Исторически потребность в учёте и контроле возникла практически одновременно с появлением распределительных электросетей. Электросчётчики прошли большой эволюционный путь от первого подобного устройства, запатентованного Сэмюэлом Гардинером в 1872 г. Фактически это были простые механические часы, запускавшиеся и останавливавшиеся электромагнитом при появлении и пропадании тока в цепи. Сила тока и напряжение измерялись отдельными приборами, вычислять количество энергии (перемножая эти два параметра и отсчитанное часами время) нужно было вручную. Современные же измерительные комплексы способны выполнять многочисленные задачи помимо собственно измерения количества отпущенной электроэнергии.
Первый коммерческий автоматический счётчик с удалённым считыванием показаний был разработан Т. Параскевакосом в 1977 г. Однако до реального внедрения концепции дистанционных измерений в электросетях было ещё очень далеко. Прошло более трёх десятков лет, прежде чем всё расширяющееся внедрение ВИЭ, распределённой генерации и систем распределённого хранения электроэнергии привело к необходимости поменять привычную модель энергообеспечения. Её эволюция в сторону сетей, объединяющих множество децентрализованных ресурсов генерации и хранения, привела к концепции умной сети, которая не может эффективно функционировать без не менее умных измерительных систем (УИС).
В 2012 г. Европарламент в своей директиве определил умное измерительное устройство, или просто умный счётчик (УС), как «электронное устройство для измерения количества потребляемой электроэнергии, предоставляющее больше информации, чем обычный счётчик, и способное тем или иным способом передавать и принимать данные». УС «общаются» между собой и с центрами сбора и обработки данных без вмешательства человека. Собранные ими данные посылаются по проводным или беспроводным каналам связи на серверы, занимающиеся их обработкой и передающие счётчикам определённые команды по её результатам. Таким образом, ключевым фактором эффективности УИС становится межмашинное (M2M) взаимодействие.
Получаемые от УС данные пригодятся не только для более эффективного контроля за сетью и управления ею. Они могут послужить основой для развёртывания систем предсказания отказов и управления нагрузками.
Умная измерительная система
Первые попытки автоматизации учёта привели к появлению так называемых автоматизированных систем коммерческого учёта электроэнергии (АСКУЭ). Они позволяют дистанционно считывать и обрабатывать показания о потреблённой энергии и другую информацию со счётчиков, установленных у потребителей. Будучи однонаправленными, такие системы ограничивались дистанционным считыванием показаний и не могли решать дополнительные задачи. Поэтому на смену АСКУЭ начали приходить УИС, обеспечивающие поставщикам электроэнергии двустороннюю связь с УС, другими умными датчиками и исполнительными устройствами. Как результат — возможность не только отслеживать состояние сети, но и управлять ею.
УИС подразумевает развёртывание гетерогенной инфраструктуры, включающей четыре вида основных элементов:
* умный счётчик (УС);
* устройство сбора данных‚ или концентратор данных (КД);
* система связи для передачи данных (CC);
* централизованная система управления и контроля‚ или центр управления (ЦУ).
Конкретные требования к УИС и её характеристики в большой степени зависят от вариантов её применения. Кроме того, сами измерения в УИС могут выполняться по-разному. Здесь можно выделить три основных способа:
* по требованию, когда данные измерений передаются из точек потребления в ЦУ по его запросу;
* по расписанию, когда данные передаются из точек потребления в ЦУ по заранее запрограммированному графику;
* постоянно, когда ЦУ непрерывно (по крайней мере несколько раз в сутки) собирает показания со всех УС.
Умный счётчик
В последнее время УС развиваются в сторону двунаправленности и последовательного расширения функциональности. Двунаправленность можно понимать с различных точек зрения: по энергии (протекание потока энергии как от поставщика к потребителю, так и в обратном направлении при использовании потребителем ВИЭ и систем хранения, способных отдавать в сеть излишки энергии) и по коммуникациям (данные передаются от УС на КД, но КД может также передавать данные и команды УС, имеющим встроенный коммуникационный узел).
Набор функций УС не ограничивается какими-либо нормативными актами, но, например, Европейская группа производителей умных счётчиков (European Smart Meters Industry Group, ESMIG) считает, что минимальный обязательный набор возможностей УС сводится к следующим четырём основным:
* удалённое считывание показаний;
* двунаправленная связь с КД;
* поддержка разнообразных тарифных и биллинговых систем;
* дистанционное управление подачей энергии.
Концентратор данных
Основное предназначение КД — собирать показания умных счётчиков. Кроме того, КД обычно представляет собой главный узел коммуникационной подсети, состоящей из него самого и «общающегося» с ним набора УС, в состав каждого из которых, в свою очередь, входит встроенный коммуникационный узел. КД обычно располагаются внутри трансформаторных подстанций.
Система связи
Передача данных между УС, КД и ЦУ должна быть надёжной, своевременной и защищённой. Ключевая роль в выполнении этих требований принадлежит технологиям связи, которые должны быть недорогими и при этом обеспечивать достаточные зону покрытия, полосу пропускания, защищённость и энергоэффективность. Системы связи в энергосетях в своей эволюции уходят от односторонних структур с радиальной топологией, двигаясь к двунаправленным схемам сетевой топологии.
Центр управления
ЦУ, или система управления данными (СУД), отвечает за приём и сохранение данных от КД для последующей обработки. ЦУ можно рассматривать как модульную систему, состоящую из системы управления данными счётчиков (СУДС) и дополнительных модулей, в число которых могут входить подсистемы обслуживания конечных потребителей, метео- и геоинформационные системы, управляющие приложения и системы управления нагрузкой.
В СУДС входят инструменты для организации взаимодействия всех модулей, валидации, обработки и редактирования данных УС. По мере развития ЦУ из простых систем сбора и хранения данных от счётчиков, какими они были во времена АСКУЭ, превращаются в интеллектуальные системы, способные принимать решения и управлять всей сетью сразу в реальном масштабе времени.
Массив данных, полученных от УС, — исключительно ценный ресурс для поставщиков. На основе машинного анализа этих «больших данных» в облачных системах появляется возможность делать разного рода предсказания (имеющихся запасов энергии, вероятности отключений, потребляемой клиентами мощности), а следовательно, принимать превентивные меры для недопущения разнообразных неприятных событий вместо того, чтобы, как раньше, просто реагировать на них после того как они произошли.
Сквозь тернии — к УИС
Процесс создания УИС состоит из трёх основных этапов: проектирования, развёртывания и запуска в эксплуатацию. Из-за огромного разнообразия требований и характеристик в каждом конкретном случае, а также множества разных технологий и сценариев проектирование УИС оказывается непростой задачей. Здесь можно выделить следующие аспекты:
* выбор наиболее подходящих технологических решений;
* выбор типа сети связи (проводная, беспроводная, гибридная), её зоны покрытия, пропускной способности, защищённости от вредоносных вторжений и перехвата данных;
* оценка стоимости оборудования, инфраструктуры коммуникационной сети и обслуживания;
* оценка состава услуг для клиентов, обеспечение им доступа к своим данным.
Этап развёртывания подразумевает выполнение всех необходимых мероприятий для замены входящих в проект счётчиков на умные. На этом этапе также строится коммуникационная инфраструктура, включающая все необходимые компоненты и устройства. Наконец, на этапе запуска проводятся начальная настройка устройств, установка и конфигурирование программного обеспечения ЦУ.
Применение УИС
Кроме контроля и управления умная измерительная система может использоваться для ряда различных целей, когда объединяются данные измерений и другая информация, а также используются дополнительные устройства, обеспечивая новые возможности для поставщиков и потребителей электроэнергии. Большинство подобных приложений находится сейчас в стадии разработки. Далее перечислим основные их задачи.
Обеспечение качества электроэнергии. В традиционных распределительных сетях контрольные приборы располагаются только на подстанциях. С переходом на умные сети сложность и количество контролируемого оборудования значительно возрастают, поэтому требуется более детальная, распределённая и чаще поступающая информация. Способность УС в реальном масштабе времени измерять напряжение и другие параметры, а также двунаправленная связь между потребителями и ЦУ открывают новые возможности по поддержанию стабильного напряжения в сети.
Управление распределённой генерацией (РГ) и средствами распределённого хранения (РХ). Когда речь идёт о малопредсказуемых ВИЭ, контролировать РГ и управлять ею значительно сложнее, чем системой традиционных источников энергии. Эти неопределённости затрудняют работу ЦУ и создают препятствия для использования распределённых ресурсов. Именно УС, предоставляя в реальном времени точные и часто обновляемые данные о генераторах (для РГ) и процессах зарядки/разрядки (для РХ), помогают преодолеть эти трудности и обеспечить «бесшовное» включение ВИЭ в состав распределённой сети.
Биллинг. УИС необходимы для организации современных биллинговых систем. Получая тарифную информацию в реальном времени или в процессе начального программирования, умные счётчики обеспечивают подсчёт стоимости потреблённой энергии. Кроме того, они способны по команде из ЦУ останавливать и возобновлять подачу энергии.
Регулирование потребления. Динамическая координация потребляемой клиентами мощности с возможностями генерации, или регулирование потребления, вносит заметный вклад в общую эффективность энергосистемы. Потребители начинают играть более важную роль в работе электросети, сокращая своё потребление в периоды пиковых нагрузок (читай: повышенных тарифов) и реагируя на другие формы финансового побуждения. Внедряя подобные системы, можно снизить стоимость электроэнергии на оптовых рынках и, следовательно, уменьшить розничные тарифы.
Оснащение умных домов. Роль УИС в частных квартирах и домовладениях трудно переоценить. Получая данные измерений, пользователь может отследить и скорректировать своё потребление. Сейчас появляется всё больше разнообразных услуг, таких как профилирование потребления, управление нагрузкой, дистанционное включение и выключение домашних электроприборов, дистанционный мониторинг потребления и др.
Борьба с мошенниками. Обход счётчиков, вмешательство в их работу и другие способы снизить оплату счетов за электроэнергию или вообще избежать её рассматриваются как мошенничество. Во многих странах разрабатываются или уже внедрены довольно сложные антимошеннические системы на базе УИС, способные в автоматическом режиме выявлять и предупреждать потребителей, идущих на фальсификации.
Связь для УИС
Работа УИС очень сильно зависит от применяемых технологий связи. Для правильного их выбора нужно учесть самые разные вопросы, в том числе особенности региона и топологию электросети. Существует множество различных технологий, на которых можно построить коммуникационную сеть УИС, однако пока ни одна из них не способна удовлетворить все потребности. Иногда в коммуникационной сети УИС приходится применять несколько разных технологий.
При выборе между беспроводными и проводными сетями нужно учесть, что развёртывание первых, как правило, обходится дешевле и выполняется быстрее. Они также лучше подходят для удалённых и труднодоступных мест. В свою очередь, проводные сети практически не подвержены радиопомехам, которые способны нарушить работу беспроводной связи.
Радиосвязь в УИС шире всего применяется в США и Канаде. Показания счётчиков и другие данные передаются между УС и КД по беспроводным радиоканалам, а затем тем или иным способом переправляются в ЦУ для обработки. Наиболее известна топология RF mesh, где УС «общаются» между собой, формируя локальную сеть для своего КД. Топология RF mesh обеспечивает приемлемые задержки и широкую полосу пропускания, используясь, как правило, в нелицензируемых диапазонах частот. Сеть обладает способностью к самовосстановлению: при отказе одного из узлов маршрут передачи меняется. Но mesh-сети строятся по заказу, кроме того, их сложно разворачивать в сельской и гористой местности.
В европейских странах используются в основном проводные технологии, а в некоторых случаях — сотовые сети, особенно с применением GPRS. Эта эффективная и надёжная технология, основанная на открытом стандарте, отличается невысокими скоростями передачи данных.
Другие беспроводные технологии, такие как ZigBee, 6LoWPAN и Bluetooth, основаны на стандарте IEEE 802.15. Они характеризуются низкими скоростями передачи, малым потреблением мощности и дешевизной. Широко известная технология ZigBee задействуется пока в основном для организации связи между УС и домашними электрическими приборами.
Беспроводная персональная сеть малой мощности (6LoWPAN, Low Power Wireless Personal Area Networks) использует версию 6 сетевого протокола IP и базируется на тех же стандартах, что и ZigBee. Основное преимущество 6LoWPAN — наличие у каждого узла собственного адреса IPv6.
Bluetooth — технология с малой мощностью передатчика и, соответственно, небольшим радиусом действия, принятая в основном для подключения отдельных устройств. Bluetooth обеспечивает связь как «точка — точка», так и «точка — многоточка», но обладает меньшей защищённостью, чем конкурирующие технологии.
Широко известное семейство стандартов IEEE 802.11 (Wi-Fi) предоставляет технологии, которые отличаются высокой надёжностью и доступностью. Но электромагнитные помехи влияют на скорость передачи таких сетей, а они, в свою очередь, создают радиопомехи для других устройств.
Наконец, сеть WiMAX, основанная на стандарте IEEE 802.16, может обслуживать тысячи пользователей на больших расстояниях и с более высоким качеством, чем IEEE 802.11. Но WiMAX — довольно дорогая технология.
По проводам
Из известных проводных решений для УИС в Европе и Китае широко используется передача данных по электропроводке — Power Line Communication (PLC). Её главное преимущество состоит в том, что не требуется прокладывать никаких дополнительных линий связи — средой для передачи данных служит сама электросеть. Кроме того, коммуникационные адаптеры не требуют батарейного питания — они работают от сети. Но сама электросеть не очень хорошо приспособлена для передачи информации: в ней возникают импульсные помехи и другие возмущения от подключённых устройств (инверторов, моторов, энергосберегающих ламп и др.). Диапазоны частот PLC в разных регионах разные. В целом есть две группы PLC-технологий: широкополосная (BB-PLC), использующая частоты до 30 МГц и обеспечивающая высокую скорость передачи данных, и узкополосная (NB-PLC), работающая на частотах до 500 кГц со средними скоростями передачи. NB-PLC сейчас получает всё более широкое распространение благодаря внедрению современных методов модуляции, например, OFDM. Тем более что для применения в УИС вполне достаточны средние скорости передачи.
Ещё одна популярная проводная технология — цифровая абонентская линия, Digital Subscriber Line (DSL), использующая в качестве коммуникационной среды провода телефонной сети. Основные преимущества DSL в том, что в большинстве случаев провода уже имеются, а скорость передачи получается достаточно большой. Но DSL дорога в обслуживании, а её эффективность падает с увеличением расстояния.
Также стоит упомянуть Euridis, недорогое и хорошо известное решение (оно появилось в начале 1990-х годов) с большой установленной базой — почти 6 млн УС в мире. Протокол Euridis обеспечивает одновременный доступ к не более чем 100 УС, подключённым к двухпроводной витой паре.
Наконец, волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), обеспечивающие наиболее высокие скорости передачи и помехоустойчивость на расстояниях до десятков километров, распространены пока не очень широко из-за высокой стоимости прокладки. Поэтому их применение в УИС ограничивается сетями среднего напряжения и каналами связи между КД и ЦУ. Лучше всего для УИС подходят пассивные оптические сети Passive Optical Networks (PON), в которых используются оптические расщепители, причём одна ВОЛС может обслуживать нескольких пользователей.
В завершение отметим, что специалистов с практическим опытом построения умных сетей в нашей стране пока крайне мало, причём искать их нужно не в энергетике и не в связи, а, скорее, в компаниях — системных интеграторах.
Эта статья первоначально была опубликована: в газете «Энерговектор», № 12/2016