchsatz, die Erfassung relevanter Daten, die Netzverwaltung und die Sicherheit haben kann.
Aus diesem Grund ist es wichtig, der Wahl dieses Geräts mehr Aufmerksamkeit zu schenken. Die Wahl des Datenkonzentrators wirkt sich auf die Gesamtfunktionalität des intelligenten Netzes aus, ebenso wie die Wahl des Stromzählers.