СПОСОБ УЧЕТА И ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УЧЕТА ЭНЕРГОРЕСУРСОВ
METERING METHOD AND INFORMATION ANALYSIS SYSTEM FOR METERING ENERGY RESOURCES

Изобретение относится к системам сбора данных при помощи радиосвязи и последующего анализа полученной информации и может быть использовано для построения информационно-аналитических систем учета потребления энергоресурсов - холодной и горячей воды, природного газа, тепловой энергии, электроэнергии и других энергоресурсов.
В настоящее время очень актуальной является задача автоматизированного сбора данных о количестве потребляемых энергоресурсов объектами коммунального и промышленного назначения и, как следствие, исключения влияния «человеческого фактора».
Известна автоматизированная система для передачи и приема информации о потреблении энергоресурсов (патент РФ на полезную модель №50699, от 18.04.2005 г.), содержащая первичные измерительные приборы, подключенные к узлам клиента, которые связаны по проводной линии с устройствами ввода-вывода, снабженными средствами обмена информацией с ее потребителями, и средства обработки информационных сигналов, а также средства обработки информационных сигналов, размещенные в узлах клиента.
Недостатками данной системы являются то, что система не проводит анализа собранных данных и не предоставляет информации по энергоэффективности.
Известна автоматизированная система сбора данных о потреблении энергоресурсов за расчетный период (патент РФ на полезную модель №77476 от 07.04.08 г.), содержащая первичные измерители - счетчики с импульсным выходным устройством, устройство передачи данных содержащее счетчик импульсов, узел преобразования полученных данных в цифровой интерфейс, энергонезависимую память и радиомодуль для передачи данных в режиме «запрос-ответ», устройство приема данных, содержащее радиомодуль для выдачи запроса и для приема данных и узел преобразования радиосигнала в цифровой интерфейс, а устройством накопления данных для последующей их обработки является компьютер.
Недостатками данной системы являются ее ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные использованием аналоговых схемотехнических решений, она не обеспечивает для потребителя точного учета потребляемых им энергоресурсов, планирования потребления и распределения энергоресурсов.
Известны способ и интегрированная система индивидуального учета и регулирования потребления энергоресурсов в ЖКХ (патент РФ №2296305 от 22.08.05 г.), заключающиеся в том, что в каждой квартире жилого дома устанавливают счетчики или датчики сигналов по каждому расходуемому энергоносителю, снимают их показания и производят обработку информации по фактически израсходованным потребителями энергоносителям, вычисляя расход каждого из энергоносителей по конкретной квартире, затем с помощью средства отображения предоставляют каждому потребителю информацию о потребленных его квартирой энергоресурсах и их стоимости для контроля и регулирования их потребления с помощью термостатических вентилей. Недостаток известного способа заключается в том, что учет с его помощью потребляемых энергоресурсов является недостаточно точным и удобным, а также не учитываются теплоэнергетические характеристики здания, например такие, как расположение квартир в доме относительно естественного источника тепла и света, текущие климатические условия и т.п. Известная система, с помощью которой реализуется заявляемый способ, содержит установленные в квартирах счетчики и сенсоры, а также локальные концентраторы для сбора и обработки информации, каждый из которых снабжен интерфейсами для связи с квартирными мониторами, домовым концентратором и с упомянутыми счетчиками и сенсорами. В систему входит также комплект оборудования, представляющий собой индивидуальный тепловой пункт. Домовой концентратор связан через модем и канал связи с центральным диспетчерским пунктом, который содержит ЭВМ, служащую для идентификации контролируемого объекта, хранения архива данных о потребляемых энергоресурсах, распечатки квитанций об оплате и контроле оплаты. Недостатки системы заключаются в том, что она недостаточно точно учитывает расход энергоресурсов и не очень удобна в эксплуатации, так как система использует большое число комплектующих узлов, что снижает надежность и усложняет схему. Применяемая в системе линия связи не гарантирует, в случае необходимости, доступа к данным и первоочередности передачи аварийного сигнала при неисправности.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является оперативный и стратегический мониторинг энергоэффективности, анализ эффективности использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) потребителями, возможность оперативного принятия решения при управлении энергопотребления, оценки и внедрения лучшего опыта проведения энергосберегающих мероприятий и осуществления контроля над целевым использованием денежных средств. Задачами заявляемой системы являются: оптимизация процесса сбора данных и повышение оперативности доставки информации потребителям.
Поставленные задачи решаются тем, что в способе, заключающемся в том, что на объекте у потребителя энергоресурсов устанавливают датчики контроля, осуществляющие мониторинг системы, и счетчики по каждому из расходуемых энергоносителей: электроэнергии, природному газу, тепловой энергии, горячей и холодной воде (далее счетчики расхода ТЭР). Датчики контроля и счетчики расхода ТЭР подключают к станции связи, осуществляющей по запросу с центрального сервера сбор и передачу данных по линиям связи на центральный сервер. Для осуществления связи с удаленными датчиками контроля и счетчиками расхода ТЭР применяют шкафы автоматики, информацию с которых для предварительной обработки передают на станцию связи. Данные со станции связи по радиоканалу, оборудованию сотового оператора и сети Интернет поступают на центральный сервер. На центральном сервере, с помощью соответствующего программного обеспечения, WEB-интерфейса и инструмента аналитической обработки данных выполняют основную обработку информации: автоматический сбор данных с датчиков контроля и счетчиков расхода ТЭР с исключением влияния «человеческого фактора», диагностика каналов связи, сортировка и хранение информации в единой базе данных. Всю полученную информацию анализируют с учетом технических характеристик зданий, климата и температуры окружающей среды, местонахождения здания, проведенных ресурсосберегающих мероприятий, СНИПов и ресурсопотребления на функционально однотипных объектах. И с помощью средств отображения информации (мониторов ПК, экранов КПК или др.) предоставляют пользователю оперативную информацию об объемах потребления энергоресурсов в режиме реального времени на всех объектах. Базу данных центрального сервера размещают в Интернете, что сокращает расходы на установление каналов связи с пользователями, значительно повышает оперативность доставки информации и позволяет предоставлять доступ к системе, к вводу данных и результатам анализа с любого удаленного рабочего места, подключенного к сети Интернет с соблюдением необходимого уровня информационной безопасности.
Информационно-аналитическая система учета энергоресурсов (ИАСУЭ) представляет собой территориально распределенную трехуровневую систему. На нижнем уровне расположены установленные на объекте у потребителя датчики контроля и счетчики расхода ТЭР. Средний уровень представлен станциями связи и шкафами автоматики, обеспечивающими связь до датчиков контроля и счетчиков расхода ТЭР. Станция связи содержит GSM-контроллер, соединенный одним входом/выходом с антенной для связи с верхним уровнем, а другим с коммутатором и радиомодемом, GSM-контроллер и коммутатор также соединены с датчиками контроля и счетчиками расхода ТЭР, а радиомодем другим входом/выходом соединен с антенной, предназначенной для связи со шкафами автоматики на объекте у потребителя ТЭР. Причем GSM-контроллер представляет собой объединенные на единой аппаратной платформе локальный контроллер сбора и передачи данных и GSM-модем, а программируемый контроллер может одновременно снимать данные с датчиков контроля и счетчиков расхода ТЭР независимо от настроек интерфейсов и особенностей протоколов и устанавливать GPRS-соединение. При этом станция связи может одновременно посылать полученные от центрального сервера запросы и отправлять на него ответы по нескольким каналам связи от шкафов автоматики. Шкаф автоматики обеспечивает связь с удаленными датчиками контроля и счетчиками расхода ТЭР и содержит модем, соединенный одним входом/выходом с антенной, а другим с коммутатором, и источник питания с батареей. Коммутатор другими входами/выходами подключают к датчикам контроля и счетчикам расхода ТЭР. Верхний уровень - это центральный сервер с программным обеспечением базы данных, WEB-интерфейсом, инструментами аналитической обработки данных. Центральный сервер через сеть Интернет, оборудование сотового оператора, радиоканал и станцию связи связан с датчиками контроля и счетчиками расхода ТЭР. К центральному серверу подключаются компьютеры удаленных рабочих мест, при этом потребитель ТЭР с персонального компьютера имеет возможность зайти на WEB-сервер и получить информацию о потребленных энергоресурсах в физических и стоимостных единицах, а также результаты анализа этой информации.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена структурная схема системы. На фиг.2 представлена структурная схема станции связи, а на фиг.3 - схема шкафа автоматики.
Заявляемая система (фиг.1) представляет собой трехуровневую систему и содержит на нижнем уровне счетчики электроэнергии 1, тепловой энергии 2, устройства сбора и передачи данных (УСПД) 3, счетчики горячей 4 и холодной 5 воды, газовый счетчик 6, далее счетчики расхода ТЭР, с которых поступает первичная информация о потреблении ТЭР. Счетчики 4 и 5 подключают к УСПД 3 для обработки и накопления информации. Датчики контроля (на чертеже не показаны) могут быть представлены - датчиками охранной и пожарной сигнализации, наличия напряжения питания в сети, температуры в помещениях, несанкционированного доступа к оборудованию и т.д. Особенностью системы на этом уровне является отсутствие жесткой привязки к конкретным маркам счетчиков. Для подключения к системе достаточно иметь счетчик расхода ТЭР с телеметрическим выходом (например, RS232, RS485, импульсный выход). Все датчики контроля и счетчики расхода ТЭР устанавливают у потребителя на объекте 7.
Средний уровень представлен станциями связи 8 сбора данных и передачи информации и шкафами автоматики 9. Основной функцией этого уровня является обеспечение связи до счетчиков расхода ТЭР. Для обеспечения связи с удаленными счетчиками расхода ТЭР используют шкафы автоматики 9, образующие канал со станцией связи 8 на основе радиопередачи в диапазоне 433 МГц. Станция связи 8 содержит антенну 10 для связи с верхним уровнем и антенну 11 для установления радиосвязи со шкафом автоматики 9, имеющим антенну 12. Станция связи 8 по радиоканалу, оборудованию сотового оператора 13 и сети Интернет 14 связана с центральным сервером 15. К центральному серверу 15 через сеть Интернет 14 подключаются пользователи с удаленных рабочих мест (УРМ) 16. На фиг.2 представлена структурная схема станции связи 8, содержащая GSM-контроллер 17, соединенный одним входом/выходом с антенной 10, а другим с коммутатором 18 и радиомодемом 19, GSM-контроллер 17 и коммутатор 18 также соединены с датчиками контроля и счетчиками расхода ТЭР, а радиомодем 19 другим входом/выходом соединен с антенной 11, и источник питания 20 с батареей. GSM-контроллер 17 представляет собой объединенные на единой аппаратной платформе локальный контроллер сбора и передачи данных и GSM-модем, при этом GSM-контроллер одновременно снимает данные с датчиков контроля и счетчиков расхода ТЭР независимо от настроек интерфейсов и особенностей протоколов и устанавливает GPRS-соединение. Особенностями системы на этом уровне является возможность работы станции связи 8 одновременно по нескольким каналам связи со шкафами автоматики 9. За счет использования одного GSM-контроллера 17 на объект обеспечивается экономный расход GPRS-трафика. Шкаф автоматики 9 (фиг.3) содержит модем 21, соединенный одним входом/выходом с антенной 12, а другим с коммутатором 22, и источник питания 23 с батареей. Коммутатор 22 другими входами/выходами соединен с датчиками контроля и счетчиками расхода ТЭР.
Верхний уровень - центральный сервер 15 с программным обеспечением базы данных, WEB-интерфейса, инструмента аналитической обработки данных. На этом уровне выполняется основная обработка информации. В функции верхнего уровня входят: автоматический сбор данных с датчиков контроля и счетчиков расхода ТЭР с исключением влияния «человеческого фактора»; диагностика каналов связи; сортировка и хранение информации в единой базе данных; произведение анализа энегроэффективности с учетом технических характеристик зданий, климата и температуры окружающей среды, местонахождения здания, проведенных ресурсосберегающих мероприятий, СНИПов и ресурсопотребления на функционально-однотипных объектах; предоставление информации пользователю в режиме реального времени. Особенностями системы на этом уровне являются: размещение базы данных центрального сервера 15 в Интернете 14, что позволяет предоставлять доступ к системе, к вводу данных и результатам анализа с любого удаленного рабочего места 16, подключенного к сети Интернет 14. Тем самым сокращаются расходы на установление каналов связи с пользователями информации, и значительно повышается оперативность доставки информации, и значительно снижается стоимость эксплуатации системы, так как обслуживанию подлежит только центральный сервер. Система не требует установки специализированного программного обеспечения, сокращая расходы потребителя ТЭР на эксплуатацию системы, так как доступ к результатам работы системы организован через WEB-сайт, в этом случае достаточно знать адрес доступа и быть зарегистрированным пользователем на сервере.
Заявляемая система работает следующим образом. Периодически программное обеспечение центрального сервера 15 формирует запрос для сбора данных с датчиков контроля и счетчиков расхода ТЭР и направляет его станции связи 8 посредством сети Интернет 14, оборудования сотового оператора 13 и радиоканал (GSM 900/1800 МГц) по технологии GPRS (или иным образом, например, через модемы PLC или каналы других технологий). В станции связи 8 данный запрос обрабатывается GSM-контроллером 17 и далее передается по одному из интерфейсов на нижележащее устройство, которым может являться конкретный счетчик расхода ТЭР (электрической энергии, тепловой энергии, горячей или холодной воды или др.), коммутатор 18 (ICPCON Е-7188х) или радиомодем 19 станции связи 8. Если нижележащим устройством оказался радиомодем 19, указанный запрос передается по радиоканалу на модем 21 шкафа автоматики 9, который в свою очередь передает его на счетчики расхода ТЭР или коммутатор 22 шкафа автоматики 9. При получении запроса коммутатором 18 станции связи 8 им выполняется проверка на наличие дополнительных требований в протоколе общения со счетчиком расхода ТЭР на установление сеанса связи. По результатам проверки, в случае необходимости, коммутатором 22 могут быть сформированы и отправлены дополнительные команды для установления сеанса связи с нижележащим оборудованием или заданным образом настроены порты/интерфейсы (скорость, количество бит данных, количество стоповых бит, проверка четности, замыкание определенных контактов). Далее запрос перенаправляется по интерфейсам к конкретным счетчикам расхода ТЭР, после чего все используемое оборудование входит в режим ожидания ответа. В случае отсутствия указанных дополнительных требований протоколов коммутатор 22 может отсутствовать, а запросы передаваться напрямую от контроллера или радиомодема к счетчикам расхода ТЭР. При получении ответа от указанного счетчика коммутатором 18 или GSM-контроллером 17 формируется и отправляется ответ по радиоканалу, оборудованию сотового оператора 13 и сети Интернет 14 на центральный сервер 15.
Параллельно этому механизму выборки данных с конечных счетчиков расхода ТЭР в системе действует второй механизм - обработки показаний датчиков контроля (на чертежах не показаны). В непрерывном режиме GSM-контроллер 17 формирует запрос на определение состояния дискретных и аналоговых (в случае их наличия) датчиков контроля и отправляет его по уже описанному алгоритму. При получении ответа GSM-контроллер 17 выполняет проверку на изменение текущего состояния датчика контроля по сравнению с предыдущим опросом. В случае обнаружения изменения состояния конкретного датчика контроля GSM-контроллер 17 проверяет это изменение на граничные условия обработки изменений. Если обнаруженное изменение по результатам проверки требуется обрабатывать, GSM-контроллер 17 формирует запрос на центральный сервер 15 с информацией об обнаруженном изменении и помещает его в архивную очередь с учетом предопределенного приоритета обнаруженного изменения. Опустошение очереди путем выборки очередного запроса и отправки его на центральный сервер 15 производится регулярно при условии наличия связи и свободности канала, в остальные моменты времени очередь находится в фазе накопления. Таким образом, обеспечена регулярная и оперативная реакция на изменения датчиков контроля.
С помощью заявляемой системы заявляемый способ реализуется следующим образом. Полученная центральным сервером 15 информация обрабатывается и сохраняется в единую базу данных. Далее эта информация используется для анализа и выявления различных зависимостей, а также для построения таблиц, графиков и диаграмм.
На центральном сервере 15 в базе данных хранится дополнительная информация - это общие сведения об организации (наименование, площадь и объем отдельных зданий и организации в целом, предмет хозяйственной деятельности, адрес, телефон, Ф.И.О. руководителей, численность сотрудников и посетителей, доля затрат на ТЭР от величины расходной части бюджета); фактическое и лимитированное потребление ТЭР (вода, тепловая энергия, электроэнергия, топливо) в динамике за отчетные периоды времени (по месяцам, годам) отдельными зданиями и организацией в целом; сведения о наличии приборного учета потребления ТЭР; потребление ТЭР в денежном выражении и тарифы ТЭР в динамике за отчетные периоды времени; вспомогательные данные, необходимые для проведения расчетов (продолжительность отопительного периода, расчетная и средняя температура наружного воздуха, температура помещений, нормативные показатели потребления ТЭР); информация по тарифам. С помощью вышеперечисленных данных, данных со счетчиков расхода ТЭР и датчиков контроля производится расчет следующих показателей: расчетно-нормативное потребление ТЭР по группам учета, удельные показатели потребления ТЭР и потенциал энергосбережения.
Программное обеспечение центрального сервера 15 позволяет:
- производить выборку и ранжирование данных по различным параметрам;
- рассчитывать удельные характеристики потребления ТЭР;
- формировать отчеты, необходимые пользователю;
- отображать динамику потребления ТЭР за отчетные периоды времени как в натуральном, так и в денежном выражении (таблицы и диаграммы);
- сравнивать показатели потребления ТЭР, в т.ч. удельные показатели текущего периода с предшествующими периодами;
- сравнивать лимит и факт потребления энергоресурсов;
- определять суммарные объемы потребления энергоресурсов и затраты на их приобретение;
- рассчитывать удельный расход энергоресурсов;
- рассчитывать нормативные значения потребления энергоресурсов;
- определять потенциал сбережения энергоресурсов;
- сравнивать удельные показатели в однотипных организациях;
- сравнивать все показатели (в т.ч. удельные) с предшествующим периодом;
- определять объекты внедрения энергосберегающих мероприятий;
- проводить мониторинг.
Результатом работы системы является расчет потенциалов энергосбережения для организаций и оценка результатов проведения ресурсосберегающих мероприятий.