Рабочая сеть LoRaWAN на базе комплексного решения TeleTec

Сьогодні в цій статті ми розповімо про цікавий експеримент, який проходив у реальних умовах і супутні реальні проблеми, що дав багатообіцяючий результат.
Наш давній партнер та провідний виробник сучасних електролічильників ТОВ «Телекомунікаційні технології» (Телетек), дилером якого ми є з 2017 р., спільно з компаніями «ДТЕК Одеські електромережі», «Вінницяобленерго» та «Миколаївобленерго у 2020-2021 рр. задумали та реалізували успішні інноваційні пілот-проекти з побудови системи АСКУЕ-Побут на лічильниках МТХ1 та МТХ3 з комунікаційними модулями LoRaWAN.
Метою цих пілот-проектів були:

відпрацювання мінімально трудомісткої та максимально швидкої технології оцінки зони та якості LoRaWAN радіопокриття ділянки місцевості
формування комплекту поставки базової станції (БС) LoRaWAN, що забезпечує мінімальну трудомісткість та максимальну швидкість її монтажу та підключення
забезпечення збору всього обсягу даних лічильника МТХ1 та МТХ3 зі 100% обладнання, включаючи показання енергії на початок доби за всіма тарифами, графіки навантаження, журнали подій
оцінка ефективності впровадження АСКУЕ-Побут на основі технології LoRaWAN для різних типів забудови (міська багато- та малоповерхова, сільська місцевість) та місць та методів монтажу лічильників.
У статті описано особливості технології LoRa, створеної для розподілених мереж телеметрії, міжмашинної взаємодії та інтернету речей. Показано переваги мереж, побудованих за протоколом LoRaWAN на базі обладнання та програмного забезпечення Телетек.

У всіх випадках будь-якої енергокомпанії звично (як і з технологією PLC) вибирати мережу та прив'язуватись до конкретної ТП 0,4кВ.

Отже, почнемо опис заходів - перед нами

Проект 1. Приватний сектор малоповерхова забудова (Вінницька обл.)
Особливістю проекту є відстань від лічильників до ТП 0,4кВ. Довжина повітряних ліній (ПЛ) на об'єкті досягає 500-600 м. Ця умова не дозволяє використовувати популярну технологію передачі даних PLC для побудови АСКОЕ. Було запропоновано реалізувати проект із застосуванням бездротової технології отримання даних на базі LoRaWAN на частоті 868 МГц.
Вперше на цьому проекті було проведено дистанційну оцінку зони та якості радіопокриття з використанням ПЗ Google Earth. В результаті було встановлено, що передбачувана зона покриття дозволяє охопити лічильники у абонентів і на ТП, визначено варіанти місць встановлення базової станції (БС) та способів кріплення.
Для підтвердження коректності дистанційної оцінки зони радіопокриття на об'єкт було відряджено інженера технічної підтримки Телетек, який у парі зі співробітником РЕМ провів радіорозвідку на реальній місцевості за допомогою наступного набору пристроїв і ПЗ:
- LoRa-тестер, який дозволяє імітувати MТХ-LD4 лічильник у передбачуваному місці встановлення та перевірити рівень прийому до найближчої станції
-Тестова БС, яку встановили у передбачуваному розрахунковому місці
- ПЗ візуалізації зони покриття
В результаті обходу об'єкта по периметру підтвердилося, що достатньо встановити одну базову станцію (тип outdoor з виносною антеною) на опорі 0.4кВ на висоті 7м в одному з місць, вибраних дистанційно приблизно в геометричному центрі площі, що покривається.
Мінімально потрібне покриття об'єкта, а також місце встановлення базової станції показано на карті нижче. Усього потрібно охопити 129 абонентів, а також фідерний лічильник на ТП для зведення балансу по споживанню.

Необхідне покриття для запуску пілотного проекту

Реальне покриття за фактом (з достатнім рівнем прийому)

Після монтажу базової станції реальне покриття мережі LoRaWAN, як видно по карті вище, виявилося набагато більше, ніж потрібно, що вже говорить про те, що однією базовою станцією в реальності можна закривати набагато більше абонентів, ніж було закладено в пілотному проекті.
Примітка: Усі абонентські лічильники були встановлені у пластикових боксах КДЕ-1 на фасадах будинків.

Приклад монтажу електролічильника МТХ-LD на фасаді у пластиковому боксі.

Співробітники РЕСУ Вінницяобленерго здійснили монтаж БС на опору 0,4кВ та лічильників з виносом на фасад.
Всі абонентські лічильники були дистанційно каналами зв'язку LoRaWAN через ПЗ Matrix AMM переведені на тариф «день-ніч» та щодобовий збір півгодинних графіків навантаження (ГН).
У результаті збирання даних у системі становить 100%

Приклад графіка навантаження на добу (графічний вигляд)

Звіт за добовими свідченнями за січень 2022 року

Проект №2. Багатоповерхова багатоквартирна забудова (м. Миколаїв).
Як об'єкт для пілот-проекту було обрано житловий мікрорайон з багатоповерховими багатоквартирними будинками різних років будівництва та різної поверховості (5 эт, 9 эт, 12 эт.). Живильна ТП 0,4кВ розташована всередині мікрорайону.
Дистанційна оцінка об'єкта показала, ряд будинків можуть мати незадовільне покриття, т.к. знаходяться у радіо тіні від інших будинків.
Крім того, замовник – Ніколаєобленерго, висунув вимогу за місцем встановлення БС – приміщення ТП0,4кВ та виносної антени – дах ТП 0,4кВ.

У багатоповерховій забудові для початку вибираємо місце установки базової станції LoRaWAN. Рекомендується прив'язка до підстанції ТП 0,4 кВ, з двох причин: – найчастіше підстанція знаходиться у геометричному центрі об'єкта, друга причина – безперешкодний доступ енергетиків для швидкого монтажу та подальшого обслуговування самої БС.
Після вивчення топографії місцевості визначились із місцем монтажу базової станції – дах трансформаторної підстанції 0.4кВ ТП-596. Вона розташована в центрі об'єкту та більш-менш захищена від вандалів. Висота установки виносу антени – 5м

Місце встановлення виносу з LoRaWAN антеною на даху ТП

Необхідне покриття та кольорова градація рівня прийому щодо базової станції

Далі за допомогою тестера проводимо перевірку рівня сигналу на місця планованої установки лічильників MТХ-LD4. В результаті бачимо рівень сигналу згідно кольорів.

Зелений – рівень сигналу 100%
Помаранчевий – прикордонний рівень 25 – 50%
Червоний – рівень у межах 0 – 25%
як і передбачалося, все залежить від місць установки самого лічильника:

металевий щит + тамбур з металевими дверима
щиток у споживача будинку
на сходовій клітці у металевому поверховому щиті
і від прямої видимості з ТП: до будинку з червоним маркером сигнал потрапляє після трьох відображень і про якісну передачу даних там ніхто не говоритиме.
Після встановлення та запуску базової станції на ТП (фото нижче) та винесення антени на дах, співробітники НОЕ вибірково за своїм бажанням встановили 70 лічильників MТХ–LD4 у найближчих будинках для оцінки загальної картини рівня прийому перед повною заміною всіх лічильників (у майбутньому це близько 950 шт)

Встановлений LoRa-BOX із базовою станцією всередині ТП-596

Цікаво відзначити, що після запуску пілотного проекту в роботу з'ясувалося, що навіть з такими прикордонними значеннями рівня сигналу на деяких будинках цього виявилося достатньо, щоб отримати з усіх 70 встановлених приладів зрізи з накопиченої енергії на початок доби!
Сьогодні на об'єкті встановлено вже 601 лічильник. Вся ця кількість обробляється однією базовою станцією. Відсоток збирання 99%+.

Звіт по добовому споживанню за січень 2022 року
 

Проект №3. Багатоповерхова забудова 2018–2021 років (19 поверхів, м. Одеса).
Проект багатоквартирного новобудови – ЖК «Перлина». Розташований у м. Одеса, у районі Таїрова.
Об'єкт є висотний двосекційний житловий будинок, у кожній секції по 19 поверхів.

Метою проекту є збір даних із лічильників, розташованих у вертикальних поверхових шахтах.
За допомогою тестера LoRaWAN провели перевірку радіопокриття у ключових точках будівлі – верхні, нижні та центральні поверхи, встановивши тимчасову базову станцію на 6 поверсі.
Так як у кожній секції є по одній шахті (стояк) для розміщення приладів обліку, було ухвалено рішення проводити виміри у кожній шахті у кожній секції. Тест показав, що матеріали, використані для будівництва технологічних шахт, роблять їх практично «прозорими» по вертикалі для радіосигналу. Це дозволило зрозуміти, що розміщувати базові станції потрібно саме у шахтах.

Технологічна поверхова шахта для електроприладів

Вимірювання з тестером показали, що сигнал від БС у шахті на 6 поверсі з достатнім рівнем «пробиває» по вертикалі до 1 поверху вниз і до 12 вгору. Це означає, що однією БС можна закрити у разі 12 поверхів однієї секції. Так як поверхів у нас 19, то прийнято рішення для надійності встановити БС на поверхах 6 та 16 та закрити всю секцію. Для радіо покриття всього будинку (дві секції) потрібно 4 БС типу indoor. Для підключення таких БС до сервера збору даних використовується внутрішньобудинкова мережа Ethernet з виходом до інтернету через сервер замовника, а далі на network server.

Поверховий щит на 11 квартир на базі MTX-LD4 у зборі перед монтажем у шахту

Приклад щодобового збору опорних даних за листопад 2021 року

Проект №4. 9-ти поверхова багатоквартирна забудова (м. Херсон).
Об'єкт був обраний з певної причини: у цьому будинку була раніше встановлена ​​АСКОЕ на базі PLC і відсоток опитування був на рівні 20-30%. Причини в жалюгідному стані живлять внутрішньобудинкових мереж 0.4кВ, а також у сильних мережевих шумах на частотах PLC. Так чи інакше, АСКУЕ не виконувала своїх завдань зі збирання даних.
Співробітники Херсонобленерго вирішили замінити прилади у двох парадних цього великого 9-поверхового будинку на МТХ-LD4 (загалом 68 шт).
Головною особливістю впровадження цього об'єкта було те, що він був спроектований і запущений без попереднього виїзду на місце, тобто повністю віддалено з боку виробника! Від співробітників ХОЕ ми отримали лише адресу та номер будинку. Далі, користуючись силами інтернет-ресурсів Google maps, Google Street View, Google Earth, ми зібрали всю потрібну інформацію віддалено: форма і тип житлового будинку, найближчі висоти, розташування ТП, поки співробітники ХОЕ займалися монтажем 68 МТХ-LD4.
 

Навіть без виїзду на об'єкт було зрозуміло, що логічно встановлювати антену базової станції на фасад (дах) ТП, оскільки ТП дуже зручно розташована у центрі підковоподібного житлового будинку.

Зовнішній вигляд ТП841а із можливим місцем кріплення LoRa антени

Саму базову як готового рішення щита LORA-BOX передали співробітникам ХОЕ перевізником після того, як вони закінчили монтаж лічильників.

Щит LoRa відправляється замовнику у повністю підготовленому вигляді

Склад LoRa щита

За місцем співробітникам потрібно лише закріпити щит, подати до нього живлення 220В, закріпити на фасаді ТП та приєднати антену LoRa та GPS (кріплення та самі антени йдуть у комплекті).
Після монтажу базової станції, ТП зовні та всередині виглядає так:

Після повністю віддаленого запуску базової станції цього ж дня було отримано всі 100% даних. Заодно автоматично зібрали і графіки навантаження:

З погляду програмного забезпечення, всі пілотні проекти можуть бути реалізовані різними
етапами:
1. Перший етап (початковий режим. Для ознайомлення із системою)

Network Server (веб сервер, який керує всіма базовими станціями та проектами) знаходиться на стороні TeleTec
ПЗ «Matrix AMM» знаходиться на боці TeleTec
Data collector для обміну даними між веб-сервером та mysql ПЗ «Matrix AMM» знаходиться на стороні TeleTec
Замовник отримує віддалений гостьовий доступ на сервер TeleTec «Matrix AMM» для ознайомлення, навчання та отримання даних в режимі «тільки читання».
2. Другий етап (PRO режим. Збір даних та ведення своєї БД, побудова звітів, свій веб-інтерфейс з повним доступом)
Замовнику передається два з трьох вузлів: ПЗ «Matrix AMM» та Java-конектор. У замовника локально накопичується база даних до якої він завжди має доступ і сам відповідає за її цілісність, він має повний доступ до фізично власної системи. На стороні TeleTec залишається лише веб-сервер - Network Server, що відповідає за канал зв'язку з базовими станціями.
3. Третій етап (MASTER режим) – повністю вся система знаходиться у замовника локально, всі три компоненти передаються, а надалі налаштовуються та обслуговуються замовником самотужки.

Топологія роботи системи на базі LoRaWAN стосовно різних варіантів забудови

Висновки щодо результатів експлуатації зазначених проектів:
1. Дистанційна оцінка радіопокриття за допомогою програмного забезпечення Google Earth, Google Maps показала хорошу збіжність з результатами радіорозвідки на місцевості і може використовуватися як швидкий
Нетрудомісткий спосіб планування LoRaWAN мережі.
2. Реальна зона радіопокриття найчастіше ширша, ніж зона встановлення лічильників, запитаних від конкретного ТП 0,4кВ. Це дозволяє планувати встановлення шаф АСКУЕ-LoRa (БС) без прив'язки до ТП.
0,4кВ та обслуговувати за допомогою однієї шафи значно більшу кількість лічильників.
3. Сформовано типові склади шафи АСКУЕ-LoRa для встановлення на опору 0,4кВ та на ТП 0,4кВ з мінімальними відмінностями та мінімальними трудовитратами по монтажу.
4. На відміну від мережі PLC, специфікація протоколу та автоматичні алгоритми, закладені в LoRaWAN, реалізували принцип – ЧИМ БІЛЬШЕ БАЗОВИХ СТАНЦІЙ ЧУТЬ КОНКРЕТНИЙ ЛІЧИЛЬНИК, ТИМ ВИЩА ЯКІСТЬ І НАДІЙНІСТЬ. Це особливо важливо для впровадження АСКУЕ у сільській місцевості, де лічильники з PLC можуть чутись різними маршрутизаторами, що додає проблем користувачеві ПЗ та необхідність їх блокувати вручну.
5. Досвід пілот-проекту в Миколаєві підтверджує, що LoRaWAN може стати універсальним рішенням АСКУЕ-Побут в Україні, незалежно від типу забудови, місця та способу встановлення лічильників.
6. LoRaWAN мережа, при правильному плануванні, дозволяє отримати збір з усієї маси лічильників на об'єкті, крім стандартних опорних даних (енергія на 00-00), ще й графіки навантаження, максимуми потужності та журнали подій.