Вы здесь

Современные системы учета электроэнергии

Опубликовано пт, 03/25/2022 - 18:16 пользователем Игнатов Сергей

Современные системы учета и контроля электроэнергии – это эффективный инструмент, который помогает специалистам получать «из первых уст» достоверную информацию об энергопотреблении объектов учета, анализировать ее, своевременно выявлять и пресекать энерговоровство, снижать операционные затраты энергокомпаний на получение данных со счетчиков.

Долгое время в России использовались индукционные приборы учета электроэнергии с вращающимися элементами. Единственная функция такого счетчика состояла в подсчете потребленных киловатт-часов нарастающим итогом. Потребитель раз в месяц списывал с его табло показания и передавал их в энергокомпанию или сама компания направляла контролеров для снятия и фиксации показаний.

С распространением и постепенным удешевлением технологии производства микропроцессоров в 1990–2000 годах появилась возможность встраивать в прибор учета электронику. Так появились первые «умные» счетчики и автоматизированные системы учета электроэнергии – АСКУЭ и АИСКУЭ.

АСКУЭ

 

АСКУЭ – это автоматическая система коммерческого учета электроэнергии. Ее функциональное назначение состоит в автоматизации процесса учета расхода электричества для выполнения расчетов с его потребителями.

Помимо этого, на основании собранной информации система формирует ряд отчетов, которые используются для прогнозирования энергопотребления, расчётов стоимостных показателей и др.

Есть еще один важный аспект. АСКУЭ позволяет подсчитывать количество электричества, поступающего на объекты, разные по своему целевому назначению: от жилых домов до производственных помещений. Система может учитывать энергопотребление на уровне дома, городского района и даже населенного пункта.

Основные функции АСКУЭ:

  • Постоянный автоматический контроль использования энергии за расчетный период. Если система установлена на предприятии – то в разрезе цехов, производственных участков, конкретных потребителей и т. д.;
  • Обеспечение оперативного и максимально точного учета энергопотребления в соответствии с многочисленными тарифами. В некоторых моделях реализована функция автоматического перевода наиболее энергоемких технологических процессов на выгодные тарифы;
  • Оперативное получение информации о неисправностях приборов и сбоях в системе;
  • Предоставление цифровых характеристик по запросу оперативно-диспетчерского персонала с выводом информации на экран ПК или другого устройства;
  • Управление системой времени с возможностью ее корректирования;
  • Сохранение собранной информации в базе данных.

Система позволяет устанавливать точку контроля показаний. Это означает, что прибор может фиксировать данные через определенный отрезок времени: раз в 30 минут, в час, в день и т.д.  

Основные элементы системы:

  • Элементы первого (нижнего) уровня. К ним относятся цифровые устройства учета энергии и мощности, оснащенные специальным модулем для отправки данных в центр сбора информации.

Основной плюс микропроцессоров состоит в их способности учитывать активную и реактивную энергию согласно действующих тарифов, а также мощность в обоих направлениях.

Кроме того, эти устройства способны фиксировать максимальную мощность и нагрузку на протяжении определенного промежутка времени и хранить информацию в своей памяти.

Функционал многих микропроцессорных устройств позволяет измерять качественные параметры энергии. Например, частоту, напряжение, провалы напряжения и др.

Для передачи данных со счетчиками устанавливается связь. Если же подключение отсутствует, то вся информация архивируется и еще какое-то время сберегается в памяти устройства.

  • Элементы второго (среднего) уровня – это средства коммуникации. Их функцию выполняют модемы, мультиплексоры и другая телекоммуникационная аппаратура, а также специальные телефонные каналы.
  • Элементы третьего (верхнего) уровня. К этой категории относятся персональные компьютеры с установленным на них специализированным программным обеспечением.

ПО предназначено для аккумулирования информации, вывода на экран отчетов в виде инфографики или сводных таблиц, а также для отправки данных в преобразованном виде на другие системы.

Программы и мощность компьютера подбираются с учетом объема поступающих и обрабатываемых данных. Кроме того, во внимание принимаются все дополнительные функции системы.

         Надёжность работы АСКУЭ напрямую зависит от компонентов первого уровня. Поэтому основные требования предъявляются к качеству приборов учёта. Именно от их точности зависит достоверность собранной информации.

         Для передачи информации используется несколько технологий:

  1. Интерфейс RS-485. В РФ широкое распространение получил стандарт физического уровня связи — интерфейс RS-485. Сеть, построенная с использованием этого интерфейса, представляет собой приемопередатчики, соединенные с помощью витой пары.

В основе интерфейса лежит принцип дифференциальной передачи данных. Его суть состоит в том, что один сигнал передается по двум проводам (принцип дифференциальной передачи данных). Причем по одному из них идет оригинальный сигнал, а по второму – его инверсная копия.

Между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов, которая и передает сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе, которая одинаково воздействует на оба провода. При дифференциальной передаче искажение не происходит.

Самым ощутимым минусом такого устройства эксперты называют ограниченное количество приемопередатчиков. Их может быть не больше 32. Такие системы можно использовать лишь на небольших объектах.

Выходом из ситуации стало построение каскадированных систем с использованием сумматоров, которые аккумулируют информацию, полученную от разных источников.

Следует отметить, что автоматические системы на базе интерфейса RS-485 разрабатывались в то время, когда использование GSM было экономически не выгодно. В дальнейшем ситуация изменилась.

  1. GSM/GPRSспособ передачи данных с приборов учета с помощью сети сотовой связи мобильных операторов. Благодаря глобальному покрытию территорий, эти виды радиосвязи стали доступны как в городах, так и в сельской местности.

Если на объекте используется сотовая связь, то с целью опроса прибора учёта электроэнергии достаточно подключить GSM-модем с SIM-картой. Преимуществом этой системы обмена данными эксперты называют надежность и простоту процесса, а также отсутствие устройств сбора и передачи данных (УСПД), ретрансляторов и другого оборудования.

Принцип работы GSM-модема имеет много общего с алгоритмом функционирования телефона-факса: центральный компьютер звонит на модем, подключенный к счетчику, по номеру SIM-карты и получает затребованную информацию.

Основными недостатками использования таких модемов являются повышенное время подключения к прибору учета энергоресурсов и сравнительно невысокая скорость передачи данных. К минусам технологии специалисты также относят необходимость оплаты услуг связи сотовому оператору и эксплуатационные издержки (нужно оплачивать ежемесячно SIM-карту для каждого такого прибора ради нескольких сеансов связи в месяц).

В то же время этим устройствам свойственны и преимущества. Прежде всего, речь идет об отсутствии предварительных настроек. Кроме того, к числу плюсов можно отнести и стоимость, поскольку цена GSM-модема ниже, чем у GPRS-модемов.

По принципу работы GPRS-модем похож на смартфон. Устройство автоматически выходит в интернет и подключается к центральному компьютеру, который в определенное время получает информацию с прибора учета электроэнергии. При этом не тратится время на подключение.

Преимущества модема – высокая скорость опроса счетчиков и сравнительно низкая стоимость трафика. Минус – цена таких модемов выше. Кроме того, устройства нуждаются в предварительной настройке.

  1. Протокол LoRaWAN – это высоконадежный стандарт для беспроводных маломощных сетей. Отличительной особенностью технологии является низкое энергопотребление, способствующее работе передающего модема от встроенной батареи или источника внешнего питания в течение нескольких лет, а также большая дальность связи (до 15 км) в зоне прямой видимости и до 5 км в условиях городской среды. Кроме того, стоимость таких модемов ниже цены аналогичного оборудования других систем.

Эти преимущества делают решения на базе LoRaWAN более привлекательными на фоне устройств с другими технологиями.

Для работы АСКУЭ необходимо установить базовую станцию. Радиус ее действия зависит от плотности бетонной застройки, количества кирпичных строений в зоне покрытия или наличия других преград для прохождения сигнала. Оборудование устанавливается в любом строении и обеспечивает подключение сотен устройств.

Станция работает на частотах диапазона 860-1000 Гц. Их использование не требует получения разрешения (лицензии) в установленном государством порядке.

На объекте потребителя могут быть установлены приборы учета с импульсным выходом (такие счетчики оснащены мигающим светодиодом) или более современные устройства с цифровым интерфейсом.

Импульсный выход обеспечивает только ежедневную передачу показаний. Современные модели электроприборов могут передавать больше информации (график потребления, токи, напряжение). Кроме того, если в их конструкции производитель предусмотрел специальное реле, то администратор системы может в удаленном режиме включать и выключать подачу электроэнергии к любому объекту, где установлен такой прибор учета энергоресурсов.

Сеть LoRaWAN состоит из трех основных элементов:

- конечные приборы, поддерживающие протокол LoRaWAN и способные подключаться к счетчикам и датчикам;

- базовые станции (шлюзы). Обеспечивают сбор данных от конечных приборов и их передачу на серверное программное обеспечение;

- серверное ПО с открытым IP, благодаря которому выполняется интеграция с любой SCADA и любым программным обеспечением верхнего уровня.

Важная особенность LoRaWAN заключается в том, что каждый из этих трех компонентов сети может быть заменен аналогичными решениями, представленными на рынке разными производителями. Это означает, что при построении сети можно без каких-либо затруднений использовать оборудование разных марок, устанавливать базовые станции разных типов, применять различные программы (платные платформы, облачные ресурсы, ПО из открытых источников).

Преимущества LoRaWAN:

  • Экономическая эффективность. Использование энергоэффективной сети дальнего радиуса действия – это экономически оправданное решение, поскольку для ее построения необходим минимальный набор оборудования, а цена точки учета и услуг связи в несколько раз ниже стоимости услуг операторов сотовых сетей;
  • Высокая проникающая способность. Высотные здания не являются серьезной преградой для передачи данных. Сигнал заглушить практически невозможно, поскольку он передается в широком диапазоне частот. При этом сеть не нуждается в построении сложной архитектуры. Радиус действия одной базовой станции охватывает десятки квадратных километров. Построить такую сеть проще, а обслуживать – дешевле;
  • Это оптимальное решение в ситуациях, когда счетчики рассредоточены по большой территории;
  • Максимальное количество точек учета, которые может одновременно обслуживать одна базовая станция в зоне покрытия, не ограничено;
  • Сеть масштабируется до нужного размера только за счет добавления новых приборов и датчиков. Установка дополнительных устройств (промежуточных концентраторов, ретрансляторов и других средств коммуникации) не требуется. При этом количество задействованного оборудования не отражается на надежности АСКУЭ;
  • В сети могут одновременно функционировать самые разные устройства. К примеру, одна базовая станция может принимать сигналы от счетчиков электрической энергии, тепла и воды, а также собирать данные с датчиков протечек, дыма, открытия дверей и др.
  1. Интерфейс PLC. Телекоммуникационная технология обеспечивает высокоскоростной информационный обмен по силовым электрическим сетям. Для построения АСКУЭ используются технологии PLC для узкополосной передачи информации в диапазоне частот CENELEC A (35-91 кГц, Россия и Европа), CENELEC B (98-122 кГц, некоторые страны Европы), FCC (155-487 кГц, США).

В настоящее время наибольшее распространение получили стандартизированные технологии передачи данных PLC PRIME и G3-PLC, которые предназначены для передачи данных непосредственно по ЛЭП. Каждой из этих технологий свойственны свои преимущества.

К примеру, PRIME отличается высокой скоростью передачи данных – до 141 Кбит/с, ее функционал позволяет мониторить сеть в онлайн-режиме. G3-PLC может передавать пакеты IPv6 в Интернет, работать с оборудованием разных типов и обеспечивает надежный режим, способный устранять шумы несущих частот.

Некоторые опции G3-PLC достаточно сложные. Для их структурирования на физическом уровне требуется больше времени. Это особенно хорошо заметно на трансформаторных подстанциях, где насчитывается более 300-т точек учета.

Для построения топологической сети G3-PLC использует алгоритмы, отличающиеся от тех, что применяет PRIME.

Особенность алгоритмов G3-PLC состоит в «умении» обходить зашумленные участки или недоступные приборы учёта в процессе сбора данных. Это негативно отражается на скорости обмена информацией и может стать причиной задержки сбора данных.

Практика показывает, что G3-PLC не всегда может эффективно справиться с опросом большого количества счетчиков из-за того, что концентратору недостаточно времени на сбор данных. Поэтому сеанс оказывается незавершенным.

Этот вывод подтверждает опыт компании ADD Grup, которая испытала обе технологии на одном из энергообъектов Праги. Была поставлена задача: за одну минуту собрать данные с подстанции, обслуживающей 550 пользователей.

Первым испытание проходил G3-PLC. Однако из-за особенностей технологии результаты эксперимента оказались неудовлетворительными.

Было принято решение перейти на PRIME. Эта технология продемонстрировала 100%-ую эффективность.

G3-PLC уступает PRIME по скорости сбора данных, но показывает более высокие результаты во время работы в шумных местах, где количество «умных» приборов учета не превышает 300 единиц на одну подстанцию.

Также возможно применение гетерогенных модулей связи (PLC/RF модем). Гибридное решение позволяет улучшить качество сбора данных и сделать процесс выполнения поставленной задачи более надежным. В случае если одна из систем по каким-то причинам даст сбой, модем автоматически переключается на другую.

ADD Grup уже внедрила гибридное решение на базе G3-PLC в сочетании с ВЧ-каналом в оборудование российской подстанции, на которой установлено 400 интеллектуальных приборов учета. Энергообъект функционирует в регионе с суровым климатом.

Опыт использования гетерогенного модуля демонстрирует 98,5% суточного и почасового сбора данных. Огромное преимущество технологии заключается в возможности переключать режимы связи при появлении одного счетчика или группы приборов, по которым прохождение сигнала может быть затруднительным. Проблемные участки легко преодолеваются с помощью радиоканала.

Кроме того, на рынке существует ряд проприетарных технологий. Часть из них не соответствует нормам излучения по частоте или мощности. Поэтому специалисты рекомендуют учитывать это при выборе PLC-технологии.

  1. ZigBee это система (способ) канал связи передачи данных с приборов учета по технологии беспроводной передачи данных с возможностью построения самоорганизующейся и самовосстанавливающейся сети с автоматической ретрансляцией передаваемых сообщений для большого количества компактно расположенных объектов опроса.

Главными преимуществами такой системы являются сравнительно небольшая стоимость, простота, дальность действия (до 10 км) и низкое энергопотребление.

Для беспроводного обмена данными не требуется оформление разрешений на использование радиочастотного диапазона, который хорошо зарекомендовал себя в условиях плотной городской застройки: радиоволны беспрепятственно проникают через бетонные строительные конструкции и лишь незначительно ослабевают при прохождении через кирпичную кладку.

Для увеличения дальности связи и улучшения качества сигнала производители электротехнического оборудования разработали и поставили на рынок радиомодемы, оснащенные функцией ретрансляции сигнала. Они принимают сигнал от других модемов и передают дальше.

Таким образом, в случаях, когда расстояние между базовым устройством и каким-либо модемом сети больше максимального расстояния в зоне прямой видимости, сигнал проходит через промежуточные модемы.

Наряду с функцией ретрансляции модемы освоили технологию выстраивания единой сети и в автоматическом режиме могут определять самый короткий путь до устройства-получателя.

Это означает, что при выходе из строя одного из звеньев цепи сеть самостоятельно перестроится и передаст информацию с помощью другого модема.