Конспект

Беспроводная автоматизированная система контроля и учета электроэнергии (вопрос 16)

Категория:

Конспект

Дисциплина:

Автоматизированная система контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ)

Город:

Беларусь, Минск

Учебное заведение:

БНТУ, ФИТР

Стоимость работы:

бесплатный

Оценка: 10
Объем страниц: 5
Год сдачи: 2020
Дата публикации: 05.09.2020

Фрагменты для ознакомления

16. Беспроводная АСКУЭ

Существующие беспроводные решения обеспечивают ощутимые преимущества в системах управления жилищным комплексом.

По сравнению с проводной технологией, основными преимуществами беспроводных решений являются быстрая и удобная установка, низкие затраты и мобильность персонала, обслуживающего системы. Установка производится гораздо быстрее, т. к. здесь нет необходимости протягивать провода и устанавливать кабельные каналы. По сравнению с проводными устройствами, экономия затрат на установку беспроводных устройств может варьироваться в большом диапазоне, т. к. на нее оказывают значительное влияние тип и длина необходимых проводов, а также удобство прокладки проводов (например, прокладка в новом или в реконструируемом здании).

Отказ от проводов сводит также к минимуму строительные работы в помещениях с людьми, что особенно важно при реконструкции, протекающей в рабочее время. Беспроводная технология предоставляет также свободу передвижения в здании и дает ему возможность не быть привязанным к рабочей станции или терминалу.

Легче производится реконфигурация системы, так как беспроводные модули могут устанавливаться почти в любом месте. Существует множество ситуаций, особенно при реконструкции, когда прокладка проводов очень дорогая, например, при прокладке в бетонных конструкциях, или невозможна, например, в стеклянных или мраморных стенах, или на дорогостоящих поверхностях, которые нельзя повредить.

Среди современных беспроводных технологий можно выделить: 

•          инфракрасную технологию

•         Bluetooth

•         Wi-Fi

•         ZigBee.

•         GSM

Недостатки инфракрасного канала связи: малые расстояния, необходимость прямой видимости между модулями, а также значительный ток потребления. 

Устройства Bluetooth и Wi-Fi, даже миниатюрные, обладают на порядок большим энергопотреблением, чем устройства на основе ZigBee, способные годами работать от одной батарейки-«таблетки» напряжением 3 вольта.

Технология ZigBee

Применение технологии ZigBee позволяет разрабатывать беспроводные системы с минимальными затратами благодаря простоте схемотехники, минимальному количеству внешних пассивных элементов, использованию готового программного обеспечения стека малых объемов. Стандарт позволяет создавать сети с многоячейковой топологией, обслуживать таким образом очень большое число узлов и увеличивать дальность связи без дополнительных затрат на усилители мощности.

При применении 64-разрядной адресации в единую сеть могут быть объединены свыше 60 тысяч ZigBee-устройств.

Технология ZigBee - это набор протоколов и расширений, реализация которых обеспечивает информационную совместимость устройств различных производителей выполняющих низкоскоростной обмен данными по радиоканалу на небольшие расстояния.

Спецификация ZigBee предусматривает передачу информации в радиусе нескольких десятков метров с максимальной скоростью 250 кбит/с. За стандартом ZigBee закреплены 27 каналов в трех частотных диапазонах - 2,4 ГГц (16 каналов), 915 МГц (10 каналов) и 868 МГц (1 канал). Максимальная скорость передачи данных для этих эфирных диапазонов составляет, соответственно, 250 кбит/с, 40 кбит/с и 20 кбит/с. Доступ к каналу осуществляется по контролю несущей, то есть устройство сначала проверяет, не занят ли эфир, и только после этого начинает передачу.

Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в диапазоне 2,4 ГГц, поэтому большинство производителей микросхем выпускают приемопередатчики именно для этого диапазона, в котором предусмотрено 16 частотных каналов с шагом 5 МГц.

Радиус охвата устройств Zigbee зависит от очень многих параметров, но в первую очередь - от чувствительности приемника и мощности передатчика. На открытом пространстве расстояние между узлами в сети Zigbee измеряется сотнями метров, а в помещении - десятками метров. При этом следует помнить, что зона покрытия ZigBee значительно шире, чем расстояние между узлами, т.к. за счет ретрансляции сообщений осуществляется наращивание сети.

Кроме того, ZigBee-оборудование может использовать в качестве туннеля для трафика каналы устройств Wi-Fi или Bluetooth, естественно, если они находятся в зоне видимости.

Максимально снизить энергопотребление устройств, задействованных в беспроводной сети ZigBee, позволяет регламент работы составляющих её абонентов, при котором большую часть времени они находятся в спящем режиме, лишь изредка прослушивая эфир. Поэтому одной небольшой батарейки типоразмера AAA должно хватать для поддержания работоспособности ZigBee-оборудования с усреднёнными характеристиками в течение нескольких лет.

К достоинствам технологии ZigBee следует отнести хорошую масштабируемость, возможность самовосстановления в случае сбоев и простоту настройки. Это так, поскольку ZigBee-устройства при включении питания благодаря специальному алгоритму, реализуемому встроенным программным обеспечением, умеют сами находить друг друга и формировать сеть, а в случае выхода из строя какого-либо из узлов умеют устанавливать новые маршруты для передачи сообщений. Поэтому сети ZigBee называют самоорганизующимися и самовосстанавливающимися сетями.

Ячеистая структура сети ZigBee включает три типа узлов: координатор, маршрутизаторы и конечные узлы (спящие и мобильные). 

Уникальной функцией координатора является задача образования сети, которая заключается в сканировании эфира и выборе наименее загруженного частотного канала.

Маршрутизаторы в простейшем случае должны иметь стационарное питание и стационарное положение в пространстве. Они ретранслируют пакеты данных от других узлов и сами могут быть источниками информации.

Конечные узлы не ретранслируют сообщений и поэтому могут переходить в режимы пониженного энергопотребления, что дает им возможность функционировать от батарей до нескольких лет. Конечные узлы общаются со всей сетью через свой «родительский» маршрутизатор. Выбор «родителя» осуществляется автоматически во время образования сети. Если впоследствии «родительский» узел по каким-либо причинам перестанет функционировать, «дочерний» конечный узел найдет себе другой «родительский» маршрутизатор.

Для передачи сообщения сеть автоматически находит наиболее короткий маршрут с удовлетворительным качеством связи в обоих направлениях. Если с течением времени какой-либо из маршрутизаторов выходит из строя, то сеть автоматически осуществляет поиск нового оптимального маршрута.

Важной особенностью технологии ZigBee для систем коммерческого учета является возможность защиты передаваемых данных. Шифрование данных осуществляется при помощи алгоритма AES-128 с симметричным ключом, как во время передачи данных в сети, так и во время ее образования. Предварительное занесение ключей шифрования во все узлы позволяет, с одной стороны, не допустить в сеть посторонние устройства и подменить передаваемые данные, а с другой стороны – делает невозможной расшифровку информации, полученной путем прослушивания эфира.

Способность находить оптимальный маршрут и функционировать при выходе из строя отдельных узлов, малое энергопотребление, возможность защиты информации – важнейшие достоинства ZigBee-сети, позволяющие построить недорогую и надежную систему сбора данных с конечными устройствами, питающимися от батарей.

Так как ZigBee является международным стандартом беспроводной связи, то он обеспечивает масштабируемость и надежность, необходимую для инфраструктуры, как того требуют интеллектуальные энергосистемы.

Преимущества:

•         это беспроводное решение направлено на существенное (до 80%) сокращение расходов конечного пользователя на развертывание системы, времени монтажа системы (не требуется прокладка проводов), работ по техническому обслуживанию и эксплуатации автоматизированной системы (не требуется искать места обрыва и потери контакта);

•         низкое энергопотребление – длительный (год и более) срок автономной работы;

•         безопасность;

•         возможность наращивания системы;

•         надежность и способность к самоорганизации;

•         большое количество поддерживаемых узлов (элементов системы);

•         обеспечение взаимозаменяемости сетей и узлов;

•         независимость от производителя оборудования;

•         создается общая инфраструктура для других сервисов в многоэтажном доме, в одной сети могут находиться сотни устройств.

•         за счёт маршрутизации повышается дальность и надёжность связи между элементами системы;

•         возможности использования в труднодоступных для кабеля местах или там, где его прокладка невозможна или нерентабельна;

•         легко реализуется единая информационная структура для всех систем в доме.

•         Бесконтактный сбор данных о потреблении энергоресурсов;

•         Удаленное управление подключением абонента к сети и регулирование потребления;

•         Дистанционный мониторинг баланса энергоносителя по объекту;

•         Минимальные инвестиции в инсталляцию и простота установки;

•         Существенное сокращение срока монтажа за счет использования существующей арматуры;

•         Отсутствие неучтенных потерь энергоресурса и подключение к системе сбора данных при первом включении;

•         Возможность подключения всех видов энергоносителей к одной системе;

•         Возможность наращивать и масштабировать систему;

•         Высокая надёжность (самоорганизующаяся сеть) и безопасность.

Составляющие аспекты экономической эффективности:

•         Контроль несанкционированных подключений путем ведения баланса;

•         Ликвидация коммерческих потерь путем устранения безучетного потребления и возможностью ограничения вплоть до отключения отдельного абонента;

•         Снижение технических потерь при доставке энергоносителя потребителю;

•         Снижение (до 30%) общего потребления энергоресурсов на объекте и увеличение (до 50%) полезного отпуска;

•         Возможность перевода абонента на оплату по счетам за фактически использованный энергоноситель;

•         Конвертация данных в биллинговую систему.

Внедрение системы учета коммунальных телеметрических данных на базе беспроводной технологии позволит службам жилищно-коммунального хозяйства создать налаженный коммерческий и технический учет, локализовать потери электроэнергии при передаче ее абонентам и получить картину работы каждого объекта в режиме реального времени. 

Радиоадаптеры

Радиоадаптеры предназначены для использования в режиме прозрачной ретрансляции, либо в режиме оконечного устройства радиосети. За счёт внутреннего протокола, реализованного в коммуникаторе и радиоадаптерах, данные от коммуникатора передаются по радиосети через ретрансляторы и доходят до оконечного адаптера, из которых по интерфейсу RS-485 попадают в счётчик. Ответ счётчика посредством того же внутреннего протокола проходит обратный маршрут и возвращается в коммуникатор.

При беспроводном варианте в каждой квартире устанавливается радиорегистратор (передатчик), который считывает показания с квартирных счетчиков энергоресурсов с импульсным выходом и по радиоканалу передает данные на этажные радиорегистраторы (приемопередатчики). Квартирные электросчетчики по цифровому интерфейсу RS-485 непосредственно подключаются к этажнымрадиорегистраторам. Этажные РР-02 работают в двух режимах: либо объединяются, как и в описанном выше проводном варианте сбора по сети RS-485, либо организуют самонастраивающюся радиосеть, которая предполагает беспроводную передачу данных по радиоканалу вплоть до базового радиорепстратора (РР-03), который по интерфейсу RS-485 соединяется с УСПД.

Если диспетчерский пункт расположен на объекте автоматизации или обслуживает ограниченное количество точек учета, использование УСПД может оказаться нецелесообразным. В этом случае РИ, РР и домовые счетчики с цифровым выходом подключаются непосредственно к компьютеру диспетчера, а сбор и обработка данных производится с помощью ПО верхнего уровня.

GSM

GSM коммуникатор выполняет следующие функции:

• по команде оператора обеспечивает установку на основе GPRS временного дистанционного канала связи с сервером сбора данных;

• хранит в энергонезависимой памяти таблицу маршрутизации, описывающую однозначную связь между сетевыми адресами счётчиков и идентификаторами радиоадаптеров;

• хранит в энергонезависимой памяти таблицу, описывающую маршруты передачи данных между радиоадаптерами;

• при получении от сервера сбора данных команды, предназначенной для конкретного прибора учёта, определяет тип протокола, выделяет в команде сетевой адрес прибора и по нему находит в таблице нужный радиомаршрут; найденный маршрут используется для передачи данных прибору учёта.

При развёртывании системы на основе оборудования нужно учитывать следующие особенности:

• процесс наладки системы крайне неудобен:

• отсутствует методология установки радиоадаптеров;

• необходимо отслеживать отсутствие повторяющихся сетевых адресов приборов учёта в рамках одной физической радиосети;

• необходимо прописывать таблицы маршрутов в GSM коммуникатор с помощью неудобного по многим критериям технологического ПО 

• необходимо вручную записывать ряд настроек на SIM карту, устанавливаемую в коммуникатор;

• протокол GSM коммуникатора для обмена через GPRS не имеет сетевого уровня, что не позволяет производить диагностику канала связи;

• GSM коммуникатор не удерживает GPRS сеанс постоянно и не восстанавливает его при незапланированном обрыве, который с большой вероятностью может произойти при длительном обмене;

• во внутреннем ПО GSM коммуникаторов, выпускаемых ФГУП НЗиФ, присутствует ряд ошибок, которые значительно снижают эффективность сбора показаний, увеличивая количество GPRS трафика и время опроса;

• GSM коммуникатор с одной стороны не реализует функции концентратора (УСПД), с другой стороны не обеспечивает прозрачного канала связи с оконечными устройствами, за счёт обязательного использования внутреннего протокола;

• в процессе эксплуатации наблюдается нестабильная работа радиосети.

GPRS

Появление устойчиво работающих GPRS/EDGE-каналов передачи данных, имеющих низкую стоимость внедрения и эксплуатации, а также высокую масштабируемость решений, привлекло в АСКУЭ существенные инвестиции.

АСКУЭ, использующая GPRS-каналы передачи, может строиться по двухуровневой или трехуровневой схеме, должна соответствовать требованиям системы обеспечения единства времени (СОЕВ) и гарантировать безопасность и надежность передачи данных. Внедрение АСКУЭ позволяет осуществлять: 

• учет отпущенной электроэнергии

• контроль баланса полученной и отпущенной электроэнергии

• контроль параметров качества электроэнергии

• удаленное конфигурирование счетчиков электроэнергии и УСПД

• удаленный сбор полной информации со счетчиков по запросу для разрешения конфликтных ситуаций с абонентами.

Типовая двухуровневая структура АСКУЭ:

  • верхний уровень – информационно-вычислительный комплекс центра обработки данных (серверы сбора, обработки и хранения данных, автоматизированные рабочие места). В масштабных системах для обеспечения связи с объектами учета между LAN диспетчерского пункта и сетью GSM-оператора организуется VPN-туннель. В простых системах достаточно иметь в диспетчерском пункте компьютер со статическим глобальным IP-адресом и выходом в Интернет;
  • нижний уровень – информационно измерительный, состоящий из приборов и каналов связи. Приборы учета устанавливаются на трансформаторных и распределительных подстанциях, ВРУ мелкомоторных потребителей, ВРУ муниципальных предприятий, ВРУ многоквартирных домов, вводах в индивидуальные дома частного сектора и т.п. Если на объекте устанавливается несколько приборов учета, то они объединяются в сеть по интерфейсу RS-485. GPRS-модем подключается к сети RS-485 и обеспечивает каналы связи для сбора показаний со всех приборов учета. Дополнительные входы модема позволяют организовать охранную и пожарную сигнализацию на объекте. Информация о возникновении нештатной ситуации оперативно передается на диспетчерский пункт по GPRS и одновременно во вневедомственную охрану и/или МЧС с помощью SMS сообщений. 

Канал между приборами учета и центром обработки информации должен быть дуплексным и «непрерывным», т.е. без пунктов промежуточного накопления и обработки информации. Отсутствие прозрачности канала вызывает необходимость сертификации оборудования связи как средства измерения.

198