Концентратор данных потребления электроэнергии в сетях среднего и низкого напряжения цифрового района электрических сетей

Настоящее техническое решение относится к межсетевым соединительным устройствам и системам передачи данных по линиям энергоснабжения и может быть использовано при реализации систем сбора и передачи цифровых данных на больших территориях в цифровых районах электрических сетей в распределительных сетях среднего 6-20 кВ и низкого 0,4 кВ напряжения.
Известен PLC модем (Пат. RU 151867 (U1), МПК Н04В 3/00, опубликовано 20.04.2015, Бюл. №11), содержащий блок питания, PLC модуль, микроконтроллер, сторожевой таймер, драйвер интерфейса RS-485, согласующий трансформатор, блок индикации и корпус с возможностью установки на DIN-рейку, дополнительно содержит второй интерфейс RS-485, сменный модуль интерфейсов IrDA/Bluetooth и датчик обнаружения факта вскрытия или повреждения корпуса.
Известно устройство сбора и передачи данных для системы учета и управления энергопотреблением объектов (Пат. RU 145934 (U1), МПК H01J 13/00, опубликовано 27.09.2014, Бюл. №27), содержащее средства приема и средства передачи данных по силовой сети работающие в диапазоне частот 50-95 КГц, средства приема и средства передачи данных по радиоканалу работающие на частоте 433,92 МГц, процессор, запоминающее устройство и предназначено для сбора данных с приборов учета расхода электроэнергии и передачи их в центр сбора по интерфейсам: RS232, RS422, RS485 и Ethernet.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, по совокупности существенных признаков, является техническое решение, раскрытое в патенте на полезную модель RU 145406 (МПК H04L 12/66; опубликовано 20.09.2014, Бюл. №26) «Модем-коммуникатор для систем учета энергоресурсов», включающий микроконтроллер, осуществляющий сбор, обработку и передачу измерительной информации и управляющий всеми модулями устройства, часы реального времени, оптический порт для настройки радиомодема от внешнего компьютера, модуль Ethernet, модуль ZigBee, модуль PLC с трехфазным подключением к силовой сети 0,4 кВ, модуль GSM, интерфейс RS-485 и модуль питания. (См. Модем-коммуникатор МИР МК-01. http://mir-omsk.ru/uploaod/4dc/M12.027.00.000_RE_MIR_MK-01_arh.17/pdf).
Недостатком известных технических решений является ограничение сбора данных потребления электроэнергии пределами одной подстанции в сети электроснабжения 0,4 кВ.
Цифровизация районов электрических сетей (РЭС) предполагает организацию сбора данных энергопотребления как создание территориально-распределенных систем с централизованным управлением и единым центром сбора данных со всех точек учета энергопотребления района, но одной из проблем реализации, является отсутствие каналов передачи данных. Особенно это характерно для сельских районов, где большая протяженность распределительных сетей и расстояния между подстанциями до 5-10 км и решением проблемы может быть использование в сетях среднего напряжения PLC технологии, которая может быть развернута в кратчайшие сроки и уже имеет широкое применение в системах сбора данных энергопотребления в жилом секторе, т.е. в сети 0,4 кВ. В тоже время имеется проблема передачи данных по распределительным сетям 20-6/0,4 кВ, которая обусловлена наличием на подстанциях трансформаторов преобразующих среднее напряжение 20-6 кВ в низкое 0,4 кВ, которые значительно подавляют высокочастотные сигналы и препятствуют передаче данных между сетями низкого и среднего напряжений.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в расширении функциональных возможностей устройства за счет обеспечения передачи данных по проводному интерфейсу PLC используя линии электропередачи распределительной сети передачи электроэнергии среднего напряжения 20-6 кВ для электропитания подстанций и линии электропередачи 0,4 кВ для связи с приборами учета электроэнергии абонентов, а также в повышении надежности приема данных за счет параллельной передачи данных по радиоканалу, поскольку помехи в линиях электропередачи и в радиоканале имеют разную природу и независимы.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что заявленное техническое устройство содержащее микроконтроллер, управляющий всеми функциональными узлами устройства и осуществляющий сбор, обработку и передачу цифровой информации, часы реального времени, сообщающие микроконтроллеру точное астрономическое время, оптический порт для настройки устройства от внешнего компьютера, интерфейс RS-485, модуль Ethernet, модуль ZigBee, модуль PLC1 подключаемый к электрической сети низкого напряжения 0,4 кВ для обеспечения связи по интерфейсу PLC с цифровыми приборами учета электроэнергии абонентов, модуль GSM и модуль питания, дополнительно содержит второй интерфейс RS-485 для подключения к приборам учета электроэнергии на подстанции, второй модуль PLC2 для подключения к электрической сети среднего напряжения 6-20 кВ с целью обеспечения связи по интерфейсу PLC с аналогичными устройствами на других подстанциях и модуль RF для создания беспроводного резервного канала связи между подстанциями.
На чертеже представлена структурная схема заявленного устройства, включающая модуль часов реального времени 1, сообщающий микроконтроллеру точное астрономическое время, микроконтроллер 2, управляющий всеми функциональными устройства и осуществляющий сбор, обработку и передачу измерительной информации, оптический порт 3 для настройки устройства от портативного компьютера, модуль RF 4 для работы в радиосети RF в диапазоне частот 868,7-869,2 МГц в режиме базовой или удаленной станции, модуль Ethernet 5 для создания ТСР/IP-соединений с удаленными компьютерами центра сбора данных, модуль PLC2 6 для работы в сети PLC2 в диапазоне частот 95-125 кГц в режиме базовой или удаленной станции, модуль GSM 7 для подключения к сети GSM, модуль Zigbee 8 для работы в беспроводной сети Zigbee в диапазоне частот 2400-2483,5 МГц в режиме базовой станции, интерфейс RS-485 9 с гальванической развязкой предназначен для обмена данными с центром сбора данных, интерфейс RS-485 10 с гальванической развязкой предназначен для обмена данными с приборами учета электроэнергии установленными на подстанции, модуль PLC1 11 для работы в сети PLC1 в диапазоне частот 20 - 80 кГц в режиме базовой станции и модуль питания 12 включающий выпрямитель, источник питания и преобразователи DC/DC для питания всех составных частей устройства. Для сетей PLC1 и PLC2 выбраны разные частотные диапазоны с целью предотвращения возможного взаимного влияния из-за наличия понижающего трансформатора 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.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Первоначально устройство конфигурируется от внешнего компьютера через оптический порт в зависимости от его использования как базовое или как удаленное. Базовое устройство это то, которое взаимодействует с центром сбора данных цифрового РЭС через модуль Ethernet 5, интерфейс RS-485 9 или модуль GSM 7 и для него конфигурируются данные модули для передачи и приема данных в сетях Ethernet, RS-485 или GSM. Кроме того, для базового устройства модули RF 4, модуль PLC1 11, модуль PLC2 6 и модуль Zigbee 8 конфигурируются как «Базовая станция», т.е. базовое устройство является главным в сетях RF, PLC1, PLC2 и Zigbee. Удаленное устройство это то, которое непосредственно не взаимодействует с центром сбора данных цифрового РЭС, а взаимодействует с базовым устройством по каналу PLC через модуль PLC2 6 и параллельно по беспроводному каналу через модуль RF 4 и для него модуль RF 4 и модуль PLC2 6 конфигурируются как «Удаленная станция» в беспроводной сети RF и в сети PLC, а модуль PLC1 11 и модуль Zigbee 8 конфигурируются как «Базовая станция», т.е. удаленное устройство является главным в сетях PLC1 и Zigbee и подчиненным в сетях PLC2 и RF.
A
B
C
N
Устанавливают устройство на подстанции. Устройство, установленное на подстанции ближайшей к центру сбора данных, конфигурируется как базовое, и оно использует для связи с центром сбора данных проводные сети Ethernet и RS-485, как основные и беспроводную сеть GSM, как резервную. Контакты U, U, U, и U устройства подключают к отходящей трехфазной силовой сети 0,4 кВ к которой подключены однофазные или трехфазные приборы учета электроэнергии абонентов. Подключают устройство к сетям Ethernet и RS-485 центра сбора данных цифрового РЭС через модуль Ethernet 5 и интерфейс RS-485 9, соответственно. К проводному интерфейсу RS-485 10 подключают приборы учета электроэнергии находящиеся на подстанции. К модулю Zigbee 8 подключают внешнюю антенну Zigbee. Модуль PLC2 6 соединяют с внешним устройством согласования, которое соединено с подходящей линией среднего напряжения. К модулю RF 4 подключают внешнюю антенну. При включении питания и успешном выполнении самодиагностики базовое устройство 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 устройств 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 микроконтроллера в виде журналов приборов учета и удаленных устройств, каждая запись которого содержит идентификатор устройства, признак канала, в котором обнаружен прибор учета или удаленное устройство, 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, устройство производит несколько попыток опроса за время, задаваемое при конфигурировании, после чего переходит к опросу следующего прибора учета. После завершения опроса всех обнаруженных устройств учета, устройство анализирует изменения состояния сетей ZigBee и PLC1 и добавляет вновь обнаруженные приборы учета в журнал. Работа устройства по сбору данных с удаленных устройств в сетях PLC2 и RF производится автоматически, в соответствии с журналом удаленных устройств и осуществляется аналогично и параллельно работе в сетях ZigBee и PLC1. Передача в центр сбора данных с приборов учета и прием запросов на данные с устройств учета осуществляется по сетям сетях Ethernet, RS-485 или GSM по инициативе центра сбора данных.
При использовании заявленного устройства на удаленных подстанциях оно конфигурируется как удаленное устройство, т.е. модули RF 4 и PLC2 6 конфигурируются как «Удаленные станции» в беспроводной сети RF и в сети PLC2. Модули Ethernet 5, GSM 7 и интерфейс RS-485 9 не используются, а модули Zigbee 8, PLC1 11 и интерфейс RS-485 10 подключаются, конфигурируются и работают как на базовом устройстве, т.е. модули Zigbee 8 и PLC1 11 являются «Базовыми станциями» в беспроводной сети RF и в сети PLC, соответственно. К проводному интерфейсу RS-485 10 подключают приборы учета электроэнергии находящиеся на удаленной подстанции. К модулю Zigbee 8 подключают внешнюю антенну Zigbee. Модуль PLC2 6 соединяют с внешним устройством согласования, которое соединено с подходящей линией среднего напряжения. К модулю RF 4 подключают внешнюю антенну. Работа удаленного устройства по интерфейсу RS-485 10 и в сетях ZigBee и PLC1 аналогична работе базового устройства. Передача в адрес базового устройства данных с приборов учета и прием запросов на данные с устройств учета осуществляется по сетям RF и PLC2 через модули RF 4 и PLC2 6 по инициативе базового устройства, которое является главным в сетях RF и PLC2.
Предлагаемое устройство может быть практически реализовано с использованием общедоступных комплектующих изделий различных производителей. В качестве микроконтроллера можно использовать 32-разрядный микроконтроллер LPC1778 на базе ядра ARM Cortex-М3 от NXP / Philips. Модули Zigbee и RF могут быть реализованы на базе микросхем фирмы Texas Instruments СС2530 и СС1350, соответственно. Модули PLC1 и PLC2 могут быть реализованы на базе модемов IT900 Израильской фирмы Yitran (http://www.yitran.com./uploadimages/SystemFiles/IT900%20Brochure_R1.1.pdf).
В качестве внешних устройств, не относящихся к заявленному устройству, можно использовать следующие устройства. Емкостное устройство присоединения к линиям среднего напряжения 6-20 кВ производства НПЦ «Приоритет» УПЕ-35-2200 УХЛ2 (http://priortelecom.ru/hardware/hardware-kapler.htm). Счетчики электроэнергии МИР С-04, С-05, (http://mir-omsk.ru/upload/iblock/53f/M15.034.00.000%20RE%20MIR%20C-04%20arh.6.pdf, http://mir-omsk.ru/upload/iblock/d92/M15.035.00.000%20RE%20MIR%20C-05%20arh.7.pdf) производства НПО «МИР».