CC BY
304
Удк 004.9
применение автоматизированных информационных систем в Бытовом секторе
колокольникова Алла ивановна,
доцент, к.т.н., Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, г. Кемерово, Россия aik674@mail.ru
Карнаухов Дмитрий Владимирович,
студент, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, г. Кемерово, Россия arehts8@gmail.com
В статье описано использование автоматизированных систем в бытовом учете электроэнергии. Рассмотрены задачи, особенности и технологии передачи информации об энергопотреблении. Дана оценка экономического эффекта от использования системы в регионе.
Ключевые слова: информационно-измерительные системы, беспроводные сети передачи данных, энергоресурс, телекоммуникационная технология PowerLine, экономический эффект.
application of automated information DATA SYSTEMS in domestic household
Kolokolnikova Alla,
PhD in Technical Sciences, associate professor, Kuzbass state technical University named after T F Gorbachev, Kemerovo city, Russia aik674@mail.ru
Karnaukhov Dmitry,
student Kuzbass state technical University named after T. F. Gorbachev, Kemerovo city, Russia arehts8@gmail.com
This article describes the usage of automated information systems for accounting of energy consumption in domestic households. Problems, features and technologies for energy consumption data transmission are considered.
The economic effect from the usage of information systems within the region was assessed.
Key words: information and measuring systems, wireless communication, energy, telecommunications technology PLC, the economic effect.
Введение
Автоматизированная информационная система - это совокупность программных и аппаратных средств, предназначенных для хранения и (или) управления данными и информацией, а также для производства вычислений.
Основной целью автоматизации в электроэнергетике является уменьшение потерь электроэнергии и контроль энергопотребления. Средством реализации данной цели являются компьютерные аппаратно-технические средства, на базе которых формируются автоматизированные информационные системы (АИС). На данный момент это одно из наиболее перспективных направлений в энергетике. АИС могут использоваться в трех основных направлениях: для коммерческого, технического и бытового учета электроэнергии.
Современные автоматизированные информационно-измерительные системы коммерческого учета электроэнергии - АИИС КУЭ (АСКУЭ) - создаются для коммерческого учета потребляемой или отпускаемой электрической энергии [2]. Их главной задачей является работа на оптовом или розничном рынке электроэнергии, при этом необходимо обеспечить информационную связь энергоснабжающим компаниям с потребителями (покупателями). Целью создания и функционирования АИИС КУЭ является измерение количества электрической энергии (полученной, переданной, потребленной), позволяющее определить величины учетных показателей, используемых в финансовых расчетах.
Для анализа учетных данных по электроэнергии, потребляемой на нужды производственных предприятий применяются АИИС технического учета электроэнергии (АСТУЭ). Они позволяют планировать потребление, выявлять нерациональное использование, снижать потери электроэнергии.
Широкое распространение в электроэнергетике получают так называемые «умные» сети, или Smart Grid. Их внедрение является наиболее результативным техническим решением для повышения эффективности передачи электроэнергии. Технология SMART
(Self Monitoring Analysis and Reporting Technology) - технология самодиагностики, анализа и отчета. Она была создана с целью повышения надежности работы оборудования, возможности контролировать его на расстоянии. В русском варианте используется термин «активно-адаптивные сети». Активно-адаптивная сеть обеспечивает требуемое качество и уменьшение потерь передаваемой электроэнергии, самовосстановление после сбоев электроснабжения; возможность потребителям участвовать в работе сети.
В бытовом секторе АИИС комплексного учета энергоресурсов (АСКУЭ БП) предназначены для организации учета электроэнергии, тепловой энергии, газа, воды и других видов энергоресурсов на трансформаторных подстанциях и распределительных устройствах многоквартирных жилых домов, учреждений, офисных зданий и других организаций жилищно-коммунального хозяйства [6]. После принятия Федерального закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» от 23.11.2009 г. разработке автоматизированных систем сбора данных от бытовых потребителей стало уделяться повышенное внимание. Внедрение информационных технологий в бытовом секторе позволяет:
• осуществлять контроль значений напряжения и мощности в точках поставки электрической энергии конечным потребителям;
• производить удаленный учет показаний приборов, что увеличивает точность, исключает такую составляющую коммерческих потерь электроэнергии, как неодновременность снятия показаний, снижает затраты сетевой компании на организацию визуального снятия показаний;
• свести к минимуму случаи возникновения разногласий с энергосбытовой организацией, поскольку верность предоставления данных по полезному отпуску электроэнергии посредством измерительных систем не вызывает сомнений;
• исключить случаи непопадания контролера сетевой организации к потребителю вследствие нежелания или отсутствия последнего;
• контролировать величины потребления (передачи) электроэнергии и ее характеристики;
• представлять данные в графической форме, проводить анализ электропотребления и обнаруживать очаги потерь.
Сбор информации об энергопотреблении с приборов учета ведется, в зависимости от особенностей объекта, с применением различных технологий: проводной и беспроводной передачи данных; передачи данных по силовой сети 0,4 кВ. Для точного контроля съема показаний счетчиков необходимо снять данные с трансформаторной подстанции и всех ее потребителей в течение нескольких часов. К некорректному расчету электроэнергии у потребителей могут приводить ошибки, обусловленные «человеческим фактором». Проводная передача данных на данный момент хоть и широко используется, но является наименее совершенной, учитывая большие потери электроэнергии при ее применении.
Цель работы
В работе изучается возможность и эффективность применения АИИС КУЭ для автоматизации торговли электроэнергией в бытовом секторе на основе технологии PLC (англ. Power line communication), использующей связь через ЛЭП для передачи данных или голосовой информации.
Эффективно развивающаяся телекоммуникационная технология, основанная на применении силовых электросетей, позволяет обеспечить высокоскоростной информационный обмен. С появлением сигнальных процессоров для реализации сложных способов модуляции сигнала, современных методов кодирования и шифрования данных увеличились защита и достоверность передаваемой информации.
Технологии хDSL (англ. digital subscriber line, цифровая абонентская линия), беспроводного доступа (Wi-Fi), спутниковой связи, оптоволоконных систем имеют много преимуществ и могут рассматриваться как альтернатива технологии, основанной на использовании электросетей. С одной стороны, связь через эфир не нуждается в проводах, но, с другой стороны, беспроводные сети плохо защищены от помех, пропускная способность канала часто ограничена, широкополосный сигнал имеет ограниченную зону покрытия, которая зависит от размеров и конфигурации помещения, свойств строительных материалов.
Как физическая среда линии электропередачи представляют пользователю недорогой, доступный, надежный и быстрый канал связи, а с помощью дополнительной PLC-сети можно расширить зону покрытия. Имеется возможность доставки электроэнергии и
данных учета по одной цепи с созданием срезов показаний. Основные преимущества применения низковольтных электрических сетей в качестве среды передачи данных: наличие разветвленных уже существующих электрических сетей, не требуется разрешение на монтаж и эксплуатацию, оперативность развертывания, низкие совокупные затраты, устойчивость к погодным условиям.
Материалы и методы исследования
Для существующих линий электроснабжения могут использоваться технологии сбора данных. Примером выбора технологии PowerLine при создании системы автоматизированного учета розничного рынка электроэнергии и бытового потребителя является проект ОАО «РЖД», начатый в 2007 году. По проекту предусмотрено снабжение электроэнергией 240 000 точек учета на 20 000 подстанций 79 субъектов РФ [4]. В условиях России создание проводной системы передачи данных требует больших затрат. При отсутствии проложенных проводных линий до приборов учета применяется передача данных по радиоканалу, когда электросчетчик используется как преобразователь радиосигнала. Таким образом, была открыта возможность создания АИИС коммерческого учета на розничном рынке электроэнергии.
Существующие электросети в бытовом секторе старой постройки не предназначены для передачи данных, их характеризуют изношенность и низкое качество электропроводки в многоквартирных домах, применение алюминиевых проводов, обладающих меньшей электропроводностью по сравнению с медными, наличие скруток проводов, что обусловливает высокий уровень помех и затухание высокочастотного сигнала. Коммерческие потери электроэнергии в таких сетях составляют более 40% [6]. Решение проблемы - использование системы дистанционного съема данных по электрическим сетям на основе технологии PLC.
К технологии PowerLine лучше приспособлены здания новой постройки, где применяются современные технологии соединения и подключения медных проводов. Чаще всего это бытовой сектор с малоэтажной коттеджной застройкой, обслуживаемый городскими радиоэлектронными средствами (РЭС). Такие районы обычно расположены отдаленно, в них затруднен доступ к узлам учета потребителей и имеется большая величина небаланса электроэнергии.
Опробование системы дистанционного съема данных по низковольтным электрическим сетям на основе PLC-технологии провели Бугульминские электрические сети филиала ОАО «Сетевая компания» в 2009 году [3]. Тестирование системы было произведено в бытовом секторе в домах коттеджного типа г. Бугульмы, обслуживаемых городским РЭС. Главные критерии монтажа оборудования - наличие большого небаланса электроэнергии и сложностей в доступе к узлам учета. Опробование было начато с установки оборудования на четырех комплектных трансформаторных подстанциях (КТП). Анализ динамики и состояния потерь электроэнергии в распределительной сети в результате установки КТП за два года показал, что с увеличением охваченных системой точек учета наблюдалось резкое снижение величины потерь электроэнергии. Уменьшение объема электроэнергии, поступающего в распределительную сеть, с одновременным увеличением реализации свидетельствует о применении энергосберегающих технологий и формировании рационального подхода к потреблению электрической энергии.
Можно считать, что результаты применения автоматизированной информационно-измерительной системы в Бугульминских электрических сетях были положительными. Установка приборов учета с дистанционным снятием показаний на основе PLC-технологии продолжилась, на начало 2012 года, системой были охвачены уже 337 потребительских объектов, причем самый удаленный прибор учета расположен на расстоянии 750 м от концентратора КТП [3].
Для бытового сектора с большим количеством точек учета и близкими расстояниями между ними стандартным решением является использование счетчиков с PLC модемами. В этом случае цена АСКУЭ практически полностью сводится к стоимости установки счетчиков, потому что для передачи данных применяются силовые сети, по которым электричество поступает к конечному потребителю. Концентратор осуществляет сбор данных со счетчиков для передачи данных в программное обеспечение АСКУЭ. При использовании GSM связи PLC концентраторы могут быть подключены к GSM шлюзу, а в случае интернет соединения - к преобразователям интерфейсов Ethernet-RS485 (англ. Recommended Standard 485 - рекомендуемый стандарт).
При сильном разбросе и значительном расстоянии до входящих в состав АСКУЭ точек учета применяются технологии передачи данных через GSM связь, использующие GSM шлюз или
счетчики с GSM модемом со стороны персонального компьютера. С помощью оснащенного GSM модемом счетчика можно опросить другие счетчики, соединенные с ним через RS-485 или сеть контроллеров CAN (англ. Controller Area Network).
Радиосеть удовлетворяет основным оперативно-техническим требованиям: функционирует во всей оперативной зоне, имеет высокую надежность и живучесть, достаточную пропускную способность, оперативный доступ к ресурсам, характеризуется простотой и низкой эксплуатационной стоимостью, совместима с оборудованием сбора и обработки данных по типовым и нестандартным интерфейсам.
Счетчики электроэнергии могут употребляться в качестве преобразователей в PLC передаваемого диспетчеру радиосигнала. Установку электросчетчиков можно производить на опорах в щитах учета наружной установки. Такой способ подключения приводит к уменьшению помех от расположенных в жилых домах бытовых электроприборов, делает счетчики недоступными для вмешательства в схему узла учета, предоставляет возможность для проверки и установки в выносной щит коммутационных и других аппаратов (ограничителей перенапряжений, устройств защитного отключения). За счет исключения потребительских электросетей из схемы «счетчик-концентратор» повышается надежность электроснабжения и обеспечивается защита электросетей потребителя.
Результаты исследования и их обсуждение
В рамках программы обеспечения энергетической эффективности и энергосбережения филиал «МРСК Сибири» - «Кузбассэ-нерго - РЭС» разработал программу модернизации систем учета электроэнергии на розничном рынке. В 2010 году были начаты работы по установке новых приборов учета электрической энергии в районах с несовпадением объемов отпущенной и фактически оплаченной электроэнергии. В соответствии с постановлением правительства Российской Федерации «Кузбассэнерго - РЭС» устанавливает приборы учета на границе балансовой принадлежности. Как правило, это опора около здания или земельного участка по месту регистрации потребителя, счетчик электроэнергии монтируется в защищающем прибор от атмосферных явлений и вандализма металлическом шкафу [5]. «Кузбассэнерго - РЭС» использует электронные приборы учета электроэнергии, произведенные в Ев-
ропе с использованием современной методики измерения и технологии передачи данных PLC. Благодаря этому счетчики ведут учет электроэнергии по одному или нескольким тарифам, например, дневному и ночному потреблению, а также имеют возможность передавать данные на расстоянии. С помощью GSM-модема показания электросчетчиков дистанционно поступают в центр сбора и обработки данных.
На установку более двух тысяч современных приборов учета было затрачено 30 миллионов рублей. Результатом оказалось снижение объема потерь электроэнергии с 40 до 18 процентов, срок окупаемости каждого электросчетчика не превысил полгода. В 2012 г. «Кузбассэнерго» установил и автоматизировал сбор данных уже с 11,5 тысяч приборов учета у бытовых потребителей в Топкинском, Ленинском, Мариинском, Яшкинском, Юргинском и Прокопьевском районах. В 2013 году основной объем работ по внедрению АИИС КУЭ придется на Новокузнецкий район, где ранее уже были смонтированы 1650 приборов учета. До 2017 года планируется ввести в систему еще 50 тысяч таких устройств [7].
Без учета других факторов само по себе внедрение автоматизации уже дает первичный эффект в виде экономии за счет освобождения сотрудников от выполнения рутинных операций, а использование современной технологии передачи данных увеличивает его значительно. Применяя методики измерения экономического эффекта, можно рассчитать примерный срок окупаемости оборудования и внедрения АИИС в целом [1].
Учитывая накопленный опыт внедрения АИС учета и контроля энергопотреблении, рассмотрим особенности расчета основных показателей, характеризующих инвестиционную политику энергоснабжающих компаний. Для определения экономического эффекта вычисляются затраты на внедрение, затраты до и после внедрения PLC-системы [3].
Затраты до внедрения PLC-системы, рассчитанные за 12 месяцев года, включают коммерческие потери (Р1к) и затраты труда (3 труд).
Коммерческие потери (Р1к = П • Т, тыс. руб.) являются произведением коммерческих потерь (П, тыс. кВт-ч) и среднего тарифа на оплату потерь (Т, тыс. руб./тыс. кВт.): Р1 = П • Т.
Затраты труда (3 труд, тыс. руб.) на сбор показаний по КТП включают:
• затраты труда электромонтера оперативно-выездной бригады 5 раз в месяц (3овб, чел./час), умноженные на время проведения работ (^ час), а если есть страховые выплаты (% стр), то результат умножается на процент выплат (3овб • t ) • % стр и суммируется для получения затрат за месяц. Годовые затраты на проведение электромонтером оперативных выездов (Г3овб, руб.) для сбора показаний с КТП составляют:
Г3овб = 3овб1 + (3овб • ^ • %стр • 12;
• затраты по транспорту (3а/тр, маш/час в руб.) при перевозке электромонтера зависят от марки транспортного средства, время перевозки считается с учетом времени ожидания ^а/тр, час.). Годовые затраты по транспорту (Г3а/тр, руб.) равны: Г3а/тр = 3а/тр • tа/тр • 12;
• затраты на проведение контрольного съема показаний (3ксп, руб.) зависят от затрат у потребителей конкретного КТП (3п, чел./час), с учетом норм времени на проведение сбора показаний у одного потребителя ^ксп, час.) и количества потребителей (кол-во потреб.) и составляют:
3ксп = (3п • tксп + (3п • tксп) • %стр) • кол-во потреб.
Необходимо учесть, что согласно постановлению Правительства Российской Федерации по вопросам функционирования розничных рынков электрической энергии в переходный период реформирования электроэнергетики необходимо проводить контрольный съем показаний у потребителей один раз в 6 месяцев. Годовые затраты (Г3ксп, руб.) составят: Г3ксп= 3ксп • 2.
Итоговые данные о затратах труда имеют вид:
3труд = (Г3овб + Г3а/тр + Г3ксп) / 1000.
Затраты на внедрение PLC-системы (3внедр., тыс.руб.) включают затраты на монтаж оборудования (3монтаж) и затраты на само оборудование (3оборуд.) за год: 3внедр. = 3монтаж + 3оборуд.
Затраты после внедрения PLC-системы состоят из:
• коммерческих потерь (Р2к = П • Т, тыс. руб.), которые являются произведением коммерческих потерь (П, тыс. кВт-ч) на средний тариф на оплату потерь (Т, тыс. руб./тыс. кВт.);
• затрат на GSM-связь (3связь, тыс.руб.) для опроса и сбора данных с оборудования, установленного на КТП по итогам года (диагностика, ремонт, перепрошивка).
При определении экономической эффективности от внедре-
ния автоматизированной системы с дистанционным съемом показаний по КТП следует учесть, что при внедрении данной системы необходимость в проведении ежемесячного съема показаний практически отпадает. Тогда экономический эффект (Эф., тыс. руб.) составит экономию, ежегодно получаемую на съеме показаний КТП:
Эф. = 3труд - 3связь.
Зная (Р1 - Р2) - приведенную величину снижения потерь, средний тариф на оплату потерь (Т, тыс. руб./тыс. кВт.) и затраты на внедрение системы (3внедр.), можно вычислить срок окупаемости (С О., год) после внедрения системы КТП: С.О. = 3внедр. / [(Р1к - Р2к) • Т].
Заключение
В коммунальном хозяйстве, в инженерных системах зданий беспроводные устройства применимы для управления теплоснабжением, освещением, кондиционированием и вентиляцией, в системах пожарной безопасности, автоматического пожаротушения, коммерческого учета потребленной тепловой, электрической энергии, воды, газа, в системах управления лифтовым оборудованием.
Многофункциональность современных АИС учета и контроля энергоснабжения позволяет контролировать качество сети, применять системы предоплаты и тарификации, дистанционно подключать и отключать потребителей электроэнергии. Внедрение АИИС КУЭ требует больших капиталовложений, но даже с учетом низкого тарифа на услуги по передаче электроэнергии для категории потребителей «население» и невысоких объемов полезного отпуска электроэнергии, применение PLC-систем является экономически выгодным в новых, современных отдаленных постройках, а также в удаленных районах и частном секторе, где потери электроэнергии наибольшие.
Экономический эффект от использования автоматизированных информационных систем, основанных на применении низковольтных электрических сетей, достигает в среднем 15-25 % от годового потребления энергоресурсов, а затраты на внедрение окупаются за полугодие.
Литература:
1. KolokolnikovaA.I. Computer modeling as active method of training // European Science and Technology: 2nd International scientific conference.
Bildungszentrum Rodnik e. V Wiesbaden. 2012. 744 p.
2. Автоматизированная система коммерческого учета энергоресурсов -эффективный путь оптимизации энергозатрат [Электронный ресурс]. - Режим доступа: energo-spektr.ru/energosave/askue. (Computed-aided system of commercial calculation of energy supply - effective way of power inputs optimization. URL: energo-spektr.ru/energosave/askue.
3. Жернаков, Ю. Опыт внедрения системы учёта электроэнергии на основе технологии PLC// журнал «Электроэнергия. Передача и распределение» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www. ruscable.ru/print.html?p=/article/Opyt_vnedreniya_sistemy_uchyota_ elektroenergii_na/. (Zhernakov Yu. Experience of application of electric power keeping system on the base of PLC technology // Magazine «Electric power. Transmission and distribution» - URL: http://www. ruscable.ru/print.html?p=/article/Opyt_vnedreniya_sistemy_uchyota_ elektroenergii_na/ ).
4. Борченко Е.А. PLC-технология передачи данных в современных системах учета электроэнергии//журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности». - 2010.-№ 5(29).- Режим доступа: http://www.isup.ru/ articles/6/667/. (Borchenko E.A. PLC-technology of data communication in modern system of electric power keeping // Magazine «Informatization and Industry Control System» - 2010.-№ 5 (29).- URL: http://www.isup.ru/ articles/6/667/.
5. Новости энергетики [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:// novostienergetiki.ru/tag/kuzbassenergo-res/. (Power engineering news. -URL: http://novostienergetiki.ru/tag/kuzbassenergo-res/.)
6. Тубинис В. В. Автоматизированные системы учета электроэнергии у бытовых потребителей // Энергосбережение №10-юбилейн. - 2005. -№6. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.abok.ru/ for_spec/articles. php?nid=3034. (Tubinis V.V. Computer-aided systems of electric power keeping at residential users’ houses // Jenergosberezhe-nie №10-jubilejn. - 2005. - №6. - URL: http://www.abok.ru/for_spec/ articles. php?nid=3034).
7. Электропотребление в Кемеровской области в I кв снизилось на 4,1% [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ieport.ru/portal/ news/54684-elektropotreblenie-v-kemerovskoy-oblasti-v-i-kv-snizilos-na-41.html. (Power consumption in Kemerov region in I q. by 4,1% -URL: http://ieport.ru/portal/news/54684-elektropotreblenie-v-kemerovs-koy-oblasti-v-i-kv-snizilos-na-41.html).
