Контроллер присоединения объектов микрогенерации к распределительной сети

РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Архитектура КПМГ приведена в приложении А на фигуре 2.
КПМГ содержит трехфазный двунаправленный прибор учета электроэнергии прямого включения (8), обеспечивающий учет отдельно потребляемой и выдаваемой в сеть электроэнергии, измеритель показателей качества электроэнергии (9), встроенных размыкателей нагрузки (10) для отключения потребителя, модуля телесигнализации и модуля телеуправления внешним размыкателем (11), модуля связи GPRS модем (12), позволяющего подключаться прибору учета к автоматизированным системам коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ) и системам телемеханики (ТМ), порт связи RS-485 (13) и оптический порт (14) для проведения настройки и калибровки КПМГ.
Для обеспечения безопасности персонала электросетевых компаний в случае проведения работ на линиях только от диспетчера сетевой компании подается команда (по каналу GPRS) на полное гарантированное отключение ОМГ от сети с помощью внешнего размыкателя с подтверждением разомкнутого или замкнутого состояния по сигналам телесигнализации и передачей этого состояния по каналам связи в сервер АСКУЭ.
Внутренний размыкатель (10) предназначен для ввода ограничения по команде в случаях, определенных законодательством РФ. Отключение (10) происходит по команде оператора при вводе ограничений или при превышении разрешенной мощности потребления. Включение (10) производится собственником ОМГ при выполнении условий для снятия ограничений или при снижении потребляемой мощности до заданных значений.
Техническим результатом предполагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей приборов учета с двунаправленным учетом электроэнергии (отдельно потребляемой и выдаваемой в сеть) и удовлетворение требований электросетевых предприятий по контролю количества и качества электроэнергии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известен счетчик электрической энергии электронный многофункциональный «Фотон» №58850-14 в Государственном реестре средств измерений.
Счетчики электрической энергии электронные многофункциональные «Фотон» (далее - счетчик, прибор учета) предназначены для измерений и учета активной и реактивной электрической энергии и мощности в двух направлениях (прямое и обратное), измерения параметров сети, контроля основных показателей качества электроэнергии (ПКЭ), ввода дискретных сигналов (ТС) и передачи сигналов телеуправления (ТУ). Счетчики предназначены для работы в 3-х и 4-х проводных электрических сетях систем электроснабжения переменного тока промышленной частоты и может подключаться через трансформаторы тока и по напряжению напрямую или через трансформаторы напряжения. Счетчик может применяться как автономно, так и в составе автоматизированных систем коммерческого учета (АСКУЭ) и технического учета электроэнергии, диспетчерского управления (АСДУ). Принцип действия счетчика основан на преобразовании входных сигналов тока и напряжения встроенной измерительной схемой на трансформаторах тока и резистивных делителях напряжения, в напряжения, пропорциональные измеряемым величинам, и далее аналого-цифровом преобразовании полученных напряжений в цифровой код с последующей математической обработкой. Обработку осуществляет специализированная интегральная микросхема с АЦП и цифровым сигнальным процессором.
Счетчик имеет энергонезависимую память для хранения данных об электроэнергии, мощности и параметрах сети, которая сохраняет информацию не менее 10 лет, и часы. Счетчик питается как от измерительной цепи напряжения, так и от источника внешнего резервного питания. Переключение на резервное питание и обратно выполняется автоматически. Модификации с модулями ТС и ТУ питаются только от внешнего источника.
Жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) с подсветкой имеет 4 строки по 16 знакомест в каждой. Счетчик имеет основной интерфейс RS-485 для параметрирования и передачи данных в АИИС КУЭ, оптический интерфейс для параметрирования и локальной передачи данных, 1 или 2 дополнительных интерфейса RS-485, CAN, Ethernet для передачи данных в различные автоматизированные системы.
К недостаткам счетчиков электрической энергии подобного типа следует отнести:
1. Невозможность полного отключения объекта мигрогенерации (ОМГ) от сети по команде диспетчера сбытовой организации в случае выполнения работ на линии с использованием среды передачи канала GPRS.
2. Невозможность отключения потребителя объекта мигрогенерации (ОМГ) в случае не качественной электроэнергии из линии.
3 Невозможность отключения потребителя объекта мигрогенерации (ОМГ) в случае превышения лимитов отдаваемой в линию электроэнергии.
4 Невозможность отключения потребителя объекта мигрогенерации (ОМГ) в случае превышения лимитов потребляемой из линии электроэнергии.
Задачей полезной модели является создание на базе указанного прибора учета цифрового контроллера присоединения объектов микрогенерации (КПМГ).
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Архитектура КПМГ приведена в приложении А на фигуре 2.
КПМГ содержит трехфазный двунаправленный прибор учета электроэнергии прямого включения (8), обеспечивающий учет отдельно потребляемой и выдаваемой в сеть электроэнергии, измеритель показателей качества электроэнергии (9), встроенных размыкателей нагрузки (10) для отключения потребителя, модуля телесигнализации и модуля телеуправления внешним размыкателем (11), модуля связи GPRS модем (12), позволяющего подключаться прибору учета к автоматизированным системам коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ) и системам телемеханики (ТМ), порт связи RS-485 (13) и оптический порт (14) для проведения настройки и калибровки КПМГ.
Для обеспечения безопасности персонала электросетевых компаний в случае проведения работ на линиях только от диспетчера сетевой компании подается команда (по каналу GPRS) на полное гарантированное отключение ОМГ от сети с помощью внешнего размыкателя с подтверждением разомкнутого или замкнутого состояния по сигналам телесигнализации и передачей этого состояния по каналам связи в сервер АСКУЭ.
Внутренний размыкатель (10) предназначен для ввода ограничения по команде в случаях, определенных законодательством РФ. Отключение (10) происходит по команде оператора при вводе ограничений или при превышении разрешенной мощности потребления. Включение (10) производится собственником ОМГ при выполнении условий для снятия ограничений или при снижении потребляемой мощности до заданных значений.
Техническим результатом предполагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей приборов учета с двунаправленным учетом электроэнергии (отдельно потребляемой и выдаваемой в сеть) и удовлетворение требований электросетевых предприятий по контролю количества и качества электроэнергии, вырабатываемой микрогенерацией, согласно Федерального закона от 27 декабря 2019 г. №471-ФЗ "О внесении изменений в Федеральный закон "Об электроэнергетике" в части развития микрогенерации", требований по исключению возможности подачи напряжения на оборудование сетевых предприятий от микрогенерации при обслуживании и ремонта сетей, а также контроль качества выдаваемых излишков электроэнергии в сеть.
Техническим результатом от использования разработанной модели является обеспечение надежности и универсальности разработанного устройства, возможности гибкого управления питанием потребителей ОМГ, передачи излишков электроэнергии в линию, оперативного и надежного отключения ОМГ от линии при аварийных и восстановительных работах на линии по командам диспетчера сетевой компании.
Надежность обеспечивается благодаря использованию ранее разработанных методов создания систем управления в энергетике, а также имеющиеся наработки в области разработки аппаратных и программных средств телемеханики и систем диспетчерского управления и систем автоматизированного учета электроэнергии.
Аппаратная часть разработана с использованием современных технологий приборостроения (AutoCAD, Pcad) и современных электронных компонентов (семейство микроконтроллеров STM32 основанных на 32 битных ядрах процессоров ARM). Разработка внутреннего программное обеспечение контроллера осуществляется на С++ (основной язык разработки) и С# (дополнительный язык разработки).
Универсальность достигается благодаря модульной и масштабируемой структуре, что позволяет обеспечить в составе одного контроллера необходимый набор каналов приема сигналов телесигнализации и выработки сигналов телеуправления для разнообразных случаев применения.
Поддержка программируемой логики дает возможность пользователю программировать КПМГ под широкий круг задач.
В КПМГ имеется возможность питания как постоянным, так и переменным током.
Универсальность применения КПМГ дополнительно обеспечивается поддержкой протоколов СПОДЭС, ФОТОН, МЭК 60870-5-104.
Задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в состав КПМГ кроме трехфазного двунаправленного прибора учета электроэнергии прямого включения вводятся дополнительные аппаратные и программные модули.
В состав КПМГ введены встроенные управляемые размыкатели (10) по каждой фазе. Отключение размыкателей происходит по команде оператора при вводе ограничений или при превышении разрешенной мощности потребления. Включение размыкателей производится собственником ОМГ при выполнении условий для снятия ограничений или при снижении потребляемой мощности до заданных значений.
В состав КПМГ введены программные модули, позволяющие оперативно управлять внешним размыкателем (6). Внешний размыкатель - предназначен для создания разрыва между распределительной сетью и инвертором, в случае производства работ на объектах электросетевой компании, связанных с отключением питающей линии электропередач. Кроме того, управляющее воздействие на внешний размыкатель может происходить на основе заданного алгоритма по результатам измерения параметров качества электроэнергии (напряжение, частота, гармонические составляющие напряжения, ток).
В КПМГ есть возможность настройки предельных значений контролируемых параметров. При превышении предельных значений контролируемых параметров КПМГ производит отключение коммутационного аппарата, фиксирует данный факт во внутреннем журнале событий и сигнализирует об аварийной ситуации.
Предельное значение силы тока в абсолютном направлении не должно превышать ток, соответствующий мощности 15 кВт для трехфазной сети 380 В.
В состав КПМГ введен дополнительный канал связи по сети GSM с использованием GPRS модема (12) для передачи пакетных данных в сервер АСКУЭ через интернет (TCP/IP).
Контроллер присоединения выполнен в типовом серийном закрытом корпусе, со встроенными размыкателями и с возможностью подключения для управления внешним размыкателем.
Развернутая модель КПМГ представлена на фигуре 3.
Основной состав компонентов, из которых состоит КПМГ:
пластиковый корпус, с прозрачной верхней крышкой и крышками под колодку и платы расширения (15);
колодка, для подключения контроллера к сети 380 В (16);
токовые трансформаторы, как основные измерительные элементы (17);
встроенные размыкатели (10) на 90А или более;
основная плата КПМГ (18) с размещенными на ней элементами прибора;
плата расширения №1 (19);
плата расширения №2 (20);
соединительная плата (21).
Основная плата содержит:
1) центральный контроллер (центральный процессор(27));
2) блок питания на 220 В (22);
3) блок резервного питания на 24 В (29);
4) делители напряжения (26);
5) шунты (32);
6) аналого-цифровой преобразователь (АЦП(25));
7) плата ЖК индикатора (23);
8) порт загрузки программного обеспечения (24);
9) интерфейс RS-485 (13);
10) GPRS-антенна (35);
11) Держатель SIM-карты (34)
12) Модуль внутреннего питания (33).
Плата расширения №1 содержит:
1) GPRS модема (12) с SIM-картой и антенной;
2) модуль дискретных входов (28).
Платы расширения №2 содержит:
1) модуль телеуправления (30);
2) разъем для подключения резервного питания 24 В (31).
Структурная схема состава КПМГ отображена на фигуре 4.
Все платы КПМГ размещаются внутри пластикового основания и прикрываются прозрачной верхней частью пластикового корпуса. Контакты для модуля телесигнализации и телеуправления, как и разъем для установки SIM карты размещен с верхней стороны устройства и прикрываются крышкой, которая крепится на винтах. Клеммная крышка, которая прикрывает клеммную колодку, также крепится на винтах и находится в нижней части корпуса.
КПМГ подключается к распределительной сети и сети объекта макрогенерации через колодку (16), которая предназначена для работы в сети с максимальным током не менее 80А.
Встроенные размыкатели (10) расположены внутри корпуса под основной платой устройства и подключатся (припаиваются) к основной плате через специальные контакты.
На основной плате устройства (18) расположились главные функциональные компоненты: центральный процессор с памятью, аналого-цифровой преобразователь и ЖК-экран. За основную функциональность отвечает центральный процессор STM32 фирмы STMicroelectronics, а за измерительную часть отвечает АЦП марки ADE9000 фирмы Analog Devices.
Отображение информации осуществляется на встроенном многострочном ЖК-экране (23).
За ввод сигналов телесигнализации отвечает модуль телесигнализации, расположенный на плате расширения №1 (19). Так же на данной плате находится модем GPRS (12) производства фирмы Quectel, который предназначен для связи КПМГ с сервером верхнего уровня.
Для отключения объекта микрогенерации в случае проведения работ на линии или из-за выдачи некачественной электроэнергии в общую распределительную сеть предусмотрена возможность подачи сигнала на отключение от модуля телеуправления (расположенному на плате расширения №2 (20) внешнему размыкателю.
КПМГ имеет несколько интерфейсов для конфигурирования и считывания событий, показаний и состояния контроллера. Для конфигурирования используются порт RS-485 (13), оптический порт (14) или связь GPRS. Показания и события можно считывать со встроенного ЖК-экрана. Управление страницами на ЖК-экране происходит с помощью кнопки меню, расположенной на фронтальной панели контроллера присоединения. Также контроллер присоединения имеет индикацию потребления или отдачи активной и реактивной энергии в виде двух красных светодиодов, расположенных рядом с ЖК-экраном.
Для выполнения проверки работоспособности, конфигурирования контроллера, его калибровки и поверки, а также передачи данных на сервер АСКУЭ прибор имеет следующие интерфейсы:
RS-485, скорость передачи данных не менее 9600 бит/с - 1 шт.;
встроенный GPRS-модем - 1 шт.;
оптопорт - 1 шт.
Для работы с автоматизированными системами учета электроэнергии и системами телемеханики прибор поддерживает следующие открытые протоколы передачи данных:
для работы в составе АСКУЭ:
1) СПОДЭС;
2) протокол «ФОТОН»;
для работы в составе ССПИ:
1) МЭК 60870-5-104.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность полезной модели поясняется рисунками, на которых изображено:
на фиг. 1 - представлена структурная схема подключения КПМГ к объекту микрогенерации и городской 3-х фазной сети;
на фиг.2 - представлена архитектура КПМГ;
на фиг. 3 - представлена развернутая модель конструкции КПМГ;
на фиг. 4 - представлена структурная схема аппаратного состава КПМГ;
на фиг. 5 - представлен общий вид КПМГ;
на фиг. 6 - представлена плата расширения №1;
на фиг. 7 - представлена плата расширения №2;
на фиг. 8 - представлена плата блока питания КПМГ;
на фиг. 9 - представлена колодка подключения КПМГ;
на фиг. 10 - представлены разъемы модулей ТС, ТУ и интерфейса RS-485;
на фиг. 11 - представлен встроенный размыкатель КПМГ;
на фиг. 12 - представлены солнечные батареи объекта микрогенерации;
на фиг. 13 - представлен шкаф объекта микрогенерации;
на фиг. 14 - представлено рабочее место оператора диспетчерского пункта АСКУЭ (имитатор).
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Полезная модель была осуществлена с учетом реализации заявленных требований на аппаратном и программном уровне.
На фиг. 5-14 показаны виды основных узлов аппаратной части КПМГ, а также аппаратной части объекта микрогенерации.
Тестирование внутреннего (встроенного) программного обеспечения контроллера по функциям телесигнализации и телеуправления, осуществляется при помощи специализированного программного обеспечения «Iec104TsTuTest».
Для тестирования работоспособности КПМГ разработана методика тестирования работоспособности узлов и всего КПМГ.