Автореферат
Содержание
Предполагаемая научная новизна
Предполагаемая практическая ценность
Обзор существующих исследования и разработок
Перечень нерешенных проблем и задач
Планируемые и полученные собственные результаты
Актуальность
В настоящее время на Украине работает программа последовательного внедрения АСКУЭ оптового рынка электроэнергии. Ее целью является достоверный и оперативный учет электроенергии по всем границам раздела участников рынка - генерирующим компаниям, энергосистемам НЭК, облэнерго и потребителям. Без коммерческих АСКУЭ оптового рынка, которые давали бы данные коммерческого учета заинтересованным участникам процесса купли-продажи электроэнергии, рынок не способен функционировать.
На Украине нагрузка потребителей покрывается в базовом режиме на 35% за счет электроэнергии атомных электростанций, а регулирующие мощности (ГЭС и ГАЭС) дефицитны. Поэтому, несмотря на спад промышленной нагрузки, для Украины актуальны вопросы регулирования графиков энергосистем за счет тарифных систем. Для промышленности и быта установлены три тарифных сезона (зимне-осенний, весенне-осенний. весенне-летний), а для каждого сезона - тарифные зоны (3-зонные - пик, полупик, ночь или 2-зонные - день, ночь). Для промышленности тарифные коэффициенты имеют соответственно значения (1,8 - 1,02 - 0,25) и (1,8 - 0,4), а для быта - (1,5 - 1 - 0,4) и (1 - 0,7).
Относительно низкое потребление среднего бытового абонента, малый удельный вес "быта" в электробалансе страны, низкие тарифы для населения и многочисленность бытовых абонентов делали до последнего времени экономически нецелесообразным простой перенос автоматизированных систем учета, используемых на промышленных предприятиях, даже в многоквартирные городские дома, не говоря уже о сельской местности.
Так как в электробалансе Украины доля бытового электропотребления до последнего времени не превышала 10 % (в кВтoч) и всего 4-6 % в денежном исчислении, то оплату за электроэнергию, потребленную на бытовые нужды, до сих пор осуществляется на уникальном принципе "самообслуживания".
После доведения тарифов на электроэнергию у бытовых потребителей до уровня себестоимости ее производства существенно увеличится их доля в балансе доходов сбытовых компаний. Одновременно обострятся проблемы неплатежей и воровства электроэнергии. Мировой опыт свидетельствует, что если "быт" приносит более 20 % доходов, то энергокомпании вынуждены принимать специальные меры по повышению уровня собираемости платежей от населения, как, например, организовывать дистанционное автоматизированное снятие показаний со счетчиков; автоматизировать выписку счетов и т. д.
Хотя в среднем по Украине доля платежей населения в суммарном доходе отечественных энергокомпаний в ближайшие 5 лет вряд ли превысит 15 %, то во многих регионах эта доля превысит критические 20 % в самые ближайшие годы. Это, безусловно, приведет к отмене в этих регионах существующей у нас в стране повсеместно системы "самообслуживания" и заставит местные энергосбытовые компании заниматься выпиской счетов бытовым потребителям со всеми вытекающими из этого массового мероприятия последствиями.
наверх
Цель и задачи работы
Целью своей работы я вижу изучение принципов организации систем учета электроэнергии, особое внимание будет уделено исследованию проблемы передачи информации по линиям электропередачи. Разработка локального уровня АСКУЭ для бытовых потребителей будет включать в себя решение следующих задач:
- исследование алгоритмов достоверной передачи данных по каналу с высоким уровнем помех;
- разработка структурной схемы для локального уровня АСКУЭ;
- детализация структурной схемы.
Первый пункт будет основой исследовательской части работы. В нем будет осуществлен поиск наиболее эффективных методов модуляции и кодирования при передачи данных по силовой сети. Результаты этой работы будут использованы для построения структуры АСКУЭ. Наконец, будут разработаны принципиальные схемы важнейших узлов АСКУЭ - электронного счетчика, модемов для счетчика и станции сбора данных, а также протокол организации обмена.
При разработке протоколов связи необходимо учитывать возможность расширения спектра услуг, предоставляемых энергокомпаниями потребителю. Как, например, предоставление доступа в интернет, что потребует значительной полосы частот.
наверх
Предполагаемая научная новизна
Идея использования передачи данных по силовой сети не нова, но реализация систем стала возможной появились только в последнее время.
В работе планируется провести исследование различных методов модуляции и кодирования при передаче данных по каналу с высоким уровнем помех. Оценить их эффективность с учетом оссобенностей работы в АСКУЭ.
наверх
Предполагаемая практическая ценность
Преимущества организации учета при помощи автоматизированных систем общеизвестны и такие системы долгие годы применяются как за рубежом, так и в России на средних и крупных промышленных предприятиях. Кроме функций учета, они также осуществляют контроль и управление электропотреблением на этих предприятиях. Основной экономический эффект для потребителя от применения этих систем состоит в уменьшении платежей за используемую энергию и мощность, а для энергокомпаний - в снижении максимумов потребления и уменьшении капиталовложений на наращивание пиковых генерирующих мощностей.
Внедрение АСКУЭ для бытовых потребителей станет целесообразным в ближайшее время. Кроме того, большинство использующихся в настоящее время счетчиков (электромеханических индукционного типа) не обеспечивают требуемой точности.
Технические решения, используемые в системах АСКУЭ на базе PLC-технологии, позволяют:
- внедрять у каждого потребителя любые тарифные системы, изменяя только программное обеспечение в устройстве сбора данных, без монтажных работ и замены счетчиков;
- считывать показания счетчиков оперативно и дистанционно;
- не входя в помещения, где они установлены. При этом сами контролеры лишаются возможности изменять показания счетчиков;
- выявлять хищения электроэнергии, сигнализировать об этом и даже дистанционно отключать неплательщиков.
Результаты исследовательской части работы дадут возможность построить надежную систему передачи данных. А так же могут быть использованы для анализа эффективности использования PLC технологии для организации телефонной связи, а также компьютерных сетей (в т.ч. и доступа в интернет).
наверх
Обзор существующих исследования и разработок
Во многих странах с развитой рыночной экономикой все ранее перечисленные проблемы энергосбытовых организаций решаются путем внедрения АСКУЭ у бытовых потребителей (АСКУЭ БП).
В мировой практике подобные системы имеют обозначение "AMR systems" (Automatic Meter Reading - система автоматического считывания показаний счетчиков). Почти все ведущие производители счетчиков много лет работали над созданием простых, надежных и дешевых систем для бытовых потребителей. При разработке таких систем соблюдались два основных подхода: система должна быть окупаемой и обеспечивать повышенную надежность функционирования. В настоящее время такие системы созданы, производятся серийно и широко внедряются во многих странах.
Наряду с пионерами и мировыми лидерами в области использования AMR - США, Канадой, Японией, Францией, Израилем, Германией, Швейцарией и Италией - появилось несколько стран с развивающейся экономикой, верящих в перспективу AMR, например, Украина и Бразилия.
В настоящее время наиболее общепринятой техникой связи AMR во всем мире является радиосвязь, а за ней следует технология связи PLC (Power Line Communication - связь по низковольтной сети). При этом в Америке приоритет имеет радиосвязь, а в других странах в большинстве случаев - PLC. Широкое применение PLC неудивительно, ведь для технологии AMR необходимы площади покрытия, близкие к 100%, чтобы достигнуть каждого дома или предприятия. Во многих странах единственная среда связи, которая удовлетворяет этому требованию, - электрический сетевой провод.
На Украине имеется много фирм - системных интеграторов, которые предлагают свои услуги в создании коммерческих АСКУЭ для оптового рынка, но мало таких организаций, которые могли бы сделать масштабные АСКУЭ в сжатые сроки, "под ключ", причем с максимальной адаптацией решений под особенности и запросы заказчика. Одной из таких продвинутых фирм является ООО "Хартэп", которая с 2000 г входит в состав харьковской корпорации "МАСТ-ИПРА", созданной в 1993г.
Одна из крупнейших АСКУЭ, включающая более сотни электронных счетчиков с цифровыми интерфейсами для коммерческого учета и около двух сотен счетчиков с импульсными выходами для технического учета, создана фирмой для АК "Харьковоблэнерго". Основным элементом АСКУЭ, позволяющим интегрировать на локальном уровне системы учета и электросчетчики разных изготовителей с различными протоколами является коммуникационный модуль (КМ). Он построен на базе стандартного промышленного компьютера типа PC, серия 104 (аналог Pentium 166 МГц) с операционной системой Windows NT, который позволяет собирать данные по цифровым интерфейсам с электросчетчиков с разными протоколами обмена.
Наиболее яркий пример комплексного решения проблем организации учета электроэнергии у бытовых потребителей в Европе имеется в Италии. Компания Enel, монополист в области энергосбытовой деятельности в этой стране, запланировала массовую замену 30 млн устаревших индукционных счетчиков на специально разработанные электронные счетчики, объединенные по силовой сети в единую систему дистанционного управления абонентской сетью - TELEGESTORE [1-3]. Реализация проекта началась в июне 2000 года.
Система состоит из трех основных частей: дистанционной системы учета, системы управления абонентами и потенциальной системы предоставления дополнительных оплачиваемых услуг. В качестве коммуникационной среды для передачи информации используется распределительная сеть низкого напряжения (PLC-технология), а также телекоммуникационная сеть общего пользования. Архитектура системы приведена на рис. 1.
Электронный счетчик объединяет в себе функции прибора учета, прерывателя цепи и устройства связи с каналом распределительной сети (DLC). Счетчик измеряет активную и реактивную энергию, разработан с учетом международных стандартов (CEN 61036, CEN 61268) и имеет следующие основные параметры: класс точности - 1, диапазон токов 5-40 А или 5-50 А, срок службы 15 лет.
Концентратор, установленный почти на каждой трансформаторной подстанции 20;10/0,4 кВ, способен управлять передачей информации как в центральную систему, так и в электронные счетчики.
Концентратор опрашивает электронные счетчики по принципу "master-slave" (главный - подчиненный). Связь между концентратором и счетчиком осуществляется по сети DLC, CENELEC 82 кГц (первичная несущая частота) или 75 кГц (вторичная несущая частота). Эти частоты зарезервированы в Италии для энергокомпаний.
Модемы, установленные на ТП, передают данные, собранные концентратором, в центральную систему по телекоммуникационной сети (GSM, ISDN и т.д.) с использованием протокола TCP/IP.
Центральная система (AMM) собирает и отправляет данные от/на концентраторы и управляет системой.
Операционный центр управляет вводом данных измерений и контрактными операциями с клиентами.
Основные характеристики TELEGESTORE:
управление активной и реактивной энергией;
функции AMR;
функции управления контрактами по времени использования, времени года;
дистанционное подключение/отключение потребителей;
определение случаев мошенничества и взлома;
информирование потребителя;
возможность предварительной оплаты (без карточки);
управление максимальной нагрузкой;
управление сетью низкого напряжения;
управление уровнем обслуживания индивидуального потребителя;
потенциальная возможность предоставления дополнительных оплачиваемых услуг.
Внедрение проекта TELEGESTORE будет выгодным как для компании Enel, так и для ее потребителей, а также для всей энергосистемы Италии. Потребители получат более высокий уровень услуг в части эффективности распределения, продажи и учета, а также возможность использовать дифференцированные, а значит, более низкие тарифы.
В России имеется около 10 отечественных разработок систем АСКУЭ БП с использованием PLC-технологии. Наиболее известные из них производятся на Московском заводе электроизмерительных приборов (МЗЭП) и в ИАЦ НТИ "Континиум" (Москва). Десятки уже внедренных пилотных проектов подтверждают их работоспособность и эффективность в повышении сбора платежей. Они сертифицированы Госстандартом и внесены в Госреестр измерительных средств. При уровне тарифов для населения 80-90 коп./кВтoчас срок окупаемости данных систем у нас составляет, как и в Италии, 3-4 года при капиталовложениях на точку учета (один счетчик) не более 75-100 долларов США. Эти затраты сопоставимы с затратами на внедрение двухтарифной системы учета с использованием "интеллектуальных" счетчиков, очень популярной во многих регионах России. Однако отметим, что такая система является закрытой, с ограниченными возможностями, а системы, основанные на использовании PLC-технологии, многофункциональны и открыты для постоянного функционального наращивания. Они могут быть легко интегрированы в системы диспетчерского управления жилищным хозяйством, получающие всё более широкое развитие в отдельных городах России. Самым крупным российским проектом в этой области, реализующимся сегодня, является проект в г. Хабаровске. По инициативе администрации края и ОАО "Хабаровскэнерго" создается автоматизированная система учета потребления электроэнергии бытовыми потребителями. Система построена на базе технических средств сбора данных по силовой сети 0,4 кВ фирмы "Континиум" от специально модернизированных для этих целей электронных однофазных счетчиков завода МЗЭП. Проектирование, монтаж и наладка осуществляются хабаровским филиалом ЗАО "Энерготестконтроль". Проект финансируется через тарифную составляющую и имеет срок проектной окупаемости 4 года.
Краткий обзор существующих технологий передачи данных по силовой сети.
Технология X-10 от компании X-10 [4]
Технологии X-10 уже более 20 лет. Она была разработана в 1978 году одноименной компанией и была позиционирована на рынке как технология дистанционного управления бытовыми приборами. Для передачи цифровых данных технология предусматривает использование коротких радиоимпульсов на частоте 120 кГц в момент перехода переменного напряжения через ноль. Данная схема кодирования выбрана не случайно: нулевое значение напряжения, как правило, характеризуется меньшими уровнями шумов и влияния других устройств в сети.
Цифровой сигнал передается следующим образом: двоичной "1" соответствует передача частоты 120 кГц в течение 1 мс, а двоичному "0" - отсутствие радиоимпульса. В целях уменьшения ошибок для передачи одного бита используются два перехода через ноль. Именно поэтому скорость передачи данных для сети 120 B, 60 Гц ограничена 60 бит/с. Специально для X10 был разработан язык управления простейшими устройствами, работающими от электрической сети.
Сегодня контроллеры и адаптеры Х-10 для бытовых устройств выпускаются многими компаниями США и Европы. Стоимость этих модулей колеблется от 10 долл. за пассивное устройство до 100-200 долл. за многофункциональный активный прибор.
Однако у X-10 есть два довольно серьезных недостатка: низкая, а по сравнению со стандартными сетями передачи данных просто смешная, скорость передачи и значительные ограничения по функциональности.
CEBus компании Intellon [5]
CEBus (Intellon SSC) была создана компанией Intellon специально для передачи данных по линиям электропитания в соответствии со стандартом домашней сети CEBus EIA-600. Технология эта более сложна и многофункциональна, чем X-10: использование CEBus делает возможным взаимодействие бытовых приборов и устройств домашней автоматики в различных физических средах (линий электропитания, радио- и инфракрасных каналах коаксиальных кабелей). Протокол CEBus интегрирует протоколы прикладного, сетевого, канального и физического уровней эталонной модели OSI. Для прикладного уровня был разработан язык приложений CAL (Common Application Language), который и определяет унифицированный синтаксис для описания функционирования различных устройств и набор типовых команд. CAL является ООП-языком, позволяющим задавать прикладные контексты взаимодействия, например параметры голосового управления теле-, видео- и CD- устройствами. Протокол сетевого уровня формирует пакеты данных, содержащие всю необходимую информацию об адресах источника и приемника, причем стандартом CEBus предусмотрена модель, при которой каждый узел имеет свободный доступ к сети. На физическом уровне Intellon CEBus Powerline Carrier Protocol использует технологию SS-модуляции, предусматривающую передачу каждого бита данных в полосе частот 100-400 кГц. Компания Intellon предлагает полную линейку продуктов Power Line Evaluation Kit - от набора микросхем до комплексных системных решений и средств проектирования сетей.
LonWorks корпорации Echelon [6]
Технология LonWorks разработана корпорацией Echelon с целью создания территориально распределенных сетей управления промышленного и бытового назначения. LonWorks предоставляет средства для проектирования, монтажа и обслуживания интеллектуальных взаимодействующих узлов и подсистем, включающих различные типы датчиков, устройств управления и индикации.
Основным компонентом технологии являются протокол LonTalk.
Помимо этого в пакет входят:
микропроцессор Neuron Chip;
специализированные модули - трансиверы для различных сред передачи, управляющие модули, сетевые адаптеры и рутеры;
средства проектирования:
LonBuilder (конфигурирование и отладка сетей LonWorks),
NodeBuilder (конфигурирование отдельного узла),
LonMaker (анализ протоколов);
программные шлюзы - Ethernet, Т1, Х.25, Bitbus, Profibus, CAN, Modnet, SINEC, Grayhill, Opto22, OptoMux, Modbus, ISAbus, STD32 bus, PC/104, VMEbus и EXMbus.
Протокол LonTalk является основой технологии и используется устройствами в сети для обмена информацией. Причем в этом случае каждый узел должен иметь встроенный микропроцессор, поддерживающий данный протокол. LonTalk является открытым протоколом и может быть "зашит" в любой подходящий микропроцессор. К примеру, упомянутый выше микропроцессор Neuron Chip был разработан именно по технологии LonWorks и сегодня производится компаниями Motorola и Toshiba.
Adaptive Networks [7]
В настоящее время технология Adaptive Networks является стандартом передачи данных для систем контроля в бортовых холодильных контейнерах (соответствует ISO). Стандартом данная технология стала благодаря довольно значительным преимуществам, которыми она обладает, а именно:
обеспечению надежной передачи данных при высоком уровне помех (за счет динамической адаптации широкополосного сигнала к реальным характеристикам электросети);
возможности работы с существующим сетевым ПО, ориентированным на витую пару или другой вид кабеля;
использованию прозрачного, надежного протокола канального уровня с функцией коррекции ошибок;
гибридной схеме маркерного доступа к среде, используемой при высокой загруженности сети.
В настоящее время выпускаются комплекты микросхем и модули Adaptive Networks, обеспечивающие эффективную пропускную способность до 100 Кбит/с и средства проектирования, однако сравнительная стоимость компонентов и инструментальных средств достаточно высока.
наверх
Перечень нерешенных проблем и задач
Планируемые и полученные собственные результаты
Планируется провести моделирование передачи информации по каналу с высокой интенсивностью помех. Разработать методику определения параметров модели ЛЭП.
Провести сравнительный анализ эффективности различных методов модуляции для использования в АСКУЭ.
Поставить требования к скорости и надежности передачи данных.
Сделать выводы об эффективности применения конкретных протоколов в АСКУЭ.
Разработать структурную схему локального уровня АСКУЭ, с учетом выбранного протокола.
Разработать структурную схему модема.
Поставить требования к цифровому счетчику электроэнергии.
Разработать его структурную схему и алгоритм взаимодействия с модемом.
Ниже представлена анимационная модель, поясняющая работу АСКУЭ локального уровня для бытовых потребителей.
Здесь изображен процесс учета электроэнергии счетчиком и
считывания показаний по запросу центральной станции сбора данных.
наверх
Заключение
Непрерывно растущий интерес к технологиям связи с использованием силовой сети, а также их использование в АСКУЭ послужили поводом к проведению исследований в данном направлении. В работе будет проведен анализ эффективности существующих технологий, учитывая особенности работы в АСКУЭ. Для проведения эффективного моделирования будет обоснована методика определения параметров модели ЛЭП.
Результаты проведенных исследований позволят разработать структурную схему локального уровня АСКУЭ, а также принципиальную схему приемо-передатчика, работающего по выбранному протоколу.
Особенности учета электроэнергии в бытовом секторе будут реализованы в структурной схеме цифрового счетчика электроэнергии.
наверх
Список источников
1. Тубинис В.В. Итальянская система дистанционного управления абонентской сетью // Электро. – 2003. – № 4.
2. Тубинис В.В. Особенности организации коммерческого учета электроэнергии в распределительных устройствах 6–10 кВ с токоограничивающими реакторами // Электро. – 2004. – № 2.
3. Тубинис В.В. Создание автоматизированной системы учета и управления потреблением электроэнергии в Италии // Электро. – 2004. – № 4.
4. Сайт компании X-10 (http://www.x10.com)
5. Сайт компании Intellon (http://www.intellon.com)
6. LonWorks корпорации Echelon (http://www.echelon.com)
7. Adaptive Networks (http://www.adaptivenetworks.com)
8. Тубинис В.В. АСКУЭ бытовых потребителей. Преимущества PLC-технологии связи
http://www.news.elteh.ru/arh/2005/32/14.php
Abstract (eng) | Библиотека | Ссылки |
Отчет о поиске | Индивидуальное задание
