Подписка на новости

Опрос

Нужно ли ввести комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

2009 №4

Распределенные системы учета энергоресурсов

Проскуряков Юрий


В нашу жизнь уже прочно вошли автомобили с гибридными двигателями и техно- логиями снижения потребления топлива, энергосберегающие лампы освещения и светодиоды, солнечные батареи, возобновляемые источники энергии, системы «умный дом», направленные на снижение потребления энергоресурсов, микро- схемы со сверхнизким потреблением мощности, бытовая техника класса «А». Эти и другие тенденции современной реальности прочно и необратимо меняют мир в сторону глобального энергосбережения. Для того чтобы экономить, надо не только понимать, за счет чего мы можем это сделать, но и качественно оцени- вать все статьи расходов. В статье пойдет речь о системах учета энергоресурсов и преимуществах от их внедрения.

Задачи систем учета

Особенность распределенных систем — это большое количество объектов, разнесенных по обширной территории: жилые здания, базовые станции сотовых операторов, газораспределительные пункты, ответвления нефтяных и газовых магистральных труб, теплопункты в черте города или района, трансформаторные подстанции и т. д.

На данный момент перед системами мониторинга стоят следующие задачи: технологический и коммерческий учет тепловой и электрической энергии, их объемного и массового расхода, слежение за температурой и давлением теплоносителя, подсчет расхода горячей и холодной воды, мощности электрической энергии. Контроль за параметрами систем теплопотребления, водопотребления, электропотребления, сбора, хранения, визуального представления, документирования результатов измерений и информации о потреблении энергоресурсов при коммерческих расчетах между потребителем и энергоснабжающей организацией является крайне важной задачей.

Структура систем учета Как показывает практика, все системы учета строятся по однотипным схемам, нюансы же заключаются в методах функционирования. Их общая функциональная структура представлена на рис. 1.



Рис. 1. Общая схема систем учета

Простая система (без масштабирования), как правило, имеет три уровня:

  1. Объект учета. Это объект, на котором требуется обеспечить учет энергоресурсов и сбор показаний с датчиков.
  2. Обработка, анализ, хранение и предоставление информации. Обычно это серверы хранения и обработки информации с возможностью передачи части базы данных в другие системы, например в энергосбывающие компании.
  3. Потребители и информация. Это автоматизированное рабочее место пользователя с возможностью просматривать статистику, формировать отчеты, смотреть тренды, управлять системой.

Каналы передачи данных и особенности функционирования системы

На данный момент в качестве распределенных систем учета широкое распространение получили как проводные, так и беспроводные телекоммуникационные сети: это Интернет, GSM, WiMAX. Данные технологии позволяют передавать и получать информацию на обширных территориях. Конечно, существуют отдаленные районы, где еще нет покрытия GSM, существуют трудности с Интернетом и WiMAX. Но и для этих случаев есть решения — масштабируемые радиосети с возможностью интеграции в стандартные сети IP, GSM, WiMAX.

GSM-сеть

Обсуждая GSM-сеть как канал передачи данных, сразу отметим, что этот вид связи не рассчитан на оперативное управление технологическим процессом и не обладает функциями экстренного реагирования. Но есть задачи, для которых данное решение является оптимальным: удаленные и некритичные ко времени диспетчеризация и съем показаний.

Существует два метода обмена информацией между первым и вторым уровнем. В первом случае инициатором является сервер на втором уровне системы учета, это так называемый метод опроса (polling) — сервер запрашивает информацию, объект отдает. Во втором случае инициатором является объект учета, который по программируемым интервалам времени (расписанию/событию) отсылает данные на сервер.

Что касается технологий обмена информацией в GSM-сетях, существует два способа передачи данных — это CSD и GPRS. Рассмотрим особенности этих способов.

GSM/CSD-соединение

Данная технология имеет свои плюсы и минусы. К положительным сторонам относится то, что CSD-соединение имеет гарантированную стандартом и оператором полосу пропускания 9,6 кбит/с, коммутация канала осуществляется по телефонному номеру, канал стабилен и устойчив во времени. К минусам же можно отнести стоимость канала связи (повременная тарификация), организацию сети «точка-точка», длительное время установления соединения (на практике более 1 мин.).

Для опроса «сверху вниз» (polling) на стороне сервера обычно ставят управляемый модемный пул, который связывается с объектами учета либо через телефонную сеть общего пользования (ТФОП/PSTN), либо напрямую по GSM-сети.

Для передачи «снизу вверх» на объекте учета устанавливается интеллектуальный GSM-модем либо контроллер с GSM-модемом, в этом случае без модемного пула тоже не обойтись.

Как видно из схемы передачи данных (рис. 2), каждая из линий связи имеет свой вес (стои- мость).



Рис. 2. Схема передачи данных, CSD-режим

GSM/GPRS-соединение

В данном случае тарификация осуществляется за переданные данные, стоимость мегабайта данных от 1 руб. и ниже, канал негарантированный, данные идут через Интернет, и задержки могут достигать значительных величин. Схема организации сети — «звезда», т. е. один сервер может опрашивать все объекты учета, либо объекты учета отсылают данные на сервер. Коммутация канала осуществляется по IP- адресу сервера/устройства.

Опрос «сверху вниз» предполагает наличие у объектов учета статического IP-адреса. На практике такая услуга стоит около 160 руб./мес. Вариант опроса «сверху вниз» — это VPN-сеть, и в данном случае устройство на контролируемом объекте должно «уметь» поддерживать VPN-сети и самостоятельно соединяться с сервером учета. Здесь объекты учета вынуждены постоянно поддерживать контакт с сервером, но трафик при этом минимален — только на служебные сообщения для поддержки TCP/IP-соединения. Обращение к объектам учета в этом случае идет по приватным (частным 192.168.X.X) адресам.

Инициация отправки данных «снизу вверх», как и в случае с CSD, предполагает наличие интеллектуальных устройств на объектах учета с поддержкой стека TCP/IP либо интеллектуальных контроллеров со стандартными GSM-модемами. Отправка данных в этом случае осуществляется на публичный адрес сервера в Интернете, а задача сервера сводится к принятию и обработке потока пакетов данных от объектов учета.

Как показывает практика, для разных объектов учета нужно применять построение систем с разным типом организации каналов связи и методов передачи информации. Рассмотрим это на примере.

Допустим, нам нужно проконтролировать потребление электроэнергии на базовых станциях сотового оператора. Количество объектов учета — 10 000. Требуется оптимизировать задачу как по цене, так и по реализации технического решения.

Берем технологию CSD, опрос «сверху вниз».

Исходные данные:

  1. На стороне сервера 1 GSM-модем / пул из 10 модемов.
  2. Время установления CSD-соединения — 1 мин.

Расчет:

  1. Затраты на время установки соединения с 10 000 объектами одним модемом на стороне сервера займет: 10 000@(1/60) часа = =166,67 часа = 6,9 суток.
  2. При наличии пула из 10 модемов: (10000/10)@(1/60) часа = 16,67 часа = 0,7 суток.
  3. Время на загрузку информации, в зависимости от ее объема.

Если вспомнить требования Автоматизированной Системы Коммерческого Учета Электроэнергии (АСКУЭ), то в архиве базы данных на момент обращения к ней должны храниться получасовые отчеты с объектов о потреблении электроэнергии. Таким образом, придется ставить еще один модемный пул, что сразу же увеличит нагрузку на сервер обработки информации, или — что наиболее вероятно — придется ставить дополнительный сервер опроса, а это приведет к удорожанию системы в целом. Возможно, этот вариант подойдет для небольшого количества контролируемых объектов с функциями управления, консольного доступа, настройки системы, где требуется гарантированный канал связи. Например, если требуется слежение за работой насосов и отображение состояния технологического процесса, мониторинг трансформаторных подстанций — отслеживание напряжения на линиях и температуры трансформаторов. Наиболее логичным и правильным решением в данной ситуации было бы использование GPRS-соединения, чтобы данные передавались на сервер по схеме «снизу вверх» один раз в 30 мин. При этом на устройстве сбора данных на объекте должна быть реализована функция запоминания получасовых выборок, дабы при пропадании связи информация не была утеряна.

Таким образом, можно сделать вывод, что по GPRS логично получать некритические интервальные выборки данных: опрос счетчиков, мониторинг температуры и влажности окружающей среды, контроль уровня жидкости, слежение за транспортировкой газа и нефти. А CSD вы- годнее использовать там, где требуется за 1 раз скачать архив данных за большой промежуток времени, где требуется гарантированный канал на время соединения.

Радиосети

В системах, где нет покрытия GSM, а также в системах, где недопустима зависимость от сторонних операторов связи, используют мощные радиомодемы, например, компании «RACOM» (рис. 3) со скоростью передачи до 196 кбит/с. Такие модемы позволяют строить собственные радиосети с удаленностью более 100 км, с интеграцией в IP- и GSM-cети, позволяя тем самым решать задачи диспетчеризации объектов и учета энергоресурсов. Данные модемы имеют программируемую мощность излучения 0,1–25 Вт и программно настраиваемую рабочую частоту 135–175 МГц с шагом 3,2 МГц.

Технические характеристики радиомодемов RACOM представлены в таблице 1.



Рис. 3. Радиомодем RACOM MX 160

Т а б л и ц а 1 . Технические характеристики радиомодемов RACOM

Радиомодемы Racom Полудуплексные Дуплексные Частота Канал/скорость,
кГц/кбит/с
PROFI Узкополосные MR160 MD160 135–175 12,5/10,84
MR300 MD300 290–350
MR400 MD400 350–470
Широкополосные MW160 MX160 135–175 200/133
MW400 MD400 350–470
ECONOMY Узкополосные RE400   373–484 6,25/2,6
12,5/5,2
25/10,4

Уровень объекта учета

Под объектами учета понимают:

  1. Жилые дома — электричество, тепло, расход воды.
  2. Коммерческие строения — электричество, вода, тепло.
  3. Базовые станции сотовых операторов — электричество.
  4. Котельные, теплопункты — учет тепла, расхода воды.
  5. Газораспределительные пункты — учет газа.
  6. Ответвления нефтяных/газовых труб — учет транспортировки нефти/нефтепродуктов.

Центральным звеном системы учета на данном уровне является устройство сбора и передачи данных. Изначально для этих целей служили простые GSM-модемы на объектах учета (рис. 4–6); сервер через модемный пул дозванивался до модема и забирал данные посредством CSD- соединения, либо реализовывался прозрачный канал (Transparent Chanel), посредством которого данные прямо со счетчика поступали на сервер и там уже обрабатывались (так называемые решения «последней мили»). Также были распространены решения, когда недорогой контроллер собирал информацию со счетчиков учета по 485 или 232 интерфейсу, обрабатывал ее и передавал через GSM-модем. Следующим этапом стало появление счетчиков электроэнергии со встроенным GSM-модемом.


Рис. 4. Простые модемы: Cinterion MC 35iT

Рис. 5. Простые модемы: RUS-MC55iT

Рис. 6. Простые модемы: GNS-300RS

Вторым этапом, практически параллельно с первым, стало появление интеллектуальных программируемых модемов с возможностью прямого подключения к счетчику тепла/ электроэнергии и цифровыми входами/выходами. Имея встроенный TCP/IP-cтек, они сами соединялись с сервером посредством GPRS или CSD и передавали данные на сервер по заданному алгоритму (учитывая сигнализацию на линиях). Программирование осуществлялось на Java либо на C. Подобные устройства представлены на рис. 7, 8.


Рис. 7. Интеллектуальный модем GNS-TC65iT-01

Рис. 8. Интеллектуальный модем Cinterion TC 65T

Обладая низкой стоимостью и простотой интеграции, данные устройства заняли доминирующее положение на рынке и с успехом применяются и по нынешний день. Но все же функций модемов не хватало, задачи стояли специфические, требовалось оптимизировать трафик, шифровать данные, опрашивать более одного счетчика, что и подвигло создать специализированное устройство, которое получило название «Устройство сбора и передачи данных» (рис. 9).



Рис. 9. Устройство сбора и передачи данных (УСПД)

На данный момент это устройство можно охарактеризовать как низкоуровневый контроллер с жестким алгоритмом работы, встроенным GSM-модемом и специализированными под задачи учета интерфейсами. УСПД обладает собственной операционной системой, с изначально заложенными протоколами счетчиков учета электроэнергии и тепла, а также промышленными протоколами передачи данных, такими как Modbus RTU, Modbus TCP/IP, МЭК 101, МЭК 104, OPC SERVER и др.

Обобщенно задачу, которая ставится перед УСПД, можно описать следующим образом: съем показаний со счетчиков электроэнергии (232/485/CAN-интерфейсы), съем показаний с теплосчетчиков (485), учет потребления по импульсным выходам счетчиков и расходомеров (электроэнергия, массовый расход), съем показаний с датчиков (температура, давление), отработка состояний нескольких цифровых входов. С массовым развитием IP-сетей устройство приобрело функции подключения к LAN, прямого подключения к Интернету, а также поддержки шифрования каналов связи с использованием протоколов SSL либо IPSEC.

С развитием систем учета на УСПД также стали возлагать и второстепенные функции, а именно: мониторинг систем жизнеобеспечения, замер температуры в разных точках объекта, сигнализация ситуаций на объекте (открытие дверей), отключение линий нагрузки, взлом щитовых, индикация срабатывания датчиков движения, удаленное конфигурирование оборудования и даже передача снимков и видео с объекта контроля. Но это скорее исключения, чем правила для систем учета.

Архитектура УСПД

  1. Расширенный диапазон питания 12–60 В.
  2. Мощный процессор (обычно ARM 7/9), UNIX-подобная операционная система или Windows Embedded.
  3. Встроенный GSM/3G-модуль для передачи информации посредством GPRS/3G- соединения.
  4. Интерфейсы: – RS-232, RS-485, CAN; – Интернет; – цифровые I/O входы/выходы – сигнализация на объекте учета; – импульсные входы.
  5. Собственные протоколы счетчиков учета (тепла/электроэнергии) и оборудования жизнеобеспечения объектов. Протоколы передачи данных на верхний уровень — Modbus, МЭК104, OPC-server.
  6. FLASH-память — сохранение результатов. УСПД обычно устанавливается в технологический шкаф на DIN-рейку с блоком резервного питания на случай отключения энергоснабжения объекта (5 часов). Также в этом шкафу, по необходимости, могут размещаться дополнительные контроллеры и преобразователи интерфейсов.

Уровень обработки, анализа, хранения и предоставления информации

На этом уровне необходимы следующие составные компоненты:

  1. Сервер приема и обработки пакетов данных с объектов с контролем связи и анализатором событий.
  2. База данных, реализующая функции хранения и обработки запросов.
  3. SCADA-система или любая другая графическая система (сервер), предоставляющая отображение данных — тренды, информацию по учету и состоянию системы.

Обычно это серверная стойка с 2–3 серверами, имеющими функцию резервирования. Решение строится либо на UNIX-технологиях, либо с использованием платформы Windows Server. Сегодня системы строятся так, чтобы пользователь имел доступ как из LAN-сети, где установлен сервер, так и через веб-интерфейс.

Уровень потребителей информации — АРМ

На этом уровне необходимо специальное программное обеспечение. С его помощью пользователь имеет возможность просматривать данные с объектов учета, строить графики, отмечать критичные события в журнале аварий, следить за состоянием системы, просматривать карту с нанесенными объектами и мнемосхемы состояния объекта, а также формировать и распечатывать счета и прочую необходимую для анализа потребления информацию. Широкое применение в мониторинге состояния и технических процессов нашли SCADA-системы.

Пример интерфейса системы учета энергоресурсов показан на рис. 10.

Все вышеописанные возможности предоставляет веб-интерфейс. Для этого пользователю системы не надо устанавливать программы на свой компьютер, достаточно знать логин, пароль и иметь сертификат доверия. Преимуществом веб-интерфейса является доступность системы из любой точки мира, где есть Интернет.

Таким образом, распределенные УСПД прошли значительный путь — от простого сбора данных с одного счетчика до контроля за расходом целых районов многоквартирных домов, теплоцентралей, объектов нефтяной промышленности и газораспределительных подстанций.



Рис. 10. Пример интерфейса системы учета энергоресурсов

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Беспроводные технологии PDF


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке