АСКУЭ: использование радиоканала для передачи данных электроизмерения

Как известно, применение автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ) позволяет получать точную и достоверную измерительную информацию, повышает эффективность управления энергетикой, дает возможность создавать реальные балансы электроэнергии и мощности для оценки текущих режимов энергопотребления, краткосрочного и долгосрочного прогнозирования, оформления экономических и финансовых документов на всех уровнях энергосистемы страны [1,2, 3].

На экономическую нестабильность электроэнергетики Украины и России существенно влияют потери электрической энергии. Коммерческие потери электрической энергии оцениваются для Украины как 792 • 106 кВт • ч, а для России как 10 000 • 106 кВт • ч [4]. Коммерческие потери включают метрологические потери, обусловленные погрешностями трансформаторов тока и напряжения, счетчиков электрической энергии, неодновременностью съема показаний счетчиков и воровство.

Для снижения коммерческих потерь рационально стимулировать потребителей на всех уровнях энергосистемы использовать АСКУЭ на основе высокоточной измерительной техники с использованием современной аппаратуры связи. Основным элементом АСКУЭ является электронный микропроцессорный счетчик электроэнергии класса точности 0,2S—0,5S.

Данная система позволяет осуществлять высокоточное измерение, автоматизированное единовременное считывание показаний измерений, обработку измеренной информации и передачу данных об электропотреблении энергопоставщику.

Для передачи данных в АСКУЭ широко используются выделенные и коммутируемые телефонные линии. Автор брала непосредственное участие во внедрении таких АСКУЭ на следующих объектах: городская ТЭС г. Сочи, Российская Федерация; Белоцерковский шинный завод "Росава", Конотопский машиностроительный завод "Мотордеталь-Правекс", Банкнотно-монетный двор Национального Банка Украины, Львовская кондитерская фирма "Свиточ", химические гиганты "Титан" г. Армянск и "Ориана" г. Калуш. На Полтавском горнообогатительном комбинате в г. Комсомольск был использован радиоканал. Однако, на сегодня наиболее перспективным следует считать использование цифрового GSM-стандарта.
Рассмотрим типичное проектное решение по построению системы АСКУЭ на газотурбинном заводе "Заря"-"Машпроект" (г. Николаев) (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема АСКУЭ газотурбинного завода "Заря" - "Машпроект"

Научно-производственное предприятие "Заря"-"Машпроект" — известный не только в Украине производитель газотурбинных установок. Предприятие завершило разработку и изготовление первого испытательного образца уникального газотурбинного двигателя ГТД-110 мощностью 110 МВт, который является основой парогазовой установки ПГУ-325. Эта установка может рассматриваться как альтернатива атомной энергетике. Она обеспечивает внедрение экологически чистой и безопасной технологии выработки электроэнергии. Двигатель такой мощности и КПД впервые создан не только в Украине, но и в странах СНГ.

В целом, по расчетам специалистов потребность в газотурбинных двигателях составляет более, чем 150 шт. для замены отработавших свой ресурс газомазутных установок на генерирующих предприятиях только России и Украины. На сегодня еще не решен вопрос, на какую станцию в Украине установить главный образец установки, и это при том, что Россия уже фактически готова установить образец в г. Иваново. На сегодня испытание газотурбинной установки (ГТУ) производится на испытательной площадке Каборга, находящейся за 52 км от предприятия.

Задача построения АСКУЭ предприятия состояла в необходимости объединения отдельных территориально разбросанных на значительном расстоянии подстанций подразделений предприятия. Подстанцию Зарница-1, находящуюся на территории предприятия, можно было объединить при помощи кабельных линий. С подстанциями Береговая насосная, находящейся на расстоянии Зкм от предприятия на побережье р.Ингул, и испытательной площадкой Каборга, находящейся за 52 км от предприятия в г.Очакове, не удалось организовать связь по телефонной сети общего пользования в силу низкого соотношения сигнал/шум и неудовлетворительных характеристик канала. Предварительный осмотр показал, что обе подстанции находятся в зоне покрытия мобильной связи с удовлетворительным уровнем сигнала, поэтому решено было воспользоваться GSM-модемами.

На диспетчерском пункте (ДП) предприятия установлен сервер с программным обеспечением С300, выполняющий считывание данных электроизмерения в автоматическом режиме. Для синхронизации времени используются спутниковые часы. Для проведения сервисного обслуживания счетчиков на переносной компьютер установлено программное обеспечение для сервисного обслуживания и параметрирования счетчиков. В электромеханическом управлении (ЭМУ) установлено автоматизированное рабочее место (АРМ) энергетика, которое позволяет получать данные с сервера, выполнять их обработку и формировать отчетные формы. В управлении информационных технологий (УИТ) установлен АРМ администратора системы для дистанционного администрирования работы сервера.
Согласно техническому заданию были также налажены АРМ в Николаевоблэнерго и в Южной энергосистеме, что позволяет указанным организациям контролировать электропотребление предприятия.
• П/ст Зарница-1.Выполнена замена старых счетчиков на электронные счетчики класса измерения 0,5S с памятью профиля нагрузки. Удаленность точек учета п/ст Зарница-1 от ДП составляет от 4 до 600 м, что позволило воспользоваться существующими парами контрольных кабелей. Для считывания счетчиков были применены модемы для выделенных линий связи.
• П/ст Береговая насосная.Подстанция находится на расстоянии 3 км от ДП. На подстанции постоянно находится дежурный, есть телефонные пары, качество которых не отвечает требованиям к телефонным линиям, в которых эксплуатируются модемы. Уровень сигнала покрытия оператора мобильной связи удовлетворительный, что позволило установить GSM-модем для организации радиоканала передачи данных измерений.
• П/ст Каборга.Подстанция находится на расстоянии 52 км от ДП возле г. Очакова. Выполнена замена старых индукционных счетчиков на новые электронные. На подстанции постоянно находится дежурный, количество телефонных пар недостаточно. Рассматривался вопрос организации внутризаводского радиоканала, что требовало построения вышки для установки антенны. Уровень сигнала покрытия оператора мобильной связи удовлетворительный, что позволило установить GSM-модем для организации радиоканала передачи данных измерения. Максимальное расстояние между счетчиками — 50 м. Для выполнения диспетчером работы по считыванию показаний счетчиков и оформлению первичной отчетности в дежурной комнате установлен АРМ диспетчера по п/ст Каборга. 

Опыт использования радиоканала стандарта GSM позволил выявить следующие преимущества такого радиоканала:

• Высокая защита цифрового GSM -канала от помех по сравнению с радиоканалом. 
  
• Высокий уровень защиты от белого шума. 
  
• Достаточно обширная зона покрытия. 
  
• Возможность использования GSM-канала практически в любой точке, имеющей покрытие

Случайный сигнал zописывается выражением: 

Z= а + п,
где а— сигнал в канале связи, п— случайная переменная, выражающая гауссов шум. 

Тогда функция плотности вероятности р (г)выражается как
В процессе принятия бинарного решения вероятность появления ошибочного бита описывается выражением
коррелятора, а— сигнальный компонент на выходе приемника при переданном s, а2— сигнальный компонент на выходе приемника при переданном s 2 ( t ).Примем u = Z ~ a2*s

В результате получим выражение 

При использовании цифрового канала передачи информации вероятность появления ошибочного бита по причине наложения белого шума на сигнал имеет гауссово распределение и определяется выражением Еще одной удобной в пользовании возможностью каналов GSM может быть функция счетчика формировать и отсылать SMS-сообщения в случае фиксации нештатной ситуации в результате самодиагностики или для проверки выполнения монтажно-наладочных работ. SMS-сообщения могут отправляться посредством внешнего или встроенного GSM-модема. Такая функция будет полезна в условиях установки счетчика в труднодоступных или удаленных на значительные расстояния необслуживаемых объектах.

На рис. 2 показан принцип действия счетчика при отправке SMS-сообщения.

При фиксации предварительно запрограммированных нештатных ситуаций счетчик формирует и отправляет SMS-сообщение на запрограммированный телефонный номер, сигнализируя этим энергоснабжающей компании о необходимости принять меры. Энергоснабжающая компания при программировании счетчика устанавливает, регистрация каких нештатных ситуаций будет инициировать отправку SMS-сообщений. Такими нештатными ситуациями могут быть: низкий заряд батареи, сброс счетчика, пофазный провал напряжения, сигналы мониторинга параметров сети, ошибки самодиагностики.

Рис. 2. Принцип обработки сигнала о нештатной ситуации с отсылкой SMS-сообщения

Как только нештатное событие зафиксировано, сразу же отправляется SMS-сообщение. Процесс отправки может занять некоторое время, что зависит от качества GSM соединения и числа попыток. Все это время новые события не инициируют новых SMS-сообщений. Новое SMS-сообщение может быть сформировано только по окончании отправки предыдущего по факту фиксации события.

• Возможность обеспечения каналом связи труднодоступных или удаленных на значительные расстояния точек учета (например, ТП нефте- и газопроводов). 
  
• Легкость монтажных и наладочных работ. 
  
• Возможность считывания на любой удаленности от места установки счетчика. 
  
• Нет необходимости в покупке лицензии на используемую частоту радиоканала, так как владельцем лицензии является компания-оператор мобильной связи.
  

Недостаток радиоканала стандарта GSM — зависимость от компании-оператора мобильной связи, которая проявляется в незащищенности потребителя услуг от поломок на базовой станции оператора или несанкционированном отключении канала связи. 

При использовании цифровых каналов возникает вопрос оценки влияния шумов на передачу сигнала. Белый шум описывается как гауссов случайный процесс с нулевым средним, то есть случайная функция n( t),значение которой пв произвольный момент времениtстатистически характеризуется гауссовой функцией плотности вероятностей:

Фиксация нештатных сообщений активирует в счетчике внутренний управляющий сигнал, который может быть использован для внутреннего управления, выдачи сигнала посредством реле, для записи в журнале событий счетчика. Этот внутренний управляющий сигнал останется активированным в течение всего интервала времени с момента фиксации события и до момента его сброса. Сброс события выполняется дистанционно центральной станцией системы. 

На рис. 2 SMS-сообщения отсылаются на одно событие (возможна отправка от 1 до 5) за интервал времени t (от 1 до 255 мин).

Отправка SMS-сообщения выполняется в несколько этапов:

1. инициализация GSM-модема, с использованием соответствующих АТ-команд; 
   
2. отправка SMS-сообщения запараметрированного формата на указанный телефонный номер; 
   
3. в случае отсутствия по какой-то причине подтверждения GSM-модема об успешной отправке сообщения, выполняются три попытки выполнить отправку SMS-сообщения.

Для снижения коммерческих потерь рационально стимулировать потребителей на всех уровнях энергосистемы использовать АСКУЭ на основе высокоточной измерительной техники с использованием современной аппаратуры связи.

На сегодня наиболее перспективным следует считать использование каналов связи. 

В случае провала напряжения в момент фиксации события, отправка SMS-сообщения будет произведена после его восстановления. Если по какой-то причине SMS-сообщение не может быть отослано (например, из-за невозможности зарегистрироваться в сети), то это будет зафиксировано в журнале событий. Следующая за неудачной успешная отправка SMS-сообщения (например, после восстановления регистрации в сети оператора) также фиксируется в журнале событий.

В настоящее время бытует мнение, что волоконно-оптические линии связи в силу своих технических характеристик, обеспечивающих высокую скорость передачи данных, заменят коммутируемые и выделенные каналы передачи данных. Однако не стоит забывать о том, что кроме дороговизны прокладки и подключения волоконно-оптического кабеля, такому каналу связи будут присущи такие недостатки кабельных линий связи, как невозможность охвата труднодоступных точек учета и необходимость соблюдения специализированных требований по прокладке.

В связи с популяризацией интернет-технологий и удешевлением оборудования для построения компьютерных сетей, появляются новые решения по организации каналов связи на основе Ethernet [5]. Ведутся работы по использованию как распредсетей, так и домашней проводки для передачи данных измерения электропотребления [6].

Основе цифрового GSM-стандарта, преимущество которого состоит в высокой помехозащищенности, возможности обеспечения каналом связи труднодоступных или удаленных на значительные расстояния точек учета, возможность считывания на любой удаленности от места установки счетчика.

А.В. Шестеренко

Литература

1. Шестеренко А.В.Компенсация погрешности в электронных счетчиках электроэнергии // Электрические сети и системы. — 2004. — № 1—2. — С. 85—88. 
   
2. Лапинин И.Г., Шестеренко А.В.Эффективность применения двухуровневой АСКУЭ в энергетике Украины // Энергетика и электрификация. — 2000. — № 7. — С. 31 —34. 
   
3. Лапинин И.Г., Шестеренко А.В.Контроль электропотребления в распределительных сетях // Вюник УБНТЗ. — 1998. — № 5. — С. 48—50. 
   
4. Квицинський А.О., Кернщький М.В, Назаров В.В., Нагорний П.Д., Рубан О.В., Зализецький A. M.Шляхи полшшення метролопчних характеристик вимирювальних комплексав, що мистять трансформатори струму та напруги // Энергетика и электрификация. — 2003. — №6. — С. 13—20. 
   
5. Intelligentes Zahler-Modemmacht Fernauslesen uberflussig// Electrizitatswirt. — 2004. — № 10. — С 63. 
   
6. Datenubertragunguber die hausliche Stromleitung// Draht. — 2003. — № 2. — C. 21.