Система контроля и сбора данных потребления электроэнергии в сетях среднего и низкого напряжения цифрового района электрических сетей

Изобретение относится к системам контроля и сбора данных потребления электроэнергии в распределительных сетях среднего и низкого напряжения цифрового района электрических сетей (РЭС), которая содержит цифровые приборы учета электроэнергии абонентов и концентраторы данных на трансформаторных подстанциях (ТП) и обеспечивает надежность контроля и сбора данных на территории РЭС при минимальном использовании общественных каналов связи за счет реализации параллельных сетей связи ZigBee и PLC концентраторов с приборами учета электроэнергии абонентов и реализации параллельных сетей беспроводной связи и PLC связи между концентраторами на ТП. Система реализует также сбор данных потребления электроэнергии по отходящим линиям на ТП, осуществляет взаимодействие с устройствами телемеханики на ТП и осуществляет обмен информацией с центром сбора информации цифрового РЭС. 1 ил.

 

Изобретение относится к системам контроля и сбора данных потребления электроэнергии в распределительных сетях среднего и низкого напряжения и может быть использовано для создания систем централизованного сбора данных и контроля потребления электроэнергии на территории района электрических сетей.

Известен способ и система сбора данных о потреблении энергоресурсов (Пат. RU 2598332 (С2), МПК G06Q 50/06, G01R 22/00, опубл. 20.09.2016, Бюл. №26). Система состоит из датчиков количества того или иного энергоресурса, установленных на источниках энергоресурсов и соединенных посредством радиосвязи с концентраторами, которые через сеть связи соединены с терминалом. Перед началом работы каждого датчика в нем устанавливается начальное значение внутреннего счетчика порядковых номеров наступивших событий равным нулю. Для учета данных о потреблении энергоресурсов каждый датчик, установленный на источнике поступления энергоресурса, при поступлении заданного количества энергоресурса увеличивает порядковый номер на единицу и посредством радиосвязи передает хотя бы одному из концентраторов свой идентификационный номер (номер источника) и порядковый номер. Каждый из концентраторов, принявших переданное датчиком сообщение, передает его и время его получения терминалу посредством сети связи. Потребление энергоресурса от данного источника за заданный временной интервал определяется как произведение заданного количества энергоресурса на разность порядковых номеров, соответствующих началу и окончанию заданного временного интервала. Недостатком данной системы является наличие возможности одновременной передачи сообщений от нескольких датчиков и как следствие неприем данных сообщений концентраторами. Причем вероятность неприема сообщений в данной системе повышается не только с увеличением числа датчиков, но и при увеличении потребления энергоресурсов.

Известна автоматизированная система сбора данных о потреблении энергоресурсов и счетчик электрической энергии (Пат. RU 2595939 (С2), МПК G06Q 50/06, H04L 12/953, опубл. 27.08.2016, Бюл. №24), содержащая счетчики электрической энергии, концентраторы данных, сервер и клиентские устройства и работающая для сбора информации о потреблении энергоресурсов на основе пакетного протокола обмена. Основной задачей, на решение которой направлена данная система, является оптимизация обмена данными по каналам связи между составными частями автоматизированной системы посредством передачи пакетов определенной структуры и размера. Пакет информации допускает введение защитного кодирования и содержит стартовый и стоповый элементы, составные части дополнительно сконфигурированы для включения в пакет сведений об отсутствии или наличии защитного кодирования данных, одни пакеты сконфигурированы для формирования запроса и получения данных одного источника информации в виде короткого пакета, другие в виде длинного пакета. Система дополнительно сконфигурирована для использования байтстаффинга при отправке пакета и обратного байтстаффинга при получении пакета. Система позволяет повысить эффективность использования канала связи. Однако система не позволяет осуществить мониторинг и контроль устройств автоматики, поскольку ограничены эксплуатационные возможности, обусловленные использованием автоматики с импульсным выходным устройством и использованием счетчиков электрической энергии определенного типа.

Известна система дистанционного сбора данных о потреблении электрической энергии и дистанционного управления распределенными пользовательскими пунктами, также и бытового типа (Пат. RU 2314542 (С2), МПК G01R 22/00, опубл. 10.01.2008, Бюл. №1), содержащая счетчики электроэнергии для каждого абонента расположенными на большой территории, снабженные средством измерения потребления электроэнергии, и связанные с каждым абонентом промежуточные станции или концентраторы, к каждому из которых подключено множество счетчиков с помощью средства для двунаправленной передачи данных по линии электропередачи низкого напряжения. При этом все концентраторы подключены к центральному серверу для двунаправленной передачи данных по телефонной сети, как особой, так и общего пользования или GSM-сеть или любой другой существующей радиотелефонной сети общего пользования, например, спутниковая радиотелефонная сеть.

Наиболее близким по технической сущности прототипом является способ и система для дистанционного измерения потребления электричества, воды и газа (Пат. RU 2502051 (С2), МПК G01D 4/00, опубл. 20.12.2013, Бюл. №35) содержащая множество удаленных измерителей, измеряющих потребление коммунальных услуг, на периодической основе, причем каждый из удаленных измерителей имеет контроллер и запоминающее устройство программы, указанный контроллер выполняет программы, сохраненные в запоминающем устройстве программы, а запоминающее устройство данных потребления предназначено для сохранения на периодической основе, данных потребления коммунальных услуг и концентратор, соединяющийся с множеством удаленных измерителей для сбора данных потребления и выполнения задач, относящихся к администрированию связанных с ним удаленных измерителей; при этом удаленные измерители системы адаптированы для выполнения операции передачи количества периодически измеренных и сохраненных данных, относящихся к потреблению, в концентратор по запросу из концентратора, причем концентратор выполнен с возможностью запроса количества периодически измеренных и сохраненных данных, относящихся к потреблению, и определения количества на основе данных статуса удаленного измерителя. Концентратор собирает данные о потреблении, из удаленных измерителей, соответствующим образом обрабатывает и помещает в буфер эти данные и передает эти данные в соответствующем формате и в соответствующие моменты времени в централизованный пункт управления, который, в свою очередь, передает команды, запросы и другие данные в концентраторы через общественную сеть передачи данных, которая наиболее предпочтительно, представляет собой беспроводную или мобильную сеть передачи данных, такую как сеть GSM.

Выше приведенные известные системы дистанционного сбора данных о потреблении электрической энергии имеют следующие недостатки:

1. Связь с приборами учета электроэнергии абонентов обеспечивается только по одному каналу, что не обеспечивает надежный обмен информацией в любое время суток.

2. Не предусмотрен обмен информацией с приборами учета электроэнергии на трансформаторных подстанциях (ТП), что не позволяет контролировать текущий баланс потребления электроэнергии по ТП и по отходящим линиям.

3. Не предусмотрен обмен информацией с устройствами телемеханики подстанций, что обязывает иметь на ТП параллельно еще и систему телемеханики.

4. Центр сбора информации (ЦСИ) должен осуществлять обмен информацией с каждым концентратором в системе через общественную сеть передачи данных, что приводит к высоким эксплуатационным затратам.

Внедрение цифровизации районов электрических сетей (РЭС) предполагает реализацию сбора данных энергопотребления как создание территориально-распределенных систем с централизованным управлением и единым ЦСИ со всех точек учета энергопотребления района. Поскольку подавляющее число точек учета приходится на распределительные сети среднего и низкого напряжения, то использование общедоступных каналов связи требует больших эксплуатационных затрат и часто они могут отсутствовать. Особенно это характерно для сельских районов, где большая протяженность распределительных сетей и расстояния между ТП до 5-10 км и решением проблемы может быть в использовании собственной инфраструктуры распределительных сетей и собственной системы для надежной передачи данных.

Проведенный патентный поиск показал, что в уровне техники не обнаружены сходные решения, что свидетельствует о наличии новизны заявляемого изобретения, позволяющие преодолеть вышеназванные недостатки предшествующих решений.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является система контроля и сбора данных потребления электроэнергии в распределительных сетях среднего и низкого напряжения цифрового РЭС, которая, при ее осуществлении обеспечивает надежность контроля и сбора данных на территории РЭС при минимальном использовании общественных каналов связи.

Указанный технический результат достигается тем, что система, содержащая, цифровые приборы учета электроэнергии абонентов, которые снабжены модемами, поддерживающими сеть обмена информацией по линии электроснабжения низкого напряжения (PLC1) с концентратором, который также снабжен модемом PLC1 и снабжен модемом GSM для обмена информацией с центром сбора информации, дополнительно содержит беспроводную сеть связи ZigBee для обмена информацией между концентратором и цифровыми приборами учета электроэнергии абонентов, сеть связи PLC2 использующую линию электропередачи среднего напряжения между трансформаторными подстанциями (ТП) и параллельную радиосеть RF для обмена информацией между концентраторами на ТП РЭС, проводную сеть RS-485-1 для обмена информацией между концентратором и цифровыми приборами учета электроэнергии на ТП, проводную сеть RS-485-2 для обмена информацией между концентратором и устройствами телемеханики на ТП и проводной интерфейс Ethernet для обмена информацией между концентратором и ЦСИ РЭС, при этом, для реализации дополнительных сетей связи, в цифровые приборы учета электроэнергии абонентов введены модемы ZigBee, а в концентратор введены модемы ZigBee и PLC2 и интерфейсы RS-485-1, RS-485-2, Ethernet.

На фиг. 1 представлена структурная схема заявленной системы, содержащая фрагмент распределительной сети среднего и низкого напряжения и включает цифровые приборы учета электроэнергии абонентов 1, цифровые приборы учета электроэнергии на ТП 2, устройства телемеханики ТП 3 и концентраторы на ТП 1 и ТП N. Цифровые приборы учета электроэнергии абонентов 1 могут быть 3-х фазные или однофазные и снабжены модемом PLC1 и Zigbee модемом. Модем PLC1 подключается к 3-х фазной или однофазной электрической сети низкого напряжения 0,4 кВ для работы в сети PLC1 в диапазоне частот 20-80 кГц в режиме удаленной станции и модем Zigbee для работы в беспроводной сети Zigbee в диапазоне частот 2400-2483,5 МГц в режиме удаленной станции. Цифровые приборы учета электроэнергии 2 на ТП подключены по интерфейсу RS-485-1 для обмена информацией с концентраторами ТП. Устройства телемеханики 3 на ТП подключены по интерфейсу RS-485-2 для обмена информацией с концентраторами на ТП. Концентраторы содержат модем PLC1 подключаемый к 3-х фазной сети низкого напряжения 0,4 кВ и работающий в сети PLC1 в диапазоне частот 20-80 кГц для обмена информацией с цифровыми приборами учета электроэнергии абонентов 1 в режиме базовой станции, модем PLC2 подключаемый к одной из фаз 3-х фазной сети среднего напряжения 6-20 кВ и работающий в сети PLC2 в диапазоне частот 95-125 кГц для обмена информацией с коммуникаторами на других ТП в режиме удаленной станции на ТП 1 и базовой станции на ТП N, радиомодем, работающий в радиосети RF в диапазоне частот 868,7-869,2 МГц для обмена информацией с коммуникаторами других ТП в режиме удаленной станции на ТП 1 и базовой станции на ТП N, для создания TCP/IP-соединений с удаленными компьютерами центра сбора информации (например, с ближайшей к ЦСИ ТП N и имеющей с ЦСИ проводной канал Ethernet) включает проводной канал Ethernet в качестве основного канала связи и беспроводной модуль GSM в качестве резервного канала связи. Для сетей PLC1 и PLC2 выбраны разные частотные диапазоны с целью предотвращения возможного взаимного влияния из-за наличия понижающего трансформатора (Тр) между электрическими линиями среднего и низкого напряжений. Выбранный частотный диапазон для радиосети RF обусловлен необходимостью увеличения дальности связи между подстанциями, безлицензионным использованием данного диапазона и отсутствием взаимных помех с беспроводной сетью Zigbee.

Заявляемая система работает следующим образом. Перед развертыванием системы на территории РЭС определяется ТП, где будет размещен коммуникатор с интерфейсом Ethernet и модулем GSM (например, ближайшая к ЦСИ ТП) для связи с ЦСИ и будет базовой станцией в сетях PLC2 и RF. Конфигурирование концентраторов, как базовая или удаленная станция производится от внешнего компьютера через оптический порт в зависимости от его использования как базовая или как удаленная станция в конкретной сети связи. Базовая станция в сетях RF и PLC2 это та, которая взаимодействует с ЦСИ цифрового РЭС через проводной интерфейс Ethernet или модуль GSM. Для сетей PLC1 и Zigbee все концентраторы являются базовыми станциями, а цифровые приборы учета электроэнергии абонентов являются удаленными станциями. Таким образом, концентратор, который непосредственно не взаимодействует с ЦСИ цифрового РЭС, а взаимодействует с базовой станцией в сети PLC2 и параллельно в сети RF конфигурируются как удаленная станция в беспроводной сети RF и в сети PLC2, а в сетях PLC1 и Zigbee конфигурируются как базовая станция, т.е. данный концентратор является главным в сетях PLC 1 и Zigbee и подчиненным в сетях PLC2 и RF, в отличие от концентратора, который непосредственно взаимодействует с ЦСИ цифрового РЭС и является главным в сетях RF, PLC1, PLC2 и Zigbee и конфигурируется как базовая станция в сетях RF, PLC1, PLC2 и Zigbee.

Развертывание и запуск системы рассмотрим на примере ТП N с концентратором, взаимодействующим с ЦСИ и конфигурируемым, как базовая станция в сетях RF, PLC1, PLC2 и Zigbee. К концентратору N подключают внешние антенны Zigbee, RF и GSM, подключают интерфейс Ethernet к сетям Ethernet ЦСИ цифрового РЭС. К проводному интерфейсу RS-485-1 подключают приборы учета электроэнергии находящиеся на подстанции, к проводному интерфейсу RS-485-2 подключают устройства телемеханики ТП N. Модем PLC2 концентратора соединяют с внешним устройством согласования, которое соединено с подходящей линией среднего напряжения. Модем PLC1 концентратора подключают к отходящей трехфазной силовой сети 0,4 кВ по которой осуществляется питание концентратора и к которой подключены удаленные однофазные или трехфазные приборы учета электроэнергии абонентов.

При включении питания и успешном выполнении самодиагностики концентратор N в соответствии с заданными параметрами конфигурации формирует сети ZigBee, PLC1, PLC2 и RF производя автоматический поиск приборов учета в сетях ZigBee и PLC1 и автоматический поиск удаленных концентраторов в сетях RF и PLC2. Поиск устройств и работа сетей ZigBee, PLC1, PLC2 и RF производится одновременно и независимо друг от друга. Информация об обнаруженных в сетях ZigBee, PLC1 и подключенных на подстанции к интерфейсу RS-485 приборах учета, и об удаленных устройствах в сетях PLC2 и RF сохраняется в энергонезависимой памяти концентратора в виде журналов приборов учета и удаленных концентраторов, каждая запись которого содержит идентификатор устройства, признак канала, в котором обнаружен прибор учета или удаленный концентратор и время их обнаружения. Конфигурация сетей обновляется автоматически, непрерывно, обеспечивая наилучшее качество связи в зависимости от реальных условий распространения сигналов в сетях. Сбор данных с приборов учета производится автоматически в соответствии с журналом приборов учета. В начале цикла опроса устройство последовательно опрашивает все обнаруженные приборы учета в сетях ZigBee и PLC1. При отсутствии ответа от прибора учета, концентратор производит несколько попыток опроса за время, задаваемое при конфигурировании, после чего переходит к опросу следующего прибора учета. После завершения опроса всех обнаруженных устройств учета, концентратор анализирует изменения состояния сетей ZigBee и PLC1 и добавляет вновь обнаруженные приборы учета в журнал. Работа концентратора по сбору данных с удаленных концентраторов в сетях PLC2 и RF производится автоматически, в соответствии с журналом удаленных концентраторов и осуществляется аналогично и параллельно работе в сетях ZigBee и PLC1. Передача в ЦСИ данных с приборов учета, данных состояния и контроля с устройств телемеханики и прием запросов на данные с устройств учета и с устройств телемеханики осуществляется по сетям Ethernet или GSM по инициативе ЦСИ РЭС.

Развертывание и запуск системы на удаленных подстанциях отличается тем, что концентраторы конфигурируются как удаленные станции в беспроводной сети RF и в сети PLC2, а конфигурирование и работа в сетях Zigbee, PLC1 и по интерфейсам RS-485-1 и RS-485-2 осуществляется аналогично концентратору на ТП напрямую взаимодействующей с ЦСИ. Передача информации в адрес базового устройства данных с приборов учета, данных состояния и контроля с устройств телемеханики и прием запросов на данные с устройств учета и с устройств телемеханики осуществляется по сетям RF и PLC2 по инициативе базовой станции, т.е. от концентратора, взаимодействующего с ЦСИ по инициативе ЦСИ.

Предлагаемая система может быть практически реализована с использованием общедоступных изделий различных производителей. В качестве цифровых приборов учета электроэнергии абонентов могут использоваться однофазные счетчики электроэнергии МИР C-05(http://mir-omsk.ru/upload/iblock/d92/M15.035.00.000%20RE%20MIR%20C-5%20arh.7.pdf) и трехфазные счетчики электроэнергии МИР C-04(http://mir-omsk.ru/upload/iblock/53f7Ml5.034.00.000%20RE%20MIR%20C-04%20arh.6.pdf). В качестве цифровых приборов учета электроэнергии на подстанциях могут использоваться трехфазные счетчики электроэнергии МИР C-07(http://mir-omsk.ru/upload/iblock/162/M15.037.00.000%20RE%20MIR%20C-07%20arh.5.pdf). В качестве устройств телемеханики на подстанциях могут использоваться котроллер присоединения МИР КПР-01М (http://mir-omsk.ru/upload/iblock/dc0/M12.027.00.000%20RE%20MIR%20MK-01arh.17.pdf) и устройство ввода/вывода телесигналов МИР МК-01 (http://mir-omsk.ru/upload/iblock/dc0/M12.027.00.000%20RE%20MIR%20MK-01arh.17.pdf). В качестве концентратора может использоваться устройство МИР МК-01 (http://mir-omsk.ru/upload/iblock/dc0/M12.027.00.000%20RE%20MIR%20MK.01arh.17.pdf) в которое вводятся модемы IT900. Израильской фирмы Yitran (http://www.yitran.com./uploadimages/SystemFiles/IT900%20Brochure_R1.1.pdf) для организации сетей PLC1 и PLC2. В качестве устройства присоединения к линиям среднего напряжения с целью организации сети PLC2 можно использовать емкостное устройство УПЕ-35-2200 УХЛ2 (http://priortelecom.ru/hardware/hardware-kapler.htm).

Система контроля и сбора данных потребления электроэнергии в сетях среднего и низкого напряжения цифрового района электрических сетей (РЭС), содержащая цифровые приборы учета электроэнергии абонентов, которые снабжены модемами, поддерживающими сеть обмена информацией по линии электроснабжения низкого напряжения (PLC1) с концентратором, который также снабжен модемом PLC1 и снабжен модемом GSM для обмена информацией с центром сбора информации, отличающаяся тем, что в систему дополнительно включены беспроводная сеть связи ZigBee, работающая в диапазоне частот 2400-2483,5 МГц для обмена информацией между концентратором и цифровыми приборами учета электроэнергии абонентов, сеть связи PLC2, работающая в диапазоне частот 95-125 кГц и использующая линию электропередачи среднего напряжения между трансформаторными подстанциями (ТП), и параллельная радиосеть, работающая в диапазоне частот 868,7-869,2 МГц для обмена информацией между концентраторами, установленными на ТП РЭС, проводная сеть RS-485-1 для обмена информацией между концентратором и цифровыми приборами учета электроэнергии на ТП, вторая проводная сеть RS-485-2 для обмена информацией между концентратором и устройствами телемеханики на ТП и проводной интерфейс Ethernet для обмена информацией между концентратором и центром сбора информации РЭС, при этом сеть PLC1 работает в диапазоне частот 20-80 кГц, а для реализации дополнительных сетей связи, в цифровые приборы учета электроэнергии абонентов введены модемы ZigBee, в концентратор введены модемы PLC2 и ZigBee и интерфейсы RS-485-1, RS-485-2, Ethernet.