Radiowe znakowanie majątku sieciowego

Autorzy: Rene Kuczkowski - Biuro Strategii i Zarządzania Projektami Enea Operator

Dariusz Duda - Biuro Innowacji i Nowych Technologii Enea

("Energia Elektryczna" - 3/2106)

W dobie powszechnej cyfryzacji i globalizacji na znaczeniu zyskuje wysokiej jakości

informacja. Rozwiązania smart, automatyzacja sieci, posiadanie dokładnych i precyzyjnych

informacji stają się niezbędnym elementem działania operatora sieci dystrybucyjnej. Dlatego

też Enea Operator, jako pierwszy OSD w Polsce, wdraża znakowanie majątku sieciowego

przy pomocy systemu radiowej identyfikacji RFID.

Punktem wyjścia do pozyskania informacji w spółce dystrybucyjnej jest odpowiednio

zinwentaryzowany majątek sieciowy. Sytuacja sektora elektroenergetycznego w Polsce

wynika z przemian gospodarczych, którym był on poddany w ciągu ostatnich 25 lat.

Wieloletnie zmiany organizacyjne oraz konsolidacja i przekształcenia w ramach spółek

energetycznych spowodowały, że stosowane były i są różne formaty informacji do numeracji

słupów, transformatorów czy też liczników. Dużym wyzwaniem jest przeprowadzenie

jednorazowej identyfikacji całości posiadanego majątku sieciowego w celu standaryzacji

oznaczeń na poziomie całej spółki.

Na horyzoncie pojawiła się technologia identyfikacji obiektów przy wykorzystaniu fal

radiowych, zwana również RFID (ang. Radio-Frequency Identification). Ogólna zasada

działania systemu RFID polega na komunikacji radiowej pomiędzy nadajnikiem (czytnikiem)

a transponderem (znacznikiem, tagiem). W zależności od stosowanej częstotliwości radiowej,

komunikacja odbywa się przy pomocy sprzężenia indukcyjnego (częstotliwości LF i HF) bądź

magnetycznego (częstotliwości UHF oraz mikrofale).

Rys. 1. Ogólny schemat działania technologii RFID

Antena czytnika (zespolona, jako jedno urządzenie, bądź wyprowadzona na zewnątrz) nadaje

odpowiedni sygnał radiowy. Sygnał, przetworzony przez identyfikator, służy do zasilenia

mikroukładu taga. Transponder, posiadający wprowadzone dane, dokonuje modulacji sygnału

i jego zwrotu do czytnika w ustalonym formacie. Informacja zwrotna zostaje przesłana z

czytnika do odpowiedniego oprogramowania, a następnie podlega przetworzeniu przez

system bazodanowy.

Ogólną budowę znacznika stanowią trzy części. Pierwszą z nich jest antena, która odpowiada

za komunikację bezprzewodową. Druga to mikrochip, który posiada zakodowane dane

dotyczące sterowania oraz pamięć przechowującą zakodowane dane. Dodatkowo, w

zależności od użytej technologii, tag może być wyposażony w układ zasilania dla

podtrzymania aktywności transpondera (rozwiązania tzw. aktywnych znaczników).

Podtrzymanie aktywności jest szczególnie zasadne, gdy do znacznika dołączone są

dodatkowe czujniki, umożliwiające monitorowanie np. temperatury zewnętrznej bądź

śledzenie lokalizacji w czasie rzeczywistym.

Rys. 2. Budowa znacznika RFID HF

Na rynku dostępne są różne rozwiązania w zakresie znaczników RFID. Pomimo że schemat

ich budowy jest taki sam, często mają konstrukcję odmienną, dostosowaną do konkretnego

zastosowania. Dla obiektów ruchomych najczęściej stosowane są naklejki wyposażone w

moduł RFID, które pozwalają na odczyt podczas całego łańcucha logistycznego. Do takich

celów wprowadzono tzw. hard tagi, czyli znaczniki zatopione w odpornej na czynniki

zewnętrzne obudowie z tworzywa sztucznego.

Nie bez znaczenia pozostaje również kwestia wspomnianej wcześniej częstotliwości pracy.

Obecnie stosowane RFID pracują w 3 pasmach częstotliwości:

- niskiej (LF 10-500 kHz),

- wysokiej (HF 10-15 MHz),

- ultra wysokiej (UHF 860-960 MHz).

Główną różnicę pomiędzy poszczególnymi pasmami stanowi zasięg odczytu. Wychodząc od

odległości mniejszych niż 0,5 m dla pasma LF, kończąc na około 10 m zasięgu dla

częstotliwości UHF. Teraz najpopularniejsze rozwiązania oparte są na paśmie HF, co

spowodowało znaczne obniżenie kosztów produkcji tej grupy urządzeń. Są one coraz szerzej

wykorzystywane dla potrzeb płatności zbliżeniowych (np. PayPass), bądź przy kontroli

przepływu pracowników (karty identyfikacyjne). Coraz śmielej na rynek wchodzą

rozwiązania w paśmie UHF, co jest spowodowane spadkiem ich cen, przy jednoczesnym

zachowaniu dużej odległości odczytu.

Wdrożenia systemów klasy AMI, GIS czy SCADA, a także ciągła konieczność usprawniania

pracy brygad sieciowych stawia przed Enea Operator nowe wyzwania z zakresu zarządzania

majątkiem sieciowym. Dotychczasowe rozwiązania ograniczają możliwości ewidencyjne

majątku do rzadko aktualizowanego spisu, który nie zawsze na bieżąco odzwierciedla

rzeczywistość.

Poszukiwanie nowych i względnie łatwych w zastosowaniu rozwiązań doprowadziło do

decyzji o przeprowadzeniu testów wdrożeniowych technologii RFID. Po uwzględnieniu

możliwości tej technologii w zakresie dostępnych pasm częstotliwości, zdecydowano o

testowaniu jednego zakresu – UHF, który umożliwia największą odległość odczytu. Dla

unifikacji rozwiązania w skali spółki zdecydowano o wyborze jednej, konkretnej

częstotliwości pracy. Objęte pilotażem obszary geograficzne miały za zadanie oddać jak

najpełniej przekrój posiadanej infrastruktury energetycznej. Wybrano trzy Rejony

Dystrybucji: Szczecin, Poznań i Inowrocław.

Zakres zadania obejmował instalację i przetestowanie użyteczności operacyjnej technologii

RFID w celu ewidencji elementów elektroenergetycznych. Ze względu na badawczy

charakter pilotażu nie zdecydowano o formie zapisu danych bezpośrednio w transponderach

instalowanych na sieci. Założono, że należy przeprowadzić test technologii zarówno z

wykorzystaniem ręcznej modyfikacji danych zapisanych w tagach, jak i poprzez dedykowany

system z predefiniowaną bazą majątku sieciowego. Założenia obejmowały również

konieczność doboru i późniejszej rekomendacji standardu tagów w zależności od

zastosowanego materiału, tj.:

- uniwersalne,

- na metal,

- na szkło, tworzywo,

- plomby licznikowe,

- tagi transformatorowe,

- tagi na słupy.

Sprawdzono również aspekty montażu, które uwzględniały takie zagadnienia jak:

rozróżnialność tagów od transponderów innych firm, miejsce montażu na każdym z obiektów,

sposób przygotowania powierzchni przed montażem, niezbędne narzędzia do pracy z

systemem RFID, a także testy i inwentaryzację po poprawnie zrealizowanej ewidencji. Kilka

miesięcy pilotażu w 2015 roku pozwoliło na sprawdzenie użyteczności operacyjnej systemu

RFID w skrajnych warunkach atmosferycznych, szczególnie w górnym zakresie temperatur

oraz dużej wilgotności.

Rys. 3. Wybrane typy znaczników RFID

Ze względu na charakter otoczenia, w jakim znajdowały się znaczniki, konieczne było

również sprawdzenie wpływu pola elektromagnetycznego na poprawność i szybkość odczytu

znaczników. Z tych samych powodów przeprowadzono kontrolę odporności na ewentualne

sabotaże i wandalizm, na które nieustannie narażona jest infrastruktura sieciowa. Opracowano

listę typów urządzeń, które poddano testom.

Rys. 4. Wybrane rodzaje czytników stosowanych w trakcie testów przez Enea Operator

Znalazły się na niej:

- kolektory danych dużej mocy – zintegrowane urządzenia mobilne umożliwiające odczyt

RFID oraz tradycyjnych kodów kreskowych na potrzeby ewidencji transformatorów i słupów

z bezpiecznej odległości,

- kolektory i czytniki małej mocy dla inkasentów,

- czytniki małej mocy do współpracy z tabletami monterów elektroenergetycznych.

Jednym z głównych wyników testów był czas, jaki jest potrzebny na przeszkolenie oraz

późniejsze znakowanie majątku przez oddelegowane ekipy terenowe. Założeniem było

maksymalne skrócenie czasu, aby czynność była możliwie mało uciążliwa oraz nie wymagała

dodatkowych godzin pracy.

Testowanie nowego rozwiązania ewidencjonowania majątku sieciowego rozpoczęto w spółce

na początku ubiegłego roku od opracowania koncepcji. Już w kwietniu 2015 uruchomiono

prace na obszarze wymienionych trzech Rejonów Dystrybucji. Prace prowadzone były

zgodnie z przyjętym harmonogramem.

Rys. 5. Harmonogram prac związanych z projektem RFID

Po zakończeniu badań opracowano raport, który uwzględniał:

- rekomendację dotyczącą typu stosowanego taga (jego parametrów technicznych,

wytrzymałościowych oraz sposobu montażu) w zależności od typu elementu, na którym ma

być umieszczony,

- dokumentację w zakresie przeprowadzonych badań wpływu pola elektromagnetycznego,

warunków atmosferycznych oraz ewentualnego sabotażu na poprawność odczytu danych z

taga,

- propozycję instrukcji montażu, obsługi, serwisu tagów i systemu w zależności od typu

urządzeń,

- propozycję systemu i aplikacji do odczytu oraz synchronizacji z wewnętrznymi bazami

danych OSD online oraz offline,

- rekomendację dotyczącą zabezpieczeń przed nieuprawnionym odczytem danych z taga,

- rekomendację w zakresie miejsc, gdzie może być zamontowany tag, zależnie od typu

urządzenia.

Na potrzeby testów, podczas pilotaży wytypowano składniki majątku sieciowego, które

objęto oznaczeniem w technologii RFID. Do wymaganych urządzeń i obiektów zaliczono:

- przyłącze na granicy,

- przyłącze na ścianie,

- licznik w domu,

- układ pośredni,

- układ półpośredni,

- transformator,

- słup drewniany,

- słup żelbetowy,

- słup EPV,

- słup kratownicowy,

- murowana stacja transformatorowa.

Podczas typowania starano się dobrać urządzenia i obiekty umożliwiające przebadanie jak

największego przekroju majątkowego Enea Operator. Ewentualne odstępstwa wynikały z

braku możliwości wejścia na obiekt w czasie trwania projektu. Przykładem jest stacja GPZ,

gdzie ze względu na brak możliwości dokonania wyłączeń w jednym z badanych rejonów, nie

było możliwości przeprowadzenia znakowania. Dla jednej ze słupowych stacji

transformatorowych do zawieszenia znacznika na transformatorze użyto transpondera firmy

Confidex, przynitowanego do testowo zrobionego „haczyka”. Umożliwiło to przymocowanie

taga w przestrzeni pomiędzy żebrami chłodnicy transformatora. Umieszczony na wysokości

ok. 2,5 metra znacznik mógł być odczytany w linii prostej z odległości maksymalnie 5

metrów. Gwarantowany odczyt taga obejmował odległość około 3 metrów.

Rys. 6. Oznakowanie transformatora słupowego w technologii RFID

Rys. 7. Oznakowanie transformatora stacyjnego w technologii RFID

Z uwagi na konieczność wyłączenia stacji GPZ na potrzeby oznakowania, możliwe było

zainstalowanie tagów tylko na jednej stacji GPZ w Rejonie Szczecin.

Tag przymocowano do transformatora przy pomocy dwustronnej taśmy klejącej. Odległość

odczytu pozwoliła na przeprowadzenie dalszej inwentaryzacji bez konieczności wyłączania

stacji.

W przypadku montażu na słupach testowane były różne rodzaje mocowań znaczników.

Rozpoczynając od sprawdzenia możliwości klejenia, przez przykręcenie wkrętami do słupa,

kończąc na wykorzystaniu opasek metalowych, powszechnie stosowanych przy pracach

elektroenergetycznych.

Biorąc pod uwagę powyższe rozwiązania w zakresie montażu na słupach, najbardziej

racjonalnym wydaje się stosowanie opasek metalowych, tak jak to pokazano na przykładzie

słupa wirowanego. Instalacja taga na takim słupie w łatwo dostępnym miejscu ma za zadanie

zbadać odporność tego rozwiązania na ewentualne dewastacje. Obecnie trwa monitoring

znacznika, który przebiega pomyślnie. Dodatkowo odczyt był możliwy z maksymalnej

odległości 3 metrów od słupa w każdą stronę.

Rys. 8. Przykłady oznakowania słupów w technologii RFID

Rys. 9. Szafka licznikowa na terenie Enea Operator

Największe obawy w zakresie możliwości i skuteczności odczytu oraz identyfikacji majątku

Enea Operator obejmowały układy pomiarowe. Niejednokrotnie szafki posiadają kilka

liczników różnego typu, stąd konieczne było sprawdzenie możliwości rozróżniania

poszczególnych elementów.

Po oznaczeniu każdego z liczników w szafce, dostarczone oprogramowanie do odczytu

znaczników umożliwiało identyfikację tagów znajdujących się w obrębie szafki. Zastosowano

znaczniki, których odczyt był możliwy z odległości do 1 metra. W zależność od typu licznika,

należało zastosować dwa typy tagów – do powierzchni metalowych i z tworzyw sztucznych.

Testy wykazały również, iż część ze znaczników posiada mniejszy zasięg odczytu niż

deklaruje producent (faktyczny odczyt był możliwy w niektórych przypadkach z odległości

maksymalnie 5-10 centymetrów).

Pilotażowe testy systemu RFID pokazały różnorodność rozwiązań, jakie można zastosować w

skali spółki. Sprawdziliśmy różne typy znaczników dla każdego z elementów majątku. W

wyniku przeprowadzonych testów zidentyfikowaliśmy problemy dla danej klasy urządzeń:

Liczniki i układy pomiarowe:

- znaczna różnorodność typów, lat produkcji, dostawców – różnice konstrukcyjne

utrudniające zastosowanie jednolitej technologii montażu,

- wystawienie na niekorzystne wahania temperatury,

- podłoże metalowe – może zakłócać komunikację ze znacznikiem,

- zabrudzenie powierzchni liczników,

- konieczność współpracy z eksploatowanymi tabletami.

Rys. 10. Oznakowanie i lokalizacja licznika oznaczonego tagiem RFID

Słupy:

- różnorodność materiałów konstrukcyjnych,

- wystawienie na niekorzystne działanie środowiska – słońce, woda, śnieg,

- długi wymagany czas eksploatacji znacznika,

- podłoże metalowe – może zakłócać komunikację ze znacznikiem,

- znaczne zabrudzenie powierzchni słupów – pracochłonne przygotowanie powierzchni

- porowatość powierzchni,

- znaczna liczba słupów – konieczność minimalizacji kosztów znakowania.

Transformatory:

- znaczna różnorodność typów, lat produkcji, dostawców – różnice konstrukcyjne

utrudniające zastosowanie jednolitej technologii montażu,

- zmienna w czasie temperatura podłoża i znacznika – różne współczynniki rozszerzalności

termicznej,

- wystawienie na niekorzystne działanie środowiska – słońce, woda, śnieg,

- długi wymagany czas eksploatacji znacznika (40 lat),

- podłoże metalowe – może zakłócać komunikację ze znacznikiem,

- znaczne zabrudzenie powierzchni transformatorów – pracochłonne przygotowanie

powierzchni.

Biorąc pod uwagę krótki czas, który minął od zakończenia drugiego etapu testów, uznano, że

należy dalej monitorować stan i możliwości odczytu znaczników. Pomimo wykazanych

problemów, większość transponderów spełniła swoje zadanie i wykazała użyteczność

operacyjną w inwentaryzacji na potrzeby Enea Operator. Podczas konsultacji z firmami

wskazano na możliwość przeprowadzenia dialogu technicznego z wykonawcami i

dostawcami infrastruktury, aby nowe elementy sieciowe miały już w sobie wbudowane tagi

RFID, wykonane zgodnie ze standardem opracowanym przez Enea Operator. W takim

wypadku, po konsultacjach, samoistnie zniknie w perspektywie kilku lat problem z instalacją

tagów przez ekipy monterskie, co pozwoli również na obniżenie kosztów dostarczenia

znaczników, które będą stanowiły składową ceny pojedynczego elementu, np. licznika czy

transformatora.

W związku z pomyślnymi wynikami pilotaży, Enea Operator najprawdopodobniej zdecyduje

się na dalsze kroki w tym kierunku. Na początku planowane jest zastosowanie systemu RFID

kompleksowo na całym obszarze wybranego Rejonu Dystrybucji. Przed rozpoczęciem

wdrożenia konieczna jest szczegółowa analiza dostępnego systemu do gospodarki licznikami,

który będzie połączony z nowym systemem identyfikującym RFID. W przyszłości istnieje

również możliwość wyposażenia magazynu licznikowego oraz narzędziowego w tego typu

rozwiązania. Pozwoli to na automatyczną lokalizację konkretnego licznika, a dodatkowo

możliwy będzie podgląd jego „cyklu życia” w czasie rzeczywistym. Docelowo powinno to

pozwolić na optymalizację stanów magazynowych, zmniejszenie kosztów składowania

nadmiarowego zapasu, a co najistotniejsze – uporządkowanie i skuteczną identyfikację

majątku sieciowego Enea Operator.