Embed Size (px)
Citation preview
XXII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica
SENDI 2016 - 07 a 10 de novembro
Curitiba - PR - Brasil
William Fernandes Rodrigo Mateini Agnelo Coelho Neto
LANDIS+GYR EQUIPAMENTOS DE
MEDIÇÃO LTDA.
Centrais Elétricas do Pará S/A
[email protected] [email protected]@cemar-
ma.com.br
Implementação de Rede RF Mesh IPv6 baseada em padrões abertos na Medição Centralizada
Palavras-chave
AMI
IPv6
IoT
Medição Centralizada
RF Mesh
Smart Grid
Resumo
Este trabalho apresenta os resultados de uma Prova de Conceito realizada pela Landis+Gyr com a
Concessionária de energia Celpa para avaliar a Implementação de uma Rede RF Mesh IPv6 baseada em padrões
abertos na Medição Centralizada. O Objetivo da aplicação desta rede RF Mesh é prover uma maior
disponibilidade de comunicação para a execução de comandos de corte e religamento e da realização leituras
nos dispositivos de medição centralizada em comparação com o uso de mídias de comunicação celular.
Adicionalmente, esta nova infraestrutura de comunicação possibilita conectividade para multi aplicações, como
suporte a dispositivos de automação da distribuição, iluminação pública e outros dispositivos AMI
1. Introdução
1.1 A medição centralizada
1/12
O conceito fundamental da medição centralizada é a preservação da individualização da medição do consumo de
energia adicionado à telemedição AMI (Advanced Metering Infrastructure) para possibilitar leitura remota e comandos
aos medidores, como conexão e desconexão de unidades consumidoras.
Ainda, como o há o agrupamento de sistemas de medição em um único gabinete, permite-se o compartilhamento de
partes comuns, propiciando significativa redução do espaço físico e redução no custo final por unidade consumidora.
A pobreza em algumas regiões do país leva à clandestinidade e à inadimplência no consumo de energia elétrica, com
impactos negativos relevantes às concessionárias e à população. Dentre os aspectos sócio econômicos desfavoráveis
que propiciam a inadimplência pode-se citar o crescimento urbano desordenado, a falta de saneamento, a violência e
insegurança e as invasões.
A perda de energia elétrica resultante desta clandestinidade e de ações de fraude nos medidores têm repasse às tarifas,
que acabam sendo mais caras do que precisariam. Além disso, a clandestinidade leva ao desperdício de energia, no
qual, por exemplo, geladeiras são utilizadas para refrigeração de ambientes. Desta forma, o custo da energia elétrica fica
ainda mais elevado para toda a maior parte da sociedade.
As tentativas históricas de contenção do furto de energia têm promovido uma escalada tecnológica sempre superada
pelos consumidores e com crescentes aumentos dos custos.
O primeiro passo para propiciar a redução das perdas foi retirar o medidor das residências para evitar fraudes e colocá-
lo em um único gabinete de medição chamado de Concentrador Secundário (CS). Ao remover o medidor do alcance do
consumidor, ainda se faz necessário demonstrar o consumo ao cliente, que é exibido através de um display chamado
Terminal de Leitura Individual (TLI).
A cada nova dificuldade de fraude imposta pelas concessionárias, uma nova fragilidade é explorada pelos
consumidores. Assim, o segundo passo foi realizar a blindagem parcial da rede secundária, dificultando o acesso à baixa
tensão aos fraudadores. A blindagem completa associada à medição eletrônica centralizada tem se mostrado a solução
capaz de reduzir substancialmente a perda não técnica nas regiões onde a agressividade à rede elétrica é mais
acentuada.
Os ganhos para os consumidores podem ser facilmente percebidos comparando-se a redução tarifária advinda da
redução das perdas com a elevação tarifária devida à remuneração do investimento existente.
Além da imposição da retirada do medidor de acesso aos fraudadores outro conceito que se mostra muito efetivo na
detecção das perdas é a comparação da energia fornecida pelos transformadores de distribuição com o consumo de
todas as unidades consumidoras alimentadas pelo mesmo. Esta comparação é denominada balanço energético. Para
tal, faz-se necessária a telemedição do consumo por fase de do transformador de distribuição.
Para fazer a coleta de todos os dados de medição em campo, o Concentrador Primário (CP) efetua o envio de todos os
dados dos CS e medidores de balanço para o Software de coleta e gestão de telemedição da concessionária, o
HeadEnd System (HES).
2/12
Figura 1 – A medição centralizada.
A solução SGP+M (Sistema de Gestão de Perdas e Medição), atualmente em sua terceira versão (SGP+M 3), idealizada
pela Landis+Gyr foi pioneira na medição centralizada. Desde 1994 no mercado com o SMC 9701, o produto passou por
validações conceituais e técnicas em diversos pilotos no Brasil até obter homologação junto ao Inmetro em 2005. Hoje, o
sistema da Landis+Gyr já conta com mais de 2 milhões de unidades consumidoras instaladas no Brasil e na América do
Sul. A solução SGP+M é exibida na figura abaixo.
Figura 2 – Topologia de comunicação do SGP+M 3.
A solução SGP+M é baseada em comunicação RF mesh com protocolo proprietário. Todos os dispositivos da rede (CS,
CP, TLI e Medidor de Balanço Energético E650 BE) se comunicam com o concentrador primário que envia os dados
para o HES. Inicialmente, esta comunicação entre o CP e o HES, também chamada de comunicação Backhaul, se dava
através de mídia celular (GPRS ou 3G).
Comparada com outras mídias de comunicação, a comunicação RF mesh propicia baixo custo de implantação e
3/12
facilidade de instalação em campo.
1.2 A Comunicação Backhaul do concentrador Primário
De acordo com a resolução normativa número 414 da Aneel, o reestabelecimento do fornecimento de energia de
consumidores urbanos deve se dar em até 24 horas após a baixa do débito no sistema das concessionárias de energia.
No caso do reestabelecimento em caráter emergencial este prazo é de até 4 horas.
Além do reestabelecimento de energia, dado o elevado investimento feito pelas concessionárias em todo sistema de
medição AMI, a disponibilidade de acesso de comunicação ao sistema de medição centralizada deve ser elevada.
Todo o sistema de comunicação entre CP, CS e medidores de balanço é baseado em comunicação gerido pela própria
concessionária de energia, que garante alta disponibilidade. A comunicação entre CP e o HES era baseado em
comunicação celular. Infelizmente, no Brasil, as redes de comunicação celular (GPRS, 3G e 4G) ainda não apresentam
alta disponibilidade nas regiões em que a medição centralizada de se faz necessária.
A Landis+Gyr oferece soluções de comunicação com alta disponibilidade de comunicação para a comunicação entre o
CP e o HES, também baseadas em comunicação RF mesh, para permitir total controle da disponibilidade de rede. A
solução consiste na troca da mídia de comunicação celular do CP por um rádio mesh que se comunique diretamente até
um ponto de comunicação de domínio da concessionária, em geral subestações de energia, que já possuam
infraestrutura de comunicação de alta disponibilidade, como fibra óptica.
Esta nova infraestrutura, utilizando protocolos de comunicação baseados em padrões abertos, pode possibilitar uma
nova gama de serviços multi aplicação, como suporte a dispositivos de distribuição da automação, de iluminação pública
e de outros dispositivos AMI residenciais, comerciais e industriais.
Figura 3 – Arquitetura de Comunicação AMI Multi Aplicação.
4/12
2. Desenvolvimento
2.1 A rede Mesh baseada em padrões abertos
A adoção de uma rede de comunicação baseada em padrões abertos e de uso em outros segmentos da indústria
propicia maior facilidade de integração com sistemas terceiros bem como assegura interoperabilidade com outros
sistemas em todas as camadas de comunicação. Consequentemente, a concessionária de energia assegura menores
custos de integração para uma rede multi aplicação, assegura uma melhor qualidade de serviço do sistema (QoS –
Quality of Service), menor tempo de implementação e maior segurança no tráfego de dados.
A Landis+Gyr, membro ativo dos comitês de padronização de protocolos, como Zigbee Alliance, IEEE, WiSUN, tem uma
suíte de protocolos de comunicação mesh denominada SBS (Standards Based System), baseada inteiramente em
protocolos abertos como descritos no diagrama abaixo.
Figura 4 – O Stack de comunicação SBS.
Na camada física, é utilizado o Protocolo IEEE 802.15.4g. A frequência utilizada é a na faixa de 900 MHz, não licenciada
no Brasil e regulamentada pela resolução 506 da Anatel. A modulação é a FSK (Frequency-Shift Keying) com taxa de
símbolos adaptativa de 50, 150 e 200 kbaud/s.
A camada de enlace (ou DataLink) é implementada com o Protocolo IEEE 802.15.4e. A norma possibilita tanto CSMA,
um modo de acesso ao meio probabilístico, quanto o TSCH (Time-Slotted Channel Hopping). A implementação
Landis+Gyr é baseada em TSCH, um mecanismo de acesso ao meio síncrono otimizado para aplicações de baixo
consumo, que divide o meio em slots de tempo. A precisão da sincronização da rede pode variar de milissegundos a
microssegundos, dependendo da implementação.
O TSCH tem a possibilidade de agendar slots de tempo para um determinado tipo de tráfego, permitindo integração com
a camada de rede e inserção de qualidade de serviço. Sendo uma rede síncrona, toda rede de comunicação apresenta o
mesmo padrão de salto em frequência.
Dentre as vantagens do TSCH sobre o CSMA, pode-se citar a eficiência espectral, resistência a interferência, baixa
latência (como o CSMA é probabilístico), comportamento determinístico e baixo consumo (já que o CSMA possui
elevada colisão de pacotes).
5/12
Na camada de rede, utiliza-se o RPL (comumente chamado de Ripple), IETF RFC-6550, que é um protocolo de
roteamento de pacotes para redes de baixo consumo e baixa potência de transmissão. Ele também é orientado ao IPv6
e prevê a criação de grafos de rede que norteiam o trafego de pacotes até o coletor de dados.
Como protocolo de transporte o sistema utiliza tanto o UDPv6 (não orientado a conexão) para aplicações AMI sem
garantia de entrega de pacotes como o TCPv6 (orientado a conexão) para aplicações como automação da distribuição,
nas quais a garantia da entrega dos pacotes é essencial para a integração com sistemas SCADA de mercado. O uso de
TCPv6 e UDPv6 através do IPv6 é fundamental na integração com sistemas que utilizam protocolos de mercado como
DNP3.
Toda solução de comunicação possui padrões de segurança elevados e é homologada no NIST (National Institure of
Standards and Technology – Estados Unidos). A solução de segurança é baseada em IPSec e PANA, ambos protocolos
IETF, e os algoritmos de criptografia variam em cada escopo de comunicação.
2.2 Caso de estudo: Medição Centralizada na Celpa
2.2.1 O Objetivo
A CELPA, concessionária de energia elétrica do Grupo Equatorial com atuação no estado do Pará, conta com
aproximadamente 127 mil unidades consumidoras sendo atendidas por medição centralizada Landis+Gyr, tem por
objetivo (1) definir e avaliar uma alterativa de comunicação entre CP e HES e (2) utilizar infraestrutura própria de
comunicação para não depender de operadoras de telefonia celular. Para este estudo, está sendo realizada uma Prova
de Conceito (PoC – proof of concept) utilizando a Tecnologia RF Mesh IPv6 (Gridstream SBS) da Landis+Gyr para
gerenciar 3 concentradores primários (SGP+M 3), localizados no bairro de Cidade Velha, no município de Belém.
2.2.2 O Escopo
O PoC tem que ser capaz de demonstrar a eficácia na comunicação com os endpoints em campo, mantendo efetividade
de comunicação superior à atual, baseada em GPRS. A implantação da rede deve seguir a metodologia de implantação
de rede de telecomunicações para utilities, seguindo o processo de: (a) Definição de área, (b) Site Survey, (c)
Readequação dos Dispositivos, (d) Implantação em Campo e, (e) Comissionamento.
2.2.3 A Infraestrutura de Campo
A CELPA selecionou a o bairro de Cidade Velha para realização do PoC, onde recentemente foi realizada uma
modernização da rede de distribuição, com a implantação do SGP+M, proporcionado às unidades consumidoras os
serviços de leitura, corte e religação remotos e a redução de perdas não-técnicas.
Para comunicação entre a Rede FAN (Field Area Network) e o HES foi definido o reuso da infraestrutura de
telecomunicações disponível na subestação de Reduto que é atendida por um enlace de fibra óptica, sendo instalado um
Coletor IPv6 Landis+Gyr C6500 em torre disponível na subestação.
6/12
O Design de Rede, etapa do processo de implantação da rede FAN, deve ser realizado de modo a definir a posição dos
dispositivos, roteadores RF e necessidade de realocação dos CP, mantendo a comunicação de 3 CP: CP1003, CP1010
e CP1019. Nestes concentradores devem ser substituídas as atuais mídias de comunicação baseadas em GPRS por
rádios de infraestrutura IWR (Integrated WanGate Radio) IPv6 Landis+Gyr através de protocolo UDPv6.
2.2.4 A Infraestrutura de TIC (Tecnologia da Informação e Comunicação)
Para operar a rede SBS e os dispositivos AMI em campo, deve ser disponibilizada em Curitiba a suíte de softwares da
Landis+Gyr que compõem o Command Center (HES), com Segurança Avançada. O hosting dos aplicativos será
fornecido pela Landis+Gyr em nuvem.
A comunicação entre Coletor e o NMS (Network Management Service) será realizada através de um túnel mantido
através de VPN entre a infraestrutura do Grupo Equatorial localizado em São Luis do Maranhão e o datacenter da
Landis+Gyr localizado em Curitiba.
2.2.5 A Arquitetura do PoC
A arquitetura para atender ao PoC foi concebida de modo a cumprir as seguintes premissas:
· Comunicação segura do tráfego entre dispositivos em campo e o HES;
· Segurança Avançada com aplicação de criptografia dos pacotes de rede;
· Gerenciamento da Rede SBS;
· Gerenciamento dos Dados de Medição;
· Reuso da infraestrutura de telecomunicações própria da CELPA;
· 24 leituras por dia de cada CP;
· Corte e Religação remotos.
Segue a seguir um diagrama com a arquitetura básica para atender ao PoC.
7/12
Figura 5 – Arquitetura do PoC Celpa em Belém-PA.
Figura 6 – Da esquerda para a direita: Instalação de CP com rádio IWR, Roteador Mesh e Coletor de dados em
subestação.
2.2.6 A Cobertura de Rede
Durante o Design de Rede deve ser realizado uma Análise de Buffer que simule a propagação do sinal para que a rede
estabeleça comunicação entre seus dispositivos. Este estudo estabelece algumas premissas como o raio de
comunicação de cada dispositivo, mantendo uma distância mínima entre os mesmos.
Realizado este estudo e definida a posição georreferencial de cada dispositivo (coletor, roteadores e rádios IWR),
incluindo análise espectral de sinais em campo (site survey), é possível simular a cobertura de rede disponível. Diversos
fatores são considerados, obstáculos, relevo e topografia, entre outros, incluindo o tráfego estimado de cada endpoint.
Para realização do PoC serão utilizados 1 coletor, 5 roteadores e 3 rádios IWR.
8/12
Figura 7 – Cálculo de Enlace.
Figura 8 – Análise topográfica.
2.2.7 Resultados
Para avaliação dos resultados de aplicação da tecnologia de comunicação Gridstream SBS foi utilizado o indicador de
Disponibilidade de Comunicação dos CP, que indica o percentual entre leituras realizadas e esperadas pelo HES.
Nos gráficos abaixo é possível se verificar um gráfico com a disponibilidade de comunicação por hora do CP1010 e
9/12
CP1019, respectivamente, com mídia de comunicação RF Mesh no dia 15/05/2016 com taxa de 100% de conectividade.
Figura 9 – Relatório de Conectividade para o CP1010 com RF Mesh.
Figura 10 – Relatório de Conectividade para o CP1019 com RF Mesh.
Para efeito de comparação, foram realizadas consultas em outros dois CP com mídia de comunicação GPRS na mesma
região onde está sendo realizado o PoC. No gráfico a seguir é apresentada a disponibilidade horária de comunicação
primária do CP1017 e CP1031, no dia 15/05/2016 com taxa de 70,8% e 75% de conectividade, respectivamente.
10/12
Figura 11 – Relatório de Conectividade para o CP1010 com remota celular.
Figura 12 – Relatório de Conectividade para o CP1010 com remota celular.
3. Conclusões
Após avaliações dos resultados alcançados, a troca de tecnologia da comunicação entre CP e HES para RF Mesh
mostrou-se eficaz no aumento da disponibilidade de rede e conectividade com os concentradores primários da medição
centralizada. O ganho de conectividade diário foi de aproximadamente 25%, implicando em uma maior eficácia nas
leituras de dados de faturamento e de disponibilidade para execução de comandos de corte e religação das unidades
consumidoras. Observa-se ainda que tal disponibilidade da rede RF Mesh pode indicar uma maior eficiência no processo
de arrecadação das concessionárias, de modo que o tempo de execução dos comandos durante o horário comercial
serão menores, aumentando a eficiência do religamento de energia.
Percebe-se que a disponibilidade de comunicação no caso da comunicação GPRS é em especial muito baixa nos
horários comerciais, justamente nos horários em que o religamento de urgência é solicitado. Por outro lado, uma taxa de
disponibilidade alta significa obter informações de campo com maior frequência, o que pode auxiliar a concessionária na
11/12
tomada de decisão através da recepção de alarmes, sobretudo em um sistema de medição centralizada, no qual pode
haver tentativa de violação sem autorização nos concentradores secundários.
A escolha da CELPA no uso de uma rede de comunicação baseada em protocolos abertos propiciou maior agilidade e
menores custos de integração com o sistema comercial. Ademais, por utilizar o protocolo IPv6 a infraestrutura de
comunicação disponível está preparada para suportar uma gama de dispositivos de rede para permitir a IoT (Internet of
Things), incluindo no futuro equipamentos de automação residencial capazes de administrar uma nova camada de
aplicação nas unidades consumidoras.
Adicionalmente esta infraestrutura de comunicação provê conectividade para multi aplicações, suportando demais
aplicações de uma distribuidora de energia elétrica. Pode-se citar a aplicação em dispositivos de automação da
distribuição, iluminação pública e outros dispositivos AMI residenciais, comerciais e industriais. Esta mesma tecnologia
está preparada para gerenciar demais dispositivos de medição e automação em outros setores como água e gás (multi-
utility), compartilhando a mesma infraestrutura de comunicação e TI. A Landis+Gyr possui diversos cases ao redor do
mundo de compartilhamento da infraestrutura de comunicação em cenários multi-utility.
Esta prova de conceito abordou ainda a possibilidade de hospedagem das aplicações em nuvem (could computing).
Esta modalidade de serviço proporciona escalabilidade e a alocação de CAPEX em outros projetos da companhia. A
flexibilização com alocação sob demanda de recursos dos servidores também proporcionou agilidade na
operacionalização do PoC.
4. Referências bibliográficas
• IEEE Std 802.15.4g-2012. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks – Part 15.4: Low-Rate
Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs). Amendment 3: Physical Layer (PHY) Specifications for Low-
Data-Rate, Wireless, Smart Metering Utility Networks. April 2012.
http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4g-2012.pdf
• IEEE Std 802.15.4e-2012. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks – Part 15.4: Low-Rate
Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs). Amendment 3: MAC sublayer Specifications for Low-Data-Rate,
Wireless, Smart Metering Utility Networks. April 2012.
http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4e-2012.pdf
• RPL: IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks - https://tools.ietf.org/html/rfc6550
• Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification - https://tools.ietf.org/html/rfc2460
• Condições gerais de fornecimento de energia elétrica - Resolução Normativa 414 da Aneel
• Portarias Inmetro n° 371/2007 e n° 586/2012
• Regulamentação 506 Anatel
• Protocol for Carrying Authentication for Network Access (PANA) https://tools.ietf.org/html/rfc5191
• Security Architecture for the Internet Protocol – IPSec https://tools.ietf.org/html/rfc4301
_________________________________________
12/12
