Рабочая сеть LoRaWAN на базе комплексного решения TeleTec

       Сегодня в этой статье мы расскажем об интересном эксперименте, проходившем в реальных условиях и сопутствюующими реальными проблемами, давшем многообещающий результат.
Наш давний партнер и ведущий производитель современных электросчетчиков ООО «Телекоммуникационные технологии» (Телетек), дилером которого мы являемся с 2017 г., совместно с компаниями «ДТЭК Одесские электросети», «Винницаоблэнерго» и «Николаевоблэнерго в 2020-2021 гг. задумали и реализовали успешные инновационные пилот-проекты по построению системы АСКУЭ-Быт на счетчиках МТХ1 и МТХ3 с коммуникационными модулями LoRaWAN.
Целью этих пилот-проектов были:

• отработка минимально трудоемкой и максимально быстрой технологии оценки зоны и качества LoRaWAN радиопокрытия участка местности
• формирование комплекта поставки базовой станции (БС) LoRaWAN, обеспечивающего минимальную трудоемкость и максимальную скорость ее монтажа и подключения
• обеспечение сбора всего объема данных счетчика МТХ1 и МТХ3 со 100% оборудования, включая показания энергии на начало суток по всем тарифам, графики нагрузки, журналы событий
• оценка эффективности внедрения АСКУЭ-Быт на основе технологии LoRaWAN для разных типов застройки (городская много- и малоэтажная, сельская местность) и мест и методов монтажа счетчиков.

В статье описаны особенности технологии LoRa, созданной для распределенных сетей телеметрии, межмашинного взаимодействия и интернета вещей. Показаны преимущества сетей, построенных по протоколу LoRaWAN на базе оборудования и программного обеспечения Телетек.

Во всех случаях любой энергокомпании привычно (как и с технологией PLC) выбирать сеть и привязываться к конкретной ТП 0,4кВ.

Итак, приступим к описанию мероприятий - перед нами

Проект 1. Частный сектор малоэтажная застройка (Винницкая обл)

       Особенностью проекта является значительное расстояние от счетчиков до ТП 0,4кВ. Длина воздушных линий (ВЛ) на объекте достигает 500-600 м. Это условие не позволяют использовать популярную технологию передачи данных PLC для построения АСКУЭ. Было предложено реализовать проект с применением беспроводной технологии получения данных на базе LoRaWAN на частоте 868Мгц.
Впервые на этом проекте была произведена дистанционная оценка зоны и качества радиопокрытия с использованием ПО Google Earth. В результате было установлено, что предполагаемая зона покрытия позволяет охватить счетчики у абонентов и на ТП, определены варианты мест установки базовой станции (БС) и способов крепления.
Для подтверждения корректности дистанционной оценки зоны радиопокрытия на объект был командирован инженер технической поддержки Телетек, который в паре с сотрудником РЭС провел радиоразведку на реальной местности с помощью следующего набора устройств и ПО:
- LoRa-тестер, который позволяет имитировать MТХ-LD4 счетчик в предполагаемом месте установки и проверить уровень приема до ближайшей станции
-Тестовая БС, которую установили в предполагаемом расчетном месте
- ПО визуализации зоны покрытия
В результате обхода объекта по периметру подтвердилось, что достаточно установить одну базовую станцию (тип outdoor с выносной антенной) на опоре 0.4кВ на высоте 7м в одном из мест, выбранных дистанционно примерно в геометрическом центре покрываемой площади.
Минимально требуемое покрытие объекта, а также место установки базовой станции показано на карте ниже. Всего требовалось охватить 129 абонентов, а также фидерный счетчик на ТП для сведения баланса по потреблению.

Требуемое покрытие для запуска пилотного проекта

Реальное покрытие по факту (с достаточным уровнем приема)

После монтажа базовой станции реальное покрытие сети LoRaWAN, как видно по карте выше, оказалось намного больше, чем требовалось, что говорит уже о том, что одной базовой станцией в реальности можно закрывать гораздо больше абонентов, чем было заложено в пилотном проекте.
Примечание: Все абонентские счетчики были установлены в пластиковых боксах КДЕ-1 на фасадах домов.

Пример монтажа электросчетчика МТХ-LD на фасаде в пластиковом боксе

Сотрудники РЭСа Винницаоблэнерго произвели монтаж БС на опору 0,4кВ и счетчиков с выносом на фасад.
Все абонентские счетчики были дистанционно по каналам связи LoRaWAN через ПО Matrix AMM переведены на тариф «день-ночь» и ежесуточный сбор получасовых графиков нагрузки (ГН).
В результате сбор данных в системе составляет 100%

Пример графика нагрузки за сутки (графический вид)

Отчет по суточным показаниям за январь 2022

Проект №2. Многоэтажная многоквартирная застройка (г. Николаев).

       В качестве объекта для пилот-проекта был выбран жилой микрорайон с многоэтажными многоквартирными домами разных годов постройки и разной этажности (5 эт, 9 эт, 12 эт.). Питающая ТП 0,4кВ расположена внутри микрорайона.
Дистанционная оценка объекта показала, что ряд домов могут иметь неудовлетворительное покрытие, т.к. находятся в радио тени от других домов.
Кроме того, заказчик – Николаеоблэнерго, выдвинул требование по месту установки БС – помещение ТП0,4кВ и выносной антенны – крыша ТП 0,4кВ.
В плотной многоэтажной застройке для начала выбираем место установки базовой станции LoRaWAN. Рекомендуется привязка к подстанции ТП 0,4 кВ, по двум причинам: – зачастую подстанция находится в геометрическом центре объекта, вторая причина – беспрепятственный доступ энергетиков, для быстрого монтажа и последующего обслуживания самой БС.
После изучения топографии местности определились с местом монтажа базовой станции - крыша трансформаторной подстанции 0.4кВ ТП-596. Она расположена в центре объекта и более-менее защищена от вандалов. Высота установки выноса антенны – 5м

Место установки выноса с LoRaWAN антенной на крыше ТП

Требуемое покрытие и цветная градация уровня приёма относительно базовой станции

Далее с помощью тестера проводим проверку уровня сигнала по местам планируемой установки счетчиков MТХ–LD4. В результате видим уровень сигнала согласно цветам.

• Зеленый – уровень сигнала 100%
• Оранжевый - пограничный уровень 25 - 50%
• Красный – уровень в пределах 0 – 25%

как и предполагалось, всё сильно зависит от мест установки самого счетчика:

• металлический щит + тамбур с металлическими дверями
• щиток у потребителя дома
• на лестничной клетке в металлическом этажном щите

и от прямой видимости с ТП: в дом с красным маркером сигнал попадает после трех отражений и о качественной передаче данных там никто говорить не будет.
После установки и запуска базовой станции на ТП (фото ниже) и выноса антенны на крышу, сотрудники НОЭ выборочно по своему желанию установили 70 счетчиков MТХ–LD4 в ближайших домах для оценки общей картины уровня приема перед полной заменой всех счетчиков (в будущем это около 950 шт)

Установленный LoRa-BOX с базовой станцией внутри ТП-596

Интересно отметить, что после запуска пилотного проекта в работу выяснилось, что даже с такими пограничными значениями уровня сигнала на некоторых домах, этого оказалось достаточно, чтобы получить со всех 70-ти установленных приборов срезы по накопленной энергии на начало суток!
Сегодня на объекте установлен уже 601 счетчик. Все это количество обрабатывается одной базовой станцией. Процент сбора 99%+.

Отчет по суточному потреблению за январь 2022

Проект №3. Многоэтажная застройка 2018-2021 годов (19 этажей, г. Одесса).

       Проект многоквартирного новостроя – ЖК «Жемчужина». Расположен в г. Одесса, в районе Таирова.
Объект представляет собой высотный двухсекционный жилой дом, в каждой секции по 19 этажей. 

Целью проекта является сбор данных со счетчиков, расположенных в вертикальных этажных шахтах.
С помощью тестера LoRaWAN провели проверку радиопокрытия в ключевых точках здания – верхние, нижние и центральные этажи, установив временную базовую станцию на 6 этаже.
Так как в каждой секции имеется по одной шахте (стояк) для размещения приборов учета, было принято решение проводить замеры в каждой шахте в каждой секции. Тест показал, что материалы, использованные при строительстве технологических шахт, делают их практически «прозрачными» по вертикали для радиосигнала. Это позволило понять, что размещать базовые станции нужно именно в шахтах.

Технологическая этажная шахта для электроприборов

Замеры с тестером показали, что сигнал от БС в шахте на 6 этаже с достаточным уровнем «пробивает» по вертикали до 1 этажа вниз и до 12 вверх. Это значит, что одной БС можно закрыть в данном случае 12 этажей одной секции. Так как этажей у нас 19, то принято решение для надежности установить БС на этажах 6 и 16 и закрыть всю секцию. Для радио покрытия всего дома (две секции) потребуется 4 БС типа indoor. Для подключения таких БС к серверу сбора данных используется внутридомовая сеть Ethernet c выходом в интернет через сервер заказчика, а далее на network server.

Этажный щит на 11 квартир на базе MTX - LD4 в сборе перед монтажом в шахту

Пример ежесуточного сбора опорных данных за ноябрь 2021

Проект №4. 9-ти этажная многоквартирная застройка (г. Херсон).

       Объект был выбран по определенной причине: в этом доме была ранее установлена АСКУЭ на базе PLC и процент опроса был на уровне 20-30%. Причины в плачевном состоянии питающих внутридомовых сетей 0.4кВ, а также в сильных сетевых шумах на передающих частотах PLC. Так или иначе, АСКУЭ не выполняла своих задач по сбору данных.
Сотрудники Херсоноблэнерго решили заменить приборы в двух парадных этого большого 9-этажного дома на МТХ-LD4 (всего 68 шт).
Главной особенностью внедрения этого объекта было то, что он был спроектирован и запущен без предварительного выезда на место, т.е.полностью удаленно со стороны производителя! От сотрудников ХОЭ мы получили только адрес и номер дома. Далее, пользуясь силами интернет ресурсов Google maps, Google Street View, Google Earth, мы собрали всю нужную информацию удаленно: форма и тип жилого дома, ближайшие высоты, расположение ТП, пока сотрудники ХОЭ занимались монтажом 68 МТХ-LD4.

Карта объекта с указанием ТП и двух парадных с МТХ-LD4

Даже без выезда на объект было понятно, что логично устанавливать антенну базовой станции на фасад (крышу) ТП, так как ТП очень удобно расположена в самом центре подковообразного жилого дома.

Внешний вид ТП841а с предположительным местом крепления LoRa антенны

Саму базовую в виде готового решения щита LORA-BOX передали сотрудникам ХОЭ перевозчиком после того, как они закончили монтаж счетчиков.

Щит LoRa отправляется заказчику в полностью подготовленном виде

Состав LoRa щита

По месту сотрудникам требуется только закрепить щит, подать к нему питание 220В, закрепить на фасаде ТП и подсоединить антенну LoRa и GPS (крепеж и сами антенны идут в комплекте).
После монтажа базовой станции, ТП снаружи и внутри выглядит так:

После полностью удаленного запуска базовой станции в этот же день были получены все 100% данных. Заодно автоматически собрали и графики нагрузки:

       С точки зрения программного обеспечения, все пилотные проекты могут быть реализованы разными
этапами:
1. Первый этап (начальный режим. Для ознакомления с системой)

• Network Server (веб сервер который управляет всеми базовыми станциями и проектами) находится на стороне TeleTec
• ПО «Matrix AMM» находится на стороне TeleTec
• Data collector для обмена данными между веб-сервером и mysql ПО «Matrix AMM» находится на стороне TeleTec

Заказчик получает удаленный гостевой доступ на сервер TeleTec ПО «Matrix AMM» для ознакомления, обучения и получения данных в режиме «только чтение».
2. Второй этап (PRO режим. Сбор данных и ведение своей БД, построение отчетов, свой веб-интерфейс с полным доступом)
Заказчику передается два из трех узлов: ПО «Matrix AMM» и Java-коннектор. У заказчика локально накапливается база данных к которой он всегда имеет доступ и сам отвечает за ее целостность, он обладает полным доступом к физически собственной системе. На стороне TeleTec остается только веб сервер – Network Server, отвечающий за канал связи с базовыми станциями.
3. Третий этап (MASTER режим) – целиком вся система находится у заказчика локально, все три компоненты передаются, а в дальнейшем настраиваются и обслуживаются заказчиком своими силами.

Топология работы системы на базе LoRaWAN применительно к разным вариантам застройки

Выводы по результатам эксплуатации указанных проектов:

1. Дистанционная оценка радиопокрытия с помощью ПО Google Earth, Google Maps показала хорошую сходимость с результатами радиоразведки на местности и может использоваться как быстрый нетрудоемкий способ планирования LoRaWAN сети.
2. Реальная зона радиопокрытия зачастую шире, чем зона установки счетчиков, запитанных от конкретного ТП 0,4кВ. Это позволяет планировать установку шкафов АСКУЭ-LoRa (БС) без привязки к ТП 0,4кВ и обслуживать с помощью одного шкафа значительно большее количество счетчиков.
3. Сформированы типовые составы шкафа АСКУЭ-LoRa для установки на опору 0,4кВ и на ТП 0,4кВ с минимальными различиями и минимальными трудозатратами по монтажу.
4. В отличие от сети PLC, спецификация протокола и автоматические алгоритмы, заложенные в LoRaWAN, реализовали принцип – ЧЕМ БОЛЬШЕ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ СЛЫШАТ КОНКРЕТНЫЙ СЧЕТЧИК, ТЕМ ВЫШЕ КАЧЕСТВО И НАДЕЖНОСТЬ СЕТИ. Это особенно важно для внедрения АСКУЭ в сельской местности, где счетчики с PLC могут слышаться разными маршрутизаторами, что добавляет проблем пользователю ПО и необходимость их блокировать вручную.
5. Опыт пилот-проекта в Николаеве подтверждает, что LoRaWAN может стать универсальным решением АСКУЭ-Быт в Украине, независимо от типа застройки, места и способа установки счетчиков.
6. LoRaWAN сеть, при правильном планировании, позволяет получить сбор со всей массы счетчиков на объекте кроме стандартных опорных данных (энергия на 00-00) еще и графики нагрузки, максимумы мощности и журналы событий.