Mioty-Funkkommunikation

IoT für kritische Infrastrukturen

Pylon
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In einem Pilotprojekt hat der Schweizer Energieerzeuger und -versorger Axpo die Überwachung von Masttrennschaltern im Stromnetz automatisiert – per Funk mit dem LPWAN-Funkstandard Mioty. Auch unter ungünstigen Bedingungen und bei Messfahrten mit 120 km/h hat sich Mioty als äußerst robust erwiesen.

In der Schweiz muss man die Axpo nicht eigens vorstellen: Das Unternehmen erzeugt und transportiert elektrischen Strom für drei Millionen Schweizer und Schweizerinnen – das ist mehr als ein Drittel der Bevölkerung – und ist landesweit der größte Anbieter von Energie aus regenerativen Quellen (überwiegend Wasserkraft). Energieversorger unterhalten in der Regel auch ein großflächiges und ausfallsicheres Kommunikationsnetzwerk, um den Zustand aller Komponenten in ihrem Energienetz zu überwachen. Für diese Aufgabe hat die Axpo-Gruppe vor drei Jahren den Spezialisten für krisensichere Kommunikation WZ-Systems übernommen, der heute die Kommunikations-Infrastruktur der Gruppe betreibt.

Pilotprojekt: Fernüberwachung von Masttrennschaltern

Masttrennschalter
Bild 1. Die Masttrennschalter befinden sich am im freien Feld direkt am Strommasten. Bei einer Wartung in einem Netzsegment schaltet der Freileitungsmonteur den mechanischen Schalter manuell.
© Swissphone

Die Experten von Axpo WZ-Systems waren auch die Ansprechpartner für eine Machbarkeitsstudie (Proof of Concept, PoC), das vom Netzbetreiber des Konzerns an sie herangetragen wurde. »Axpo Grid hatte unter den Mitarbeitern einen Innovationswettbewerb ausgeschrieben. Einer der Gewinner hatte die Idee, die Masttrennschalter im Netz online zu signalisieren«, erklärt Reto Friedl, Product Manager beim Netzbetreiber Axpo Grid. Dabei stellt sich folgende Ausgangslage: Der Masttrennschalter ist ein mechanischer Schalter, der sich direkt am Mast befindet (Bild 1).

Wenn die Instandhaltung eine Wartung in einem Netzsegment plant, ruft der entsprechende Freileitungsmonteur vor Ort die Leitstelle an und kündigt das Abschalten des betreffenden Abschnittes an. Nach dem händischen Abschalten telefoniert er nochmals mit der Leitstelle und meldete Vollzug. Der Disponent in der Leitstelle änderte dann manuell das Übersichtsschema am System auf dem Bildschirm.

Schaltzustand per Funk abfragen

Um diesen Vorgang zu vereinfachen und zu automatisieren, sollen Sensoren die Stellung der Masttrennschalter erfassen und auf Abfrage per Funk übermitteln. »Die Schalter befinden sich teilweise in sehr unwegsamem Gelände ohne Energieversorgung«, nennt Reto Friedl die zu bedenkenden Hürden. Signalübertragung und Energieversorgung für die Überwachung müssen also relativ autark und wartungsarm sein und auch unter widrigen Bedingungen einwandfrei funktionieren. »Dabei sind auch Witterungseinflüsse, z.B. Sonneneinstrahlung im Sommer und Minustemperaturen im Winter eine Herausforderung für die Sensoren.« Die Sensorik als solches sei nicht allzu komplex, da sie ausschließlich den Zustand (Ein/Aus) der Schalter übertragen. Perspektivisch wird die Sensorik aber komplexer. Es sollen weitere lokale Sensor- und Umweltdaten erfasst werden, um das Lagebild zu verfeinern oder drohende Ausfälle frühzeitig zu erkennen.

Unter diesen Vorgaben musste somit ein passender Funkstandard ausgewählt werden, auf dessen Basis die entsprechende Abfrage möglichst vieler Masttrennschalter über weite Distanzen zuverlässig erfolgen kann. Auf der Suche nach einer geeigneten Technologie kam Axpo WZ-Systems für die Funktechnik mit der Swissphone Wireless AG und für die Sensoren mit der Comtac AG ins Gespräch. Letztere brachten aufgrund der sicherheitskritischen Anwendung als Funkprotokoll Mioty ins Spiel.

Mioty gewährt hohe Übertragungssicherheit

Mioty ist eine vergleichsweise junge, vom Fraunhofer-Institut für integrierte Schaltungen (IIS) entwickelte LPWAN (Low Power Wide Area Network)-Technologie. Sie basiert auf der ETSI Spezifikation TS 103357. Konzipiert wurde Mioty für IoT-Geräte, vor allem in Industrieanwendungen und Smart-City-Konzepten, die sehr hohen Anforderungen an Robustheit und Quality of Service genügen müssen. Als Hauptaufgabe soll mit dem Funkprotokoll eine störfeste Funkverbindung über weite Distanzen aufgebaut werden. Für die großflächige Vernetzung von Masttrennschaltern eignet sich Mioty in der Theorie hervorragend. Dass sich das Funkprotokoll auch in der Praxis bewährt, hat das Pilotprojekt gezeigt.

Die Störfestigkeit von Mioty hängt mit dem integrierten Verfahren zum Telegramm-Splitting zusammen. »Mit Mioty kann man viele Telegramme in einem Netz gleichzeitig versenden, ohne dass sie sich gegenseitig stören. Denn jedes Telegramm wird in viele Teilpakete aufgeteilt, von denen, z. B. aufgrund von Interferenzen, bis zu 50 % verloren gehen dürfen, ohne dass eigentliche Nutzinformationen verloren gehen«, erklärt Uwe Scholz aus dem Business Development der Comtac AG. Das Unternehmen stellt Funksensoren mit Mioty und anderen Funkstandards her. Das Prinzip ist in Bild 2 dargestellt.

Traditionelles LPWAN-Funkprotokoll
Bild 2a. Traditionelle LPWAN-Funkprotokolle übertragen die Daten in einer Nutzlast. Tritt während der Übertragung eine Störung auf, gehen die gesamten Nutzdaten verloren.
© Swissphone
Mioty Telegram Splitting
Bild 2b. Mioty splittet die Nutzdaten redundant in Subpakete auf (Telegram-Splitting), sodass bei Verlust einiger Subpakete eine Rekonstruktion möglich ist.
© Swissphone

»Das ist gerade in Applikationen mit großen Reichweiten, aber auch bei vielen Sensoren auf begrenztem Raum, ein echter Vorteil.« Zudem ist die Funktechnik extrem stromsparend und somit für die hier benötigten batteriebetriebenen Geräte bestens geeignet.

Machbarkeit schnell gezeigt

Die prinzipielle Machbarkeit des Projekts war schnell gezeigt. Dafür wurden in der Region eines Axpo-Standortes über eine lokale Basisstation von Swissphone zwei Masttrennschalter und Sensorik über Mioty angebunden. Die Messwerte werden in einem Dashboard in einem Onlineportal gesammelt und für jeden Sensor visualisiert angezeigt (Bild 3).

Mioty Dashboard
Bild 3. Ein Dashboard zeigt den Status der statischen Sensoren in Bezug auf zu messende Daten und Verbindungsstatus, sowie in der letzten Zeile die Empfangsstärke pro Sensor und die Verlustrate der übermittelten Nachrichten während der letzten 24 Stunden. Grün = RSSI ≥ –120 dBm, orange = –120 dBm > RSSI ≥ –130 dBm, rot < –130 dBm.
© Swissphone

Mit diesen ersten Anwendungen sind die Verantwortlichen von Axpo Grid zufrieden. »Die Signalübertragung ist zuverlässig. Die zentralen und ganz aktuellen Parameter wie Batteriezustand und Signalpegel werden – natürlich ebenfalls über Mioty – ermittelt und angezeigt«, erklärt Reto Friedl und zieht als Fazit: »Mioty hat unsere Erwartungen erfüllt.«

Leicht erweiterbare Infrastruktur

Zu den Vorteilen eines Funksystems gehört: Wenn die Infrastruktur steht, können zusätzliche Sensoren ganz einfach eingebunden werden. Uwe Scholz: »Wir haben auch vier Temperatursensoren zur Netzüberwachung in das System integriert sowie die Überwachung der Torsteuerung an einem Axpo-Standort im Funkgebiet. So kann die Leitstelle sehen, ob das Tor geöffnet oder geschlossen ist.« Darüber hinaus hat Axpo WZ-Systems auch Mioty-Handsender mit GPS in Fahrzeugen in der Erprobung, die sich über diese Plattform einfach »tracken« lassen. Mit ihnen lässt sich die Funkabdeckung an potenziellen neuen Sensorstandorten prüfen. »Die Ergebnisse sind immer wieder überraschend, denn die Reichweiten sind auch in abgeschatteten Gebieten höher und als man erwarten würde«, sagt Uwe Scholz.

 


  1. IoT für kritische Infrastrukturen
  2. Mioty oder LoRa?
  3. Stabile Datenverbindung bei 120 km/h
  4. Eurostars: Volle Bidirektionalität und reduzierte Latenzzeit
  5. Mioty-Evaluation-Kit
  6. Vorträge zum Thema Mioty

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