Метод повышения качества передачи информации по сетям электропитания в автоматизированной системе контроля и учета электроэнергии

На современном этапе развития экономики России предъявляются жесткие требования к достоверности и оперативности учета электрической энергии. Эти требования могут быть удовлетворены только путем создания автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ), оснащенных современной вычислительной техникой, работающей в единой информационной системе.

Ранее, в условиях централизованного планирования энергопотребления баланс экономических интересов производителей и потребителей электроэнергии сводился на уровне государственных планов, согласно которым потребитель должен был получать запланированное количество качественной электроэнергии в удобное для него время. Для достижения этой цели осуществлялось управление процессом производства, передачи и распределения электроэнергии.

Нагрузка регулировалась методом прямого управления — по требованию правительственных органов и энергокомпаний. В этих условиях электрическая энергия рассматривалась, прежде всего, как физическая субстанция, поэтому первоочередным средством управления энергопотреблением являлась автоматизированная система диспетчерского управления (АСДУ), выполняющая роль регулятора потоков электрической энергии в процессе ее б производства, передачи и распределения.

Потребность в учете больших потоков электроэнергии при ее экспорте и при передаче между энергосистемами, объединенными энергетическими системами и в масштабах Единой энергетической системы, обусловила необходимость создания локальных автоматизированных систем измерения (контроля) электроэнергии (АСИЭ).

При рыночной экономике электроэнергия становится полноценным товаром — объектом купли-продажи. Поскольку процесс купли-продажи завершается только после оплаты (реализации), электроэнергия как товар выражается не только количеством, но и стоимостью. При этом основными рыночными параметрами становятся количество полезно отпущенной энергии и ее оплаченная стоимость, а формирующиеся розничный и оптовый рынки электроэнергии представляют по сути рынок полезно потребленной электроэнергии.

Развитие рынка электроэнергии на основе экономического метода управления потребовало создания полномасштабных иерархических систем: автоматизированных систем измерения электроэнергии (АСИЭ), учета потребления и сбыта электроэнергии (АСУПСЭ), диспетчерского управления (АСДУ), контроля и учета энергопотребления (АСКУЭ).

Основная особенность экономического метода: управление рынком электроэнергии, который представляется совокупностью собственно технологического процесса (производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии), а также учетно-финансового процесса энергопотребления. Это и является предпосылкой для управления рынком электроэнергии посредством создания единой, интегрированной системы управления энергопотреблением на базе систем АСИЭ, АСУПСЭ, АСДУ и АСКУЭ.

Использование в составе АСКУЭ персональных ЭВМ с программным обеспечением (Unix, Oracle, Windows NT) придает этим системам дополнительную гибкость. Помимо решения основной задачи по обеспечению функционирования АСКУЭ, эти ЭВМ с дополнительно разработанным специализированным программным обеспечением (СПО) могут выполнять ряд прикладных задач по оценке состояния электроэнергетических систем и оценке достоверности измерений, например, выявление потерь энергии и локализацию мест этих потерь.

Измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) АСКУЭ предназначены для измерения и учета электрической энергии и мощности, а также автоматического сбора, обработки и хранения данных со счетчиков электроэнергии и отображения полученной информации в удобном для анализа виде. Программное обеспечение предназначено для автоматизации коммерческого и технического учета электроэнергии как потребителей с несколькими счетчиками, так и распределенных предприятий уровня АО-Энерго с большим количеством объектов и пользователей. Все варианты программного обеспечения полностью совместимы на уровне справочников и данных.

Измерительно-вычислительные комплексы используются для коммерческого и технического учета электроэнергии на электростанциях, подстанциях, промышленных предприятиях и организациях, поставляющих и потребляющих электрическую энергию. Системы АСКУЭ служат в энергосистемах (на электростанциях, подстанциях, в распределительных сетях), а также на промышленных предприятиях, на железных дорогах (на тяговых подстанциях, вокзалах, депо), в жилищно-коммунальном хозяйстве, в произвольных организационных структурах энергопоставщиков и энергопотребителей;

Система позволяет производить полностью автоматический сбор данных с счетчиков и контроллеров через выделенные и коммутируемые каналы связи, самодиагностику и диагностику компонентов нижнего уровня, проведение биллинга. Кроме того, в системе необходимо анализировать полноту данных и проведение дорасчетов и досбора недостающих данных.

Учитывая уровень развития массовых телекоммуникаций (средний уровень телефонизации в регионах России не превышает 20−25%), особенно перспективно, в этой связи, развитие АСКУЭ с применением технологии передачи информации по сетям электропитания. Учитывая, что инфраструктура энергоснабжения в России самая развитая в мире (протяженность низковольтных линий энергоснабжения составляет десятки миллионов километров), то превращение ее в телекоммуникационную среду для передачи данных обещает серьезные и долгосрочные перспективы.

В настоящее время разработан стандарт на электрическое оборудование, предназначенное для передачи сигналов по низковольтным электрическим сетям, устанавливающий нормы полосы частот для различных применений. Однако такой стандарт не устанавливает виды модуляции сигналов, методы кодирования и функциональные характеристики оборудования. С учетом системного похода к передаче данных по сетям электропитания, и с целью ограничения взаимных помех передающего оборудования необходимо разработать принципы стандартизации, устанавливающие виды модуляции, методы кодирования и функциональные характеристики оборудования.

Цель работы.

Разработка метода повышения качества передачи информации по сетям электропитания (СЭП) в автоматизированных системах контроля и учета электроэнергии. Разрабатываемый метод должен обеспечить высокую скорость передачи данных, помехозащищенность от различного уровня шумов в силовых линиях, защищенность передаваемой информации от несанкционированного доступа.

Научная новизна.

1. Разработан метод повышения качества передачи информации по сетям электропитания, обеспечивающий высокоскоростную передачу больших уплотненных объемов цифровых данных по сети электропитания.

2. Разработана математическая модель многолучевого распространения сигнала по сетям электропитания.

3. Предложена методика мониторинга сети электропитания.

4. Обоснован алгоритм модуляции сигнала при передаче информации в автоматизированной системе контроля и учета электроэнергии.

5. На основе математических расчетов системы передачи информации разработана программа калибровки сети в автоматизированной системе контроля и учета электроэнергии.

Практическая ценность работы.

Использование единого метода модуляции и принципов кодирования передаваемой информации обеспечит функционирование устройств различных производителей в единой системе передачи информации по сетям электропитания.

Технические решения, используемые в системах передачи информации по сетям электропитания, позволяют:

— без дополнительных затрат сохранить у потребителей зднотарифные счетчики с передачей данных от них по СЭП;

— внедрять у потребителя любые тарифные системы, изменяя только программное обеспечение в устройстве сбора данных, без дополнительных монтажных работ и замены счетчиков;

— контролировать показания счетчиков по многоквартирному дому за несколько секунд, дистанционно, при этом сами контролеры лишаются возможности изменять показания счетчиков;

— выявлять несанкционированное подключение к энергоресурсам, сигнализировать об этом и дистанционно отключать неплательщиков.

Система с передачей информации по силовой сети является универсальной и многофункциональной, так как наравне с обработкой информации о потреблении различных видов энергетических ресурсов могут легко быть дополнены и другими функциями, включая организацию телефонной связи, а также организацию каналов Internet.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод повышения качества передачи информации по сетям электропитания в автоматизированной системе контроля и учета электроэнергии, включая: модель передачи информации по сети электропитанияметоды мониторинга работы сети электропитания как информационной сетиалгоритм формирования сигнала для передачи информации по сети электропитания;

2. Программа проверки и регулирования работоспособности сети по основным параметрам системы передачи информации в автоматизированной системе контроля и учета электроэнергии.

4.5 Выводы.

Разработанный макетный образец генератора испытательных сигналов, положенный в основу автоматизированного измерительного комплекса, может быть использован для построения автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии. Проведенные с его помощью предварительные измерения сети электропитания в цокольном этаже жилого дома показали возможность использования теории длинных линий для описания параметров линии в заданном диапазоне частот.

Анализ математической модели реальных сетей электропитания подтвердил результаты экспериментальных исследований и показал, что параметры отечественных электросетей зданий, в частности их характеристическое сопротивление, существенно отличаются от зарубежных.

Предложенная схема размещения физической модели электросети позволяет с ^ минимальными затратами без нарушения действующего электроснабжения проводить передачу информации как через отдельные устройства, так и во всем аппаратно-программном комплексе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработанная модель испытательных сигналов обеспечивает измерение основных характеристик реальных абонентских сетей электропитания. Качественная автоматизированная обработка результатов измерений при использовании специализированного регистратора сигналов на базе встроенного в ПЭВМ модуля аналогового ввода/вывода информации позволяет быструю и надежную передачу данных.

2. Внедрение в эксплуатацию разработанной системы позволит:

— определить и при возможности построить модель импульсных помех в линиях электропередач;

— проверить прохождение по каналу связи реальных пакетов широкополосных сигналов, сформированных по методам PS, FM или OFDM, что позволит правильно выбрать способ модуляции разрабатываемого устройства;

— исследовать параметры узкополосных помех, вызванных работой систем радиосвязи;

— провести исследование и оптимизировать способ подключения. базовой станции в ТП.

3. Исследование принципов построения современных аппаратно-программных систем передачи данных по СЭП и экспериментальная проверка промышленных образцов электросетевых модемов позволяет построить и оптимизировать алгоритм передачи информации и его реализации на современных логических интегральных схемах.

4. Измерительная часть локальной АСКУЭ подлежит испытаниям для целей утверждения типа и обязательной поверке в соответствии с действующими нормативными документами. При выборе аппаратуры или создании локальной АСКУЭ необходимо наличие описаний протоколов обмена данными, — как физического уровня, так и уровня приложения — с УСПД и счетчиками энергии/мощности, описание структуры и особенностей реализации базы данных, подробное описание принципов функционирования всех компонентов АСКУЭ — как аппаратных, так и программных. В противном случае могут возникнуть проблемы с интеграцией локальной АСКУЭ в региональную.

5. Создание региональной АСКУЭ является отдельной задачей, решение которой возможно только при выполнении ряда организационных и технических требований (универсальная идентификационная кодировка результатов измерений, универсальный формат представления данных, согласованный протокол обмена данными, физическая возможность связи между узлами региональной системы).

6. Мониторинг и соблюдение технических требований, предъявляемых к АСКУЭ, является залогом успешного ввода в промышленную эксплуатацию и надежного функционирования системы. Важнейшие характеристики системы передачи — помехоустойчивость и производительность, напрямую зависят от выбранного метода модуляции.

7. Узкополосная модуляция не позволяет добиться высоких характеристик в условиях сильных помех и многолучевого распространения. Поэтому совместно с узкополосной модуляцией применяются различные методы расширения спектра сигнала — метод прямой последовательности (DS), метод частотных скачков (FH), DMT и ОРЧМ. Алгоритм модуляции DMT, хотя и позволяет полную адаптацию к каналу и высокую производительность, является очень сложным. То же можно сказать и об алгоритме ОРЧМ. Кроме этого, для получения большой скорости передачи и малой BER, этот алгоритм требует достаточно высокого отношения сигнал/шум по сравнению с методом DS. Это подтверждается дифференциальной кодовой манипуляцией — DCSK, в основе которой лежат независимые от физической среды передачи методы адаптивной широкополосной модуляции с турбо — компенсацией и сжатием кода. Большим недостатком ОРЧМ является наличие защитного временного интервала, необходимого для избежания межсимвольной интерференции. Напротив, алгоритм модуляции DS позволяет более эффективно полосу канала передачи и проще реализуется технически.

8. Создание высокоэффективной и надежной сети передачи данных не ограничивается только лишь выбором соответствующего алгоритма модуляции, необходимо еще выбрать ее архитектуру и МАС-протокол. Сети с выделенным сервером достаточно дороги, и к серверу предъявляются большие требования — высокая производительность и надежность. При нарушении работы сервера сеть становится практически неработоспособной. По этим причинам можно предложить использование одноранговой сети. Но одноранговая сеть с CSMA протоколом не способна обеспечить высокие скорости передачи и гарантии качества. MAC — протокол, управляющий доступом к каналам передачи, должен быть простым и не перегруженным дополнительными данными, а также обеспечивать необходимые гарантии качества. Другими словами, он должен позволять распределять приоритеты доступа к каналу для различных пользователей.

9. Для повышения надежности в условиях сильных помех и быстро меняющихся характеристиках канала необходимо передавать короткие пакеты данных, использовать корректирующие коды для исправления ошибок, а также задействовать механизм подтверждения приема кадров.

10. Разработанный макетный образец генератора испытательных сигналов, положенный в основу автоматизированного измерительного комплекса, может быть использован для построения автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии. Проведенные с его помощью предварительные измерения сети электропитания в цокольном этаже жилого дома показали возможность использования теории длинных линий для описания параметров линии в заданном диапазоне частот.

11. Анализ математической модели реальных сетей электропитания подтвердил результаты экспериментальных исследований и показал, что параметры отечественных электросетей зданий, в частности их характеристическое сопротивление, существенно отличаются от зарубежных.

12. Предложенная схема размещения физической модели электросети позволяет с минимальными затратами без нарушения действующего электроснабжения проводить передачу информации как через отдельные устройства, так и во всем аппаратно-программном комплексе.