Цифровые АСКУЭ
Автор: А.Гуртовцев
Источник: Журнал Новости Электротехники
С момента появления в конце 19-го столетия первого электромеханического счетчика электроэнергии (первый патент на индукционный счетчик был выдан в 1889 г.) учет электроэнергии на электростанциях, промышленных предпри- ятиях и в быту производился путем регулярного списывания инспектором или потребителем показаний счетных механизмов (дисплея) счетчиков и занесения их в учетный документ с последующим вычислением по этим показаниям расхода электроэнергии за расчетный период времени. На рис. 1а изображен один из типичных однофазных счетчиков первой трети 20-го столетия (счетчик EFk 220В-5А выпущен в 1928 г. в Германии предприятием «Aron Wechselstromza.ler»). Так как потребление электроэнергии отдельными абонентами в начале 20-го века было относительно невелико, то вплоть до 30-х годов счетные механизмы счетчиков имели всего три знака до запятой (к середине 30-х годов их количество увеличилось до 4, а во второй половине века – до нынешних 5 цифр) и одиндва десятичных знака после запятой (класс точности массовых счетчиков – 2,5 или 3,0). Такие счетчики вели однотарифный накопительный учет для оплаты электроэнергии, потребленной за расчетный период (месяц). Расход за период определялся как разность между последним и предыдущим показаниями счетчиков, снятыми по окончании соответствующих периодов. Точность привязки показаний счетчиков к реальному времени определялась инспектором или потребителем, но главное, исполнительностью последних. Фактически временная погрешность месячного учета по точке учета (счетчику) могла достигать нескольких суток или в лучшем случае нескольких часов, т.е. лежала в диапазоне от 1 до 10 и более процентов, подчас превышая в несколько раз погрешность учета электроэнергии счетчиком. Если на объекте было установлено несколько территориально удаленных друг от друга счетчиков, суммарная временная погрешность учета по объекту в целом могла быть еще выше за счет затрат времени на обход точек учета для снятия показаний. И ныне многие бытовые потребители снимают и оплачивают показания своих счетчиков с задержкой до 2–3 недель относительно момента окончания расчетного периода, т.е. с временной погрешностью 50 и более процентов. Общие требования к индукционным счетчикам, включая терминологию, регламентируются стандартами. Уже в 30-х годах в индустриально развивающихся странах из-за нехватки генерирующих мощностей возник вопрос об управлении потребительским спросом на электроэнергию через тарифы, дифференцированные по зонам суток. В Европе, в частности в Германии, стали использовать для крупных промышленных потребителей трехфазные счетчики с двумя счетными механизмами (такой счетчик ZD22 образца 1937 г. немецкой фирмы из Кенигсберга приведен на рис. 1б). Один из механизмов использовался для фиксации электроэнергии, потребленной в часы дневного дорогого, или высокого, тарифа НТ (Н-Hoch), а другой – в часы ночного дешевого, или низкого, тарифа NT (N-Niedrig). Переключение счетного механизма с одного тарифа на другой осуществлялось с помощью внешних специальных электромеханических или электрических часов (работа современных переключателей по времени регламентируется стандартом). В приборный учет впервые вошла автоматическая привязка измерений количества электроэнергии к часам, размещаемым вне индукционных счетчиков. Но и для таких приборов сохранился прежний принцип ручного считывания их показаний по окончании расчетного периода.
Понятие и принципы построения цифровых АСКУЭ как систем, существенно отличающихся от числоимпульсных АСКУЭ в функциональном и метрологическом отношениях, сформированы в работах. Основой таких систем стали цифровые измерительные каналы (ЦИК) – «измерительные каналы, на выходе которых результаты измерений представлены в виде цифровых результатов». Результат измерения физической величины – это «значение величины, полученное путем ее измерения», а значение физической величины – «выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц». Числовое значение физической величины – «отвлеченное число, входящее в значение величины». Вместе с тем в метрологической практике наряду с числовым результатом измерения стали рассматривать как результат измерения и измерительный сигнал. Да, измерительный сигнал содержит количественную информацию об измеряемой величине, но эта информация скрыта в нем и для ее выделения необходимо над сигналом проделать ряд дополнительных измерительных операций. Именно поэтому он как результат измерения принципиально отличается от числового результата, который только и можно рассматривать как факт окончания самого процесса измерения и начала перехода к использованию результата измерений в средствах неизмерительного назначения. Чтобы усилить понимание числового результата измерения как конца процесса измерения, введено новое понятие цифрового результата измерения физической величины – это «числовое значение физической величины, полученное путем ее измерения, представленное в позиционной системе исчисления в виде приближенного рационального числа заданного формата с известными точностью представления и доверительной вероятностью». В современных технических системах такие результаты представляются в двоичной, восьмеричной, шестнадцатеричной, двоично-десятичной или десятичной системах счисления и в формате числа с фиксированной или плавающей запятой, что отграничивает их от иных результатов измерений, включая измерительные сигналы или стрелочные отсчеты, с получением которых процесс измерения еще не может быть признан завершенным. В соответствии с понятием цифрового результата определяются и все другие метрологические и технические понятия: цифровое измерение – «измерение физической величины, результат которого представляется в виде цифрового результата», цифровое средство измерения – «средство измерений, выполняющее цифровое измерение», цифровая измерительная система – «совокупность цифровых измерительных каналов и иных технических средств неизмерительного назначения, объединенных единым алгоритмом функционирования, предназначенная для измерений, а также выполнения иных операций неизмерительного назначения над цифровыми результатами измерений с целью определения цифровых значений одной или нескольких физических величин или их функций». Введение понятия цифрового результата измерения требует пересмотра ряда других ранее широко использовавшихся понятий метрологии, например, понятия косвенного измерения – «определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной». Это понятие сформировалось и работало в эпоху аналоговых измерений, когда их результатом станови- лось не число, а измерительный аналоговый или цифровой сигнал. С переходом к цифровым результатам измерений любые их функции не являются уже предметом измерений, но становятся предметом вычислений. Поэтому необходим соответствующий пересмотр прежних понятий метрологии, основанный на учете требований современных цифровых информационных технологий, которые, в частности, легли в основу создания цифровых АСКУЭ. Цифровая АСКУЭ определяется как «цифровая измерительная система, использующая в качестве основного средства измерения в составе каждого своего цифрового измерительного канала электронный счетчик со встроенной в него цифровой базой данных и с внешним доступом к ней по цифровому интерфейсу и/или цифровому табло». Для этих АСКУЭ все измерения электроэнергии и мощности заканчиваются на выходе ЦИК, точнее на цифровом выходе электронного счетчика. Далее идет только процесс использования готовых цифровых результатов измерений в цифровых операциях неизмерительного назначения: передачи, хранения, обработки, отображения, документирования и распространения цифровых данных. Да, технические средства неизмерительного назначения, надстроенные поверх ЦИК, оперируют с цифровыми результатами измерений и при некорректной работе могут их исказить. Но, во-первых, вопрос о том, как использовать результаты измерений, не относится к вопросу самих измерений и обеспечения их единства, а во-вторых, правильность работы средств неизмерительного назначения можно обеспечить за счет контроля их неизмерительных, но точностных характеристик в операциях цифрой проверки, цифровой экспертизы, цифровой аттестации и других аналогичных операциях. Если вопросы цифровых преобразований в цифровых измерительных системах и цифровых АСКУЭ уже подробно рассмотрены в ряде вышеупомянутых работ и со стороны метрологов не могут быть оспорены по существу, то вопрос работы цифровых АСКУЭ в едином масштабе времени требует отдельного анализа. Большинство возражений против рассмотрения цифровых АСКУЭ в виде совокупности средств измерительного и неизмерительного назначения сводится к тому, что все эти средства должны работать в едином масштабе времени, а следовательно, измерять время, что, якобы, автоматически превращает их все если не в средства измерений энергии и мощности, то в средства измерений времени.