Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Метрология синхронных измерений электрической энергии и мощности в цифровых АСКУЭ
Современные АСКУЭ в электроэнергетике и у потребителей являются масштабными системами, выполняющими одновременно измерение и учет электрической энергии и мощности по многим территориально распределенным точкам электросети. Все эти системы должны работать в реальном времени и обеспечивать его правильное определение как по всем точкам учета, так и для всей иерархии тех временных интервалов, за которые измеряются и рассчитываются значения мощности и энергии. Проблемы и решения метрологического обеспечения таких измерений во времени рассматриваются в данной статье.
Предыстория - ручной съем показаний счетчиков
С момента появления в конце 19-го столетия первого электромеханического счетчика электрической энергии (первый патент на индукционный счетчик был выдан в 1889г.) учет электроэнергии на электростанциях, промышленных предприятиях и в быту производился путем регулярного списывания инспектором или потребителем показаний счетных механизмов (дисплея) счетчиков и занесения их в учетный документ с последующим вычислением по этим показаниям расхода электроэнергии за расчетный период времени. На рис. 1,а изображен один из типичных однофазных счетчиков первой трети 20-го столетия (счетчик EFk 220В-5А выпущен в 1928г. в Германии предприятием «Aron Wechselstromzäler» - «Счетчики переменного тока Арона»).
|
Так как потребление электроэнергии отдельными абонентами в начале 20-го века было относительно невелико, то вплоть до 30-х годов счетные механизмы счетчиков имели всего три знака до запятой (к середине 30-х годов их количество увеличилось до 4, а во второй половине века - до нынешних 5 цифр) и один-два десятичных знака после запятой (класс точности массовых счетчиков - 2,5 или 3,0%). Такие счетчики вели однотарифный накопительный учет с платой за электроэнергию, потребленную за расчетный период (месяц). Расход электроэнергии за этот период определялся как разность между последним и предыдущим показаниями счетчиков, снятыми по концу соответствующих периодов.
Точность привязки показаний счетчиков к реальному времени определялась часами инспектора или потребителя, но, главное, исполнительностью последних. Фактически временная погрешность месячного учета по точке учета (счетчику) могла достигать нескольких суток или в лучшем случае нескольких часов, т.е. лежала в диапазоне от 1 до 10 и более процентов, подчас превышая в несколько раз погрешность учета электроэнергии счетчиком. Если на объекте учета было установлено несколько территориально удаленных друг от друга счетчиков, суммарная временная погрешность учета по объекту в целом могла быть еще выше за счет затрат времени на обход точек учета для снятия показаний соответствующих счетчиков. И ныне многие бытовые потребители снимают и оплачивают показания своих счетчиков с задержкой до 2-3 недель относительно момента окончания расчетного периода, т.е. с временной погрешностью 50 и более процентов. Общие требования к индукционным счетчикам, включая их терминологию, регламентируются стандартами [1,2].
Уже в 30-х годах прошлого столетия в индустриально развивающихся странах из-за нехватки генерирующих мощностей возник вопрос об управлении потребительским спросом на электроэнергию через тарифы, дифференцированные по зонам суток [3]. В Европе, в частности, в Германии, стали использовать для крупных промышленных потребителей трехфазные счетчики с двумя счетными механизмами (такой счетчик ZD22 образца 1937г. немецкой фирмы из Кенигсберга приведен на рис.1,б). Один из механизмов использовался для фиксации электроэнергии, потребленной в часы дневного дорогого или высокого тарифа НТ (Н-Hoch), а другой – в часы ночного дешевого или низкого тарифа NT (N-Niedrig). Переключение счетного механизма с одного тарифа на другой осуществлялось с помощью внешних специальных электромеханических или электрических часов (работа современных переключателей по времени регламентируется стандартом [4]). Таким образом, в приборный учет впервые вошла автоматическая привязка измерений количества электроэнергии к часам, размещаемым вне индукционных счетчиков. Но и для таких приборов сохранился прежний принцип ручного считывания их показаний по концу расчетного периода.
Автоматизированный съем показаний счетчиков в число импульсных АСКУЭ
Идея и технические средства для автоматизированного дистанционного считывания показаний счетчиков известны с тех пор, как появились сами счетчики. Но практическая реализация таких систем началась в промышленно развитых странах только в 70-80-е годы прошлого столетия, когда появились интегральные технологии, позволившие сделать технические решения экономически приемлемыми для массового применения. В СССР основой автоматизации учета электрической энергии стали автоматизированные системы контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ) [5-8]. Толчок их созданию дал двухставочный тариф (введен в 1968г. для крупных промышленных потребителей), который установил основную плату за заявленную максимальную мощность потребителя в часы пика энергосистемы и дополнительную плату за потребление электроэнергии за расчетный период. Впервые в связи с этим возникла задача измерения фактической совмещенной электрической мощности потребителя, т.е. усредненной мощности по каждому получасу реальной шкалы времени (ШВ), в которой должна работать АСКУЭ, суммируемой по всем точкам коммерческого учета потребителя.
Типичная двухуровневая структура АСКУЭ того времени содержала на нижнем уровне индукционные счетчики со встроенными телеметрическими датчиками импульсов (Д), а на верхнем уровне – специализированные измерительные информационные системы учета и контроля электроэнергии (ИИСЭ) (рис.2). Счетчики совместно с измерительными трансформаторами тока и напряжения составляли измерительный канал (на рис.2 трансформаторы не показаны). Принцип передачи измерительной информации от счетчика к системе заключался в преобразовании аналоговой величины угла поворота диска индукционного счетчика, которая пропорциональна измеренному за интервал времени Dt кванту электроэнергии DЕ, в дискретную величину количества импульсов N=К×Dj=К×С×DЕ, где К – количество счетных меток, нанесенных на диск, а С - постоянная счетчика (об/кВт×ч) – количество полных оборотов диска, приходящихся на 1 кВт×ч измеренной счетчиком электроэнергии. Очевидно, что каждый импульс соответствует измеренному кванту энергии DЕи=К×С×DЕ/N, а количество энергии пропорционально количеству импульсов - DЕ=N/(К×С). Указанный принцип передачи измерительной информации от счетчика к системе получил название числоимпульсного, а сами системы – числоимпульсные АСКУЭ [9,10].
В таких АСКУЭ процесс измерения электроэнергии не заканчивается в счетчиках (в измерительных каналах), так как при дистанционном съеме показаний счетчика на его интерфейсном выходе представляется не «значение физической величины», а измерительный сигнал, т.е. «сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине» [11]. Из этого сигнала еще необходимо выделить измерительную информацию, т.е. «информацию о значениях физических величин», и это-то выделение и происходит в системе ИИСЭ. Система содержит микропроцессор с памятью и встроенные часы/таймер, к ШВ которых привязывается формирование числовых результатов измерений энергии и мощности за требуемые интервалы времени (3мин, 30 мин, сутки и др.). Основные измерительные функции ИИСЭ состоят в том, чтобы формировать системную ШВ и принимать в ее масштабе от счетчиков-датчиков телеметрические импульсы, накапливать их по интервалам времени в своей памяти, преобразовывать неименованную числоимпульсную канальную измерительную информацию в именованную – энергию и мощность (с учетом постоянных счетчиков и канальных коэффициентов трансформации), алгебраически суммировать канальную информацию по группам в целях нахождения совмещенных мощностей и потребления энергии по объекту учета в целом. Алгоритмы работы систем типа ИИСЭ и оценки погрешностей как цифровых, так и временных преобразований их входных цифровых сигналов (импульсов) рассмотрены в [12-14].
В числоимпульсных АСКУЭ, независимо от наличия или отсутствия встроенных часов в счетчиках-датчиках (в таких системах позднее стали использоваться помимо индукционных счетчиков и электронные счетчики с телеметрическими выходами), привязка всех цифровых сигналов измерений от каждого счетчика к единой ШВ производится только в ИИСЭ. Для синхронизации ШВ системы с астрономическим временем уже в середине 80-х годов использовались сигналы точного времени (СТВ), передаваемые по радиостанции «Маяк» в начале каждого часа в виде «шести точек» (соответствующий модуль ИИСЭ принимал эти сигналы с низкочастотного выхода радиоприемника и корректировал время в системе) [7].
Таким образом, цифровые результаты измерений энергии и мощности в числоимпульсных АСКУЭ формируются не в счетчиках-датчиках (не в измерительных каналах), а в системе ИИСЭ, с выходного цифрового интерфейса которой цифровые результаты могут передаваться для дальнейшего использования в вычислительные сети [6,7,15]. Поэтому двухуровневая числоимпульсная АСКУЭ в целом, включая измерительные каналы и системы типа ИИСЭ, должна рассматриваться как средство измерений со всеми вытекающими из этого последствиями. До сегодняшнего дня во всех странах СНГ, включая Россию, Беларусь и Украину, продолжается использование большого количества таких АСКУЭ, созданных в последние два десятилетия. Но им на смену торопятся цифровые АСКУЭ.
Цифровые АСКУЭ
Понятие и принципы построения цифровых АСКУЭ как систем, существенно отличающихся от числоимпульсных АСКУЭ в функциональном и метрологическом отношениях и поэтому противопоставляемых последним, сформированы в работах [9,10,16-21]. Основой таких систем стали цифровые измерительные каналы (ЦИК) – «измерительные каналы, на выходе которых результаты измерений представлены в виде цифровых результатов» [21].
Согласно [11], результат измерения физической величины – это «значение величины, полученное путем ее измерения», а значение физической величины – «выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц». Там же поясняется, что числовое значение физической величины – «отвлеченное число, входящее в значение величины». Вместе с тем, в многолетней метрологической практике, относящейся к измерительным системам, наряду с числовым результатом измерения стали рассматривать как результат измерения и измерительный сигнал (его определение дано выше). Да, измерительный сигнал содержит количественную информацию об измеряемой величине, но эта информация скрыта в нем и для ее выделения необходимо над сигналом проделать ряд дополнительных измерительных операций. Именно поэтому измерительный сигнал как результат измерения принципиально отличается от числового результата измерения, который только и можно рассматривать как факт окончания самого процесса измерения и начала перехода к использованию результата измерений в средствах неизмерительного назначения.
Чтобы усилить понимание числового результата измерения как конца процесса измерения, в работах [20,21] введено новое понятие цифрового результата измерения физической величины - это «числовое значение физической величины, полученное путем ее измерения, представленное в позиционной системе счисления в виде приближенного рационального числа заданного формата с известными точностью представления и доверительной вероятностью». В современных технических системах такие результаты представляются в двоичной, восьмеричной, шестнадцатеричной, двоично-десятичной или десятичной системах счисления и в формате числа с фиксированной или плавающей запятой. Данное определение цифрового результата измерений четко отграничивает его от иных результатов измерений, включая измерительные сигналы или стрелочные отсчеты, с получением которых процесс измерения еще не может быть признан завершенным.
В соответствии с понятием цифрового результата определяются и все другие метрологические и технические понятия: цифровое измерение - «измерение физической величины, результат которого представляется в виде цифрового результата», цифровое средство измерения - «средство измерений, выполняющее цифровое измерение», цифровая измерительная система - «совокупность цифровых измерительных каналов и иных технических средств неизмерительного назначения, объединенных единым алгоритмом функционирования, предназначенная для измерений, а также выполнения иных операций неизмерительного назначения над цифровыми результатами измерений с целью определения цифровых значений одной или нескольких физических величин или их функций»[21] .
Введение понятия цифрового результата измерения требует пересмотра ряда других ранее широко использовавшихся понятий метрологии, например, понятия косвенного измерения - «определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной»[11]. Это понятие сформировалось и работало в эпоху аналоговых измерений, когда их результатом становилось не число, а измерительный аналоговый или цифровой сигнал. С переходом к цифровым результатам измерений любые их функции не являются уже предметом измерений, но становятся предметом вычислений. Следовательно, для цифровых измерений понятие косвенного измерения теряет смысл (но сохраняет его для результатов измерений, представленных сигналами). Поэтому необходим соответствующий пересмотр прежних понятий метрологии, основанный на учете требований современных цифровых информационных технологий, которые, в частности, легли в основу создания цифровых АСКУЭ.
Согласно [21], цифровая АСКУЭ определяется как « цифровая измерительная система, использующая в качестве основного средства измерения в составе каждого своего цифрового измерительного канала электронный счетчик со встроенной в него цифровой базой данных и с внешним доступом к ней по цифровому интерфейсу и/или цифровому табло». Для этих АСКУЭ все измерения электроэнергии и мощности заканчиваются на выходе ЦИК, точнее на цифровом выходе электронного счетчика. Далее идет только процесс использования готовых цифровых результатов измерений в цифровых операциях неизмерительного назначения: передачи, хранения, обработки, отображения, документирования и распространения цифровых данных. Да, технические средства неизмерительного назначения, надстроенные поверх ЦИК, оперируют с цифровыми результатами измерений и при некорректной работе могут их исказить. Но, во-первых, вопрос о том, как использовать результаты измерений не относится к вопросу самих измерений и обеспечения их единства, а, во-вторых, правильность работы средств неизмерительного назначения можно обеспечить за счет контроля их неизмерительных, но точностных характеристик в операциях цифрой проверки, цифровой экспертизы, цифровой аттестации и других аналогичных операциях [20].
Если вопросы цифровых преобразований в цифровых измерительных системах и цифровых АСКУЭ уже подробно рассмотрены в ряде вышеупомянутых работ и со стороны метрологов не могут быть оспорены по существу, то вопрос работы цифровых АСКУЭ в едином масштабе времени требует отдельного анализа. Большинство возражений против рассмотрения цифровых АСКУЭ в виде совокупности средств измерительного и неизмерительного назначения сводится к тому, что все эти средства должны работать в едином масштабе времени, а, следовательно, измерять время, что, якобы, автоматически превращает их все, если не в средства измерений энергии и мощности, то в средства измерений времени. Прежде, чем перейти к анализу работы цифровых АСКУЭ во времени, рассмотрим основные понятия из области измерения времени и частоты.
Измерение времени и частоты. Основные понятия
Согласно [22,23], время выражает длительность бытия и последовательность смены состояний всех материальных систем и процессов в мире (оно не существует само по себе, вне материальных изменений). Измерение времени основано на наблюдении (в астрономии) или осуществлении (в технике) периодически повторяющихся процессов одинаковой длительности - равномерных или квазиравномерных процессов. Измерение и хранение времени осуществляется различными часами, которые являются приборами для отсчета времени и в своей основе используют постоянные периодические процессы - колебания маятника, кварца, переход атомов из одного энергетического состояния в другое и т.п. Измерение времени, т.е. его длительности, сводится к измерению числа периодов используемого процесса, приходящихся на измеряемую длительность: чем больше частота процесса, тем эту длительность можно разделить на большее количество частей и тем точнее ее измерить. Современный международный стандарт времени и частоты реализован в атомных квантовых часах, основанных на частоте спектральной линии атома цезия-133 (часы сконструированы в США в 1949 году, их точность на сегодня достигла ±5·10-16с или 1с на 70 млн. лет; в 2000г. созданы экспериментальные атомные часы на ионе ртути, точность которых в 6 раз выше). Цезиевый стандарт лег в 1967г. в основу определения единицы времени «секунда» в Международной системе единиц SI.
Основные понятия, связанные со временем и частотой, определяются межгосударственным стандартом [24]: момент события – «положение события во времени», интервал времени – «время, истекшее между моментами двух событий», шкала времени (ШВ) – «непрерывная последовательность интервалов времени определенной длительности, отсчитываемая от начального момента (для ШВ устанавливают условный нуль, единицу величины и порядок корректировки)», координированные ШВ – «ШВ, в которых числовые выражения положения любого события отличаются друг от друга на значение, не превышающее установленного допуска», синхронные шкалы времени – «ШВ, числовые выражения любого события которых совпадают (ШВ, у которых разности между числовыми выражениями положения любого события известны с заданной точностью, называют привязанными ШВ)». Сравнение разных ШВ позволяет определить смещение между ними. От сравнения ШВ следует отличать их синхронизацию, т.е. приведение их в состояние синхронности (термин «синхронизация» имеет греческие корни «син» - совместно и «хронос» - время и поэтому часто встречающееся выражение «синхронизация времени» является тавтологией; правильнее говорить о синхронизации часов или ШВ).
Стандарт определяет также такие понятия времени как «всемирное время», «атомное время», «международная шкала координированного времени UTC», «национальная шкала координированного времени UTC(k)», «часовой пояс», «поясное время» и другие. Под операциями определения времени понимается «экспериментальное или расчетное определение числового значения момента события в какой-либо ШВ», под измерением интервала времени – «экспериментальное определение длительности измеряемого интервала времени в принятых единицах величин», а под хранением времени – «действия, выполняемые для определения времени в избранной шкале времени с заданной точностью».
Измерение времени осуществляют через измерение частоты и фазы периодической функции соответствующего средства измерения частоты и (или) времени – меры, эталона или часов. Частота f– это «величина, измеряемая числом одинаковых событий в единицу времени», а фаза – «аргумент периодической функции, соответствующий ее определенному состоянию». Измерение частоты можно осуществлять как прямым счетом числа одинаковых событий N на конкретном интервале времени измерений τи: f=N/τи, так и путем сравнения измеряемой частоты с частотой, значение которой известно. Мерой частоты называют «техническое средство, используемое для измерений и предназначенное для воспроизведения частоты заданного размера и (или) формирования ШВ с нормированными метрологическими характеристиками». Метрологические характеристики средств измерений времени и частоты включают в себя такие понятия, как поправка часов - «значение интервала времени, которое прибавляют к показаниям часов, чтобы получить действительное время в данной шкале», ход часов - «изменение поправки часов за интервал времени, отнесенное к этому интервалу» (например, суточный ход в с/сут) и др. Прецизионную меру частоты, относительная погрешность по частоте которой на протяжении 1 года не превышает ±5·10-9, называют стандартом частоты.
Сигнал, несущий информацию о размерах единиц частоты и ШВ, воспроизводимых конкретной мерой частоты, называют сигналом частоты и (или) времени. Если этот сигнал относится к национальной ШВ, то его именуют эталонным. Такой сигнал передает информацию от государственного эталона времени и частоты средствам потребителя по различным каналам связи: телевизионным, радио- и другим каналам, а также через глобальную спутниковую систему. Государственная служба времени и частоты (ГСВЧ) содержит сеть организаций ряда министерств и ведомств, несущих ответственность за воспроизведение и хранение единиц времени и частоты и передачу их размеров, а также обеспечение потребителей информацией о точном времени, выполнения измерений времени и частоты в установленных единицах и ШВ.
Сигналы точного времени могут передаваться как в рамках ГСВЧ, так и различными зарубежными национальными или международными организациями и системами, в частности, радионавигационными системами типа ГЛОНАСС (Россия), NAVSTAR (США), широковещательными (например, «Маяк») или специальными (метеорологическими, морскими) радиостанциями и т.п. [25-27]. Вещательные сигналы для проверки времени большинством радиостанций передаются в виде шести звуковых точек (точность этой системы сигналов – до 0,5с), хотя в ряде случаев возможна передача цифровой информации об актуальной дате, текущем времени и его типе – летнем или зимнем. В последние годы появилась возможность получения цифровых сигналов точного времени из Интернета и ведомственных Интранетов с соответствующих серверов точного времени, использующих, в частности, рубидиевые стандарты частоты и времени, синхронизируемые с государственными первичными эталонами [25].
Цифровые часы реального времени
Хранение, измерение и передача сигналов времени в современных цифровых системах, включая микропроцессорные электросчетчики и компьютеры, базируются на использовании цифровых микросхем часов реального времени ЧРВ (RTC – Real Time Clock). Типичными представителями таких часов являются часы/календари реального времени одного из мировых лидеров в этом направлении американской фирмы Dallas Semicoductor (владелец - компания Maxim Integrated Products). Широкое применение получили, в частности, ее микросхемы DS1202, DS1307, DS1337, DS3231 и другие [28,29].
На рис.3 приведена структурная схема микросхемы DS1202, содержащая делитель с осциллятором (к нему подключен стандартный кварцевый резонатор с собственной частотой 32,768 кГц), часы с календарем, статическое ОЗУ и регистр ввода-вывода. Микросхема в корпусе DIP имеет 8 выводов, к двум (GND, VCC) из которых подключается источник питания, к двум (X1,X2) –резонатор, к одному (I/O) – последовательный цифровой ввод-вывод данных, еще к двум (SCLK, RST) – линия внешней синхронизации последовательного интерфейса и вход сигнала сброса (восьмой вывод резервный).
Информация о реальном времени и календаре представляется в часах в цифровом двоично-десятичном коде (BCD – Binary Codes Decimal) в секундах (00-59), минутах (00-59), часах (01-12 или 00-23), дате (01-28/29; 01-30; 01-31), дне (01-07), месяце (01-12) и году (0-99). Если текущий месяц содержит менее 31 дня, то микросхема автоматически определит количество дней в месяце с учетом високосности года. Часы работают в 24- или 12-часовом формате (АМ/РМ – до полудня/после полудня). К микропроцессору микросхема подключается только тремя выводами RST, I/O и SCLK, а цифровые данные могут передаваться в микропроцессор побитно по одному байту или их последовательностью. Рабочий диапазон температур для микросхемы промышленного применения: от -400С до +850С.
Во всех цифровых микросхемах часов базовой единицей времени является секунда, которая формируется путем счета импульсов-меандров от осциллятора-делителя (если, например, делитель делит стандартную частоту осциллятора fО=32768 Гц на 64, то частота импульсов на входе ЧРВ равна fЧ=512 Гц). Секунда и все иные, более крупные интервалы времени в цифровых часах измеряются при fО=32768 Гц с относительной предельной погрешностью не более 0,5/32768=15,2·10-6=±15,2 ppm (единица ppm - parts per million – миллионная доля) и то при условии, что частота осциллятора стабильна во времени. На самом деле в процессе эксплуатации часов с кварцевыми резонаторами их электромеханическая и тепловая чувствительность приводит к нестабильности формируемой частоты fО. При отсутствии соответствующей компенсации и синхронизации часов многие из них имеют нестабильность до 100 мин/год (16,5 с/сут, или 190 ppm) [29].
Чаще всего выделяют три причины изменения точности хода часов, связанные с нестабильностью времязадающего элемента (кварцевого резонатора) [30]: а) начальную точность отсчета времени в нормальных условиях, обусловленную начальной неточностью резонатора, б) долговременную стабильность, определяемую процессами старения резонатора, в) нелинейный температурный коэффициент резонатора (имеет куполообразную зависимость ухода собственной частоты от температуры при ее отклонении в минус или плюс относительно нормальных условий). Наиболее очевидным, но одновременно и дорогим способом уменьшения нестабильности резонатора является повышение его физического качества. Поэтому на практике основным методом уменьшения нестабильности резонатора от каждой из указанных причин является их компенсация с помощью соответствующих цифровых поправок, значения которых вычисляются в процессе производственной калибровки микросхем и резонаторов и записываются в табличном виде в память микросхемы. При работе микросхемы цифровые значения поправок (положительные или отрицательные) алгебраически суммируются с данными регистра секунд ЧРВ с требуемой периодичностью, например, один раз в сутки.
За счет использования этих и других мер удается снизить временную нестабильность часов до ±24 мин/год (для DS1307) и даже до 2 мин/год (0,3 с/сут или 4 ppm). Такую высокую точность хода имеют, например, микросхемы DS3231, DS3232 и DS3235, снабженные встроенными кварцевыми резонаторами и датчиками температуры. В процессе эксплуатации датчик измеряет текущую температуру в микросхеме и в соответствии с ней извлекается из памяти таблицы температурных поправок нужное значение, которое и используется для коррекции часов. Данные микросхемы наиболее пригодны для применения в микропроцессорных электросчетчиках и серверах для выполнения операций хранения и определения времени. Заметим, что микросхемы часов, как и электросчетчики, в которых они используются, не измеряют временные интервалы (не выполняют задачу измерения времени, его длительности), а формируют единицы времени, т.е. являются мерой, и используются для определения времени.
Синхронные измерения в цифровых АСКУЭ
Типичная двухуровневая структура цифровой АСКУЭ приведена на рис.4. Она содержит N цифровых измерительных каналов (ЦИК), компьютер, который осуществляет обмен данными с ЦИК через сетевую среду связи, и источник сигналов точного времени (ИСТВ).
Типичные структуры ЦИК представлены на рис.5. Они различаются только составом масштабных преобразователей – измерительных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН). Во всех ЦИК их обязательным элементом является электронный (микропроцессорный) электросчетчик со встроенными цифровыми часами, с хранимой цифровой базой данных учета и внешним доступом к базе и часам по цифровым интерфейсам (ЦИ).
Часы ЦИК (счетчиков) хранят свои автономные ШВ, базовой единицей которых является секунда. Если эти ШВ идеальны, т.е. не имеют погрешностей, то в отсутствие внешней синхронизации их можно признать координированными с максимально возможным смещением между ними в пределах не более ±1с. При наличии же внешней синхронизации от ИСТВ смещение в принципе можно уменьшить почти до нуля, и при этом шкалы станут практически синхронными.
ШВ в ЦИК используются для привязки к ним определенных событий, возникающих в процессе измерений количеств электроэнергии в точках измерений электрической сети, к которым подключены те или иные ЦИК. Такими событиями являются моменты начала и окончания интервала времени, за который необходимо измерить количество электроэнергии. ЦИК ведут измерение количества электроэнергии постоянно и непрерывно, но с привязкой этого процесса к иерархии временных интервалов, длительности и последовательности которых определяются задачами учета электроэнергии и мощности, сформулированными еще для первых АСКУЭ [12]. Наиболее часто учет количества электроэнергии в АСКУЭ идет по 1-, 3-, 15-, 30- и 60- минутным интервалам для формирования усредненных по этим интервалам значений контрольной или расчетной мощности и по зонам суток, суткам, неделям и декадам, месяцам, кварталам и годам для формирования расчетных значений электроэнергии. В условиях оптового и розничного рынков электроэнергии России расчетным значением мощности является часовая, а в Беларуси – получасовая мощность.
В числоимпульсных АСКУЭ часы в счетчиках либо отсутствовали (в индукционных счетчиках), либо не использовались (в электронных счетчиках с телеметрическими выходами) для формирования числоимпульсных сигналов: вся привязка к временным интервалам процесса измерения электроэнергии и мощности в N точках измерения производилась централизованно по одним часам ИИСЭ (см. рис.2). Таким образом, формировались совмещенные значения мощности или электроэнергии. В цифровых АСКУЭ происходит принципиально иной, децентрализованный процесс привязки измерений электроэнергии к автономным ШВ отдельных счетчиков. Поэтому в этом случае следует говорить о синхронных или координированных (привязанных) измерениях электроэнергии и мощности в N точках измерения.
В терминологии по метрологии приводятся определения прямых и косвенных, абсолютных и относительных, совместных и совокупных измерений, но отсутствуют понятия синхронных или координированных измерений [11]. Определим эти новые понятия следующим образом: «синхронные (координированные) измерения физической величины - это измерения однородной переменной физической величины в N пространственно распределенных точках измерения, в каждой из которых значения величины соотносятся как события с моментами или интервалами времени автономной ШВ точки измерения, а ШВ всех точек синхронизированы (координированы)». В общем случае, в качестве физической величины, подлежащей синхронным или координированным измерениям, может рассматриваться не только электроэнергия, но, например, температура, давление и т.п. Но в случае электроэнергии синхронные измерения важны для выполнения над ними последующих алгебраических вычислений в целях определения мощности или электроэнергии по группам точек измерения (по объектам учета, по сечениям учета).
Цена достижения синхронных измерений электроэнергии и мощности в цифровых АСКУЭ, особенно в масштабных АСКУЭ, имеющих тысячи точек измерения, распределенных по территории большой энергосистемы, очень велика. Современные микропроцессорные счетчики электроэнергии имеют, как правило, точность суточного хода часов (причем в нормальных условиях) в диапазоне ± (0,5-2,0) с/сут. В условиях эксплуатации реальные цифры в несколько раз выше. Для достижения практического синхронизма ШВ таких счетчиков, например, с максимальным смещением шкал не более ±0,1с, необходимо, во-первых, обеспечить, синхронизацию часов на субсекундном уровне, а, во-вторых, с частотой подачи внешнего сигнала синхронизации чаще, чем один раз в час. В работе [25] вообще полагается, что «для исключения потерь электроэнергии погрешность отсчета времени в счетчиках не должна превышать 10-2 с». К счастью, это не так.
Минимальным интервалом времени, который имеет в АСКУЭ коммерческое значение, является интервал измерения расчетной мощности, равный 3600 с (для России) или 1800 с (для Беларуси). В то же время реальная погрешность измерения электроэнергии в ЦИК, как правило, превышает 1% и в большинстве случаев составляет 2-3% даже при использовании самых высокоточных электронных рабочих счетчиков, например, класса 0,2S (следует помнить об основных и дополнительных погрешностях счетчиков, ТТ, ТН и реальных режимах их работы, в том числе в диапазоне первичной нагрузки менее 5% номинальной [31-33]). Поэтому допустимая погрешность определения времени должна быть такова, чтобы не вносить существенную дополнительную погрешность в результат измерения электроэнергии за интервал расчетной мощности. С учетом того, что в метрологии погрешности независимых величин принято складывать квадратично, достаточно потребовать, чтобы погрешность определения времени в АСКУЭ была не выше 0,25%. Для интервала 3600с такая погрешность составит ±9с, а для интервала 1800с - ± 4,5с относительно точной ШВ. Исходя из этого, в Белорусской энергосистеме в требованиях к цифровым АСКУЭ принята допустимая погрешность определения времени ± 3с.
Установив указанное предельное смещение автономных ШВ, мы должны в дальнейшем говорить уже не о синхронных, а координированных (или привязанных) измерениях электроэнергии и мощности. В этих измерениях существенно то, что, во-первых, координация шкал может быть осуществлена на уровне секунд чисто цифровыми методами, т.е. путем точных алгебраических операций, и, во-вторых, она может осуществляться достаточно редко, например, 1 раз в сутки. В двухуровневой структуре цифровой АСКУЭ, приведенной на рис.4, показаны две принципиальные возможности синхронизации ШВ счетчиков: непосредственно от ИСТВ через сетевую среду связи (С1) и опосредовано через компьютер (С2). В качестве сетевой среды связи может рассматриваться, вообще говоря, любая среда: радиосеть, спутниковая связь, радиотрансляционная сеть, Интернет, Интранет и т.д. В простейшем случае такая среда является физическим пространством (например, земной атмосферой), а в большинстве случаев – сложной технической сетью, содержащей множество аппаратно и программно коммутируемых компонентов (линий связи, модемов, коммутаторов, концентраторов, маршрутизаторов и т.п.).
В варианте С1 синхронизация ШВ счетчиков возможна двумя методами: а) с помощью специальных сигналов синхронизации – сигналов точного времени, б) посредством цифровых данных о точном времени. В первом случае каждый счетчик должен иметь встроенный приемник соответствующих сигналов точного времени, например, GPS-приемник при использовании американской спутниковой системы глобального позиционирования, или радиоприемник для приема сигналов из радиосети или радиотрансляционной сети. Во втором случае достаточно наличия в каждом счетчике стандартного цифрового интерфейса, через который со счетчиком может осуществляться не только обмен цифровыми данными учета, но и обмен цифровыми данными времени. В зависимости от используемой сетевой среды цифровые интерфейсы счетчиков могут иметь проводное (например, RS232, RS485, CAN, Ethernet и т.п.) или модемное окончание (например, GSM-модем, RadioEthernet, оптоволоконный модем и т.п.). Первый метод целесообразно использовать в АСКУЭ при субсекундной синхронизации, а второй – при секундной. Ниже в качестве основного метода синхронизации рассматривается второй метод.
Для синхронизации часов в Интернете или Интранете разработан ряд цифровых протоколов, например, NTP (Network Time Protocol) [34]. Такой протокол позволяет использовать в качестве ИСТВ различные эталонные источники – серверы точного времени (СТВ), которые в свою очередь синхронизируются от национальных или международных эталонов времени и частоты. К СТВ могут обращаться обычные ПК или специализированные устройства, подключенные к сети и имеющие в составе своего программного обеспечения соответствующие протоколы синхронизации. В процессе синхронизации ПК опрашивает многократно СТВ для получения достоверной статистики задержки цифрового пакета в сети. В своем запросе ПК указывает собственное текущее время, а СТВ в своем ответе указывает как время передачи пакета, вычисляемое как разность между временем отправки и получения пакета, так и свое текущее время. Получив пакет, ПК вычисляет задержку передачи пакета как половину времени передачи его туда и обратно и с учетом этого может скорректировать свое собственное время по времени СТВ. Таким образом, синхронизация часов в сети осуществляется сугубо цифровыми методами.
Из вышеизложенного понятно, что вся метрология цифровой АСКУЭ автоматически заканчивается на уровне ЦИК (счетчиков), где сосредоточены все операции измерений электроэнергии, хранения и определения времени, получения цифровых результатов по электроэнергии и мощности в точке их измерений. При аттестации или поверке этих ЦИК как средств измерений (СИ) достаточно рассчитать в условиях эксплуатации их инструментальные погрешности по предельным относительным основным и дополнительным погрешностям стандартных компонентов ЦИК (счетчикам и измерительным трансформаторам) и проверить координацию их ШВ относительно эталонной ШВ. В варианте С1 между каждым ЦИК и ИСТВ существует только сетевая среда, которая в силу своей специфики (объема и сложности) принципиально не может быть метрологически аттестована как СИ. Но физические и технические характеристики этой среды, влияющие на точность передачи через нее цифровых результатов электроэнергии и времени, могут быть учтены, как показано выше, в соответствующих цифровых алгоритмах, закладываемых в ЦИК, ИСТВ и ПК. При этом на верхнем уровне АСКУЭ в ПК осуществляются только цифровые операции над цифровыми результатами координированных измерений электроэнергии и мощности в ЦИК. В силу этого ПК принципиально нельзя рассматривать в АСКУЭ как СИ электроэнергии или времени.
В варианте С2 на рис.4 координация ШВ ЦИК производится от ИСТВ опосредовано через ПК. Становится ли из-за этого ПК средством измерения, по крайней мере, времени? ПК содержит, как и счетчик, цифровые часы, которые осуществляют хранение времени, синхронизируются от СТВ и в свою очередь используются для цифровой синхронизации часов ЦИК. Вообще говоря, если в ПК будут использоваться ”плохие” часы, имеющие, например, суточный уход ±10с/сут, и редко синхронизироваться от СТВ, то они могут вызвать нерегламентированное смещение координированных ШВ ЦИК относительно верной ШВ. Но, ведь точно также ПК при неправильном выборе разрядности цифровых операций может исказить результаты цифровых преобразований над результатами цифровых измерений в ЦИК. Поэтому требования к точности хода цифровых часов ПК, как и требования к другим его цифровым техническим характеристикам, следует рассматривать не как метрологические, а как точностные, и в соответствии с предложениями работы [35] подвергать не поверке, а цифровой проверке. Как следствие, не надо ПК рассматривать как СИ, вносить их в Госреестр или аттестовывать как меру времени. Такой подход в максимальной степени адекватен современным цифровым технологиям и не перегружает метрологии теми задачами, которые могут быть решены без нее.
В более сложных, например, трехуровневых структурах цифровых АСКУЭ (рис.6), на среднем уровне появляются микропроцессорные устройства сбора и передачи данных (УСПД), которые осуществляют функции сбора цифровых данных учета электроэнергии и мощности, а также промежуточного цифрового хранения и синхронизации ШВ ЦИК. В такой структуре возможны дополнительно три варианта синхронизации ШВ ЦИК: а) С3- от ИСТВ опосредовано через УСПД, б)С4 – от ИСТВ опосредовано через сетевую среду 2, соединяющую УСПД с ПК, и через УСПД, в) С5- от ИСТВ опосредовано через ПК, сетевую среду 2 и УСПД. Очевидно, что и в такой структуре к УСПД и ПК достаточно предъявить точностные требования по цифровым операциям, включая цифровую синхронизацию, и не требовать их превращения в СИ.
Заключение
В настоящей работе впервые и детально рассмотрены вопросы выполнения синхронных (координированных) измерений электрической энергии и мощности в цифровых АСКУЭ. Показана эволюция учета электрической энергии и мощности в отношении использования понятия времени учета и его реализации в системах учета. Показано существенное различие между числоимпульсными и цифровыми АСКУЭ в отношении синхронных измерений. Систематизированы понятия измерения времени в технических системах и рассмотрены особенности современных микросхем высокоточных цифровых часов. Введено понятие синхронных (координированных) измерений физических величин. Проанализированы варианты синхронизации шкал времени цифровых измерительных каналов в цифровых АСКУЭ от источников сигналов точного времени. Показано, что такие компоненты цифровых АСКУЭ, как ПК и УСПД не следует рассматривать как средства измерений (их следует подвергать проверке на цифровые точностные характеристики).
В будущем все АСКУЭ будут реализовываться только как цифровые АСКУЭ, содержащие простые цифровые измерительные каналы, подлежащие метрологической аттестации и поверке как средства измерений. Все другие технические средства, надстроенные над этими каналами и обрабатывающие их цифровые результаты измерений энергии, мощности и определения времени, являются средствами неизмерительного назначения и не требуют метрологического контроля. Эволюция цифровых измерительных каналов по мере совершенствования интегральных цифровых технологий будет продолжаться в направлении дальнейшего перенесения многих системных функций измерений энергии и определения времени в точки измерений, и, в частности, в первичные преобразователи (измерительные трансформаторы тока и напряжения), устраняя ступенчатый характер цифровых измерительных каналов.
Литература
1. ГОСТ 6570-75 (ранее ГОСТ 6570-53). Счетчики электрические активной и реактивной энергии индукционные. Общие технические условия.
2. ГОСТ 23372-95. Условные обозначения для счетчиков электрической энергии переменного тока.
3. Гуртовцев А.Л., Забелло Е.П. Электрическая нагрузка энергосистемы. Выравнивание графика. – Новости Электротехники, №5, №6, 2008.
4. ГОСТ Р МЭК 61038-2001. Учет электроэнергии. Тарификация и управление нагрузкой. Особые требования к переключателям по времени.
5. Гуртовцев А.Л., Гурчик М.Е.,Сабаляускас А.И. Микропроцессорная информационно-измерительная система учета и контроля энергии ИИСЭ3. – Приборы и системы управления, №1, 1988.
6. Микропроцессорный КТС для построения распределенных сетей учета и контроля энергии КТС ИИСЭ3/Гуртовцев А.Л., Забелло Е.П., Гурчик М.Е. и др. – Приборы и системы управления, №1, 1989.
7. Гуртовцев А.Л., Забелло Е.П. Семейство автоматизированных систем учета и контроля энергии ИИСЭ3, ИИСЭ4. – Промышленная энергетика, №7,1992.
8. Гуртовцев А.Л. О происхождении и значениях термина АСКУЭ. – Промышленные АСУ и контроллеры, №7, 2003.
9. Гуртовцев А.Л. Современные принципы автоматизации энергоучета в энергосистемах. – Новости Электротехники, №1, №2, 2003 (первая публикация в белорусском журнале «Автоматизация от А до Я», №11/12, 2001; №1,№2,№4,№5/6, 2002).
10. Гуртовцев А.Л. О метрологии цифровых АСКУЭ и границах метрологической экспансии. – Энергорынок, №6,№7,2006.
11. РМГ 29-99. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения.
12. Анализ вычислительных функций микропроцессорной информационно-измерительной системы учета и контроля электроэнергии/ Антоневич В.Ф., Гуртовцев А.Л., Забелло Е.П. и др. – Электромеханика, №12,1983.
13. Гуртовцев А.Л., Горелик Д.Г.,Мельников Б.С. Погрешности накопления измерительной информации в системах учета и контроля энергии. – Измерительная техника, №12, 1984.
14. Забелло Е.П. Уменьшение погрешности измерений при дистанционном учете и контроле электропотребления. – Измерительная техника, №9,1987.
15. Гурчик М.Е., Гуртовцев АЛ. Сбор информации на ЭВМ от систем и сетей ИИСЭ3 по каналам связи. – Промышленная энергетика, №5,1990.
16. Гуртовцев А.Л., Забелло Е.П. Приборный учет электрической энергии. Система новых взглядов. – Энергетика и ТЭК, №3,№4,2003.
17. Концепция приборного учета электрической энергии в Республике Беларусь. – Энергетика и ТЭК, №12, 2005; №1, 2006.
18. Гуртовцев А.Л. Современные принципы приборного учета электроэнергии. Опыт Беларуси. – Сборник докладов 10-й научно-практической конференции-выставки «Метрология электрических измерений в электроэнергетике», Москва, 26-30 марта 2007.
19. Гуртовцев А.Л. Измерительные системы: где заканчивается измерение? – Новости Электротехники, №4, 2007.
20. Гуртовцев А.Л. Аттестация цифровых АСКУЭ: какой ей быть? - Новости Электротехники, №4, 2008.
21. Метрология. Термины и определения в электроэнергетике/Утверждены решением Электроэнергетического Совета СНГ, протокол № 33 от 23.05.2008. – сайт журнала «Новости Электротехники» www/news.elteh.ru.
22. Философский энциклопедический словарь. – М., Советская энциклопедия, 1989.
23. Большой российский энциклопедический словарь. - М., Большая Российская энциклопедия, 2003.
24. ГОСТ 8.567-99. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерение времени и частоты. Термины и определения.
25. Проблема обеспечения единого времени в электроэнергетике/ Клеман А.С., Кравченко П.А., Романько В.Н. и др. – Украинский метрологический журнал, №2, 2006.
26. Что такое синхронизация часов при помощи радиосигнала DCF 77? – Сайт www.tcair.ru.
27. Радиосигналы точного времени. – Сайт www.ups.km.ru.
28. Сайт фирмы Dallas Semicoductor – www.dalsemi.com.
29. Новые часы реального времени, имеющие точность в широком рабочем температурном диапазоне: ±2 минуты в год. – Сайт www.apls.ru.
30. Голубев И. Термокомпенсация в приборах учета времени. – Компоненты и технологии, №8, 2006.
31. Гуртовцев А.Л. Погрешности электронных счетчиков. Исследование и оценка. – Новости Электротехники, №1,№2, 2007.
32. Гуртовцев А.Л. Измерительные трансформаторы тока 0,4-10 кВ. Возможности улучшения характеристик. - Новости Электротехники, №1,2008.
33. Гуртовцев А.Л. Измерительные трансформаторы тока. Проблема нижней границы вторичной нагрузки. - Новости Электротехники, №2, 2008.
34. Интернет-Университет Информационных Технологий. Лекция: время в Solaris. –, сайт www.intuit.ru.
35. Гуртовцев А.Л. Аттестация цифровых АСКУЭ: какой ей быть? - - Новости Электротехники, №4, 2008.
Справка
Статья опубликована в журналах:
Энергетика и ТЭК, №5, 2009 (Беларусь)
Электрические сети и системы, №1, 2009 (Украина)
Новости электротехники, №2, №3, 2009 (Россия)
Промышленная энергетика, №10, 2009 (Россия)