Využití 5G sítí v srdci přenosové soustavy

A joint innovation project by ČEPS and CTU Prague has tested 5G networks in a real electricity transmission network environment. The trials at the Čechy Střed substation focused on coverage, throughput, latency and electromagnetic resilience.

Elektroenergetika stojí před úkolem digitalizovat provoz, aniž by ohrozila bezpečnost a spolehlivost kritické infrastruktury. Experimentální otestování privátní 5G sítě na rozvodně Čechy Střed ukazuje, že mobilní technologie páté generace může být pro přenosovou soustavu více než jen dalším komunikačním kanálem: může se stát platformou pro bezpečnější práci v terénu, robotiku, vzdálený dohled a především pro chytrý monitoring vedení.

Obrázek č. 1: Instalace antény a rádiové jednotky experimentální 5G sítě na rozvodně

Zdroj: ČEPS, a.s.

SETKÁNÍ DVOU KRITICKÝCH INFRASTRUKTUR

Tradičně oddělené obory elektroenergetiky a mobilních telekomunikací procházejí v éře smart grids zásadní konvergencí. Přenosová soustava se neobejde bez spolehlivé komunikace, přesného času, bezpečného sběru dat a schopnosti pružně reagovat na změny v síti. S nástupem páté generace mobilních sítí (5G) se telekomunikační architektura posouvá od masové konektivity k deterministickým průmyslovým aplikacím, které dokážou garantovat nízkou latenci, definovanou dostupnost a kybernetickou bezpečnost.

Právě na tomto základě vznikl experimentální projekt společnosti ČEPS a Českého vysokého učení technického v Praze, Fakulty elektrotechnické. Jeho hlavním cílem byl posun technologie z fáze laboratorního konceptu (TRL 4) do fáze ověření v reálném provozním prostředí (TRL 6) rozvodny Čechy Střed.¹ Nešlo o teoretické modelování ani komerční demonstraci; výzkumný tým v areálu ZVN/VVN oživil funkční experimentální síť a podrobil ji sérii zátěžových krátkodobých i dlouhodobých měření.

Zadání přímo reagovalo na specifika provozu přenosové soustavy: ověřit chování 5G signálu v prostředí s vysokou hustotou kovových konstrukcí, silovým zařízením pod napětím, potenciál­ním elektromagnetickým rušením a omezenými možnostmi umísťování anténních systémů. Současně bylo nutné vyhodnotit spektrální koexistenci s okolními veřejnými sítěmi. Získaná empirická data poskytují ČEPS klíčový podklad pro rozhodování, které provozní scénáře (use cases) přinášejí reál­nou přidanou hodnotu a zda je účelné budovat samostatnou privátní infrastrukturu.

„Získaná empirická data poskytují ČEPS klíčový podklad pro rozhodování, které provozní scénáře přinášejí reálnou přidanou hodnotu."

5G V PROVOZU PŘENOSOVÉ SOUSTAVY

Sítě páté generace se v průmyslovém prostředí prosazují díky architektuře, která překonává limity předchozích bezdrátových standardů v oblastech determinismu, hustoty připojení a garantované kvality služeb (QoS). Pro potřeby transformující se energetiky jsou přímo relevantní všechny tři základní koncepty definované standardem 3GPP:

• eMBB (Enhanced Mobile Broadband): Vysokorychlostní mobilní přenosy pro objemné datové toky, jako je videostreaming ve vysokém rozlišení nebo aplikace rozšířené reality (AR).
• URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communication): Vysoce spolehlivá komunikace s nízkou latencí určená pro kritické řídicí, automatizační a ochranné funkce.
• mMTC (Massive Machine Type Communications): Masivní konektivita pro podporu tisíců senzorických uzlů na omezeném prostoru s důrazem na energetickou úspornost.

V prostředí rozvoden ZVN/VVN nacházejí uplatnění zejména aplikace vyžadující vysokou mobilitu a flexibilitu. Typickým příkladem je digitalizace terénních činností a zvýšení bezpečnosti práce pomocí rozšířené reality – technik v poli rozvodny přijímá vizualizované schéma zapojení, navigační instrukce a v reálném čase konzultuje postup se vzdáleným specialistou. Zásadní přínos představují také autonomní či dálkově řízené robotické prostředky a drony určené k vizuální a termografické inspekci silových zařízení bez nutnosti odstávek či vstupu personálu do nebezpečných zón. V této architektuře nepředstavuje 5G náhradu stávající optické infrastruktury, ale její bezdrátovou extenzi v místech, kde je pokládka kabeláže provozně či ekonomicky neefektivní.

Z pohledu kybernetické bezpečnosti a rezilience kritické infrastruktury je klíčová schopnost striktní izolace provozu přenosové soustavy od běžného datového provozu. Tuto separaci lze realizovat buď vybudováním plně autonomní privátní sítě (Non-Public Network, NPN) s vlastní lokální infrastrukturou i jádrem, nebo využitím vyhrazeného virtuálního segmentu v síti mobilního operátora pomocí techniky network slicing s garantovanou úrovní služeb (Service-Level Agreement, SLA). Volba konkrétního modelu je pro provozovatele přenosové soustavy klíčovým strategickým rozhodnutím, v němž se střetávají požadavky na datovou suverenitu, provozní dostupnost a nákladovou efektivitu.

Obrázek č. 2: Komponenty a jejich propojení

Zdroj: ČEPS, a.s.

EXPERIMENTÁLNÍ SESTAVA NA ROZVODNĚ

Výzkumné řešení bylo postaveno jako samostatná 5G síť v režimu SA, tedy standalone. Přístupová část využila otevřenou platformu Open Air Interface, která umožňuje softwarově řídit rádiovou část sítě. Rádiovou jednotku představovalo zařízení Benetel RAN650 se sektorovou anténou určenou pro pásmo 3,3 až 3,8 GHz. Jádro sítě bylo kvůli stabilitě odděleno na samostatný server.

Jednou z nejdůležitějších technických podmínek byla přesná synchronizace. Pro správnou funkci experimentální sítě bylo nutné použít PTP (Precision Timing Protocol) Grand Master, synchronní Ethernet a kompatibilní centrální síťový prvek. Právě synchronizace mezi serverem, rádiovou jednotkou a síťovými prvky se ukázala jako kritický předpoklad stabilního provozu. Otevřená platforma poskytla cenné know-how, dovolila široké možnosti a variabilitu nastavitelných parametrů, ale zároveň potvrdila, že pro finální provozní nasazení v režimu 24/7 bude účelné přejít na certifikovaná průmyslová komerční řešení.

V rozvodně Čechy Střed byla infrastruktura rozmístěna tak, aby simulovala reálné provozní podmínky přenosové soustavy. Měření se nezaměřovala pouze na ideální podmínky s přímou viditelností (Line-of-Sight, LOS), ale prověřovala spojení do stíněných objektů sekundární techniky a chování signálu při pohybu terminálu v poli rozvodny. Testy tak zachytily reálné fyzikální jevy prostředí ZVN/VVN – intenzivní vícecestné šíření signálu (multipath fading) s odrazy od masivních ocelových konstrukcí, stínění silovými prvky i proměnlivé elektromagnetické okolí.

Tabulka č. 1: Výsledky experimentálních scénářů

Pozn.: DL = downlink, UL = uplink.
Zdroj: ČEPS, a.s.

CO UKÁZALA MĚŘENÍ

Naměřená data potvrdila, že 5G architektura je v náročném prostředí VVN rozvodny schopna dosahovat parametrů plně dostačujících pro širokou škálu průmyslových aplikací. Při dynamických zkouškách v poli 220 kV dosahoval mobilní terminál ve výchozím bodě stabilní přenosové rychlosti přibližně 240 Mbit/s v downlinku a 8 Mbit/s v uplinku. Odezva nepřetížené sítě se pohybovala v rozmezí 40 až 50 ms. Při větší vzdálenosti a zastínění signálu docházelo ke kolísání přenosové rychlosti a přibližně ve vzdálenosti 180 metrů od základnové stanice již došlo ke ztrátě spojení.

Měření fixního terminálu umístěného uvnitř objektu sekundární techniky ukázalo vysokou míru provozní stability. Při pětiminutovém obousměrném testu dosahovala síť v downlinku 160–180 Mbit/s a v uplinku zhruba 10 Mbit/s. Následný konzervativní zátěžový test trvající déle než jednu hodinu potvrdil dlouhodobě udržitelnou kapacitu 150 Mbit/s (downlink) a 5 Mbit/s (uplink). Z pohledu provozní spolehlivosti přenosové soustavy bylo klíčové chování protokolu při zhoršení rádiových podmínek: transportní vrstva v kombinaci s vyrovnávacími paměťmi (buffers) dokázala zabránit ztrátě dat a po obnovení kvality kanálu přenos plynule dokončit bez rozpadu relace.

Praktickým ověřením průmyslové použitelnosti byla simulace videokonferenčního přenosu v reálném čase mezi centrálním dispečinkem a pracovníkem v terénu. Spojení vykazovalo dlouhodobou stabilitu i při pohybu v těsné blízkosti technologických objektů a v zastíněných zónách. Test věcně potvrdil proveditelnost klíčových inovačních scénářů, jako je vzdálená expertiza, asistovaná údržba či obousměrný přenos obrazu a hlasu pro zvýšení bezpečnosti personálu v exponovaných částech rozvodny.

Obrázek č. 3: Praktické ověření videokonferenčního spojení přes experimentální 5G síť

Zdroj: ČEPS, a.s.

HLAVNÍ OMEZENÍ: KAPACITA SMĚRU UPLINK

Jedním z nejpodstatnějších závěrů projektu je zjištění, že hlavním zdrojem kolísání přenosové rychlosti nebyla samotná silová technologie rozvodny. Významnější roli hrály překážky v trase signálu, odrazy od konstrukcí a interference s okolními veřejnými mobilními sítěmi. To je důležité praktické zjištění: problémem není principiální neslučitelnost 5G a energetické infrastruktury, ale nutnost cíleného rádiového plánování, koordinace spektra a volby vhodného provozního modelu.

Experiment probíhal v pásmu 3,5 až 3,8 GHz v režimu TDD.² Tento standardizovaný rámec je však historicky dimenzován pro potřeby masového spotřebitelského trhu, kde výrazně převažuje stahování dat. To odpovídá chování ve veřejných sítích, kde uživatelé obvykle více dat stahují, než odesílají. Průmyslová energetika však často potřebuje opačný profil: senzory, kamery a terminály posílají data směrem do řídicích systémů. Uplink proto zůstává jedním z klíčových parametrů, které je nutné řešit při návrhu cílových aplikací.

KAM 5G V ENERGETICE SMĚŘUJE

Rozvodny jsou přirozeným prostorem pro experiment, protože umožňují soustředit technologii do jasně vymezeného areálu. Z hlediska budoucího přínosu se však jako nejzajímavější jeví přenosová vedení. Právě tam často chybí fixní komunikační infrastruktura, a právě tam může mobilní síť nabídnout širokopásmovou i senzorickou konektivitu, kterou pevné sítě nedokážou v terénu ekonomicky zajistit.

5G může podél vedení propojit senzory sledující teplotu vodičů, námrazu, stav stožárů, mechanické namáhání, pokusy o narušení fyzické bezpečnosti nebo události důležité pro preventivní údržbu. Zvláštní potenciál mají také drony, které mohou přenášet video v reálném čase, zpřesňovat nálezy ze senzorů a v budoucnu se mohou stát součástí automatizovaného dohledu nad liniovou infrastrukturou.

Významným inovačním motivem je energy harvesting.³ Silné elektromagnetické pole v okolí vedení může být využitelné pro napájení vybraných senzorů nebo modemů. Pokud se tento koncept potvrdí v navazujících pilotních projektech, otevře cestu k plně autonomnímu, bezúdržbovému monitoringu liniových staveb bez nutnosti periodické výměny baterií či budování nákladných napájecích odboček.

PRIVÁTNÍ SÍŤ NEBO NETWORK SLICING?

Výsledky projektu naznačují, že univerzální řešení pro všechno neexistuje. Někde může dávat smysl postavit vlastní privátní síť s úplnou kontrolou nad infrastrukturou. V jiných případech bude efektivnější využít veřejnou síť mobilního operátora s odděleným segmentem pomocí techniky network slicing. Tento model může spojit výhody bezpečně odděleného provozu, garantovaných parametrů a profesionálně zajištěného rádiového plánování. A někdy může stačit i klasické oddělení pomocí privátního přístupového bodu (Access Point Name, APN).

Pro kritickou infrastrukturu je důležité, aby 5G nebylo vnímáno jako módní technologie, ale jako komunikační vrstva s jasně definovanými use cases, bezpečnostní architekturou, koordinací spektra a provozní odpovědností. Studie proto doporučuje navazovat konkrétní pilotní projekty tam, kde je přidaná hodnota nejvyšší: u aplikací vyžadujících mobilitu, robotiky, přenosu obrazu a zejména u monitoringu přenosových vedení.

Obrázek č. 4: Princip kombinace privátní sítě a odděleného segmentu ve veřejné síti operátora

Zdroj: ČEPS, a.s.

OD EXPERIMENTU K CÍLENÉMU VYUŽITÍ

Experiment na rozvodně Čechy Střed ukázal, že 5G je pro energetiku prakticky použitelná technologie, pokud je správně navržena, koordinována a provozně zasazena. Není to náhrada optických sítí ani okamžité řešení pro všechny aplikace. Je však vhodná tam, kde rozhoduje mobilita, rychlé nasazení, práce na rozsáhlém území a schopnost přenášet data z míst, kam se fixní infrastruktura dostává obtížně.

Nejcennějším výsledkem projektu proto nejsou naměřené hodnoty propustnosti. Je jím realistická mapa možností a limitů. Ukazuje, že budoucnost digitalizace přenosové soustavy nebude stát na jedné technologii, ale na vhodné kombinaci optických sítí, privátních segmentů, veřejných sítí, network slicingu, edge computingu, senzoriky a autonomních prostředků. Technologie 5G do této mozaiky přidala prvek, který do té doby chyběl: průmyslově použitelnou mobilní konektivitu pro kritickou infrastrukturu.

Poznámky

1    Úroveň vyspělosti technologie (Technology Readiness Level, TRL) je běžně vyjadřována na devítistupňové škále od pozorování základních principů (TRL 1) po plné komerční nasazení (TRL 9).
2    TDD (Time Division Duplexing) je komunikační režim, v němž stahování i odesílání dat probíhá na stejné frekvenci, přičemž se oba směry bleskově střídají v čase. V pásmu 3,5–3,8 GHz pro 5G sítě teoreticky umožňuje efektivní využití spektra a dynamické přizpůsobení poměru stahování a odesílání podle reálného provozu. V praxi je však svázán pravidly pro vzájemnou koexistenci sítí.
3    Energy harvesting (sběr energie) je proces zachycování drobných množství energie z okolního prostředí (např. z vibrací, tepla, světla nebo rádiových vln) a její přeměny na elektřinu pro napájení úsporné elektroniky a bezdrátových senzorů bez použití klasických baterií.
 

O AUTORECH ČEPS

Martin Král působí v odboru Telekomunikace společnosti ČEPS. Dlouhodobě se věnuje rozvoji komunikační infrastruktury zejména optických technologií a vláken pro potřeby kritické energetické infrastruktury.
Viktor Linhart působí v odboru Telekomunikace společnosti ČEPS. Dlouhodobě se věnuje rozvoji komunikační infrastruktury a moderních telekomunikačních technologií pro potřeby kritické energetické infrastruktury.
Vít Šumpela je vedoucí odboru Inovace, digitalizace a projekty v ČEPS, kde rozvíjí inovační a digitalizační záměry a podporuje inovační rozvoj společnosti. V minulosti působil mimo jiné také na Ministerstvu průmyslu a obchodu, kde koncepčně podporoval rozvoj 5G technologií v oblasti průmyslu a smart cities.

O AUTORECH ČVUT

Jiří Vodrážka je vedoucím Katedry telekomunikační techniky FEL ČVUT. Vedle obecných datových sítí a jejich parametrů se dlouhodobě zabývá komunikačními prostředky v energetice v rámci koncepce Smart Grid.
Jan Kučerák působí jako vědecký pracovník na Katedře telekomunikační techniky FEL ČVUT. Věnuje se spojovacím systémům, signalizaci a měření kvality v pevných i mobilních sítích.