ПРИМЕНЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В БЫТОВОМ СЕКТОРЕ



Удк 004.9


Применение автоматиЗированныХ инФормационныХ СиСтем в Бытовом Секторе


колокольникова алла ивановна,


доцент, к.т.н., Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, г. Кемерово, Россия aik674@mail.ru


Карнаухов Дмитрий Владимирович,


студент, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, г. Кемерово, Россия arehts8@gmail.com


В статье описано использование автоматизированных систем в бы-товом учете электроэнергии. Рассмотрены задачи, особенности и техно-логии передачи информации об энергопотреблении. Дана оценка эконо-мического эффекта от использования системы в регионе.


Ключевые слова: информационно-измерительные системы, бес-проводные сети передачи данных, энергоресурс, телекоммуникационная технология PowerLine, экономический эффект.




applIcatIoN of automateD INformatIoN Data SyStemS IN DomeStIc houSeholD


Kolokolnikova Alla,


PhD in Technical Sciences, associate professor, Kuzbass state technical University named after


T. F. Gorbachev, Kemerovo city, Russia aik674@mail.ru


Karnaukhov Dmitry,


student Kuzbass state technical University named after T. F. Gorbachev, Kemerovo city, Russia arehts8@gmail.com


This article describes the usage of automated information systems for ac-counting of energy consumption in domestic households. Problems, features and technologies for energy consumption data transmission are considered.


КАРНАУХОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ


The economic effect from the usage of information systems within the region was assessed.


Key words: information and measuring systems, wireless communication, energy, telecommunications technology PLC, the economic effect.


Введение


Автоматизированная информационная система – это совокуп-ность программных и аппаратных средств, предназначенных для хранения и (или) управления данными и информацией, а также для производства вычислений.


Основной целью автоматизации в электроэнергетике является уменьшение потерь электроэнергии и контроль энергопотребле-ния. Средством реализации данной цели являются компьютерные аппаратно-технические средства, на базе которых формируются автоматизированные информационные системы (АИС). На дан-ный момент это одно из наиболее перспективных направлений в энергетике. АИС могут использоваться в трех основных направле-ниях: для коммерческого, технического и бытового учета электро-энергии.


Современные автоматизированные информационно-измери-тельные системы коммерческого учета электроэнергии – АИИС КУЭ (АСКУЭ) – создаются для коммерческого учета потребляе-мой или отпускаемой электрической энергии [2]. Их главной за-дачей является работа на оптовом или розничном рынке электро-энергии, при этом необходимо обеспечить информационную связь энергоснабжающим компаниям с потребителями (покупателями). Целью создания и функционирования АИИС КУЭ является изме-рение количества электрической энергии (полученной, передан-ной, потребленной), позволяющее определить величины учетных показателей, используемых в финансовых расчетах.


Для анализа учетных данных по электроэнергии, потребля-емой на нужды производственных предприятий применяются АИИС технического учета электроэнергии (АСТУЭ). Они позво-ляют планировать потребление, выявлять нерациональное исполь-зование, снижать потери электроэнергии.


Широкое распространение в электроэнергетике получают так называемые «умные» сети, или Smart Grid. Их внедрение являет-ся наиболее результативным техническим решением для повыше-ния эффективности передачи электроэнергии. Технология SMART


ПРИМЕНЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В БЫТОВОМ СЕКТОРЕ


(Self Monitoring Analysis and Reporting Technology) – технология самодиагностики, анализа и отчета. Она была создана с целью повышения надежности работы оборудования, возможности кон-тролировать его на расстоянии. В русском варианте используется термин «активно-адаптивные сети». Активно-адаптивная сеть обе-спечивает требуемое качество и уменьшение потерь передаваемой электроэнергии, самовосстановление после сбоев электроснабже-ния; возможность потребителям участвовать в работе сети.


В бытовом секторе АИИС комплексного учета энергоресурсов (АСКУЭ БП) предназначены для организации учета электроэнер-гии, тепловой энергии, газа, воды и других видов энергоресурсов на трансформаторных подстанциях и распределительных устройствах многоквартирных жилых домов, учреждений, офисных зданий и других организаций жилищно-коммунального хозяйства [6]. После принятия Федерального закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» от 23.11.2009 г. разработке автоматизированных систем сбора данных от бытовых потребителей стало уделяться повышенное внимание. Внедрение информационных технологий в бытовом секторе позволяет:








КАРНАУХОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ


Сбор информации об энергопотреблении с приборов учета ве-дется, в зависимости от особенностей объекта, с применением раз-личных технологий: проводной и беспроводной передачи данных; передачи данных по силовой сети 0,4 кВ. Для точного контроля съема показаний счетчиков необходимо снять данные с трансфор-маторной подстанции и всех ее потребителей в течение нескольких часов. К некорректному расчету электроэнергии у потребителей могут приводить ошибки, обусловленные «человеческим факто-ром». Проводная передача данных на данный момент хоть и ши-роко используется, но является наименее совершенной, учитывая большие потери электроэнергии при ее применении.


Цель работы


В работе изучается возможность и эффективность примене-ния АИИС КУЭ для автоматизации торговли электроэнергией в бытовом секторе на основе технологии PLC (англ. Power line communication), использующей связь через ЛЭП для передачи дан-ных или голосовой информации.


Эффективно развивающаяся телекоммуникационная техноло-гия, основанная на применении силовых электросетей, позволяет обеспечить высокоскоростной информационный обмен. С появле-нием сигнальных процессоров для реализации сложных способов модуляции сигнала, современных методов кодирования и шифро-вания данных увеличились защита и достоверность передаваемой информации.


Технологии хDSL (англ. digital subscriber line, цифровая або-


нентская линия), беспроводного доступа (Wi-Fi), спутниковой связи, оптоволоконных систем имеют много преимуществ и могут рассматриваться как альтернатива технологии, основанной на ис-пользовании электросетей. С одной стороны, связь через эфир не нуждается в проводах, но, с другой стороны, беспроводные сети плохо защищены от помех, пропускная способность канала часто ограничена, широкополосный сигнал имеет ограниченную зону покрытия, которая зависит от размеров и конфигурации помеще-ния, свойств строительных материалов.


Как физическая среда линии электропередачи представляют пользователю недорогой, доступный, надежный и быстрый канал связи, а с помощью дополнительной PLC-сети можно расширить зону покрытия. Имеется возможность доставки электроэнергии и


ПРИМЕНЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В БЫТОВОМ СЕКТОРЕ


данных учета по одной цепи с созданием срезов показаний. Ос-новные преимущества применения низковольтных электрических сетей в качестве среды передачи данных: наличие разветвленных уже существующих электрических сетей, не требуется разрешение на монтаж и эксплуатацию, оперативность развертывания, низкие совокупные затраты, устойчивость к погодным условиям.


Материалы и методы исследования


Для существующих линий электроснабжения могут исполь-зоваться технологии сбора данных. Примером выбора технологии PowerLine при создании системы автоматизированного учета роз-ничного рынка электроэнергии и бытового потребителя является проект ОАО «РЖД», начатый в 2007 году. По проекту предусмо-трено снабжение электроэнергией 240 000 точек учета на 20 000 подстанций 79 субъектов РФ [4]. В условиях России создание про-водной системы передачи данных требует больших затрат. При от-сутствии проложенных проводных линий до приборов учета при-меняется передача данных по радиоканалу, когда электросчетчик используется как преобразователь радиосигнала. Таким образом, была открыта возможность создания АИИС коммерческого учета на розничном рынке электроэнергии.


Существующие электросети в бытовом секторе старой по-стройки не предназначены для передачи данных, их характеризу-ют изношенность и низкое качество электропроводки в многоквар-тирных домах, применение алюминиевых проводов, обладающих меньшей электропроводностью по сравнению с медными, наличие скруток проводов, что обусловливает высокий уровень помех и затухание высокочастотного сигнала. Коммерческие потери элек-троэнергии в таких сетях составляют более 40% [6]. Решение про-блемы – использование системы дистанционного съема данных по электрическим сетям на основе технологии PLC.


К технологии PowerLine лучше приспособлены здания новой постройки, где применяются современные технологии соедине-ния и подключения медных проводов. Чаще всего это бытовой сектор с малоэтажной коттеджной застройкой, обслуживаемый городскими радиоэлектронными средствами (РЭС ). Такие районы обычно расположены отдаленно, в них затруднен доступ к узлам учета потребителей и имеется большая величина небаланса элек-троэнергии.


КАРНАУХОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ


Опробование системы дистанционного съема данных по низ-ковольтным электрическим сетям на основе PLC-технологии про-вели Бугульминские электрические сети филиала ОАО «Сетевая компания» в 2009 году [3]. Тестирование системы было произведено в бытовом секторе в домах коттеджного типа г. Бугульмы, обслу-живаемых городским РЭС. Главные критерии монтажа оборудова-ния – наличие большого небаланса электроэнергии и сложностей в доступе к узлам учета. Опробование было начато с установки обо-рудования на четырех комплектных трансформаторных подстанци-ях (КТП). Анализ динамики и состояния потерь электроэнергии в распределительной сети в результате установки КТП за два года по-казал, что с увеличением охваченных системой точек учета наблю-далось резкое снижение величины потерь электроэнергии. Умень-шение объема электроэнергии, поступающего в распределительную сеть, с одновременным увеличением реализации свидетельствует о применении энергосберегающих технологий и формировании раци-онального подхода к потреблению электрической энергии.


Можно считать, что результаты применения автоматизирован-ной информационно-измерительной системы в Бугульминских элек-трических сетях были положительными. Установка приборов учета с дистанционным снятием показаний на основе PLC-технологии продолжилась, на начало 2012 года, системой были охвачены уже 337 потребительских объектов, причем самый удаленный прибор учета расположен на расстоянии 750 м от концентратора КТП [3].


Для бытового сектора с большим количеством точек учета и близкими расстояниями между ними стандартным решением яв-ляется использование счетчиков с PLC модемами. В этом случае цена АСКУЭ практически полностью сводится к стоимости уста-новки счетчиков, потому что для передачи данных применяются силовые сети, по которым электричество поступает к конечному потребителю. Концентратор осуществляет сбор данных со счетчи-ков для передачи данных в программное обеспечение АСКУЭ. При использовании GSM связи PLC концентраторы могут быть под-ключены к GSM шлюзу, а в случае интернет соединения – к пре-образователям интерфейсов Ethernet-RS485 (англ. Recommended Standard 485 – рекомендуемый стандарт).


При сильном разбросе и значительном расстоянии до входя-щих в состав АСКУЭ точек учета применяются технологии пере-дачи данных через GSM связь, использующие GSM шлюз или


ПРИМЕНЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В БЫТОВОМ СЕКТОРЕ


счетчики с GSM модемом со стороны персонального компьютера. С помощью оснащенного GSM модемом счетчика можно опросить другие счетчики, соединенные с ним через RS-485 или сеть кон-


троллеров CAN (англ. Controller Area Network).


Радиосеть удовлетворяет основным оперативно-техническим требованиям: функционирует во всей оперативной зоне, имеет вы-сокую надежность и живучесть, достаточную пропускную способ-ность, оперативный доступ к ресурсам, характеризуется простотой и низкой эксплуатационной стоимостью, совместима с оборудова-нием сбора и обработки данных по типовым и нестандартным ин-терфейсам.


Счетчики электроэнергии могут употребляться в качестве преобразователей в PLC передаваемого диспетчеру радиосигна-ла. Установку электросчетчиков можно производить на опорах в щитах учета наружной установки. Такой способ подключения приводит к уменьшению помех от расположенных в жилых домах бытовых электроприборов, делает счетчики недоступными для вмешательства в схему узла учета, предоставляет возможность для проверки и установки в выносной щит коммутационных и других аппаратов (ограничителей перенапряжений, устройств защитного отключения). За счет исключения потребительских электросетей из схемы «счетчик-концентратор» повышается надежность элек-троснабжения и обеспечивается защита электросетей потребителя.


Результаты исследования и их обсуждение


В рамках программы обеспечения энергетической эффектив-ности и энергосбережения филиал «МРСК Сибири» – «Кузбассэ-нерго – РЭС» разработал программу модернизации систем учета электроэнергии на розничном рынке. В 2010 году были начаты ра-боты по установке новых приборов учета электрической энергии в районах с несовпадением объемов отпущенной и фактически опла-ченной электроэнергии. В соответствии с постановлением прави-тельства Российской Федерации «Кузбассэнерго – РЭС» устанав-ливает приборы учета на границе балансовой принадлежности. Как правило, это опора около здания или земельного участка по месту регистрации потребителя, счетчик электроэнергии монтиру-ется в защищающем прибор от атмосферных явлений и вандализ-ма металлическом шкафу [5]. «Кузбассэнерго – РЭС» использует электронные приборы учета электроэнергии, произведенные в Ев-


КАРНАУХОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ


ропе с использованием современной методики измерения и техно-логии передачи данных PLC. Благодаря этому счетчики ведут учет электроэнергии по одному или нескольким тарифам, например, дневному и ночному потреблению, а также имеют возможность передавать данные на расстоянии. С помощью GSM-модема по-казания электросчетчиков дистанционно поступают в центр сбора и обработки данных.


На установку более двух тысяч современных приборов учета было затрачено 30 миллионов рублей. Результатом оказалось сни-жение объема потерь электроэнергии с 40 до 18 процентов, срок окупаемости каждого электросчетчика не превысил полгода. В 2012 г. «Кузбассэнерго» установил и автоматизировал сбор дан-ных уже c 11,5 тысяч приборов учета у бытовых потребителей в Топкинском, Ленинском, Мариинском, Яшкинском, Юргинском и Прокопьевском районах. В 2013 году основной объем работ по внедрению АИИС КУЭ придется на Новокузнецкий район, где ра-нее уже были смонтированы 1650 приборов учета. До 2017 года планируется ввести в систему еще 50 тысяч таких устройств [7].


Без учета других факторов само по себе внедрение автома-тизации уже дает первичный эффект в виде экономии за счет ос-вобождения сотрудников от выполнения рутинных операций, а использование современной технологии передачи данных увели-чивает его значительно. Применяя методики измерения экономи-ческого эффекта, можно рассчитать примерный срок окупаемости оборудования и внедрения АИИС в целом [1].


Учитывая накопленный опыт внедрения АИС учета и контро-ля энергопотреблении, рассмотрим особенности расчета основ-ных показателей, характеризующих инвестиционную политику энергоснабжающих компаний. Для определения экономического эффекта вычисляются затраты на внедрение, затраты до и после внедрения PLC-системы [3].


Затраты до внедрения PLC-системы, рассчитанные за 12 ме-сяцев года, включают коммерческие потери (Р1к) и затраты труда


(3 труд).


Коммерческие потери (Р1к = П ∙ Т, тыс. руб.) являются произ-ведением коммерческих потерь (П, тыс. кВт∙ч) и среднего тарифа на оплату потерь (Т, тыс. руб./тыс. кВт.): Р1к = П ∙ Т.


Затраты труда (3 труд, тыс. руб.) на сбор показаний по КТП включают:


ПРИМЕНЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В БЫТОВОМ СЕКТОРЕ



Г3овб = 3овб∙t + (3овб ∙ t) ∙ %стр ∙ 12;




чества потребителей (кол-во потреб.) и составляют: 3ксп = (3п ∙ tксп + (3п ∙ tксп) ∙ %стр) ∙ кол-во потреб.


Необходимо учесть, что согласно постановлению Прави-тельства Российской Федерации по вопросам функционирования розничных рынков электрической энергии в переходный период реформирования электроэнергетики необходимо проводить кон-трольный съем показаний у потребителей один раз в 6 месяцев. Годовые затраты (Г3ксп, руб.) составят: Г3ксп= 3ксп ∙ 2.


Итоговые данные о затратах труда имеют вид: 3труд = (Г3овб + Г3а/тр + Г3ксп) / 1000.


Затраты на внедрение PLC-системы (3внедр., тыс.руб.) вклю-чают затраты на монтаж оборудования (3монтаж) и затраты на само оборудование (3оборуд.) за год: 3внедр. = 3монтаж + 3оборуд.


Затраты после внедрения PLC-системы состоят из:




года (диагностика, ремонт, перепрошивка).


При определении экономической эффективности от внедре-


КАРНАУХОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ


ния автоматизированной системы с дистанционным съемом пока-заний по КТП следует учесть, что при внедрении данной системы необходимость в проведении ежемесячного съема показаний прак-тически отпадает. Тогда экономический эффект (Эф., тыс. руб.) со-ставит экономию, ежегодно получаемую на съеме показаний КТП:


Эф. = 3труд – 3связь.


Зная (Р1к – Р2к) – приведенную величину снижения потерь, средний тариф на оплату потерь (Т, тыс. руб./тыс. кВт.) и затраты на внедрение системы (3внедр.), можно вычислить срок окупае-мости (С.О., год) после внедрения системы КТП: С.О. = 3внедр. / [(Р1к – Р2к) ∙ Т].


Заключение


В коммунальном хозяйстве, в инженерных системах зданий беспроводные устройства применимы для управления теплоснаб-жением, освещением, кондиционированием и вентиляцией, в си-стемах пожарной безопасности, автоматического пожаротушения, коммерческого учета потребленной тепловой, электрической энер-гии, воды, газа, в системах управления лифтовым оборудованием.


Многофункциональность современных АИС учета и контроля энергоснабжения позволяет контролировать качество сети, приме-нять системы предоплаты и тарификации, дистанционно подклю-чать и отключать потребителей электроэнергии. Внедрение АИИС КУЭ требует больших капиталовложений, но даже с учетом низко-го тарифа на услуги по передаче электроэнергии для категории по-требителей «население» и невысоких объемов полезного отпуска электроэнергии, применение PLC-систем является экономически выгодным в новых, современных отдаленных постройках, а также в удаленных районах и частном секторе, где потери электроэнер-гии наибольшие.


Экономический эффект от использования автоматизирован-ных информационных систем, основанных на применении низ-ковольтных электрических сетей, достигает в среднем 15-25 % от годового потребления энергоресурсов, а затраты на внедрение оку-паются за полугодие.


Литература:


  1. Kolokolnikova A.I. Computer modeling as active method of training // Eu-ropean Science and Technology: 2nd International scientific conference. Bildungszentrum Rodnik e. V. Wiesbaden. 2012. 744 p.


ПРИМЕНЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В БЫТОВОМ СЕКТОРЕ



  1. Автоматизированная система коммерческого учета энергоресурсов – эффективный путь оптимизации энергозатрат [Электронный ре-сурс]. – Режим доступа: energo-spektr.ru/energosave/askue. (Computed-aided system of commercial calculation of energy supply – effective way of power inputs optimization. URL: energo-spektr.ru/energosave/askue.


  1. Жернаков, Ю. Опыт внедрения системы учёта электроэнергии на основе технологии PLC// журнал «Электроэнергия. Передача и рас-пределение» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www. ruscable.ru/print.html?p=/article/Opyt_vnedreniya_sistemy_uchyota_ elektroenergii_na/. (Zhernakov Yu. Experience of application of electric power keeping system on the base of PLC technology // Magazine «Electric power. Transmission and distribution» – URL: http://www. ruscable.ru/print.html?p=/article/Opyt_vnedreniya_sistemy_uchyota_ elektroenergii_na/ ).

  2. Борченко Е.А. PLC-технология передачи данных в современных си-стемах учета электроэнергии//журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности». – 2010.–№ 5(29).– Режим досту-па: http://www.isup.ru/ articles/6/667/. (Borchenko E.A. PLC-technology of data communication in modern system of electric power keeping // Magazine «Informatization and Industry Control System» – 2010.–№ 5 (29).– URL: http://www.isup.ru/ articles/6/667/.


  1. Новости энергетики [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:// novostienergetiki.ru/tag/kuzbassenergo-res/. (Power engineering news. – URL: http://novostienergetiki.ru/tag/kuzbassenergo-res/.)

  2. Тубинис В. В. Автоматизированные системы учета электроэнергии у бытовых потребителей // Энергосбережение №10-юбилейн. – 2005. – №6. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.abok.ru/ for_spec/articles. php?nid=3034. (Tubinis V.V. Computer-aided systems of electric power keeping at residential users’ houses // Jenergosberezhe-nie №10-jubilejn. – 2005. – №6. – URL: http://www.abok.ru/for_spec/ articles. php?nid=3034).

  3. Электропотребление в Кемеровской области в I кв снизилось на 4,1% [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ieport.ru/portal/ news/54684-elektropotreblenie-v-kemerovskoy-oblasti-v-i-kv-snizilos-na-41.html. (Power consumption in Kemerov region in I q. by 4,1% – URL: http://ieport.ru/portal/news/54684-elektropotreblenie-v-kemerovs-koy-oblasti-v-i-kv-snizilos-na-41.html).