Концентратор данных: Игнорируемая часть интеллектуальных сетей
Концентратор данных — часто упускаемый из виду элемент интеллектуальных сетей. Часто его рассматривают как шлюз между сетью TCP-IP и коммуникационной сетью электросчетчиков. На самом деле концентратор выполняет ряд других очень важных задач, которые оказывают значительное влияние на успешное получение данных со счетчиков и удобство использования широкого спектра функциональных возможностей.
Концентратор или шлюз?
В сетях счетчиков часто используется PLC (связь по линии электропередачи) или радиосвязь, поэтому связь может быть ненадежной. Между концентратором/шлюзом и сервером используется соединение GPRS/2G/3G/4G, PLC или LAN. Первые два канала имеют относительно низкую надежность и большую задержку.
В шлюзе вероятность потери пакетов равна сумме вероятностей обеих сетей, а задержка — сумме задержек обеих сетей. В случае концентраторов вероятность потери пакетов равна большей вероятности. Влияние задержки на сеть может быть значительно устранено путем объединения данных в более крупные блоки.
Это было доказано в ходе пилотного проекта в Нидерландах, где для связи с ПЛК использовался G3, а для соединения с сервером — GPRS, но вместо концентраторов использовались шлюзы. Считывание данных профиля с одного счетчика на сервер заняло в среднем 59 с, что в разы медленнее, чем при использовании концентратора.
Важно учитывать распределение вычислительной мощности между устройствами и экономию потока данных. Распределение определенных задач от сервера к концентратору может сэкономить вычислительную мощность сервера и объем данных, передаваемых между концентратором и сервером, с минимальными дополнительными затратами для концентратора.
Однако в тех случаях, когда канал связи достаточно быстрый или один из каналов связи очень надежный, например: 485 или LAN, а распределение вычислительной мощности не требуется, шлюз может быть успешно использован.
Унификация коммуникационных интерфейсов и протоколов
Для создания сети счетчиков существует множество интерфейсов: PRIME, G3, W-MBUS, RS485, GPRS и т.д., которые могут использовать широкий спектр протоколов: DLMS, OSGP и др. Кроме того, устройства разных производителей, использующие один и тот же интерфейс и протокол, не всегда совместимы.
Концентраторы данных лучше всего подходят для унификации этих различий. Современные концентраторы данных должны обеспечивать связь через все интерфейсы и протоколы, используемые в сетях счетчиков, и создавать единый интерфейс связи с сервером. Таким образом, остальная инфраструктура, расположенная за концентратором, защищена от различных реализаций сетей счетчиков.
Добавление поддержки новых интерфейсов связи или спецификаций протоколов для устройств конкретного производителя не должно представлять сложности для современного концентратора данных, независимо от того, является ли это устройство счетчиком электроэнергии, другим счетчиком электроэнергии или конкретным устройством интеллектуальной сети.
Считывание и обработка данных
Концентратор должен поддерживать счетчики с произвольным количеством типов профилей с произвольными периодами и произвольными регистрами. Должна быть предусмотрена возможность изменения конфигурации считывания данных для любого счетчика, который это поддерживает.
Если счетчик не делает профилирования, концентратор должен эмулировать это поведение, поэтому на стороне сервера счетчики обычно делают профилирование, хотя период профилирования не может быть гарантирован.
Еще один важный момент — обработка считанных данных. Возможность отправлять данные на сервер или хранить их в концентраторе — это лишь базовая функциональность. Концентратор должен предлагать анализ данных, при котором только результаты могут быть отправлены на сервер. На основе анализа концентратор может сам выполнять некоторые задачи, например, корректировать таблицы TOU.
Поддержка нескольких серверов
Обычные концентраторы часто взаимодействуют только с одним сервером. Но у энергетических компаний есть несколько совершенно разных систем, которые могут быть напрямую подключены к концентратору. Например, биллинговые системы, системы управления, системы мониторинга и так далее.
Кроме того, поддержка нескольких серверов может быть полезна в случае поддержки нескольких коммунальных счетчиков, когда информация о потреблении электроэнергии поступает в одну компанию, информация о потреблении газа — в другую и т.д.
Крайне важна аутентификация и авторизация каждой транзакции на сервере, определяемая тем, на какие устройства будут отправляться транзакции.
События
Система оповещения о событиях с каждого устройства должна быть единой. Современные концентраторы должны позволять расширенную фильтрацию событий по их параметрам. В правилах задается «приоритет отправки события», например, через SMS, по умолчанию сохранять только в концентраторе или в капле, либо выполнять любое другое действие.
Унификация и фильтрация значительно экономит канал передачи данных и вычислительные мощности, необходимые для обработки событий на сервере.
Команды и параметризация
Опять же, очень важно иметь единый подход к параметризации всех устройств. Наиболее актуальными моделями параметризации являются SNMP, которая используется в сетях TCP-IP и предназначена в первую очередь для маршрутизаторов, шлюзов и т. д. и поэтому очень хорошо подходит для концентратора, и модель COSEM, которая используется для счетчиков энергии.
Частью концентратора должна быть база данных с информацией о параметрах поддержки в устройствах. Эта информация должна предоставляться третьим сторонам в машиночитаемом виде.
Некоторые параметры относятся к одному устройству, но хранятся на другом. Например, более высокий приоритет связи для конкретного счетчика может храниться в концентраторе. В идеале пользователь этого не замечает, и все выглядит так, как будто это было установлено в терминальном устройстве, даже если устройство перемещено под другой концентратор.
Имеются модули для связи 485 и PLC с планировщиками и разделением задач на потоки для максимального использования процессора и канала связи. Имеется модуль TCP-IP для связи с приложением для выставления счетов и управления. Также модуль управления для диагностики и конфигурирования ДК. Данные между модулями обмениваются через базу данных. Асинхронные события между модулями передаются по шине d-bus.
Преимуществом может быть возможность установить значение параметра, которое будет действовать только в определенный промежуток времени, после чего параметр вернется к предыдущему значению. Еще одним преимуществом является возможность задавать значения параметров в порядке поступления запросов, а не в порядке их поступления на концентратор.
Команды должны иметь возможность устанавливать тайм-аут по количеству попыток или времени выполнения. Разумеется, должны быть и команды управления очередью.
Расстановка приоритетов и управление коммуникациями
Большинство каналов передачи данных в интеллектуальных сетях имеют низкую пропускную способность и высокий процент ошибок, поэтому управление связью концентратора имеет решающее значение и может значительно увеличить количество получаемых полезных данных и надежность управления сетью.
В качестве примера можно привести способность прогнозировать количество данных в счетчике, коэффициент успешности связи в намеченный момент времени, важность данных в счетчике для последующей обработки и т. д.
На основе этих прогнозов концентратор может решать, какие данные с какого счетчика считывать. Управление сетью может быть приоритизировано с помощью модифицированного планировщика LLQ, одного из самых эффективных планировщиков для TCP-IP.
Безопасность
Безопасность можно разделить на аутентификацию, авторизацию и шифрование. Аутентификация и шифрование концентратора и сервера могут быть получены с помощью стандартного протокола SSL/TLS или с использованием VPN.
Авторизация должна осуществляться вручную с учетом возможности существования нескольких серверов, а также с учетом локальной диагностики и широкого спектра привилегий для техники.
Аутентификация специалистов по обслуживанию может осуществляться с помощью имени пользователя и пароля или маркера безопасности. Безопасность в сети счетчиков зависит от возможностей счетчика. Концентратор должен поддерживать большинство стандартных криптографических алгоритмов для возможной поддержки в будущем.
Связь с сервером
Между концентратором и сервером часто встречаются противоречивые требования к коммуникации. Одним из требований является удобный и стандартизированный протокол, чаще всего основанный на веб-сервисах.
С другой стороны, существует требование оптимизации передаваемых данных, причем не только из-за низкой скорости GPRS, но и из-за возможности использования PLC по крайней мере на части маршрута. Поскольку протоколы, основанные на веб-сервисах, имеют форму XML, удовлетворить оба требования нелегко.
Решением может стать использование серверного приложения, которое преобразует оптимизированный двоичный протокол в протокол на основе веб-сервисов на стороне сервера. Такое решение сохраняет простоту подключения сторонних приложений к концентратору и обеспечивает максимальную оптимизацию передаваемых данных.
Большим преимуществом будет, если концентратор может предложить коммуникационные модули для мобильного интернета, Ethernet, Wi-Fi или других интерфейсов. Внешние решения всегда дороже и могут быть не на 100% совместимы.
Управление, диагностика и конфигурирование
Качественное диагностическое программное обеспечение решает проблемные ситуации в сети и повышает коэффициент успешного считывания данных и надежность всей сети. Программное обеспечение для конфигурирования позволяет изменить поведение системы, чтобы она работала в соответствии с конкретными требованиями заказчика.
Это программное обеспечение должно быть удобным для пользователя, чтобы клиенты могли использовать его самостоятельно, не прибегая к помощи компании-поставщика. Кроме того, необходимо уделить внимание безопасности и правам доступа пользователей.
Заключение
Цель этой статьи — подчеркнуть, что концентратор данных — это не шлюз с простым функционалом, но он может оказывать существенное влияние на пропускную способность связи, сбор необходимых данных, управление сетью и безопасность.
По этой причине важно уделять больше внимания выбору этого устройства. Выбор концентратора данных влияет на общую функциональность интеллектуальной сети так же, как и выбор счетчика электроэнергии.