Авторизация

Логин:
Пароль:
Восстановить пароль
Регистрация
  • Форум
  • Блоги
  • Контакты
  • Новости
  • Продукты
  • Отрасли
  • Обучение
  • Поддержка
  • События
  • О компании
  • 2 (61) | 2012 От интеллектуальных приборов до интеллектуального города

    Micro Smart GridZigBee – ГИС

     

    Куприяновский В.П., Esri CIS (vk@esri-cis.ru), Гунько С.А., Huawei (svyatoslav.gunko@huawei.com), Синягов С.А., DATA+ (ssinyagov@dataplus.ru), Раевский М.А., НПО “Ангстрем” (lesdrov@bk.ru), Хрусталёва Н.М., Esri CIS (nkhrustaleva@esri-cis.ru)

     

    Micro Smart Grid – ZigBee – GIS

    From Smart Appliances to Smart City

     

    Тематика “Smart” систем продолжает пополняться технологиями, обеспечивающими «сквозное» повышение интеллектуальности: от уровня одиночного бытового прибора до масштабов города или даже страны. Одной из таких технологий и соответствующих решений на ее основе является ZigBee. Усиленная возможностями таких платформ ее реализации, как ГИС, ZigBeе в совокупности с другими «Smart» технологиями позволяет положительно отвечать на вызовы, порождаемые повышающейся сложностью энергетических систем, систем управления городским хозяйством и др. Приложения в технологии Smart Grid подразумевают наличие «умных» устройств, оснащенных дополнительными интеллектуальными и коммуникативными возможностями, становящихся автоматизированными в глобальной сети Ecosystem. В статье приведен фактический материал, иллюстрирующий эти тезисы.

     

    Стандарты – основа Smart Grid

    Развитие направления Smart Grid (умная сеть) в настоящее время в значительной мере сфокусировано на принципах и методах стандартизации функциональной совместимости энергетического оборудования и информационных технологий (стандарт IEEE 2030-2011, опубликованный 10 сентября 2011г) и на работе с энергетикой непосредственно в зданиях, группах зданий, средних и небольших городках. То есть, в рамках Micro Smart Grid, стандарта IEEE 1547.4-2011, опубликованного 20 июля 2011г., большое внимание уделяется активно развивающейся практике применения стандарта ZigBee.

    Союз производителей открытого стандарта ZigBee организован в качестве независимой, нейтральной, некоммерческой компании в 2004г. для разработки стандартов по беспроводным сенсорным сетям. Результаты этой деятельности впечатляют:

    • ZigBee позволяет использовать сеть Интернет – это возможно уже сегодня, а не завтра;
    • Глобальная открытая корпорация – свыше 400 компаний по всему миру;
    • Сферы деятельности
      • открытые стандарты для беспроводных сенсорных сетей
      • сертификация продукции и программы соответствия нормам
      • торговые марки, развитие рынка и обучение пользователей;
    • Стандарт, соответствующий основным требованиям к сети, для IoT
      • автономный процесс организации, конфигурирования и восстановления сетей со смешанной топологией, низкая стоимость, малое энергопотребление, масштабируемость, высокий уровень надежности за счет открытых глобальных стандартов.

    Впечатляет и широта применения решений на основе ZigBee, которые охватывают ряд рынков и прикладных направлений (рис. 1). В сообществе стандартов IEEE решения ZigBee уверенно занимают собственную нишу (рис. 2), то есть ZigBee – самый низкоскоростной из указанных протоколов (250 кбит/с).


    Рис. 1. Типовые рынки применения решений ZigBee.


    Рис. 2. Место ZigBee в сообществе стандартов IEEE.


    Рис. 3. Схема сети ZigBee.

     

    С чем же связано его широкое применение? На самом деле, оно базируется на понятиях конечного устройства ZigBee, маршрутизаторах ZigBee и координаторах сети (рис. 3), в миниатюре повторяя идею управления активным электрическим оборудованием и информационно-коммуникационными системами в «большом» Smart Grid.

    В итоге, сегодняшние (и улучшаемые) характеристики ZigBee таковы:

    • до 65,536 сетевых узлов
    • поддержка сетей с полносмешанной топологией
    • множество каналов в общей полосе частот 2.4 ГГц и региональных полосах подчастот 1 ГГц
    • скорость передачи данных 250 кбит/c

     

    Большое семейство IEEE 802 – это, по сути, описание возможностей работы как с проводными IP протоколами (оптика, витая пара, коаксиал – Ethernet), так и с беспроводными (WiMax, WiFi, Bluetuth, ZigBee). Это позволяет активно использовать любые сочетания имеющихся физических реализаций как при проектировании новых внедрений, так и при модернизации старых. А стандарт, по сути, один!

    Стек ZigBee определяет взаимодействие приложений на верхних уровнях модели ISO/OSI", в то время как нижние два уровня (физический и управления доступом) регламентируются стандартом 802.15.4 для беспроводных персональных сетей с низким уровнем скорости (Low-rate WPAN).

    Главной отличительной особенностью стандарта 802.15.4 для беспроводных персональных сетей является низкая стоимость производства и расходов по эксплуатации, простота технологии. К его важнейшим функциям относятся: обеспечение работы в режиме реального времени посредством сохранения временных слотов, предотвращение одновременного доступа и комплексная поддержка защиты сетей. Устройства также включают функции управления расходом энергии, такие как качество соединений и детектирование энергии. Совместимые со стандартом 802.15.4 устройства могут использовать одну из трёх возможных частотных полос для работы.

     

    Широта применения ZigBee

    Благодаря этим особенностям, ZigBee имеет очень широкий спектр сфер применения:

    • система автоматического управления домом ZigBee (ZHA)
    • система интеллектуального управления энергоресурсами ZigBee (ZSE)
    • система автоматизации зданий (CBA)
    • система заботы о здоровье ZigBee (ZHC)
    • система телекоммуникационных услуг ZigBee (ZTS)
    • системы оплаты услуг розничной торговли ZigBee (ZRS)
    • система удаленного управления ZigBee (ZRC)
    • +будущие профили, предлагаемые все большим числом компаний.

     

    Из этого перечня очевидно, что даже в рамках одного здания или дома возможно много применений ZigBee (рис. 4). Разнообразие выпускаемых «обычных» устройств с модулями ZigBee впечатляет – это практически все устройства, употребляемые в доме: розетки, выключатели, термостаты, счетчики, нагреватели, котлы, холодильники, стиральные машины и т.п. Растущий спрос на платформу Smart Energy, подогреваемый совместимостью с системой домашней автоматизации, помогает клиенту сделать свой обоснованный выбор.

     


    Рис. 4. Где используется платформа ZigBee в масштабе здания.

     

    Все это позволяет, отталкиваясь от достигнутых уровней экономии электроэнергии, осуществлять переход к интеллектуальным (Smart) приложениям на основе инфраструктуры ZigBee. По оценкам, только повышение осведомленности потребителей о расходах энергоресурсов позволяет сократить энергопотребление на 15%!

    Здесь можно упомянуть, что компании Indesit и Freescale Semiconductor начали сотрудничество в рамках производства интеллектуальной стиральной машины, которая использует узел Freescale ZigBee, позволяющий настраивать время запуска стирки в зависимости от стоимости электроэнергии. Доступ к информации местной электросети осуществляется при помощи Интернет-подключения ZigBee к системе «Умные электросети». Аналогичным путем идут и другие крупнейшие компании, такие как GE, Whirlpool.

    По исследованию AHAM (ассоциация производителей бытовой техники), опубликованному в декабре 2009г., цены на энергию будут ключевым фактором в деле привлечения клиентов к интеллектуальным сетям; при этом должны использоваться открытые стандарты и соблюдаться неприкосновенность частной жизни клиентов.

     

    Что даёт применение «Smart» решений

    Решение по управлению энергопотреблением на базе ZigBee для домашних персональных сетей (HAN) способствует оптимизации энергопотребления и устранению перегрузок. При этом важно, что через интернет это решение позволяет интерактивно взаимодействовать с сетевыми и сбытовыми компаниями, выбирая наиболее энергосберегающие режимы.

    Приведем примеры реализации таких подходов в Штате Техас (США) и в г. Гётеборг (втором по величине городе Швеции).

    Проект интеллектуальных измерений в Техасе. Техас занимает ведущие позиции по внедрению интеллектуальных измерений с участием более чем 6 млн. жителей штата, имеющих доступ к сети и информации. Поставщики и энергетические компании Техаса объединены в единый альянс. В проекте (вернее комплексе проектов) участвуют коммунальные компании, провайдеры AMI (AMI – расширенная инфраструктура измерений), запущен специализированный веб-портал.

    Даже первые результаты внедрения этих проектов в Техасе впечатляют:

    • В процессе подготовки к эксплуатации выполнено полное тестирование решения, начиная с потребителя и завершая государственным порталом SmartMeter.
    • Подвергнуты оценке следующие случаи применения: ввод в эксплуатацию, текстовые сообщения, стоимостные события и т.д. При этом используются устройства HAN компании ZigBee, имеющие сертификаты безопасности.
    • Организована эффективная обратная связь с коммунальными компаниями, поставщиками услуг по передаче и распределению электроэнергии, розничными поставщиками электроэнергии, потребителями и продавцами.

     

    Гётеборг – город с населением около 500 тыс. человек, в котором технологической основой проекта Smart Grid является архитектура ZigBee. В городе установлено более 260 тыс. интеллектуальных счетчиков (квартиры, офисы, помещения), 180 тыс. измерительных устройств. В близлежащей сельской местности смонтировано около 15 тыс. точек измерения. Работу в этой сети конечных устройств обеспечивают 8000 коммутаторов и 7000 повторителей. Созданная структура может работать с показаниями порядка 1,1 млн. счетчиков. Примечательно, что более 99% этих счетчиков могут быть доступны 24 часа в сутки.

    Сеть интеллектуальных счетчиков расширяется подключением средств измерения (управления) тепла, газа и воды. Все счетчики дистанционно управляемы и около 3000 из них подключены по протоколу GPRS через сеть местного мобильного оператора.

    В его текущем состоянии проект обеспечивает:

    • качественную поставку электроэнергии
    • прием и обработку аварийных сигналов о возникающих неисправностях
    • создание системы «Умные электросети» в части
      • измерения газа, теплоснабжения, воды
      • усовершенствованного управления счетчиками
      • снижения потребления в часы пиковой нагрузки с помощью программ регулирования спроса
      • внедрения или оптимизации соответствующих бизнес процессов.

     

    Планируется развитие ряда сервисов, включая индивидуальное измерение (отопление, вода), систему безопасности, замки ZigBee и контроль доступа, контроль и управление освещением для уличных фонарей.

    Владельцы помещений уже сегодня экономят в среднем 10% от общей суммы коммунальных платежей только на энергопотреблении. При вводе системы интеллектуальных измерений газа, тепла и воды планируемая экономия возрастет до 40%.

     

    Вот еще несколько фактов развития проектов на основе ZigBee:

    • более 40 млн. электросчётчиков ZigBee будет установлено и введено в эксплуатацию коммунальными компаниями в США в штатах Калифорния, Техас, Мичиган и Вирджиния;
    • вопрос об установке дополнительных 40 млн. счетчиков в США находится на этапе согласования с различными регулирующими органами;
    • в штате Виктория в Австралии все старые счетчики будут заменены;
    • компания British Gas выбрала Smart Energy для установки нескольких миллионов счетчиков в ближайшем будущем.

     

    Эта технология экономически эффективна не только в энергетике, но и ряде других областей, например, в комплексном управлении зданиями.

     

    ГИС-платформа для реализации Smart Grid

    Легко увидеть, что Smart-технологии и инфраструктура устройств ZigBee и обеспечиваемый ими функционал напрямую связаны с возможностями Геоинформационных систем (ГИС) и систем, построенных на их основе, включая Facility Management и др. (рис. 5-6).

     


    Рис. 5. Пример применения Smart-технологий для энергетических сетей.


    Рис. 6. Функциональный анализ здания и планирование расположения систем электропитания (вверху), принудительной вентиляции и пожаротушения в 3D-представлении (внизу).


    Рис. 7. Управление городским хозяйством на основе Smart-технологий.

     

    ГИС обеспечивает надёжное управление базами данных, предоставляет аналитические инструменты и возможности визуализации для поддержки территориальных и сетевых инфраструктур, а также национальных стратегий и стандартов для их обеспечения, обладает гибкостью, позволяющей применять различные подходы в том, что касается методологии и методов сбора информации. На рынке имеется ряд хорошо развитых готовых коммерческих приложений для оценки, управления и территориального развития, выдачи нарядов на работу и планирования пространства (рис. 7).

    ГИС-приложения для оценки состояния объектов недвижимости, планирования объектов и окружающего пространства могут быть интегрированы для предоставления инженеру, архитектору, планировщику, собственнику, руководителю и другим заинтересованным лицам возможности всестороннего анализа площадки, здания, местной инфраструктуры и систем жизнеобеспечения. Анализ используется в процессе принятия решений для защиты людей и зданий, при планировании капитальной модернизации, эксплуатации и обслуживании, оценке риска для целей страхования или финансового планирования.

    Особенно это актуально в условиях России. Широко известен факт, что Россия характеризуется высокой плотностью застройки при территориальной распределенности центров концентрации этой застройки (городов, предприятий и т.п.). Если для Европы и США характерна, в основной массе, малоэтажная застройка и индивидуальные дома, то в городах России превалируют многоэтажные строения, оборудование которых в соответствии с современными требованиями не просто важно, но необходимо и даже обязательно.

     

    От местных сетей к интеллектуальному городу

    Соединение этих «локальных» интеллектуальных сетей в единую систему с очевидностью приводит к представлению об интеллектуальном городе (Smart City). Несмотря на большое количество управляемых устройств и датчиков, интеллектуальные системы, построенные на основе ГИС, способны обеспечивать поддержку комплексного управления как всей системой, так и на уровне каждой ее части. Обеспечивается и интеграция разнообразных данных, позволяющая получать дополнительные преимущества, включая выявление неявных связей и влияния определенных факторов на эффективность системы в целом. Например, в плане экономии электроэнергии на уровне города и при решении других важных задач (рис. 8).

     


    Рис. 8. Примерная архитектура интеллектуального города.

     

    Таким образом, ZigBee-инфраструктура органично вписывается в современные тенденции развертывания Smart систем и обеспечивает дополнительные возможности для получения преимуществ от их применения как на утилитарном уровне отдельного жилого дома, так и на уровне города, региона и даже страны. Реализация этих преимуществ возможна, в том числе, через механизмы стандартизации.

    Технологии Smart Grid решают задачи обеспечения надежности и безопасности энергосистем, постоянной доступности электроэнергии для потребителей, оптимального использования имеющихся ресурсов и снижения издержек.

    Мировой рынок информационно-коммуникационных систем для создания Smart Grid оценивается сегодня в 89 млрд. долларов США, а его рост составляет более 20% в год. При этом интерес российских энергетических компаний к технологиям Smart Grid также неуклонно растёт.

    В России началось активное движение в направлении энергосбережения. В настоящее время уже приняты Федеральные законы «О государственной информационной системе топливно-энергетического комплекса» и «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности».

    Кроме того, начала функционировать система ГИС ЭЭ (энергетической эффективности). Голько ГИС в данном случае – это Государственная Информационная Система.

    Вот такие совпадения.




    Версия для печати