Jak stworzyć i utrzymać system do wymiany danych dla 800 000 liczników energii elektrycznej?

Do 2026 roku czterech na pięciu odbiorców energii elektrycznej w Polsce (czyli ok. 13 mln gospodarstw domowych) będzie miało w domu inteligentny licznik (w skrócie AMI). Oznacza to możliwość zdalnego odczytu poboru energii w dowolnym momencie, a także zdalnej zmiany taryfy, czy odcięcia i przywrócenia dostaw prądu. By w ogóle było to możliwe, potrzeba niezawodnej dwukierunkowej komunikacji pomiędzy licznikami a systemami IT, które będą zajmować się sterowaniem, czy zbieraniem danych.

Jest to duże wyzwanie z perspektywy IT, a w przypadku Innogy oznacza zestawienie systemu do bezpiecznej, poufnej i niezawodnej wymiany danych dla dodatkowych 800 000 urządzeń. Oprócz tego musimy zapewnić narzędzia do analizy, zarządzania i przetwarzania dużych wolumenów danych. Dla 800 000 liczników, dla których będziemy pozyskiwali średnio 10 profili danych, 24 razy na dobę, przez 365 dni w roku, przekłada się to na 70 mld rekordów rocznie (wolumen 5-10 TB danych). Aktualnie utrzymujemy i rozwijamy systemy dla około 150 000 inteligentnych liczników, więc perspektywa wdrożenia infrastruktury dla 800 000 liczników to dla nas mega wyzwanie.

Dlaczego?

Teoretycznie można by było wywnioskować, że potrzebujemy 6x więcej zasobów i powinniśmy temat dowieźć, natomiast w praktyce ograniczenia architektury obecnych systemów, które nie były projektowane na taką skalę, wymagają przystosowania rozwiązań do skalowania horyzontalnego. Co więcej, pomimo że przyjdzie nam się zmierzyć z tak dużą objętością danych, krytyczne procesy, takie jak pozyskanie, przetwarzanie oraz przekazywanie danych, będziemy musieli ze względu na wymagania regulacyjne realizować w bardzo zbliżonym czasie.

Przesyłanie danych... po kablu elektrycznym?

Kluczową decyzją będzie wybór standardu komunikacji, który zapewni wymaganą stabilność. W zrealizowanym projekcie instalacji 100 tys. inteligentnych liczników na warszawskiej Pradze Południe, wybór padł na PLC IDIS. PLC (Power Line Communication). To technologia polegająca na przesyle danych po sieci energetycznej, a IDIS to jeden ze standardów takiej komunikacji. Przepustowość takiego rozwiązania nie jest duża — kilka do kilkuset kb/s — ale wystarczy do przesyłania interesujących nas danych. Wybór technologii poprzedziliśmy pilotażowym wdrożeniem AMI, gdzie standard IDIS porównywaliśmy z konkurencyjnymi OSGP i PRIME. W momencie wdrożeń pilotażowych (2013) technologia PLC stanowiła większość wdrożeń w krajach europejskich i dawała najlepsze parametry dla akwizycji danych. Natomiast standard IDIS najlepiej adresował nasze wymagania. Przez kilka lat pracy zaobserwowaliśmy, że PLC w realnych zastosowaniach jest podatne na zakłócenia przebiegu napięcia w sieci elektrycznej, które w dużej mierze biorą się z niespełnienia norm przez producentów urządzeń i akcesoriów domowych. Zaburzenia wprowadzane do sieci przez te urządzenia utrudniają komunikację w technologii PLC. Zauważyliśmy też, że zależą od obciążenia sieci, które zmienia się w ciągu doby.

Testy

Teraz gdy mamy dużo więcej danych, możemy porównać nasze wyniki z technologiami mobilnymi takimi jak 4G, LTE cat. M1 czy LTE cat. NB1, które zostały opracowane jako odpowiedź na dynamicznie rosnącą potrzebę wdrażania dużej liczby urządzeń, wymagających niskiego poboru energii oraz dostępu do sieci w trudno dostępnych miejscach. W celu testowania tych rozwiązań powstało Innogy Laboratory of Things, gdzie możemy sprawdzać komunikację i transfer danych w różnych standardach. Docelowo inteligentne opomiarowanie (Smart Metering) będzie, jak nam się wydaje, realizowane przez zastosowanie miksu standardów komunikacji (transmisji przewodowej i bezprzewodowej) zależnego od warunków topologicznych i sieciowych na konkretnym obszarze. Mamy nadzieję, że nasze testy pozwolą nam znaleźć optymalne rozwiązania hybrydowe.

Dane

Obsługa 800 000 inteligentnych liczników to też przetwarzanie i zarządzanie olbrzymią ilością danych, których z czasem będzie coraz więcej. To również implementacja wielu procedur i algorytmów, badających relacje pomiędzy danymi. W tym przypadku z pomocą przychodzą nam takie platformy jak Hadoop, czy Spark. Przy okazji można tu będzie przetestować usługi chmurowe, które mogą zapewnić większą elastyczność i łatwiejszą skalowalność. Dane bez analizy są niewiele warte, więc będziemy musieli zapewnić kompetencje w eksploracji danych oraz programowaniu w językach skryptowych, np. w niezawodnym Pythonie. Co więcej, mamy wyzwanie zaprojektowania i implementacji elastycznych narzędzi BI (Business Intelligence), które pozwolą na szybkie wyciąganie informacji przydatnych biznesowo. To pozyskiwanie wiedzy biznesowej, wnioskowanie i optymalizacja pracy na dużych zbiorach danych, wymaga specjalnego podejścia.

Administracja

Kolejnym aspektem będzie monitoring. W tak złożonej, rozproszonej architekturze, trzeba zapewnić ciągłe monitorowanie end-2-end podstawowych komponentów rozwiązania. Mówimy tu o wszystkich elementach systemu: urządzenie, infrastruktura, systemy informatyczne (w tym interfejsy). W praktyce będziemy potrzebowali:

• dostarczania informacji na temat kluczowych wskaźników wydajności procesów systemu na czytelnym wizualnym dashboardzie
• wykrywania urządzeń, które nie spełniają określonych KPI (Key Performance Indicators), czyli np. mają problem ze zbieraniem danych, czy mają problem z komunikacją
• zapewnienia przeprowadzenia szybkich, modułowych testów komunikacyjnych
• zapewnienia procesów wsparcia, takich jak np. automatyczne wykrywanie nowo zainstalowanych inteligentnych liczników, zdalny restart modułów komunikacyjnych za pomocą technologii CLIP
• systemu raportowania o zdarzeniach

Bezpieczeństwo

Nie możemy pominąć kwestii cyberbezpieczeństwa, które jest dla nas bardzo istotne. Musimy tu spełnić szereg wymagań. Docelowy system musi zapewnić prywatność i bezpieczeństwo dla całej infrastruktury (zarówno urządzeń, jak i obsługujących je systemów). Na urządzeniach musimy zaadresować kwestie interfejsów lokalnych, mechanizmów szyfrujących, bezpieczeństwem przechowywania danych, protokołami komunikacyjnymi oraz fizycznym bezpieczeństwem fizycznych komponentów. Jeżeli chodzi o bezpieczeństwo systemów, będziemy się skupiać na bezpieczeństwie transmisji danych (w tym APN), zdalnego dostępu, bezpieczeństwa sieci teleinformatycznej, węzłów centralnych oraz aplikacji wspierających.