книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Микропроцессорные счётчики электрической энергии
.pdfСчетчики должны обеспечивать работоспособность при температуре окружающего воздуха от –40 до +60 °С. Средняя наработка на отказ не менее 35000 час.
Рассмотрим особенности применения электрических электросчетчиков при коммерческом или техническом учете.
Коммерческий учет является обязательным по закону при обеспечении взаимных финансовых расчетов с поставщиком энергоресурсов. В этом случае:
•количество точек контроля на границе раздела балансовой принадлежности обычно ограничено и определяется, как правило, количеством «вводов» энергоресурсов;
•количество (номенклатура) измеряемых параметров в точке контроля ограничено параметрами, которые определяют финансовые расчеты с поставщиком энергоресурсов (обычно расчетный период один месяц, хотя и имеется явная тенденция
кросту числа параметров, например по электроэнергии);
•высокоточный учет, высокая надежность и живучесть. Требования к системе коммерческого учета:
•система должна быть обязательно включена в Государственный реестр средств измерений;
•обеспечена средствами защиты информации на уровне, близком к банковскому, которые должны исключить несанкционированное вмешательство в ее функционирование, степень человеческого участия в автоматизированной системе коммерческого учета должна быть предельно минимизирована;
•иметь выходы на корпоративные и банковские сети;
•должна быть консервативной, рассчитанной на устоявшуюся схему энергоснабжения и финансовых расчетов и не допускающей внесения в нее односторонних оперативных изменений ни со стороны предприятия, ни со стороны поставщика.
Витоге для системы коммерческого учета характерны высокая приведенная стоимость одной точки контроля при ограниченном количестве точек измерения и измеряемых параметров в этой точке.
11
Технический учёт не является обязательным по закону. Основное его назначение – учет, контроль и управление потреблением энергоресурсов на всех уровнях функционирования предприятия, вплоть (в идеале) до рабочего места или токоэнергоприемника.
Количество точек контроля определяется всеми уровнями системы управления предприятия и приведенной стоимостью одной точки контроля (чем ниже стоимость, тем выше экономически допустимый уровень детализации учета, контроля и управления – вплоть до отдельного рабочего места). Ограничение практически одно – сроки окупаемости системы. Высокоточный учет не является обязательным, пониженная точность учета допустима.
Включение в Государственный реестр системы технического учета является желательным. В системе технического учета повышенный уровень защиты информации должен обеспечиваться только в инструментально-измерительном контуре, чтобы исключить несанкционированное вмешательство в его функционирование, в остальном – по стандартам ЛВС. Система технического учетадолжна иметьвыходытолькона сетипредприятия.
В системе технического учета несколько консервативен только инструментально-измерительный контур, внесение в него односторонних оперативных изменений со стороны предприятия не допускается. Во всем остальном это открытая система, позволяющая оперативно вносить все изменения, адекватно отражающие потребности предприятия. Актуальность базы данных – два года, что определяется необходимостью анализа энергопотребления и сравнения с прошедшим годом.
Степень человеческого участия в автоматизированной системе технического учета достаточна высока, особенно на первых этапах ее внедрения, и будет снижаться по мере накопления опыта принятия управленческих решений.
Система технического учета должна обеспечивать контроль несанкционированного энергопотребления (попросту – воровства), сигнализацию, предупреждающую о перетоках, предава-
12
рийных и аварийных ситуациях на низковольтных линиях предприятия, а также возможность управления исполнительными механизмами управления энергопотреблением.
Витоге (и это самое главное) в системе технического учета должна бытьнизкаяприведенная стоимостьоднойточки контроля.
Таким образом, система технического учета должна пронизывать промышленное предприятие сверху донизу и обеспечивать учет, контроль и управление потреблением энергоресурсов на всех уровнях управления предприятия, а система коммерческого учета фактически подводит итоги ее работы.
Попытки использования систем коммерческого учета для решения задач технического учета обычно ограничиваются на предприятии крупными подразделениями или энергоемкими производства- мииз-заихвысокойстоимостиибольшихсроковокупаемости.
Всовокупности автоматизированные системы коммерческого и технического учета должны обеспечить измерение с заданной точностью параметров энергоресурсов и тотальный, непрерывный, круглосуточный контроль за их расходованием. На основе этой информации осуществляются эффективное оперативное управление энергопотреблением, обеспечение реальной экономии энергоресурсов, а также долгосрочный анализ энергопотребления, мероприятий по его экономии и оценке результатов внедрения этих мероприятий.
Несмотря на бурный рост производства электронных
средств учета электроэнергии, Россия остается страной, где в жилом и «мелкомоторном» секторе учет в большинстве случаев ведется традиционным способом – путем «ручного» списывания показаний с индукционного или электронного счетчика. Новые параметры учета электроэнергии (многотарифность, дистанционная передача информации о потреблении, централизованный сбор данных и др.), вошедшие в практику западных энергоснабжающих компаний, до недавнего времени не были востребованы в России. Недоучет электроэнергии в бытовом секторе составляет, по разным оценкам, 10÷20 %, в том числе и по причине несовершенства системы учета.
13
Но в последние годы ситуация начала меняться. Внедряются автоматизированные системы учета и управления электроэнергией в промышленности, ведутся работы по внедрению автоматизированных систем коммерческого учета электрической энергии (АСКУЭ) в бытовом секторе энергопотребления. Энергетические компании уже готовы воспользоваться широким спектром информации, которую способны дать электронные средства учета электроэнергии, однаконеимеют достаточных средств дляинвестиций.
Этот сектор находится на стыке социальных и даже политических интересов. Увеличение тарифов, за счет которых можно было бы решить проблему, заведомо не будет популярным. Поэтому энергетическим компаниям достаточно трудно сделать выбор впользу автоматизированных средств учета. Они вправе ожидать экономически оправданных предложений от отечественных разработчиков и производителей технических и программных средств.
Все крупные промышленные предприятия применяют коммерческий учет не только для учета потребленной электроэнергии, но и для учета заявленной потребленной мощности. Возникает необходимость в переходе на расчеты по дифференцированным тарифам, что возможно только при использовании сертифицированной АСКУЭ. Последнее подразумевает, что все средства сбора и передачи информации должны быть зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений.
Многие ныне существующие АСКУЭ построены по принципу «неинтеллектуальный счетчик – интеллектуальный концентратор», последний осуществляет связь со счетчиками, обработку собранной информации и передачу ее на персональный компьютер по существующим каналам связи.
Однако такая классическая структура имеет ряд недостатков: при обрыве линии связи между концентратором и счетчиком учет электроэнергии в концентраторе по этому каналу не происходит, что приводит к искажению достоверности информации; при исчезновении питания концентратора учет электроэнергии не происходит по всем каналам, что еще более усугубляет проблемы учета и пр.
14
Другие АСКУЭ представляют собой систему «интеллектуальный счетчик – неинтеллектуальный концентратор». Такие системы позволяют длительное время хранить накопленные данные в этом счетчике, достоверно принимать и передавать информацию благодаря использованию цифровых интерфейсов связи. Вместе с тем система не позволяет оперативно обновлять информацию со счетчиков ввиду последовательности их опроса и относительно медленной скорости считывания информации с каждого из них. Такие системы не позволяют, как правило, производить дистанционную поверку счетчиков, их перепрограммирование.
Оптимальная система «интеллектуальный счетчик (электронный или цифровой) – интеллектуальный концентратор». Передача всей или части информации между счетчиком и контроллером, а также между контроллером и ПК диспетчера производится по цифровым интерфейсам, обеспечивающим высокую достоверность передачи данных в полудуплексном режиме. Применение интеллектуального счетчика позволяет считывать информацию о потребленной электроэнергии и другие показатели, производить перепрограммирование непосредственно в точке учета или дистанционно.
2. ЭЛЕКТРОННЫЕ СЧЕТЧИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
До недавнего времени проблема, связанная с измерением расхода электроэнергии, сводилась к применению электромеханических счетчиков, принцип действия которых основан на подсчете количества оборотов металлического диска, вращающегося в магнитном поле, которое, в свою очередь, создается двумя электромагнитами. Магнитный поток первого должен быть пропорционален току нагрузки, а поток второго – напряжению. При этом частота вращения диска линейно пропорциональна мощности, а количество егооборотов – потребляемой энергии.
Стремительное развитие микроэлектроники наметило качественный переворот в области создания промышленных и бытовых систем контроля, который в первую очередь связан с использованием встраиваемых систем управления на базе микроконтроллеров. Тенденция к подобному переходу обусловлена, с одной стороны, постоянным снижением цен на микроконтроллеры и расширением их ассортимента, а с другой – теми преимуществами, которыми цифровые системы управления обладают по сравнению с их существующими аналогами. Применительно к счетчикам электроэнергии (СЭ) очевидные преимущества, связанные с переходом на микроконтроллерноеуправление, можнообобщить:
•в цифровых СЭ достижим практически любой класс точности при условии выбора соответствующей элементной базы и алгоритмов обработки информации. Отсутствие трущихся механических частей значительно повышает надежность устройства;
•обработка аналоговой информации в цифровом виде принципиально позволяет одновременно определять как активную, так
иреактивную составляющие мощности, что является важным, например, при учетераспределения энергии втрехфазных сетях;
•появляется возможность создания многотарифных счетчиков. При работе такого СЭ значение накопленной энергии записывается в накопительный буфер текущего тарифа. Выбор текущего тарифа осуществляется автоматически. Например,
16
PNRPU
«льготный» тариф – на время от 13-00 до 15-00 в будние дни; «штрафной» тариф может включаться при превышении установленных лимитов мощности и энергии; в остальное время действует «основной» тариф.
В цифровых СЭ несложно организовать внешний интерфейс, по которому можно считывать показания счетчиков, изменять тарифы, производить диагностику и управление. Такие счетчики могут быть организованы в единую сеть с централизованным доступом. Например, все СЭ в жилом доме объединяются по внешнему интерфейсу и через модем выходят на телефонную линию. Таким образом, связываясь по телефонной сети, можно программировать или считывать информацию с любого СЭ в доме.
Цифровой СЭ может осуществлять статистические исследования, например вычислять среднюю мощность нагрузки и ее дисперсию, а также хранить информацию о накопленной энергии за произвольные промежутки времени. Например, в бытовом СЭ можно реализовать сохранение накопленной информации за год по каждому из предшествующих 11 месяцев и сделать просмотр этой информации доступным для пользователя. Использование накопленной статистической информации для прогнозирования и управления распределением энергоресурсов может в значительной степени повысить эффективность работы энергосистемы в целом. Применение цифровой базы делает возможным создание автоматизированной изолированной системы потребления, учета, распределения энергии и платежей. В такой системе может быть, например, предусмотрена предварительная оплата электроэнергии. Пользователь, в этом случае, заранее оплачивает определенное количество энергии. Информация об оплате либо непосредственно поступает на счетчик по внешнему интерфейсу, либо может быть записана на специальную электронную карточку, индивидуальную для каждого пользователя. Карточка программируется в пункте оплаты, после чего записанная информация считывается электросчетчиком с помощью встроенного картридера. Если лимит купленной энергии будет исчерпан, а новая оплата не внесена, счетчик
17
отключает пользователя от энергосети. Таким образом, в подобной системе исключается задолженностьплатежей заэлектроэнергию.
Цифровые счетчики могут иметь различное конструктивное исполнение. Масса и объем цифровых электросчетчиков значительно меньше электромеханических. Применение цифровых дисплеев позволяет значительно повысить удобство представления информации для пользователя.
Следует отметить, что стоимость электросчетчиков на микроконтроллерном управлении в настоящее время несколько выше стоимости механических электросчетчиков. Однако в перспективе следует ожидать значительного снижения их цены.
2.1.Общее устройство и принцип действия электронных
ицифровых счетчиков электрической энергии
Для расчёта электрической энергии, потребляемой за определённый период времени, необходимо интегрировать во времени мгновенные значения активной мощности. Для синусоидального сигнала мощность равна произведению напряжения на ток в сети в данный момент времени. На этом принципе работает любой счётчик электрической энергии. На рис. 2.1 показана блок-схема однофазного счётчика.
Рис. 2.1. Блок-схема счетчика электрической энергии
18
Реализация электронного счётчика электрической энергии требует специализированных ИС, способных производить перемножение сигналов и предоставлять полученную величину в удобной для микроконтроллера форме. Имеются ряд таких микросхем, реализующих требуемый алгоритм работы.
В начальных моделях микросхем входные сигналы по фазам, соответствующие мгновенным значениям величины тока и напряжения, подавались на амплитудно-импульсные модуляторы (АИМ).
Сигнал их произведения (U, I) поступает на широтноимпульсный модулятор (ШИМ), частота следования импульсов которого соответствует количеству потребленной энергии. Получаем преобразователь активной мощности в частоту следования импульсов. Общее количество пришедших импульсов, подсчитываемое микроконтроллером, прямо пропорционально потребляемой электроэнергии (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Блок-схема электронного счетчика электрической энергии
Однако в таких типах микросхем информация обрабатывается в аналоговом виде. Это не обеспечивает высокой точности счетчиков электроэнергии.
19
В дальнейших моделях микросхем входные аналоговые сигналы по току и напряжению сразу преобразуются АЦП в цифровой код. Цифровые сигналы по току и напряжению обрабатываются, перемножаются в специализированном цифровом сигнальном процессоре DSP по заложенной программе. Выходные сигналы DSP могут быть самыми разнообразными: активная, реактивная, полная мощности, ток, напряжение, частота, коэффициент мощности, мгновенные и средние за заданное время величины, гармонический состав и т.д.
Для выполнения некоторых нестандартных функций, например согласования уровней, используются дополнительные ИС. Выпускаются специализированные ИС-преобразователи мощности в частоту и специализированные микроконтроллеры, содержащие подобные преобразователи на кристалле.
Значения мгновенной мощности и других выходных сигналов DSP передаются на выходной микроконтроллер для дальнейшей обработки, запоминания в памяти, отображения, передачи на выход по различным интерфейсам.
Не менее важную роль играют всевозможные сервисные функции, такие как дистанционный доступ к счётчику, к информации о параметрах, накопленной по тарифам энергии и многие другие. Наличие жидкокристаллического индикаторадисплея (Э) со своим контроллером, управляемым от основного микроконтроллера, позволяет программно устанавливать различные режимы вывода информации, например выводить на дисплей информацию о потреблённой энергии за каждый месяц, по различным тарифам и т. д.
Полноразмерные счетчики с набором всевозможных опций называют многофункциональными. Они имеют класс точности не хуже 0,5. Однако стоимость их высока – 10÷35 тыс. рублей. Поэтому многофункциональные счетчики применяются в тех случаях, когда необходима подробная информация об электроэнергии.
В большинстве случаев требуется ограниченный объем информации. Для таких счетчиков хорошо подходят микросхемы фирмы ANALOG DEVICES (прил. 7).
20