КОНЦЕНТРАТОР ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ, КОНТРОЛЯ И УЧЕТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СЕТЯХ СРЕДНЕГО И НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к устройствам сбора и передачи данных для реализации непрерывного сбора информации с приборов учета электроэнергии, многофункциональных измерительных преобразователей и других интеллектуальных устройств, подключенных по цифровым интерфейсам и предназначена для применения в области электроэнергетики в сетях среднего и низкого напряжения для организации непрерывного двустороннего информационного обмена в системах телемеханики (ТМ) и в автоматизированных информационно-измерительных системах коммерческого и технического учета электроэнергии.
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.
Известен модем-коммуникатор для систем учета энергоресурсов (Пат. RU 145406 (МПК H04L 12/66; опубликовано 20.09.2014, Бюл. №26), 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.
Недостатком известных технических решений является ограничение сбора данных потребления электроэнергии абонентами в пределах одной подстанции в сети электроснабжения 0,4 кВ.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, по совокупности существенных признаков, является техническое решение, выбранное в качестве прототипа, раскрытое в патенте RU 191691 (МПК H04L 12/66, Н04В 3/54, СПК Н04В 3/54; опубликовано 15.08.2019, Бюл. №23) «Концентратор данных потребления электроэнергии в сетях среднего и низкого напряжения цифрового района электрических сетей», включающий 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 и модуль GSM для подключения к центру сбора данных, модуль ZigBee и модуль PLC подключаемый к электрической сети низкого напряжения 0,4 кВ для обеспечения связи по интерфейсу PLC и каналу ZigBee с цифровыми приборами учета электроэнергии абонентов, второй интерфейс RS-485 для подключения к приборам учета электроэнергии на подстанции, второй модуль PLC 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, модуль GSM для подключения к центру сбора данных и модуль питания. Данное устройство обеспечивает надежный обмен информацией с приборами учета электроэнергии абонентов за счет использования двух независимых каналов связи, в нем предусмотрен обмен информацией с приборами учета электроэнергии на трансформаторных подстанциях (ТП), что позволяет контролировать текущий баланс потребления электроэнергии по ТП и по отходящим линиям, в нем также предусмотрен обмен информацией по линии среднего напряжения с аналогичными устройствами на других ТП, что позволяет осуществлять сбор информации об энергопотреблении на больших территориях.
В тоже время в рассматриваемом прототипе при его использовании в системах учета потребления электроэнергии имеются следующие недостатки. В устройстве не предусмотрена передача данных для коммерческого учета потребления электроэнергии, когда требуется отдельный высокоскоростной канал передачи данных только для коммерческого учета. Кроме того, распределительные сети среднего и низкого напряжения включают множество различного типа ТП, которые помимо основного оборудования содержат приборы учета электроэнергии и различного рода устройства ТМ. Если производители приборов учета электроэнергии в подавляющем большинстве независимо от используемого интерфейса реализуют протокол DLMS/COSEM, включая российскую спецификацию СПОДЭС (Стандарт организации ПАО «РОССЕТИ». СТО 34.01-5.1-006-2017 СЧЕТЧИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ. Требования к информационной модели обмена данными), то производители устройств ТМ в качестве интерфейса в подавляющем большинстве используют проводной интерфейс RS-485, но не придерживаются какой-либо общепризнанной системы при выборе и реализации протоколов, вследствие чего наблюдается многообразие протоколов в установленных на ТП устройствах ТМ от протокола MODBUS в различных его модификациях до проприетарных протоколов, но в устройстве не предусмотрено взаимодействие с разнообразными устройствами ТМ находящимися на ТП, что обязывает иметь на ТП параллельно еще и систему связи с устройствами ТМ.
Дополнительно отметим, что для обеспечения единства системного времени в самом устройстве и в подключенных к нему приборах учета электроэнергии используются внутренние энергонезависимые часы реального времени. Однако часы реального времени при своей работе могут постепенно отклоняться от общемирового времени и вносить время с отклонением в подключенные к нему приборы, что приводит к ошибкам, например при контроле текущего баланса потребления электроэнергии по отходящим линиям и в целом по ТП или при использовании функции «Стоп-кадр», когда необходимо осуществлять снятие показаний со всех приборов учета в цикле опроса на единый момент времени. Также отметим узконаправленную сферу применения данного устройства, ограниченную сбором потребления электроэнергии, в то время как на каждой ТП имеются другие данные, информация о которых должна доставляться в центры сбора данных. Например, пассивные сигналы телесигнализации (ТС), которые имеются на каждой ТП и информация о изменении их состояния (вкл/выкл) должна собираться и доставляться в центры сбора данных, причем на небольших потребительских ТП, которых большинство, сигналов ТС немного, прежде всего это аварийно-предупредительная сигнализация (положение дверей, неисправность устройств, положение автоматов), но в устройстве не предусмотрен непосредственный ввод, анализ и передача ТС, что особенно важно для ТП, где присутствует только аварийно-предупредительная сигнализация.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является ведение непрерывного двустороннего информационного обмена в системах ТМ по различным протоколам и в автоматизированных информационно-измерительных системах коммерческого и технического учета электроэнергии в сетях среднего и низкого напряжения.
Технический результат достигается за счет того, что концентратор для систем управления, контроля и учета электроэнергии в сетях среднего и низкого напряжения, содержащий микроконтроллер, управляющий всеми функциональными узлами устройства и осуществляющий сбор, обработку и передачу цифровой информации, энергонезависимые часы реального времени, сообщающие микроконтроллеру текущее время, модули для проводной и беспроводной связи с центром управления и сбора данных, модуль для создания беспроводного канала связи с аналогичными концентраторами других подстанций, модуль для подключения к электрической сети среднего напряжения 6-20 кВ и создания резервного канала связи с аналогичными концентраторами других подстанций, интерфейс для подключения к приборам учета электроэнергии на подстанции, модуль для создания беспроводного канала связи с цифровыми приборами учета электроэнергии абонентов, модуль для связи с цифровыми приборами учета электроэнергии абонентов по сети низкого напряжения 0,4 кВ, модуль питания для питания всех элементов концентратора и также содержит модуль для организации выделенного канала передачи данных потребления электроэнергии в центр сбора данных коммерческого учета и интерфейс для связи центра управления и сбора данных с устройствами ТМ на подстанции в «прозрачном» режиме в прямом и м и обратном направлениях без преобразования данных.
Заявленное техническое устройство дополняют частные формы реализации полезной модели, имеющие практическое значение. В концентратор дополнительно введены модуль GPS являющийся источником точного времени ГЛОНАСС/GPS для энергонезависимых часов реального времени и модуль ввода сигналов ТС для прямого подключения до трех датчиков двоичных пассивных сигналов ТС.
Проведенный патентный поиск показал, что в уровне техники не обнаружены аналогичные решения, что свидетельствует о наличии новизны заявляемой полезной модели, позволяющие преодолеть вышеназванные недостатки предшествующих решений.
На чертеже представлена структурная схема реализации заявленного устройства, включающая микроконтроллер 1, управляющий всеми функциональными устройства и осуществляющий сбор, обработку и передачу измерительной информации, модуль RF 2 для работы в радиосети RF в качестве основного канала связи в диапазоне частот 868,7-869,2 МГц в режиме базовой или удаленной станции, модуль часов реального времени 3, сообщающий микроконтроллеру текущее время, модуль PLC1 4 для работы в сети PLC1 в полосе частот CENELEC В,С (Европейские стандарты передачи данных по электрической сети CENELEC EN 5009020 и 13321-1) в режиме базовой или удаленной станции и подключаемый к электрической сети среднего напряжения 6-20 кВ и обеспечивающий дублирующий канал связи с аналогичными устройствами других подстанций, интерфейс RS-485-1 5 с гальванической развязкой предназначен для обмена данными с приборами учета электроэнергии установленными на подстанции, модуль Ethernet-1 6 для создания TCP/IP-соединений с удаленными компьютерами центра управления и сбора данных, второй интерфейс RS-485-2 7 используется для связи центра управления и сбора данных с устройствами ТМ на подстанции в «прозрачном» режиме в прямом и м и обратном направлениях, т.е. без преобразования данных, модуль Ethernet-2 8 для создания TCP/IP-соединений с удаленными компьютерами центра сбора данных коммерческого учета данных потребления электроэнергии, модуль ввода сигналов ТС 9 для подключения трех двухпозиционных контактных или бесконтактных датчиков сигнал с которых представляет собой замыкающий или размыкающий контакт («сухой контакт») и анализа двоичных пассивных входных сигналов, модуль GSM 10 для подключения к сети GSM и создания TCP/IP-соединений с удаленными компьютерами центра управления и сбора данных, модуль ZigBee 11 для работы в беспроводной сети Zigbee в диапазоне частот 2400-2483,5 МГц в режиме базовой станции и организации и обеспечения связи по беспроводному каналу с цифровыми приборами учета электроэнергии абонентов, модуль GPS 12 для приема сигналов точного времени ГЛОНАСС/GPS с целью синхронизации энергонезависимых часов реального времени, модуль PLC2 13 для работы в сети PLC2 в полосе частот CENELEC А в режиме базовой станции и подключаемый к электрической сети низкого напряжения 0,4 кВ и обеспечивающий дублирующий канал связи с цифровыми приборами учета электроэнергии абонентов по интерфейсу PLC и модуль питания 14 включающий выпрямитель, источник питания и преобразователи DC/DC для питания всех составных частей устройства. Для сетей PLC1 и PLC2 выбраны разные полосы частот 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.
Работа концентратора в системе управления, контроля и учета электроэнергии в сетях среднего и низкого напряжения осуществляется следующим образом. Первоначально устройство через один из интерфейсов конфигурируется от внешнего компьютера в зависимости от его использования как базовое или как удаленное. Базовое устройство это то, которое взаимодействует с центром управления и сбора данных через модуль Ethernet-1 6 или модуль GSM 10 и взаимодействует с центром сбора данных коммерческого учета через модуль Ethernet-2 8. Для базового устройства конфигурируются данные модули для передачи и приема данных в сетях Ethernet-1, GSM и Ethernet-2. Кроме того, для базового устройства модули RF 2, модуль PLC1 4, модуль Zigbee 11 и модуль PLC2 13 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 центрами сбора управления и сбора данных, а взаимодействует с базовым устройством по беспроводному каналу связи через модуль RF 2 и параллельно по каналу PLC через модуль PLC1 4 и для него модуль RF 2 и модуль PLC1 4 конфигурируются как «Удаленная станция» в беспроводной сети RF и в сети PLC1, а модуль Zigbee 11 и модуль PLC2 13 конфигурируются как «Базовая станция», т.е. удаленное устройство является главным в сетях PLC2 и Zigbee и подчиненным в сетях PLC1 и RF.
A
B
C
N
Устанавливают концентратор на подстанции. Устройство, установленное на подстанции ближайшей к центру управления и сбора данных, конфигурируется как базовое, и оно использует для связи с центром управления и сбора данных проводные сети Ethernet, как основные и беспроводную сеть GSM, как резервную. Подключают устройство к сетям Ethernet центра управления и сбора данных через модуль Ethernet-1 6 и центра сбора данных коммерческого учета через модуль Ethernet-2 8. К модулю GSM 10 подключают внешнюю GSM антенну. К модулю GPS 12 подключают внешнюю GPS антенну. К модулю RF 2 подключают внешнюю антенну. Модуль PLC1 4 соединяют с внешним устройством согласования, которое соединено с подходящей линией среднего напряжения. К интерфейсу RS-485-1 5 подключают приборы учета электроэнергии установленные на ТП. К интерфейсу RS-485-2 7 подключают имеющиеся на ТП устройства ТМ, с которыми обмен данными осуществляется в «прозрачном» режиме. К модулю ввода сигналов ТС 9 подключают линии от имеющихся двухпозиционных датчиков (например, положение дверей, неисправность устройств, положение автоматов). К модулю Zigbee 11 подключают внешнюю антенну Zigbee. Модуль PLC2 13 через контакты U, U, U, и U устройства 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 осуществляется синхронизации энергонезависимых часов реального времени от модуля GPS, затем, в соответствии с заданными параметрами конфигурации, концентратор формирует сети ZigBee, PLC2, PLC1 и RF производя автоматический поиск приборов учета в сетях ZigBee и PLC2 и автоматический поиск удаленных концентраторов в сетях RF и PLC1. 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-485-1 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 PLC2. 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 PLC2 и добавляет вновь обнаруженные приборы учета в журнал. Работа концентратора по сбору данных с удаленных концентраторов в сетях PLC1 и RF производится автоматически, в соответствии с журналом удаленных концентраторов и осуществляется аналогично и параллельно работе в сетях ZigBee и PLC2. Передача сигналов ТС в центр управления и сбора данных осуществляется при изменении двоичного входного сигнала ТС, либо по запросу состояния сигналов ТС из центра. Взаимодействие центра управления и сбора данных с устройствами ТМ в «прозрачном» режиме осуществляется по инициативе центра, который формирует и передает сообщения для устройств ТМ, подключенных к интерфейсу RS-485-2. Концентратор в этом режиме выполняет роль ретранслятора, ретрансляция запросов от центра управления и сбора данных к устройствам ТМ по интерфейсу RS-485-2 и ретрансляция ответов в м и обратном направлениях без преобразования данных в коммуникаторе.
При использовании заявленного устройства на удаленных подстанциях оно конфигурируется как удаленное устройство, т.е. модули RF 2 и PLC1 4 конфигурируются как «Удаленные станции» в беспроводной сети RF и в сети PLC1. Модули Ethernet 6, Ethernet 8, GSM 10 и GPS 12 не используются, а модули Zigbee 11 и PLC2 13 подключаются, конфигурируются и работают «Базовыми станциями», как на базовом устройстве. К проводному интерфейсу RS-485-1 5 подключают приборы учета электроэнергии находящиеся на удаленной подстанции, а к интерфейсу RS-485-2 7 подключают имеющиеся на ТП устройства ТМ, с которыми обмен данными осуществляется в «прозрачном» режиме. К модулю Zigbee 11 подключают внешнюю антенну Zigbee. Модуль PLC1 4 соединяют с внешним устройством согласования, которое соединено с подходящей линией среднего напряжения. К модулю RF 2 подключают внешнюю антенну. Работа удаленного устройства по интерфейсам RS-485-1 5 и RS-485-2 7 и в сетях ZigBee и PLC2 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 PLC1 через модули RF 2 и PLC1 4 по инициативе базового устройства, которое является главным в сетях RF и PLC1.
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-МЗ от NXP / Philips. Модули GSM и GPS могут быть реализованы на базе GSM/GPRS модуля EC25EUXGA-128-SGNS включающего приемник GPS/GLONASS, производится Тайваньской компанией Quectel Wireless Solutions Co. Ltd.