Overvåkning av kritiske komponenter i kraftnettet med tingenes internett – IoT

Moderne sensorteknologi og nye kommunikasjonsnettverk gir nye muligheter for tilstandskontroll, overvåking og drift av kraftnettet. Det utvikles stadig bedre og billigere sensorer som sammen med  moderne informasjons- og kommunikasjonsteknologi åpner for en ny verden av sammenkoblede systemer og komponenter. Bruken av slike sensor- og kommunikasjonssystemer kalles gjerne tingenes internett (Internet of Things – IoT), og er en viktig bidragsyter i utviklingen av framtidens smarte strømnett.

Hva er tingenes internett (IoT)?

Tingenes internett har ingen offisiell definisjon, men refererer til et nettverk av fysiske enheter («ting») som kobles sammen, samler informasjon og deler den over et kommunikasjonsnettverk («internett»). I denne sammenhengen sikter ikke begrepet «internett» nødvendigvis til verdensveven, men heller et nettverk av sammenkoblede ting. (Gjerne kalt «noder»).

IoT dekker altså hele verdikjeden fra fysiske enheter (typisk batteridrevne sensorer), dataoverføring og kommunikasjon (4G/LTE, LPWAN, Bluetooth o.l.), til datahåndtering og lagring (skyløsninger).

IoT-sensorer i kraftnettet kan gi bedre vedlikehold og lavere kostnader

Framskritt innenfor sensorteknologi og utvikling av trådløse løsninger kan åpne for mer avansert overvåking av kritisk infrastruktur i kraftnettet. For eksempel kan vi raskere finne delutladninger i kraftkomponenter, temperatur-, fukt- og miljøforandringer i nettstasjoner, vibrasjonsanalyse av brytere, og mange andre spennende ting.

Det fins allerede eksempler på sensorløsninger som er implementert. For eksempel overvåkning av jordfeil og vern, olje- og gassnivå i transformatorer, temperatur i viklinger, endeavslutninger og skjøter. Basert på data fra disse sensorene kan IoT-løsninger kombinere avanserte fysiske modeller og datadrevet analyse, og gi verdifull informasjon om blant annet tilstand, aldring, feil og degradering av kraftnettets kritiske komponenter.

Dette gjør at vi kan spå når komponenter i nettet vil feile. Det gir kostnadsbesparelser ved vedlikehold og utskiftninger fordi en feil kan repareres før den blir alvorlig. Det er dette vi kaller tilstandsbasert vedlikehold, i motsetning til planlagt vedlikehold som er vanlig i dag. Dette kan åpne for mer effektiv drift og vedlikehold av anleggene, noe som gir nettselskapene lavere kostnader i det lange løp.

Samtidig er det utfordringer knyttet til nye sårbarheter og cybersikkerhet, eierskap til og behandling av sensitiv data, hyllevarer vs. skreddersydde løsninger, sentralisert vs. edge computing, og kostnader målt opp mot gevinster ved IoT-basert overvåkning.

SINTEF jobber tett med disse problemstillingene for å styrke driftssikkerheten og bidra til mer treffsikkert vedlikehold. Vi undersøker hvilke IoT-teknologier som egner seg best for deteksjon av typiske feil i kraftnettet, vi tester sensorsystemer utsatt for sterke elektromagnetiske påkjenninger, og vi sammenligner forskjellige kommunikasjonsprotokoller mot hverandre.

Kommunikasjonsprotokoller for IoT

Det fins en rekke trådløse kommunikasjonsprotokoller for IoT. En kommunikasjonsprotokoll er et sett med regler for hvordan data skal utveksles mellom noder i et nettverk. Forskjellige protokoller har forskjellige egenskaper når det kommer til rekkevidde, energiforbruk, hastighet på dataoverføring («datarate»), kostnader osv. IoT-applikasjoner kjennetegnes typisk av:

• kommunikasjon over lange avstander
• små mengder data
• billige og batteridrevne enheter

Tradisjonelle radiooverføringsprotokoller (som som Zigbee og Bluetooth) egner seg dårlig til dataoverføring over lange avstander, mens løsninger over mobilnettet (som 3G og 4G/LTE), som er godt egnet for lange avstander, bruker mye energi og har høyere kostnader. Det er derfor utviklet spesifikke kommunikasjonsprotokoller for IoT. En lovende teknologi med økende popularitet er «Low Power Wide Area Networks» (LPWAN).

LPWAN

LPWAN er fellesbetegnelsen for en gruppe kommunikasjonsprotokoller som kjennetegnes av lavt energiforbruk, lang rekkevidde og lave kostnader. De er med andre ord svært godt egnet for stor-skala IoT-applikasjoner med et stort antall sammenkoblede enheter, som behøver å sende små mengder data (100 til 60k bps) over lange avstander (5 til 40 km), til lave kostnader (2-20 EUR/sensor).

KIlde: https://www.researchgate.net/publication/322018958_A_comparative_study_of_LPWAN_technologies_for_large-scale_IoT_deployment

Det fins flere typer LPWAN-teknologier, hvor Sigfox, LoRaWAN og Narrowband-IoT (NB-IoT) har størst utbredelse. SINTEF Energi undersøker IoT-teknologier for kraftnettet. I dette arbeidet tester og sammenligner vi løsninger basert på LoRaWAN og NB-IoT. Dette er fordi LoRaWAN er en åpen-standard protokoll og NB-IoT tilbys av de største norske mobiloperatørene, mens Sigfox er en proprietær protokoll.  LoRaWAN og NB-IoT har mange likehetstrekk, men det er visse forskjeller mellom dem, særlig når det kommer til batterilevetid og kostnader.

LoRaWAN og NB-IoT

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) er basert på LoRa-teknologien som styres av LoRA-alliansen, en sammenslutning av mer enn 500 selskaper. LoRaWAN er åpen standard og benytter seg av det ulisensierte 868 MHz-båndet i Europa, som betyr at hvem som helst kan sette opp sitt eget nettverk. Det er likevel verdt å merke seg at LoRa, som utgjør det fysiske laget av protokollen, er basert på en patentert moduleringsteknikk utviklet av selskapet Semtech. Med andre ord er man avhengig av å kjøpe LoRa-chipset fra Semtech selv om man fritt kan sette opp sitt eget åpne LoRaWAN-nettverk. Den mest brukte server-tjenesten for å sette opp et LoRaWAN-nettverk er den åpne plattformen The Things Network.

NB-IoT (Narrowband-IoT), lansert av 3GPP (en sammenslutning av standardiseringsorganisasjoner innen telekommunikasjon), er en lisensiert protokoll. Den er bygd på LTE-protokollen (long-term evolution) og bruker lisensierte LTE-frekvensbånd (700, 800, 900 MHz). NB-IoT kan ses på som en forenklet versjon av LTE, designet for IoT-applikasjoner, bygd på den veletablerte LTE-infrastrukturen, og tilbys i hovedsak av teleoperatører. Sammenlignet med LoRaWAN, har NB-IoT noe høyere kostnader, høyere energiforbruk, mot en noe større datarate og -størrelse. Det at NB-IoT er bygd på LTE-teknologien gir den en fordel ved at det i praksis allerede fins tilgjengelig nettverksinfrastruktur der det er mobildekning, gitt at gjeldende mobiloperatør ruller ut støtte for NB-IoT. Krav om abonnement og data-sim fra teleoperatørene fører dog til et høyere kostnadsnivå.

Under er en sammenligning av LoRaWAN og NB-IoT.

Kilder: ABI Research og "A comparative study of LPWAN technologies for large-scale IoT Deployment" Mekki et al. (2017)

LoRaWAN vs. NB-IoT for overvåkning av kraftkomponenter

Både LoRaWAN og NB-IoT er interessante teknologier for IoT-basert overvåkning i kraftnettet. LoRaWAN er mer kostnadseffektiv og batterisparende, og gir med sin åpne løsning brukerne fullt eierskap til data- og nettverksinfrastrukturen. LoRaWAN gir også muligheten til å sette opp egne nettverk i områder hvor det ikke er mobildekning, i motsetning til NB-IoT, som er avhengig av det lokale mobilnettet. NB-IoT tilbyr større kapasitet for dataoverføring, mot en høyere kostnad og høyere energibruk. Hvis sensoren har konstant strømforsyning (ikke batteri), og hvis det kreves større overføringskapasitet, kan NB-IoT være et bedre valg.

Cybersikkerhet og IoT i kraftnettet

Selv om IoT åpner for nye muligheter for overvåkning av komponenter i fremtidens smarte nett, kan sårbarheten for cyberangrep i kraftnettet øke. Når flere og flere sensorer og enheter som er koblet til internett installeres i kritisk infrastruktur, vil naturlig nok antallet mulige angrepspunkter øke. Et angrep kan ha flere alvorlige følger, bl.a. kan den fysiske infrastrukturen ødelegges eller settes ut av spill, en kan miste kontrollen over systemet, eller sensitiv informasjon kan havne i feil hender. I ytterste konsekvens kan slike angrep utgjøre en trussel mot forsyningssikkerheten i energisystemet.

Et cyberangrep kan ta forskjellig form, og en skiller gjerne mellom angrep på spesifikke enheter (f.eks. sensorer), dataangrep og nettverksangrep.

Enhetsangrep

I og med at et IoT-basert kraftsystem består av et stort antall tilkoblede sensorer, vil et enhetsangrep på en eller flere sensorer kunne gjøre stor skade. En kompromittert sensor kan f.eks. brukes til å spre et virus eller en trojansk hest forkledd som måledata.

Dataangrep

Et dataangrep går ut på å sette inn, endre eller fjerne data fra kommunikasjonsstrømmen i nettverket, og på den måten «lure» kraftnettet til å ta feil avgjørelser eller utføre skadelige handlinger. Hvis en angriper lykkes i å manipulere data mellom sensorer og kontrollsystemet, vil beslutningsgrunnlaget bli mangelfullt eller i verste fall misledende.

Nettverksangrep

Et nettverksangrep er som oftest et såkalt denial of service (DoS) angrep. Det går ut på å oversvømme nettverket med trafikk slik at tjenestene blir utilgjengelige eller forsinket. I kraftnettet kan forsinkelser på noen millisekunder skade infrastrukturen.

Et cyberangrep kan også komme som en kombinasjon av angrepstypene nevnt ovenfor, i tillegg til at nye trusler og angrepsstrategier utvikles konstant. En viktig utfordring med IoT-løsninger i kraftnettet er knyttet til nettopp dette, og det er derfor nødvendig å utvikle robuste sikkerhetssystemer for å minimere risikoen for skadelige cyberangrep.

Big data

Økningen i antall tilkoblede enheter fører til større og større mengder innsamlet data, som igjen øker behovet for omfattende databehandling- og lagring. Å overføre, lagre og analysere de enorme datamengdene som genereres i IoT-baserte sensorsystemer stiller store krav til dataanalyse. Men store datamengder åpner også opp nye muligheter for overvåking av kraftnettet ved å ta i bruk avanserte statistiske metoder for stordatahåndtering, maskinlæringsalgoritmer for å finne hittil uoppdagede sammenhenger, samt monitorering av tilstanden til komponenter ved hjelp av kunstig intelligens (AI).

Alt i alt gir moderne sensor- og kommunikasjonsteknologi nye måter å drifte, vedlikeholde og overvåke komponenter i kraftnettet på. Samtidig er det utfordringer knyttet til sikkerhet, stor-datahåndtering og kostnader ved implementasjon av IoT-løsninger. SINTEF jobber tett med disse problemstillingene for å bidra til utviklingen av framtidens smarte strømnett.