CC BY
175
УДК 007.52
СИСТЕМА КОММЕРЧЕСКОГО УЧЕТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
В.М. Волков, ЮН. Смолко, Е.Д. Чертов
В статье рассматривается создание комплекса средств учета потребления электроэнергии, мониторинга и управления электропитанием жилых зданий предназначенного для автоматизированных систем коммерческого учета электроэнергии с обеспечением дистанционного сбора данных, включения / отключения нагрузки по команде или при превышении установленного лимита мощности, защищая электросети от перегрузок. Проведен анализ отечественного и зарубежного опыта по комплексному применению устройств учета электроэнергии, мониторинга и управления электропитанием жилых зданий. Выбрана структурная схема системы сбора данных энергопотребления. Предложен оптимальный состав и типы интерфейсов и каналов обмена данными счетчика и других устройств комплекса
Ключевые слова: учет электроэнергии, энергосбережение, комплексное электроснабжение
В последнее время все чаще встречается вопрос об энергосбережении и качестве микроклимата зданий и сооружений. В связи с этим рамках в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнического комплекса России на 2007-2012 гг.» по гос. контракту № 02.552.11.7053 от 25.09.09 г была проведена работа над созданием автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии.
Цель настоящей работы заключалась в создании комплекса средств учета потребления электроэнергии, мониторинга и управления электропитанием жилых зданий предназначенного для автоматизированных систем коммерческого учета электроэнергии с обеспечением дистанционного сбора данных, включения / отключения нагрузки по команде или при превышении установленного лимита мощности, защищая электросети от перегрузок. В настоящей работе, также предусматривается защита потребителя от перенапряжения сети выше нормативных значений согласно ГОСТ.
В процессе работ проведен анализ отечественного и зарубежного опыта по комплексному применению устройств учета электроэнергии, мониторинга и управления электропитанием, блоков сбора и передачи данных, характеристики применяемых линий связи и параметры информационного обмена в системах коммерческого учета или системах управления и мониторинга жилых зданий.
Задача комплексного использования средств учета электроэнергии (электросчетчики) и других узлов систем коммерческого учета не только в целях сбора данных о количестве потребляемой электроэнергии, но и для мониторинга и управления стала реальной для практического решения и применения в последнее время. Только в результате развития
Волков Виктор Михайлович - ООО ИВФ «Микротех», директор, тел. (4732) 24-03-53, e-mail: micro-teeh@list.ru Смолко Юрий Николаевич - ВГТА, аспирант тел. (9204) 27-04-40, e-mail: smola_86@mail.ru Чертов Евгений Дмитриевич - ВГТА, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732) 55-35-00, e-mail: ched@vgta.vrn.ru
микропроцессорной элементной базы электросчетчиков и появления стандартов обмена данными, основанных на применении недорогих малогабаритных проводных и беспроводных приемопередающих микросхем, это стало экономически оправданно.
Для организации комплексного использования блоков систем АСКУЭ в состав систем требуется включить устройства, выполняющие функции управления (включение / отключение) электрооборудованием здания и ограничения потребляемой мощности электропотребителями. В целях более полного мониторинга и выполнения функций «умного дома» в состав могут быть включены и дополнительные устройства, обеспечивающие съем информации с устройств и датчиков. Все устройства управляются дистанционно, передавая информацию и выполняя команды, определяемые протоколами обмена.
В состав современных систем учета и управления входит определенный набор устройств, включающих в себя:
- устройства учета электроэнергии с информационными выходами;
- устройства сбора данных (концентраторы);
- устройства передачи данных (преобразователи интерфейсов, приемопередатчики, модемы);
- блоки управления нагрузками;
- ограничители мощности потребления.
Основным элементом учета электроэнергии
является электросчетчик, измеряющий потребляемый ток и напряжение сети для вычисления и сохранения данных о количестве потребляемой электроэнергии.
Схемы измерения и обработка параметров сети в основном отличаются выбором элементов для датчиков тока и напряжения и выбором микропроцессорного набора для обработки.
Микросхемы для измерения параметров сети чаще всего представляют собой комбинацию нескольких дельта-сигма АЦП, цифровых (в большинстве случаев прореживающих) фильтров измеряемого сигнала и блока управления исполнительными устройствами (счетчиками импульсов или шаговым
двигателем) или цифрового последовательного интерфейса, объединенных в одном корпусе.
Потребляемая мощность определяется произведением тока и напряжения сети. Следовательно, однофазные цифровые электросчетчики должны иметь два канала измерения. Как правило, напряжение подается на вход микросхемы с резистивного делителя, включенного параллельно нагрузке, а ток измеряется с помощью шунта с малым сопротивлением, включенного последовательно с нагрузкой. Для гальванической развязки измерительных цепей с сетью можно использовать вместо делителя и шунта трансформаторы (при работе в сетях переменного тока).
Простейшими ограничителями мощности являются устройства ограничения потребляемой мощности теплового способа действия (автоматические выключатели), используемые в настоящее время, не предназначены для дистанционного управления и защищают только от двух факторов - короткого замыкания и значительной перегрузки в электросети потребителя.
Подробное рассмотрение их нецелесообразно, однако, следует отметить полезность их использования совместно с электронными ограничителями в качестве ручного выключателя и устройства защиты от короткого замыкания.
Анализ ряда систем АСКУЭ позволяет сделать вывод о целесообразности включения ограничителей мощности в состав систем для обеспечения функций оперативного диспетчирования, в т.ч. снижения пиков нагрузок и борьбы с неплатежами, а также оптимизировать применение интерфейсов и протоколов.
Для обмена информацией с пунктами диспетчирования счетчики электроэнергии, применяемые для АСКУЭ, имеют интерфейсные линии связи.
Разработаны ряд систем сбора данных с применением различных типов интерфейсов и протоколов связи:
1. Проводные RS485/RS422, RS232 CAN (физический уровень), ETHERNET, BLUETOOTH ;
2. Беспроводные GSM, GPRS, CDMA радиоудлинители, работающие на частотах 433мГц и выше до 2,4Ггц .
Также после тщательного анализа информации по построению систем учета электроэнергии и систем управления электрическими установками энергопотребителями выбрана универсальная схема построения системы на основе комплекса современных устройств. Универсальность системы определяется применением протокольно совместимых устройств, связанных между собой по нескольким типам интерфейсов, как радиоканальных так и проводных. В то же время конфигурация практически не содержит промежуточных иерархических ступеней, усложняющих и удорожающих систему.
В качестве центрального пульта сбора данных и управления энергопотреблением выбрана компьютерная система, позволяющая по мере необходимости легко наращивать вычислительные мощности и объемы сохраняемых баз данных, имеющая мощные
инструментальные средства для модернизации программ, развитые средства отображения информации и современные интерфейсы обмена данных.
Основным базовым элементом комплекса средств является электросчетчик, выполняющий функции точки учета электроэнергии, точки включения / отключения и ограничения мощности потребления. Кроме того, счетчик, обладая интерфейсными линиями связи, в том числе и беспроводными, может выступать в качестве ретранслятора команд и данных.
Сеть беспроводной передачи данных работает как аналог проводного соединения, где одно ведущее устройство выдает устройствам пользователя индивидуальные и групповые команды, а так же следит за их выполнением.
Для оптимизации распределения ресурсов компьютерного сервера и затрат на трафик сотовой связи в случаях удаленного сервера в состав системы включаются устройства сбора данных, выполняющие несколько функций:
-сбор и промежуточное хранение пакетов данных от счетчиков;
- GPS синхронизацию времени для многотарифных систем;
-передачу блоков данных в компьютерную систему;
-ретрансляцию данных и команд компьютерной системы.
Для организации связи с удаленным управляющим компьютером применяется специализированный GPRS/GSM терминал, к которому предъявляются повышенные требования по устранению «зависаний».
В состав комплекса средств могут быть включены устройства:
- преобразователи типов интерфейсов;
-ретрансляторы данных;
-устройства управления энергопитанием оборудования;
-устройства сбора телеметрической информации;
-ограничители мощности энергопотребления;
-устройства сбора данных других видов энергоресурсов.
Количество точек учета и управления может легко наращиваться присоединением новых ветвей к управляющему компьютеру через терминалы сотовой связи и дополнительные устройства сбора данных.
Преимуществом по сравнению с GSM/GPRS модемом, подключенным к каждому прибору учета, является существенно более низкая стоимость изделия. При этом используется всего один телефонный номер (на GSM-коммуникаторе), что снижает расходы на эксплуатацию.
Стройность и простота архитектуры системы на основе разрабатываемого комплекса средств достигается и обеспечивается применением современных микропроцессорных и беспроводных технологий, встраиваемых непосредственно в исполнитель-
ные устройства системы без использования ряда дополнительных блоков и уровней.
В качестве протокола обмена информацией счетчика с управляющей ЭВМ в целях обеспечения применения в составе действующих систем АСКУЭ протокол должен содержать управляющие команды, команды настройки и конфигурирования, иметь оптимальные форматы данных для обеспечения надежного обмена и управления.
Счетчики, как и устройства ограничения, в составе системы, всегда является ведомыми, т.е. не могут передавать информацию в канал без запроса ведущего, в качестве которого выступает управляющий компьютер.
Управляющий компьютер посылает запросы устройствам в виде последовательности двоичных байт, на что адресованное устройство посылает ответ в виде последовательности двоичных байт. Число байт запроса и ответа не является постоянной величиной и зависит от характера запроса и состояния устройства. Байты в последовательностях запросов и ответов должны идти друг за другом, без разрывов во времени, т. е. за стоповым битом предыдущего байта должен следовать стартовый бит следующего байта, если он есть. Критерием окончания любой последовательности (фрейма) является гарантированный таймаут, длительность которого зависит от выбранной скорости обмена и составляет время передачи 6-7 байт на выбранной скорости.
В устройствах предусмотрена возможность программирования скорости обмена и структуры информационного байта (с битом контроля нечетности - 9 бит данных и без него - 8 бит данных).
Технические параметры электросчетчиков, устройств ограничения мощности и УЗО нормируются рядом нормативных документов в т.ч. ГОСТ Р
25320-2005, ГОСТ 25322-2005, ГОСТ Р 50807-95, ГОСТ Р 500 30.1.-2000 (МЭК 60947-1-99), ГОСТ Р 500 30.3-99 (МЭК 60947-3-99).
Следовательно, для обеспечения работ по поверке электросчетчиков - испытания счетчиков в процессе изготовления эксплуатации и сервисного обслуживания на соответствие требований стандартов по точности измерений электрических параметров сети и потребления, а также при использовании счетчиков в других системах АСКУЭ, предусматривается наличие гальванически развязанного телеметрического выхода. Телеметрический выход передает количество импульсов пропорционально измеряемой энергии в сети потребления.
В заключении стоит отметить, что структурная схема включает в себя электросчетчики с функциями управления электропотреблением, подключаемые по беспроводным и проводным линиям связи к центральному диспетчерскому пульту через концентраторы, модемы сотовой связи или непосредственно.
В состав системы интегрируются дополнительные устройства для мониторинга и управления электрооборудованием зданий.
В качестве центрального пульта комплекса предусматривается применение компьютерной системы коммерческого учета электроэнергии, которая должна обеспечить выполнение необходимых функций по сбору и учету данных, управлению электропитанием.
Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 гг.» по гос. контракту № 02.552.11.7053 от 25.09.09 г.
Литература
1. В.А.Кобозев Энергосбережение в силовом электрооборудовании Ставрополь 2004.298с.
2. Научно-технический журнал И.С.Суровцев Инженерные системы и сооружения ВГАСУ 2009. 167с.
3. «Conpendium on Sciece & Research Cooperation between the European Union snd the Russisn Federation» European Communitties, 2009. 136 с.
ООО Инженерновычислительная фирма «Микротех», г. Воронеж Воронежская государственная технологическая академия
SYSTEM OF THE COMMERCIAL ACCOUNT OF THE ELECTRIC POWER V.M. Volkov, Ju.N. Smolko, E.D. Chertov
In article creation of a complex of means of the account of current consumption, monitoring and management of power supplies of residential buildings of the commercial account of the electric power intended for automated systems with maintenance of remote data gathering, inclusion / loading switching-off on command is considered or at excess established a capacity limit, protecting electric systems from overloads. The analysis of domestic and foreign experience on complex application of devices of the account of the electric power, monitoring and management of power supplies of residential buildings is carried out. The block diagram of system of data gathering of power consumption is chosen. The optimum structure and types of interfaces and channels of data exchange of the counter and other devices of a complex is offered
Key words: the electric power account, power savings, a complex electrical supply
