Концентраторы данных. Ядро управления энергией и данными.

Пунийя Пракаш (Punya Prakash)

По состоянию на август 2012 года в СШA было установлено почти 36 млн интеллектуальных счётчиков. В Европейском Союзе интеллектуальные счётчики продолжают устанавливаться с целью соблюдения предписания о том, что к 2020 году эта технология должна использоваться в 80% домовладений. Технические и экономические проблемы, возникающие в случае, если каждый счётчик напрямую связывается с серверами коммунальных служб, делают это решение непрактичным. При наличии большой базы установок необходимо организовывать инфраструктуру автоматического измерения (ИАИ). Система автоматического снятия показаний счётчиков (АСПС) обеспечит беспрепятственную передачу данных показаний счётчиков в центральную биллинговую систему. Помимо сбора информации об использовании энергии для расчёта оплаты, поставщики коммунальных услуг могут настроить ИАИ на устранение проблем и анализ любых сбоев сети приборов учёта.

Концентраторы данных являются критически важным узлом ИАИ; эти агрегаторы подключаются к нескольким приборам учёта и к центральному серверу коммунальных служб. Это упрощает обмен данными между приборами учёта и поставщиком коммунальных услуг. Концентраторы данных, установленные в нескольких точках инфраструктуры, безопасно собирают данные с нескольких счётчиков и передают информацию на центральные серверы коммунальных служб.

В статье мы обсудим ИАИ интеллектуальной энергосистемы, делая упор на концентраторах данных. Мы обозначим роль, которую играют процессоры Sitara™ от корпорации Texas Instruments в упрощении интеллектуальной автоматизации элементов ИАИ, на примере комплексного эталонного решения для системы. Портфолио масштабируемых процессоров от TI даёт возможность создать платформенное решение, которое можно настраивать в соответствии с потребностями концентраторов данных.

Концентратор данных

Продвижения в сфере технологий интеллектуальных энергосистем были перенесены в энергетическую отрасль. С помощью развитой инфраструктуры можно обеспечить двунаправленный поток энергии и данных (рисунок 1). Основой оптимизации сложных сетей интеллектуальных систем является автоматизация их центральных элементов.

 Инфраструктура интеллектуальной энергосистемы

Рисунок 1. Инфраструктура интеллектуальной энергосистемы, демонстрирующая двунаправленный поток энергии и данных

ИАИ включает интеллектуальные измерительные приборы, которые записывают энергопотребление через регулярные промежутки времени, предоставляя данные поставщику коммунальных услуг. Частота такого обмена данными варьируется от 1 часа до передачи в реальном времени со встроенной двусторонней структурой связи. Такие системы могут записывать и передавать информацию на текущий момент времени. Записанные данные предоставляют больше информации по нагрузке различных конечных точек, активно потребляющих энергию.

 Стандартная сеть концентратора данных

Рисунок 2. Стандартная сеть концентратора данных

Концентратор данных является центральным элементом управления энергией и данными в ИАИ. Он предоставляет технологию измерения и сбора данных об использовании электроэнергии. Концентратор также можно запрограммировать на анализ и передачу данных в центральную базу данных коммунальных служб. Поставщики коммунальных услуг могут использовать эту информацию не только для целей формирования счетов, но также для совершенствования работы с клиентами, такой как анализ энергопотребления в реальном времени и отправка информации о потреблении. Также доступны дополнительные преимущества, оптимизирующие текущие расходы, такие как обнаружение сбоев и предварительный анализ.

 Функциональная блок-схема концентратора данных

Рисунок 3. Функциональная блок-схема концентратора данных

Существует два вида сетей, подключающихся к концентраторам данных:

  1. NAN. Местная сеть.
  2. WAN. Глобальная сеть.

Концентраторы данных обмениваются информацией по электрическим сетям, собирая информацию с нескольких счётчиков. Кроме того, их достоинства включают:

  • Интеллектуальный учёт — мгновенное считывание, профиль нагрузки, информация по счёту и удалённое управление.
  • Учёт материальных средств — даёт коммунальным службам возможность контроля над собственными ресурсами.
  • Оптимизация работы сети — отображение топологии, управление эффективностью и замеры в режиме реального времени.

Сегодня на рынке ИАИ существует несколько проблем, связанных с использованием концентраторов данных.

Несколько стандартов связи

Системы счётчиков в различных регионах поддерживают разные стандарты связи. Помимо новых протоколов, при разработке платформенного решения необходимо также учитывать более ранние интерфейсы связи, основанные на RS-485. Ключевым свойством масштабируемой платформы концентраторов является полная совместимость со счётчиками и внутренними интерфейсами систем управления от различных поставщиков, реализующая совместимую технологию, обеспечивающую работу оборудования от различных производителей.

Инфраструктура ПО

Для использования нескольких стандартов связи в одной системе необходимо иметь отказоустойчивую программную платформу. В идеале, совместно с аттестованным ПО производители имеют возможность разрабатывать приложения, помогающие настраивать их системы. Приложения интеллектуальной энергосистемы, такие как корректировка недопоставки электроэнергии, можно разрабатывать, пользуясь преимуществами данной продвинутой технологии.

По мере внедрения интеллектуальных приборов учёта изобилие информации по энергопотреблению может использоваться коммунальными службами для повышения качества обслуживания клиентов. Такой сбор информации требует решений по управлению данными и энергией. Повышение уровня управления данными и сетевой безопасности поможет коммунальным службам внедрить приложения, предоставляющие потребителям более подробную информацию об их энергопотреблении.

Одобрение в полевых условиях

Испытания и подтверждение данной технологии в реальных условиях занимают значительное время. Использование технологии, проверенной в полевых условиях, снизит риск, значительно сократив срок её вывода на рынок. Такие установки на открытом воздухе требуют разработки систем с высоким уровнем интеграции для работы в неблагоприятных условиях окружающей среды.

Системное решение от Tl

Модули оценки (МО) концентратора данных на базе процессоров серии Sitara AM335x от TI решают некоторые из этих проблем. Благодаря доказанной отказоустойчивости аппаратной и программной частей, эти системные решения значительно снижают срок вывода на рынок.

В зависимости от требований системы TI предлагает варианты МО концентратора данных с различной производительностью, стоимостью и интерфейсами связи. Новейший МО Sitara TMDSDC3359 на базе процессора AM335x предоставляет более высокий уровень сетевых возможностей. Процессор AM335x с широкими возможностями масштабирования обеспечивает расширенные варианты проводного и беспроводного подключения с использованием гибких периферийных устройств. Этот повыводно совместимый процессор с частотой от 300 МГц до 1 ГГц обеспечивает гибкость добавления новых элементов в систему.

 МО концентратора данных от корпорации Texas Instruments

Рисунок 4. МО концентратора данных от корпорации Texas Instruments

Режим связи, используемый системой, сильно зависит от инфраструктуры электрической сети. Устройство концентратора данных может быть оборудовано устройством проводной или беспроводной связи. Проводная связь на основе передачи данных по электрическим сетям (PLC) отвоёвывает всё большую долю рынка, в то время как системы на базе последовательного интерфейса или Ethernet продолжают стабильно расти. Беспроводные системы в основном строятся на базе маломощных радиопередатчиков (протокол IEEE 802.15.4g).

Данные могут передаваться с концентратора на серверы коммунальных служб по Ethernet, GSM, GPRS, WiMAX или другим сетям связи. Процессор Sitara от TI с поддержкой памяти DDR2/3, встроенным Gbit-Ethernet, CAN, MMC/SD, USB и наличием до восьми универсальных асинхронных интерфейсов UART поддерживает различные интерфейсы передачи данных, включая RS-232, RS-485, модули инфракрасной и беспроводной связи.

Системное решение от Texas Instruments на базе Linux™ обеспечивает:

  • Весь спектр ПО протокола физического и MAC-уровня для передачи данных по электрическим сетям (G3, PRIME, IEEE-1901.2).
  • Сетевые протоколы IPV4 / IPV6 / 6LowPAN.
  • Приложения DLMS/COSEM от сторонних разработчиков Aricent.

 Стек корневого узла G3-PLC от Texas Instruments

Рисунок 5. Стек корневого узла G3-PLC от Texas Instruments

Новый МО интеллектуального концентратора данных подчёркивает простоту использования широкого портфолио соответствующих аналоговых устройств корпорации TI. Как полное системное решение TI, оценочный модуль TMDSDC3359 содержит более 20 аналоговых компонентов из портфолио TI по управлению питанием, интерфейсам, изоляции и логике, что упрощает разработку интеллектуальных энергосистем с помощью процессоров, микроконтроллеров и решений TI с данными аналоговыми продуктами.

 Стек корневого узла PRIME от Texas Instruments

Рисунок 6. Стек корневого узла PRIME от Texas Instruments

Эталонное решение также включает демо-версии приложений, таких как DLMS/COSEM, которые помогают разработчикам оценить систему и, возможно, использовать их в конечном продукте. Этот основной программный коммуникационный стек, протестированный в системе, позволяет разработчикам настраивать конструкцию решения концентратора данных и быстрее выпускать его на рынок.

Ключевые особенности и преимущества модуля оценки интеллектуального концентратора данных:

  • Построен на базе процессора Sitara AM3359 от TI, обеспечивающего необходимую производительность для воплощения сложных алгоритмов маршрутизации в концентраторе данных. Это позволяет системе подключаться более чем к 2000 счётчиков.
  • Реализация на процессоре Sitara AM335x или альтернативном микроконтроллере (МК) Tiva™ ARM® серии C даёт разработчику более широкий спектр производительности (от 80 МГц до 1 ГГц) и различный ценовой диапазон.
  • Включает новейшее программное и аппаратное обеспечение, которое снижает время разработки на срок до 9 месяцев, при этом поддерживая быстрое подключение более чем к 2000 интеллектуальных счётчиков.
  • Встроенные интерфейсы связи, включающие два порта Ethernet (MAC), USB и до восьми асинхронных интерфейсов UART — для быстрого и лёгкого подключения к другим системам интеллектуальной энергосистемы.
  • Доступен с несколькими стеками передачи данных по электрическим сетям для уровней MAC и PHY, что позволяет разработчикам создавать решения, поддерживающие стандарты PLC-Lite, PRIME, G3 и IEEE-P1901.2.
  • Стандарт приложений DLMS/COSEM, поддерживаемый сторонним разработчиком Aricent, предопределяет то, каким образом концентратор данных организует метрологические данные и отправляет их в коммунальную службу.

Заключение

Концентратор данных — сердце системы ИАИ, он повышает общий уровень управления энергией и данными интеллектуальной энергосистемы. Эти системы предоставляют средства сбора информации о расходовании электроэнергии и её передаче обратно на центральный сервер коммунальной службы. Коммунальные службы могут использовать эти данные и предоставлять более подробную информацию об использовании электроэнергии своим конечным потребителям, повышая качество предоставляемых услуг. С применением таких интеллектуальных систем эффективность интеллектуальной энергосистемы также можно повысить с помощью исчерпывающей информации по формированию счетов, а также обнаружения сбоев в интеллектуальной энергосистеме.

Модуль оценки концентратора данных от корпорации TI на базе процессора Sitara значительно снижает время вывода продукта на рынок с помощью полноценного системного решения. Благодаря системному решению, проверенному в полевых условиях, а также поддержке большого числа стандартов связи интеллектуальной энергосистемы он решает основные проблемы современного рынка концентраторов данных. С решением от TI время разработки таких систем значительно снижается, ускоряя время их вывода на рынок.

Для получения более подробной информации о модуле оценки концентратора данных посетите сайт: www.ti.com/dsp-arm-datacon-wp-sw.

Для получения более подробной информации о процессорах Sitara AM335x посетите сайт: www.ti.com/dsp-arm-datacon-wp-lp