Эволюция АСКУЭ
Идея и технические средства для автоматизированного дистанционного считывания показаний абонентских счетчиков, учитывающих различные виды энергоносителей - электроэнергию, воду и газ, - впервые были предложены и запатентованы в 1899 г1. Однако внедрение систем автоматизированного сбора данных со счетчиков (Automated Meter Reading Systems - AMRS) началось за рубежом только в 1970-1980-е гг., когда в электронике появились сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) и микропроцессоры, позволившие сделать технические решения экономически приемлемыми для массового применения, а компании, предоставлявшие широкомасштабные услуги связи, стали нуждаться в расширении использования своего недозагруженного связного оборудования и телефонных каналов связи для передачи данных2. Предпосылкой внедрения AMRS для компаний, эксплуатирующих системы водо-, газо- и электроснабжения, стала необходимость снижения затрат на содержание штата инспекторов-контролеров, повышения оперативности и надежности учета, предоставления дополнительного сервиса своим абонентам.
В СССР развитие автоматизации энергоучета началось, как и за рубежом, в 1970-е гг. Однако в условиях советской экономики автоматизация энергоучета имела слабые экономические стимулы. Главной задачей данного процесса стала необходимость снижения пиковых мощностей Единой энергетической системы (ЕЭС СССР) за счет регулирования нагрузки потребителей в часы максимума нагрузки, и в 1968 г. для крупных промышленных потребителей (с присоединенной мощностью более 750 кВА) был введен двуставочный тариф с основной платой за заявленную максимальную мощность в часы пиковой нагрузки энергосистемы и дополнительной платой за потребление электроэнергии накапливающим итогом за расчетный период. Поэтому создание автоматизированных систем контроля и учета энергоносителей (АСКУЭ) началось с крупных промышленных предприятий - основных потребителей электроэнергии и потенциальных регуляторов нагрузки энергосистемы.
АСКУЭ проектировались как двухуровневые системы: первый уровень - первичные измерительные преобразователи (ПИП) - индукционные счетчики со встроенными телеметрическими датчиками импульсов (Д), подключенные к питающим фидерам непосредственно или через масштабные преобразователи - измерительные трансформаторы тока и напряжения, второй уровень - специализированные измерительные информационные системы учета и контроля электроэнергии (ИИСЭ) (рис. 1). Принцип передачи измерительной информации от счетчика к системе заключался в преобразовании аналоговой величины угла поворота Dj диска индукционного счетчика, которая пропорциональна измеренному за время Dt кванту электроэнергии DЕ (без учета масштабных преобразователей):
Dj = С х DЕ,
где С (постоянная счетчика, об/кВт.ч) - количество полных оборотов диска, приходящихся на 1 кВт.ч измеренной счетчиком электроэнергии, в дискретную величину количества импульсов :
N = К х Dj = К х С х DЕ,
где К - количество счетных меток, нанесенных на диск. Очевидно, что каждый импульс соответствует измеренному кванту энергии:
DЕи = К х С х DЕ/N, а энергия:
DЕ = N/(К х С).
Если, например, С = 1000 об/ кВт.ч и на диск счетчика симметрично нанесены четыре метки, а система учета зафиксировала от счетчика за 3 мин 20000 импульсов, то:
DЕ = 20000/4000 = 5 кВт.ч.
Отсюда легко можно вычислить и трехминутную мощность нагрузки за истекшие 3 мин:
Р = 5 х (60/3) = 100 кВт.
Указанный принцип передачи измерительной информации от счетчика к системе получил название числоимпульсного3. Согласно ему измерительная информация не хранится в счетчике (у индукционных счетчиков нет внутренней памяти), а по мере формирования поступает в виде импульсов в измерительный канал. Основные измерительные функции информационной электроизмерительной системы состоят в том, чтобы формировать реальное время по встроенным часам и календарю, в реальном времени принимать от счетчиков по измерительным каналам телеметрические импульсы, накапливать их по различным интервалам времени в своей электронной памяти, преобразовывать числоимпульсную канальную информацию в именованную - энергию и мощность - с учетом постоянных счетчиков и коэффициентов трансформации по току и напряжению, алгебраически суммировать канальную измерительную информацию в группах для нахождения совмещенных мощностей и электропотребления по объекту учета в целом или его частям4.
По рассмотренной схеме строились АСКУЭ на промышленных предприятиях и в энергосистемах СССР, а затем и СНГ5. Позже многие системы были дооснащены электронными счетчиками с телеметрическими выходами (в силу своей простоты и универсальности числоимпульсный принцип сохранился даже с появлением электронных счетчиков!). Вместо систем типа ИИСЭ стали применять сумматоры, концентраторы, устройства сбора и передачи данных (УСПД), на третьем уровне подключили к ним персональные компьютеры (ПК) и компьютерные сети. При этом числоимпульсный принцип в АСКУЭ не изменился.
Особенность построения АСКУЭ с числоимпульсным сбором данных состоит в неразрывной связи счетчиков с уровнем специализированной системы, так как измерительная информация должна непрерывно и круглосуточно, в темпе процесса измерения и формирования телеметрических импульсов поступать из всех счетчиков в систему для ее накопления, хранения и обработки. Несмотря на то что такая АСКУЭ строится, как правило, из совокупности конструктивно обособленных и территориально разнесенных, функционально законченных элементов, она является сильно связанной системой - одним большим многоканальным счетчиком. При сбоях в работе счетчиков-датчиков или электропитании системы, неисправности измерительных каналов или самой системы может быть безвозвратно утеряна измерительная информация как по одному счетчику, так и по всей их совокупности.
В сильно связанной АСКУЭ процесс измерения распределен по всей двухуровневой структуре, и полнота, точность и достоверность измерительной информации постоянно находится под угрозой метрологических отказов. Поэтому к АСКУЭ данного типа предъявляются обоснованные метрологические требования: системы в целом и их элементы должны иметь утвержденные типы средств измерений, регистрацию в Госреестре средств измерений, проходить метрологические испытания и периодические поверки.
Новый этап в развитии АСКУЭ наступил с появлением современных микропроцессорных многофункциональных электронных счетчиков с цифровыми интерфейсами6. Первые электронные счетчики с электронной схемой измерения электроэнергии и традиционным электромеханическим индикатором появились в конце 1960-х - начале 1970-х гг.7, но их массовое внедрение началось только к концу столетия. Назовем новые АСКУЭ (рис. 2а) цифровыми, поскольку в них на смену числоимпульсному принципу передачи измерительной информации пришел цифровой - передача измерительных данных от счетчиков посредством чисел (цифр) позиционных систем счисления, в частности двоичных чисел (рис. 2б).
Цифровая АСКУЭ позволила измерительной информации неопределенно долго храниться в точке учета - в энергонезависимой памяти электронного счетчика, причем в цифровом формате с фиксированной точностью. Неограниченный доступ к этой информации стал возможен по цифровому интерфейсу, не снижающему ее точность и достоверность при передаче на верхние уровни. В цифровой АСКУЭ измерительный канал распространяется от фидера через масштабные преобразователи до счетчика и его цифрового выхода, но далее он перестает существовать, превращаясь в обычный канал связи для передачи любой цифровой информации, включая измерительную. По этому каналу можно неоднократно обращаться к одним и тем же измерительным данным, хранящимся в базе данных счетчика, перепроверяя их значения и исключая влияние канала связи на передаваемую информацию. Точность данных определяется только классом точности самого счетчика, в частности, предельными погрешностями входных цепей (шунтов, трансформаторов) и аналого-цифровых преобразователей измерительных элементов счетчика, а также аппаратно-программной разрядностью двоичной сетки, в которой ведутся все промежуточные цифровые вычисления и хранятся результаты измерений.
Цифровые АСКУЭ, содержащие на нижнем уровне масштабные преобразователи и электронные счетчики с цифровыми интерфейсами, УСПД на промежуточном и компьютер со специализированным программным обеспечением на верхнем уровне, а также соответствующие каналы связи между уровнями, являются слабосвязанными системами. Если базы данных счетчиков периодически (или даже эпизодически) реплицируются через каналы связи в базы данных УСПД и компьютера, то достоверным источником результирующей измерительной информации может быть любой из указанных трех уровней - информация каждого из них идентична. Если за какой-то интервал времени не было по тем или иным причинам сбора данных с нижнего уровня АСКУЭ на верхние уровни, то такой сбор может быть выполнен в любой другой интервал времени, причем с полной гарантией получения всех ранее накопленных в счетчиках данных (за исключением случая отказа самого счетчика). В цифровой АСКУЭ все прямые измерения принципиально сосредоточены только в счетчиках. Верхние уровни производят не измерения, а вычисления с использованием цифровых измерительных данных нижнего уровня фиксированной точности.
Постановка проблемы
Несмотря на появление современных цифровых АСКУЭ продолжает использоваться устаревшее метрологическое обеспечение измерительных систем.
Вместо новых метрологических разработок было решено реанимировать набор метрологических документов, созданных для прежних измерительных информационных систем, распространив его и на цифровые АСКУЭ8, а также заменить термин "АСКУЭ" на "АИИС КУЭ" - автоматизированные измерительные информационные системы коммерческого учета электроэнергии9, так как по ИИС, в отличие от АСКУЭ, имеется наработанная метрологическая база.
Сохранение требований старой метрологии применительно к цифровым АСКУЭ приводит к значительным затратам государственных и частных организаций на создание и эксплуатацию таких систем. Независимые испытания средств измерений различных российских и зарубежных изготовителей, включенных в Госреестр России и Беларуси, выявили их несоответствие стандартам и современным требованиям энергетики10, что не позволяет обеспечить реальное единство измерений.
Одна из главных метрологических проблем связана с определением практических границ применения метрологии. Метрологическая политика должна соответствовать современному уровню техники и технологий. Затраты на метрологическое обеспечение измерений и создание масштабных измерительных систем должны быть эффективны и оправданы, способствовать действительному обеспечению единства измерений.
В области метрологии цифровых АСКУЭ следует определить, где кончается измерение и начинается иной процесс, не требующий вмешательства законодательной и практической метрологии. Часто результат измерения участвует в бесчисленном количестве цепочек машинных преобразований, проводимых за тысячи километров от тех точек, где он был получен. Пример этому - территориально распределенные корпоративные вычислительные сети и Интернет.
Прежде чем приступить к ответу на поставленные вопросы, рассмотрим некоторые ключевые понятия метрологии.
Об основных понятиях метрологии
Современные основные термины и определения понятий в области метрологии, рекомендуемые для применения во всех видах документации, научно-технической, учебной и справочной литературе по метрологии, установлены в документе РМГ 29-9911, введенном в действие 1 января 2001 г. взамен ГОСТа 16263-7012.
Метрология определяется как наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Поэтому базовым понятием метрологии является измерение, которое в ГОСТ 16263-70 определялось как "нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств". Столь расплывчатое определение стало поводом для попыток необоснованной экспансии метрологии в соседние области - теорию шкал, процедуры сравнения, контроля и испытаний, в вычислительную математику и технику. Рекомендации во многом устраняют прежние недостатки, трактуя, в частности, измерение как "совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающую нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины". Данное определение более узко - измерение как процесс нахождения значения физической величины путем ее соотнесения с единицей измерения, хранимой в техническом средстве измерений. Под значением физической величины подразумевается "выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц", а под ее числовым значением - "отвлеченное число, входящее в значение величины".
Важны определения четырех видов измерения, различающихся характером его уравнения:
- прямое измерение - "измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно";
- косвенное измерение - "определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной";
- совокупные измерения - "проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях";
- совместные измерения - "проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними".
Рекомендации разъясняют, что "термин "прямое измерение" возник как противоположный термину "косвенное измерение". Строго говоря, измерение всегда прямое и рассматривается как сравнение величины с ее единицей"13. Основные уравнения для рассмотренных видов измерения имеют следующий вид:
- для прямого измерения: Q = q [Q], где Q - измеряемая физическая величина, q - ее числовое значение, [Q] - размерность единицы величины;
- для косвенного измерения: Q = f(Х,Y), где Х и Y - непосредственно измеряемые величины, связанные с искомой измеряемой величиной Q известной функциональной зависимостью f,
- для совокупных измерений: Y = = SсjQj , где Y и Q - совокупно измеряемые величины, а cj = 0+1 - коэффициенты,
- для совместных измерений: Y = = f(Х), где Х и Y - совместно измеряемые величины, а f неизвестна.
В косвенном, совместных и совокупных измерениях всегда присутствуют, помимо операций прямого измерения, вычислительные операции.
Продолжение следует...
