Радиосети сбора данных и управления для автоматизированных систем управления в энергетике

Сергей МАРГАРЯН,
заместитель генерального директора по информационным технологиям и специальным проектам,
главный конструктор НПП «Родник»

Окончание в № 1(36).

В предыдущем номере журнала в статье Андрея Клименко «Оптимизация интеллектуальных электроэнергетических систем» затрагивалась тема беспроводных технологий для передачи данных в энергетике. Сегодня многие интеграторы для сбора данных и управления АСУ в энергетике предлагают в качестве альтернативы созданию своих собственных технологических сетей передачи данных (ТРОД) использовать имеющиеся беспроводные сети операторов (радиосети общественного пользования - РОП), построенные на базе технологий GSM, GPRS и др. Якобы преимущества РОП базируются на небольших капитальных вложениях и простоте внедрения. На первый взгляд, все выглядит довольно привлекательно, но если провести более глубокий сравнительный анализ, то явный и достаточно значительный перевес будет не в пользу использования радиосетей общественного пользования.

Топливная энергетика и электроэнергетика являются одними из самых крупных пользователей радиосетей сбора данных и управления (обмена данными), что обусловлено особенностями обеспечиваемых такими радиосетями технологических процессов и характеристиками объектов автоматизации. Это связано с тем, что основные технологические процессы в энергетике относятся к страте­гически важным, причем собираемые информационно-измерительными комплексами данные должны поступать на верхний уровень с заданной задержкой, а управляющие воздействия осуществляться в регламентированные сроки. К тому же значительная часть объектов распределена на большой территории, что делает использование проводных средств связи технически и экономически нецелесообразным, или находится в таких местах, где сложно или невозможно проложить проводные коммуникации. Энергетика является потенциально опасным производством, на котором периодически возникают аварии и сбои, ликвидация которых требует наличия надежной связи, функционирующей в любых условиях и режимах. В связи с этим именно в энергетике широко применяются автоматизированные системы управления (АСУ) различного назначения (АСДУ - автоматизированные системы диспетчерского управления, АСКУЭ - автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии, АСТУЭ - автоматизированные системы технического учета электроэнергии, АСУ ТП - автоматизированные системы управления технологическими процессами). Типовая АСУ включает в себя три функциональных уровня:

• нижний уровень (программно-технические средства, устанавливаемые на контролируемых объектах энергетики, реализующие функции генерации данных от средств объективного контроля и исполнения получаемых с верхнего уровня системы управляющих сигналов и команд);
• промежуточный уровень (средства связи и обмена данными, устанавливаемые на контролируемых объектах, а также в стационарных и подвижных пунктах управления и реализующие функции обмена информацией между нижним и верхним уровнями системы);
• верхний уровень (программно-технические средства, устанавливаемые в стационарных и подвижных пунктах управления, реализующие функции сбора данных от средств объективного контроля и формирования управляющих сигналов и команд на основе анализа полученных с нижнего уровня данных).

В настоящей статье рассматриваются вопросы, связанные с реализацией промежуточного уровня типовой АСУ для топливной энергетики и электроэнергетики, - радиосети сбора данных и управления. 1. Требования к радиосетям сбора данных и управления АСУ в энергетике Энергетическая система должна надежно функционировать в обычной обстановке, в чрезвычайных ситуациях, в угрожаемый или особый период. Поэтому обеспечивающие работу АСУ радиосети обмена данными должны создаваться с учетом условий работы в любой обстановке и обладать соответствующим уровнем надежности¹⁾ и живучести²⁾. Радиосеть обмена данными позволяет реализовать следующие функциональные возможности АСУ:

• мониторинг протекания технологических процессов (автоматический сбор объективной информации о технических и производственных параметрах, включая учет электроэнергии);
• диспетчерское³⁾ и оперативное⁴⁾ управление объектами энергетики (передачу управляющих сигналов и команд в направлении «диспетчер -контролируемый объект», а также подтверждений о получении управляющих сигналов и докладов о выполнении команд в направлении «контролируемый объект - диспетчер»).

В зависимости от назначения АСУ может обеспечивать выполнение всех или части вышеперечисленных функций, при этом функции мониторинга являются общими и обязательными для всех систем. В связи с вышеизложенным к радиосетям сбора данных и управления АСУ в энергетике предъявляются следующие основные оперативно-технические требования:

1. Функционирование радиосети во всей оперативной зоне.
2. Высокая надежность и живучесть радиосети.
3. Оперативный и своевременный доступ к ресурсам радиосети.
4. Минимальные и предсказуемые задержки в доставке информации.
5. Достаточная пропускная способность для полномасштабного функционирования всех приложений АСУ.
6. Безопасность циркулирующей в радиосети информации.
7. Контроль и регулирование использования ресурсов радиосети в различной обстановке.
8. Возможность функционирования в жестких условиях.
9. Простота эксплуатации.
10. Совместимость с разнородным оборудованием сбора и обработки данных по типовым и нестандартным интерфейсам.
11. Низкая стоимость эксплуатации.
12. Простота перемещения и оперативность развертывания в новом районе.

Приведенные выше требования могут иметь различный приоритет при создании радиосетей сбора данных и управления различного назначения и ведомственной принадлежности, но в целом должны учитываться при создании любой радиосети. В настоящее время в автоматизированных системах управления в энергетике применяются различные радиосети обмена данными, которые по назначению разделяются на две основные группы⁵⁾:

• радиосеть общего пользования (англ. public network) предназначена для возмездного оказания услуг электросвязи любому пользователю услугами связи и включает в себя сети электросвязи, определяемые географически в пределах обслуживаемой территории и ресурса нумерации и не определяемые географически в пределах территории страны и ресурса нумерации, а также сети связи, определяемые по технологии реализации оказания услуг связи.
• технологическая радиосеть, ранее ведомственная или корпоративная (англ. private network) предназначена для обеспечения производственной деятельности организаций, управления технологическими процессами в производстве. Технологии и средства связи, применяемые для создания технологических сетей связи, а также принципы их построения устанавливаются собственниками или иными владельцами этих сетей.

К первой группе относятся радиосети, доступ к которым предоставляется владельцем радиосети для всех желающих пользователей, ко второй - радиосети, в которых работают только пользователи владельца сети. Радиосети обеих групп могут строиться с применением одинаковых технологий, однако назначение радиосети принципиально определяет ее возможности при обслуживании работы АСУ. Радиосети общего пользования включают в себя сети сотовой связи различных стандартов, сети операторов профессиональной мобильной связи диапазона ультракоротких волн (УКВ) - обычно транковые радиосети - и широкополосные сети связи и передачи данных сверхвысокой частоты (СВЧ), включая наземные и спутниковые. Технологические радиосети включают в себя сети профессиональной мобильной связи УКВ-диапазона (транковые⁶⁾ и конвенциональные⁷) и широкополосные сети передачи данных сверхвысокой частоты (СВЧ), включая наземные и спутниковые. Ниже рассматриваются вопросы, связанные с созданием и эксплуатацией только конвенциональных радиосетей обмена данными УКВ диапазона, как наиболее широко распространенных и применяемых для создания АСУ в энергетике.  

---

¹ Надежность (англ. reliability) - свойство системы сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания и транспортирования [ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения»]. ² Живучесть (англ. survivability) - свойство системы, характеризуемое способностью выполнять установленный объем функций в условиях воздействий внешней среды и отказов компонентов системы в заданных пределах [ГОСТ 34.003-90 «Автоматизированные системы. Термины и определения»]. ³ Диспетчерское управление - организация управления процессом, при котором технологические режимы работы или эксплуатационное состояние находящихся под контролем объектов изменяются только по оперативной команде диспетчера. ⁴ Оперативное управление - управление текущими событиями; совокупность мер, позволяющих воздействовать на конкретные отклонения от установленных заданий. Оперативное управление подразделяется на оперативное планирование, оперативный учет и оперативный контроль. ⁵ Федеральный закон «О связи» от 07.07.2003 № 126-ФЗ. ⁶ Многоканальная радиосеть с автоматическим предоставлением доступа к каналу, в которой ограниченное число каналов используется всеми пользователями. Свободный канал выделяется абоненту только на время сеанса связи. ⁷ Радиосеть с ручным предоставлением доступа к каналу, в которой канал выбирается пользователем и закрепляется за ним на весь период работы.  

---

2. Сравнительные характеристики обмена данными радиосетей общего пользования и технологических радиосетей 2.1. Возможности радиосетей общего пользования по обмену данными для обеспечения работы АСУ в энергетике Анализ представленных в таблице 1 данных позволяет сделать вывод о том, что по оперативно техническим параметрам радиосети общего пользования могут использоваться для создания только систем мониторинга и не в состоянии в полном объеме выполнить требования, предъявляемые к современным АСУ в энергетике. Они принципиально не могут применяться для обеспечения работы ответственных АСУ, связанных с управлением устройствами телемеханики, а также диспетчерским управлением в электроэнергетике, которые предъявляют повышенные требования к надежности функционирования радиосети и срокам доставки информации. Следует отметить, что в настоящее время развернуто значительное количество комплексов мониторинга и сбора данных на базе радиосетей общего пользования, в первую очередь, сетей сотовой связи. Создание таких сетей, на первый взгляд, кажется весьма эффективным и несложным решением, поскольку одна из наиболее серьезных задач в рамках такого комплекса - доставка данных между пунктом управления и контролируемым пунктом - выполняется через имеющуюся радиосеть, развернутую и сопровождаемую за счет средств компаний операторов сотовой связи. Серьезными преимуществами таких комплексов являются оперативность развертывания и относительно невысокие начальные финансовые затраты. Однако на этом преимущества заканчиваются. Использование сети сотовой связи для обеспечения работы автоматизированной системы диспетчерского управления любого назначения является для компании-оператора «непрофильной» услугой. В соответствии с действующими тарифными планами оплата услуг по передаче данных по каналам сотовой связи, например, по каналам пакетной радиосвязи общего пользования GPRS⁸⁾, производится по объему переданной информации. Объем данных, генерируемых АСУ в энергетике, оказывается крайне малым. Например, 1000 контролируемых пунктов, ежеминутно передающих данные о состоянии технологического процесса, в течение 24 часов работы передают в сеть около 17 Мб данных (12 байт х 1000 КП х 60 сеансов х 24 часа = 17 280 000 байт), что при стоимости 0,25 доллара за мегабайт⁹⁾ составляет около $4,25 в сутки, или $1551 в год ($1,55 на один КП в год - практически бесплатно). Таким образом, обслуживание автоматизированной системы управления по действующим тарифам оказывается для оператора системы сотовой связи финансово необоснованным. Функционирование АСУ имеет свои особенности, обусловленные необходимостью оперативной передачи большого количества сообщений очень малого объема. Такой характер потока данных накладывает дополнительную нагрузку на радиосеть обмена данными общего пользования, по которой, в основном, передаются относительно длинные сообщения (электронная почта, информация из информационной сети Интернет, мультимедиа данные). Существующие и перспективные радиосети общего пользования оптимизированы для передачи именно таких сообщений. Учитывая, что при работе АСУ основное время при доступе к каналу связи затрачивается на выполнение процедур связи, а собственно информационный поток оказывается мизерным, она оказывается «инородной» для радиосети общего пользования. АСУ потребляет ресурсы, неадекватные потребностям «обычных» пользователей без генерации потока данных, который может окупить эти ресурсы. В связи с тем, что оплата работы АСУ по действующим тарифам является неприемлемой для компании-оператора, существующие системы обслуживаются по специальным тарифам, размер которых для различных регионов и операторов составляет не менее 8$ в месяц¹⁰⁾. В принципе он должен быть максимально приближен к среднему по отрасли размеру ARPU¹¹⁾ и изменяться вместе с ним¹²⁾, а в идеале - превышать размер среднего ARPU, поскольку функционирование АСУ связано с дополнительной нагрузкой на сеть оператора и более высокими, по сравнению с другими пользователями, накладными расходами. В результате относительно невысокие затраты пользователя на этапе подключения к радиосети общего пользования «компенсируются» на этапе ее эксплуатации, который, по мировому опыту, должен составлять не менее 12 лет. Например, ежегодная стоимость оплаты услуг связи функционирующего на базе сети сотовой связи комплекса мониторинга на 1000 КП составит не менее: $14,2 х Ю00 КП х 12 месяцев = $172400, или более $2 млн. за двенадцать лет. Как правило, финансовые средства на оплату услуг связи в интересах обеспечения функционирования АСУ выделяются из бюджета энергетической компании, предназначенного на совершенствование инфраструктуры. В случае использования сотовой связи основная часть финансовых средств на ее создание используется на оплату услуг сотовой связи. Выделяемые на создание АСУ средства на практике вместо их целевого использования на развитие собственной инфраструктуры связи идут на оплату услуг сторонних организаций. В результате энергетическая компания получает доступ к возможности реализации ограниченного набора функций мониторинга, но лишается собственной системы связи, которая является незаменимой и обязательной в чрезвычайных ситуациях, в угрожаемый или особый период.  

---

⁸ GPRS (англ. General Packet Radio Servic - пакетная радиосвязь общего пользования) - надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных, GPRS позволяет пользователю сети сотовой связи производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Интернет. GPRS предполагает тарификацию по объему переданной/полученной информации, а не по времени подключения. ⁹ Тарифы на передачу данных могут отличаться в зависимости от региона и компании-оператора. ¹⁰ В зависимости от региона и оператора сети сотовой связи эта цифра может быть в несколько раз выше. ¹¹ ARPU (англ. Average revenue per user - средняя выручка на одного пользователя) - показатель, используемый телекоммуникационными компаниями и означающий среднюю выручку (обычно за месяц) в расчете на одного абонента. Также данный показатель используется и другими ориентированными на потребителя телекоммуникационными (в частности, интернет-провайдерами) ГГ-компаниями и др. ¹² По оценкам экспертов, средний ARPU сотовых компаний составляет $14,2 и в ближайшем будущем вырастет до $17,00.  

---

Основные затраты по проекту создания и эксплуатации АСУ в энергетике в случае использования сети сотовой связи распределяются на весь период эксплуатации и не поддаются реальной оценке на этапе ее проектирования и развертывания. Поскольку стоимость услуг связи может меняться в значительных пределах в зависимости от объемов трафика и тарифов, которые определяются сотовым оператором исходя из рыночной ситуации, ежегодные объемы финансирования эксплуатации АСУ оказываются слабо предсказуемыми. Часто изменение тарифов (обычно в сторону увеличения) происходит после утверждения годового бюджета энергетической компании, а сотовый оператор имеет возможность манипулировать тарифом для удовлетворения естественного стремления увеличения прибыльности собственного бизнеса (ARPU). Такие манипуляции, практически, не могут контролироваться руководством энергетической компании. В результате финансовое обеспечение эксплуатации АСУ постоянно находится под угрозой срыва, а нагрузка на бюджет в конечном итоге оказывается достаточно высокой. В случае использования сотовой сети связи возможности АСУ ставятся в прямую зависимость от планов оператора по развитию собственной сети - АСУ в энергетике будет работать только там, где имеется сотовая связь. Между тем очень часто у энергетической компании возникают потребности в расширении АСУ, например, на новые районы городской застройки, в которых плотность населения еще не достигла уровня, который оператор сотовой связи считает достаточным для развертывания собственных средств. Функционирование АСУ полностью подчиняется планам оператора сотовой связи по поддержанию собственной инфраструктуры в работоспособном состоянии. Плановые и внеочередные отключения базового оборудования для проведения технического обслуживания и ремонта проводятся оператором сотовой связи без уведомления пользователей и тем более без согласования с ними графика проведения работ. В результате в период проведения регламентных работ на аппаратуре оператора сотовой связи полностью работоспособная АСУ будет простаивать по причине отсутствия связи. Зависимость АСУ в энергетике от сотовой сети связи создает реальную угрозу безопасности населения города. Общеизвестно, что в кризисных ситуациях и в особый период нагрузки на системы связи многократно возрастают, и их работа существенно осложняется (в первую очередь это касается сотовой связи). В результате работа АСУ становится невозможной именно в тот период, когда она жизненно необходима. Аналогичная ситуация складывается и в повседневной обстановке, например, при проведении массовых мероприятий: в местах значительного скопления людей, использующих сотовую связь, многократно увеличивается нагрузка на базовые станции, обслуживающие район скопления, что приводит к неминуемым отказам в доступе и сбоям в работе сотовой связи. Предпринимаемые операторами сотовой связи усилия по предотвращению таких ситуаций, например, за счет временного развертывания в зоне дополнительных мобильных базовых станций, оказываются недостаточно эффективными в связи с организационными трудностями, невозможностью во многих случаях точного предсказания места возникновения и масштабов кризисных ситуаций, а также объективно ограниченных технических возможностей операторов по локализации таких ситуаций. На практике существующие технологии сотовой связи, например, GPRS/EDGE, не в состоянии в полном объеме обеспечить выполнение требований, предъявляемых современной АСУ в энергетике, в том числе, в части: Непрерывности связи. Основной причиной, по которой радиосети общего пользования не рекомендуется использовать для обеспечения работы АСУ, является непредсказуемость их функционирования. Работа радиосети сотовой связи в значительной степени зависит от текущей нагрузки (количества одновременно работающих абонентов). Изменения этой нагрузки предсказать очень сложно, поэтому даже в самых современных сетях сотовых операторов возможны отказы от обслуживания и задержки в предоставлении доступа к сети. Передача данных в режимах GPRS/EDGE для операторов сотовой связи является второстепенной, поэтому даже при незначительном возрастании голосового трафика выделяемые для обслуживания обмена данными ресурсы сотовой сети могут сокращаться; Надежности связи. В связи с технологическими особенностями организации связи в радиосетях сотовой связи второго поколения (2G, к этому поколению относятся все основные существующие сети операторов сотовой связи) невозможна гарантированная доставка отправленных сообщений. Доступ к радиосети в режимах GPRS/EDGE в процессе работы АСУ может периодически пропадать. Эта ситуация не изменится и после появления сетей связи третьего поколения (3G), поскольку наряду с возрастанием скорости обмена и общей пропускной способности этих радиосетей пропорционально возрастет и нагрузка на них за счет обмена мультимедийной информацией (MMS, интерактивное телевидение, скоростной доступ в Интернет и т.п.); Оперативности связи. Использование коротких сообщений SMS не гарантирует своевременную доставку информации для ее обработки вычислительным комплексом АСУ В этом случае автоматизация части функций АСУ, связанных с выполняемыми в реальном масштабе времени расчетами, становится принципиально невозможной, поскольку выполнение всех этих функций обусловлено необходимостью получения полной информации в масштабе времени, близком к реальному; Продолжительности срока эксплуатации. Технологии сотовой связи бурно развиваются. Например, в настоящее время практически все операторы сотовой связи в Российской Федерации ведут активные работы по развертыванию радиосетей сотовой связи третьего поколения (3G), а за рубежом уже созданы экспериментальные сети четвертого поколения (4G). С внедрением новых технологий перед владельцами АСУ встает необходимость полной модернизации собственных систем. Таким образом, в течение назначенного срока эксплуатации АСУ ее владельцу приходится несколько раз модернизировать оборудование обмена данными, подстраиваясь под оператора сети связи. В связи с тем, что развертывание новых сетей связано с крупными финансовыми затратами, а их технические возможности существенно шире, операторы сотовой связи имеют все объективные основания для изменения тарифов в сторону их увеличения, что негативно сказывается на эксплуатации созданной АСУ. Радиосети обмена в сотовых сетях строятся на GPRS-модемах, которые создаются на базе GSM-модулей, выпускаемых небольшой группой производителей. Эти модемы оптимизированы для подключения к информационной сети Интернет, однако обеспечение работы АСУ в энергетике предъявляет к этим устройствам совершенно иные требования, которые включают в себя:

• необходимость поддержки основных сервисов сотовой сети: GPRS/EDGE, CSD и SMS;
• наличие интерфейсов подключения к оборудованию контролируемых пунктов: RS-232, RS-485, Ethernet;
• конструктивное исполнение, обеспечивающее монтаж на DIN-рейку;
• возможность эксплуатации в жестких условиях;
• поддержка работы в необслуживаемом режиме;
• оперативное автоматическое восстановление соединения;
• автоматический переход в рабочий режим после сбоев и аварий;
• дистанционный мониторинг технического состояния и удаленная подстройка рабочих параметров;
• высокая надежность и живучесть;
• малое время доступа к каналу связи;
• гарантированная доставка сообщений в установленные сроки

В настоящее время ни один из известных GPRS-модемов не обеспе­чивает выполнения всех этих требований, а выполнение отдельных из них приводит к усложнению сети с соответствующим снижением ее надежности и увеличением затрат на ее создание и эксплуатацию. Развертывание сетей обмена данными на GPRS-модемах сопряжено с рядом серьезных и не всегда преодолимых на практике технических ограничении, к которым относятся:

• установка должна производиться в точках, где имеется электромагнитная доступность минимум к двум базовым станциям сотовой сети;
• использование двух SIM-карт для одновременного подключения к сетям различных сотовых операторов;
• обеспечение уверенного приема сигнала (малая выходная мощность радиомодема не позволяет монтировать антенну на значительном удалении от модема, в точке с наиболее подходящими параметрами для приема сигнала базовой станции);
• автоматический контроль баланса счета обеих SIM-карт и оповещение в случае его снижения до заданного уровня

Таким образом, сети обмена данными общего пользования имеют ограниченные возможности по обеспечению функционирования АСУ в энергетике. 2.2. Возможности технологических радиосетей по обмену данными для обеспечения работы АСУ в энергетике Технологические радиосети создаются на оборудовании и с использованием технических решений, изначально предназначенных для реализации специфических задач, связанных с удаленным автоматизированным (а в некоторых случаях - автоматическим) управлением и сбором данных, с учетом особенностей их функционирования и предъявляемых к ним оперативно-технических требований. Поскольку реализовать с одинаковой степенью эффективности все требования к АСУ в энерге­тике в рамках одного типа оборудования или одного, даже самого совершенного на сегодняшний день технического решения, невозможно, перед владельцем и пользователем системы всегда встает необходимость выбора. Выбор технического решения производится с учетом реальных задач, решаемых в рамках создаваемой автоматизированной системы оперативно-диспетчерского управления. Область применения технологических радиосетей обмена данными в АСУ в энергетике определяется следующими основными оперативно-техническими возможностями и преимуществами:

• гарантированная надежность работы (радиосеть создается и управляется ее владельцем с учетом его персональных требований к надежности функционирования);
• высокая живучесть радиосети в различной обстановке (требование к живучести закладывается на этапе проектирования радиосети ее владельцем и, как правило, оказывается выше, чем в радиосетях общего пользования);
• рабочая зона, полностью перекрывающая район использования находящихся под управлением АСУ средств (реально построенные технологические радиосети имеют оперативную зону более миллиона кв. км);
• применение детерминирован­ных протоколов обмена данными, поддерживающих работу в близком к реальному режиму времени и обеспечивающих гарантированную доставку данных в установленные регламентом работы радиосети сроки;
• относительно небольшое время доступа к каналу передачи данных, обеспечивающее незначительные и приемлемые для большинства автоматизированных систем задержки в доставке данных;
• высокая безопасность данных, функционирующих в технологической радиосети (применяемые технологии обеспечивают защиту от подавления, перехвата или несанкционированного доступа к работе в составе технологической радиосети);
• относительно низкая стоимость эксплуатации;
• независимость от «чужой» инфраструктуры связи и возможность развивать ее, исходя из реальных требований (радиосеть принадлежит собственно энергетической компании, параметры ее работы и оперативная зона могут изменяться им самостоя­тельно);
• совместимость с разнородным оборудованием сбора и обработки данных по широко применяемым и детально отработанным интерфейсам;
• простота перемещения и оперативность развертывания в новом районе;
• возможность эксплуатации в жестких условиях окружающей среды.

Технологические радиосети обмена данными используются для обслуживания АСУ в энергетике и строятся на оборудовании, имеющем различные технические характеристики. В связи с этим наиболее показательными являются примеры использования таких радиосетей и их функциональных возможностей. В следующем номере будет опубликовано окончание этой статьи с примерами построения современных АСУ на транспорте и в дорожном хозяйстве.