Автоматическая передача информации от счетчиков

Автоматическая передача информации от счетчиков

Для автоматического снятия показаний счетчиков (Automatic Meter Reading, AMR) можно использовать несколько технологий беспроводной связи, относящихся к различным сегментам рынка беспроводных датчиков. Это позволяет выбрать оптимальный тип радиоканала для конкретного применения и обеспечить надежную передачу данных между участниками системы.

Рис.1. GSM/GPRS-модуль G510 (размер 20,2×22,2 мм)

Ключевые характеристики модема с поддержкой передачи статусной и диагностической информации

К ключевым характеристикам модема, обеспечивающего передачу статусной и диагностической информации с абонентского узла системы автоматического снятия показаний счетчиков (АСПС), можно отнести:

• поддержку надежных каналов данных;
• физическое подключение к датчику;
• наличие приложений с поддержкой передачи статусной и диагностической информации;
• высокую производительность;
• гибкие интерфейсы реализации.

От этих качеств зависит пригодность устройства для встраивания во многие типы счетчиков воды, электрической энергии и газа.

Все перечисленные свойства были заложены конструкторами в недорогой высокопроизводительный GSM/GPRS-модуль Fibocom G510 (рис. 1), который сумел завоевать ведущие позиции на рынке среди 2G-модемов, отвечающих всем ключевым требованиям к применению в сфере АСПС.

Особенности модема для автоматического снятия показаний счетчиков

Надежные каналы данных

Основное требование для поддержки передачи статусной и диагностической информации — это наличие надежного канала для передачи данных на сервер. В общем случае надежность канала определяется устойчивостью работы стека транспортных протоколов. Ненадежный канал характеризуется большим числом ошибочных, потерянных и дублирующихся пакетов, что предполагает высокую частоту повторения и низкий коэффициент восстановления пакетов.

Чтобы обеспечивать передачу статусной и диагностической информации, GSM/GPRS-модули с встроенным стеком протоколов TCP/IP должны отвечать упомянутому выше требованию. Ввиду конструктивных особенностей абонентских устройств АСПС, связанных с циклами включения/выключения или смены режимов питания, открытие и закрытие сеанса пакетной коммутации является еще одним критически важным аспектом работы модема помимо надежности передачи данных.

В GSM/GPRS-модуль Fibocom G510 встроен тот же стек протоколов TCP/IP, что и в другие продукты компании Fibocom Wireless, что гарантирует высокий уровень надежности и устойчивости. Он уже много лет эксплуатируется в нескольких миллионах устройств, подтверждая свою репутацию как одного из лучших TCP/IP-стеков для беспроводных модулей.

Датчики

Простейший способ обеспечения передачи статусной и диагностической информации с удаленного абонентского узла в систему управления — это сбор информации с помощью датчиков. Датчики могут регистрировать различные параметры, например температуру, уровень заряда батареи, потребляемый ток устройства, сигнал поддержания активного состояния или простое двоичное значение статуса. Модем должен предоставлять несколько способов сбора информации и вариантов физического подключения. Наиболее популярные среди них:

• контроль уровня батареи модема;
• измерение внутренней температуры модема;
• аналого-цифровой преобразователь;
• ввод/вывод общего назначения;
• интерфейс общего назначения для сбора данных через второй интерфейс UART;
• дополнительный интерфейс общего назначения или специализированный третий интерфейс UART для датчиков.

Приложения, поддерживающие передачу статусной информации

Статусная информация может включать в себя результат измерения уровня определенного параметра или данные об изменении состояния. Примерами таких событий могут служить низкий уровень заряда батареи, превышение максимально допустимой температуры, физическое изменение в устройстве, нулевой потребляемый ток периферийного устройства, отсоединение подсоединенного устройства и т. д.

Беспроводные модемы позволяют регистрировать такие события и передавать информацию о них по аппаратным физическим линиям GPIO и выделенным линиям с поддержкой прерываний. Конструктор может принять решение, что по каналу данных будет передаваться одиночное сообщение в случае критического события или же будет периодически передаваться статус часто опрашиваемых датчиков.

Приложения, поддерживающие передачу диагностической информации

Выполнение пользовательского программного кода в памяти модуля позволяет сэкономить на внешнем аппаратном обеспечении. Это хороший вариант реализации главного контроллера удаленного устройства.

Ключевым аспектом управления дистанционной диагностикой, помимо наличия надежного канала данных для передачи информации, является способность удаленного модема выполнять программный компонент в качестве агентского программного обеспечения. Этот компонент отвечает за применение правил управления для сбора информации от датчиков и передачи ее на сервер в соответствии с разработанной политикой связи.

Среда для встроенного пользовательского кода OpenCPU компании Fibocom имеет простой, но обширный и мощный набор высокопроизводительных функций, объединенных в хорошо структурированную библиотеку. Среда OpenCPU совместима со всеми продуктами Fibocom. Ее характеризуют простота и быстрота освоения инженерным персоналом — благодаря наличию готового к интеграции пользовательского кода для реализации базовой функциональности с использованием следующих основных функций:

• интерфейс файловой системы;
• интерфейс таймера;
• ОС аппаратного интерфейса;
• интерфейс последовательного ввода/вывода;
• интерфейс сокетов;
• интерфейс для установки пользовательских параметров;
• функция обратного вызова пользовательского кода;
• определение макрокоманд;
• API кодов возврата.

Пользовательский код OpenCPU, работающий в модуле G510, может работать в нескольких гибких режимах:

• Режим прерываний, когда представляющие интерес данные собираются и передаются на сервер при наступлении заданного события или по таймеру с заданной периодичностью.
• Режим опроса, когда диагностическая информация запрашивается сервером у удаленного модуля.

Иногда, когда устройство работает в нескольких режимах, целесообразно применять прерывания наряду с опросом.

О компании Fibocom

Fibocom Wireless Inc. — китайский поставщик решений в области беспроводных М2М-соединений и сервисов, основанных на определении местоположения. Компания самостоятельно проектирует, разрабатывает
и производит модули беспроводной связи для сетей GSM/GPRS и HSPA/HSPA+ для организации защищенных каналов между устройствами, оборудованием и другими техническими средствами.

Продукция Fibocom применяется в автомобильной промышленности, охранных системах, промышленных мобильных компьютерах, приборах учета потребления ресурсов, интеллектуальных энергосистемах, платежных системах, маршрутизаторах и шлюзах, системах дистанционного обслуживания и управления.

Fibocom предоставляет законченные встраиваемые модули для беспроводной связи и глобального позиционирования в M2M-системах, включая семейство миниатюрных GPS-модулей.

Сайт компании fibocom.com

Внешний аппаратный или внутренний программный следящий таймер

Худший случай для устройства АСПС, работающего на труднодоступной удаленной площадке, — это когда сброс модема не помогает и теряется связь с передающим устройством. Сегодня большинство модемов оснащаются программными следящими таймерами с различной степенью устойчивости к сбоям, которые позволяют выходить из упомянутой выше ситуации потери управления.

Основная рекомендация для гарантированной защиты от перерывов в работе и потери управления — добавить внешний аппаратный таймер, который будет периодически сбрасываться пользовательским программным кодом, работающим в памяти модуля. Пример такой цепи показан на рис. 2.

Рис. 2. Пример схемы подключения внешнего сторожевого таймера

Высокоуровневая коррекция в приложении

Если данные передаются в незакодированном виде без использования высокоуровневого протокола с коррекцией ошибок, может потребоваться многократная передача. При частой передаче данных на сервер с дистанционного устройства АСПС система может быть более устойчивой к ошибкам, и фактические значения данных могут вычисляться на серверной стороне путем усреднения взятых показаний.

Если передача осуществляется один раз в сутки или с другой сравнимо низкой частотой, рекомендуется использовать высокоуровневый протокол наподобие FTP, чтобы снизить частоту ошибок и повысить надежность получаемых данных.

Запасной вариант

По факту наиболее часто применяемым способом связи является пакетная коммутация данных по GPRS с использованием внутреннего стека протокола TCP, работающего на модеме. Типичные проблемы, связанные с TCP/IP-сокетами, — это закрытие сокета, тайм-аут, отказ сервера и неполадки GSM-сети.

В качестве запасного варианта используются традиционные службы обмена сообщениями, которые позволяют обеспечить бесперебойную доставку данных на сервер. Хотя надежность SMS ниже, чем у сокетов, они по-прежнему остаются основным доступным и простым способом обеспечения избыточности. Еще один резервный вариант — CSD-вызовы с выделенным каналом и более низкой скоростью передачи данных (обычно 9,6 кбит/с в зависимости от сети).

Удобство обслуживания и ремонта

Помимо целостности данных и устойчивости системы к сбоям, ключевым требованием к типовым системам АСПС является удобство обслуживания и ремонта. Помочь обеспечить это качество может, в частности, дистанционное управление (с серверной стороны) — например, дистанционное обновление пользовательских приложений по беспроводному каналу связи. Эта функция позволяет проектировщику системы на расстоянии обновлять программное обеспечение модема для внесения усовершенствований или исправления ошибок без необходимости выезжать на удаленную площадку и разбирать устройство.

Недорогой высокопроизводительный GSM/GPRS-модуль Fibocom G510 имеет функцию дистанционного обновления пользовательского кода по беспроводному каналу связи. В модеме хранятся два образа пользовательского приложения, что позволяет во время дистанционного обновления перезаписывать код второго образа, который не выполняется в этот момент. После успешной загрузки и сохранения в памяти нового пользовательского кода он может быть запущен вместо основного кода. Допускается также переключение между этими двумя образами.

Передача информации в реальном времени или с задержкой

Контроль над энергопотреблением устройства АСПС и балансировка эфирной нагрузки — важный аспект, который необходимо рассматривать при разработке политики связи с удаленным устройством.

Чем выше частота передачи данных в реальном времени, требуемая от сервера, тем выше расход энергии батареи. Помимо дополнительного расхода энергии удаленным устройством при частой передаче, следует также учитывать увеличение эфирного времени за счет большего количества передаваемых данных.

Заключение

При выборе GSM/GPRS-модема с поддержкой передачи статусной и диагностической информации следует учитывать перечисленные выше основные факторы. Недорогой высокопроизводительный модуль Fibocom G510 был спроектирован с учетом всех этих факторов, а также многолетнего опыта работы с клиентами на рынке систем межмашинного взаимодействия (M2M). Модуль G510 оптимальным образом сочетает в себе высокую производительность, малые размеры, небольшую стоимость и гибкую конфигурацию с поддержкой передачи статусной и диагностической информации, что делает его оптимально подходящим GSM/GPRS-модулем для систем АСПС.

Принципы организации систем АСКУЭ

Чем больше потребителей на объекте, тем выше неконтролируемый расход электроэнергии. На крупных предприятиях, где потребление измеряется десятками или сотнями тысяч киловатт, это огромные накладные расходы. Каждый рачительный хозяин хочет, чтобы затратная часть на организации была как можно меньше. Это особенно важно для производства: снижение себестоимости выпускаемой продукции дает неоспоримые конкурентные преимущества на рынке.

Изначально, этим занимались специальные подразделения по учёту и контролю за потреблением энергии. Раньше, до внедрения автоматизации, в службе главного энергетика работали десятки сотрудников с высокими зарплатами. Но человеческий фактор не давал возможность эффективной экономии.

Пару десятилетий назад, инженерами и учеными была внедрена система АСКУЭ (автоматизированная система коммерческого учёта электроэнергии). Технология предусматривала использование микропроцессорного управления, что по тем временам было довольно затратно. Разумеется, если речь шла о миллионных затратах на электроэнергию, средства, вложенные в монтаж АСКУЭ, окупались быстро.

Применение АСКУЭ

Центр обработки информации (ЦОИ) устанавливается в диспетчерской, отдельное помещение не обязательно, в него стекаются данные о текущем потреблении энергии с каждой группы потребителей.

Со временем, автоматизированная система учёта стала внедряться на объектах с меньшим расходом мощности: например, в жилых микрорайонах. Серийное производство снижает цены, и внедрение АСКУЭ стало возможным даже на уровне небольших ЖСК. В этом случае, центр обработки информации может располагаться как в диспетчерской энергоснабжающей компании, так и в офисе правления ЖСК.

Современные технологии позволяют организовывать сеть обмена данными не только по специально оборудованным сетям. Собственная проводка достаточно дорогое удовольствие: стоимость кабеля, оплата труда монтажников, аренда несущих опор, согласование проекта. С появлением общедоступных средств коммуникации, стало возможным снижение затрат на функционирование автоматизации систем учёта. Беспроводная связь, облачные сети, свободный доступ к Internet, позволяют осуществлять контроль за потреблением энергии на мобильных устройствах и компьютерах, которые незачем покупать специально для АСКУЭ.

Любой пользователь, или назначенный оператор, контролирует оборудование индивидуальной или общественной АСКУЭ с виртуального рабочего места, или даже со смартфона. Основные затраты сводятся к приобретению аппаратов абонентского контроля и программного обеспечения. Сегодня активно внедряется технология «Умный дом», в рамках которой можно наладить учёт электроэнергии в небольших помещениях. Владелец жилья или офиса может автоматизировать потребление энергии, находясь на любом расстоянии от объекта контроля.

С доступностью и удобством разобрались, рассмотрим принцип работы АСКУЭ.

Как это функционирует

Начнем с задач, которые выполняет автоматизированная система контроля и учёта расходования электроэнергии:

1. Сбор данных с каждого индивидуального потребителя (группы потребителей) о расходе электрической энергии в текущий момент времени, и за определенный период.
2. Передача данных с приборов контроля в единый центр обработки информации (ЦОИ). Информационные каналы невозможно перехватить или обойти, поскольку связь по ним кодируется.
3. Обработка полученной информации, ее систематизация, получение сводных отчетов и текущей картины энергопотребления в реальном времени. Выполняется с применением вычислительной техники.

То есть, АСКУЭ позволяет с высокой степенью достоверности собрать информацию о потреблении энергии с объекта (группы объектов). При этом минимизируются возможные ошибки и сознательное искажение информации, что нередко встречается при ручном сборе данных (исключается пресловутый человеческий фактор). Это позволяет предотвратить несанкционированное подключение и незаконный отбор электроэнергии. Поэтому, крупные энергетические операторы приветствуют внедрение подобных технологий.

Кроме того, монтаж АСКУЭ на протяжении всей цепочки от электростанции, до конечного потребителя, в конечном итоге дает существенную экономию энергоресурсов. Не говоря уже о снижении издержек производящих компаний энергоснабжения, возникающих при несоответствии переданных мощностей с показаниями внутренних приборов учёта потребителя.

Задачи, которые решают производитель и потребитель электроэнергии

• Энергоснабжающие компании не тратят много времени и средств на выявление несанкционированного отбора электричества. Кроме того, при систематизации данных об уровне потребления, единые энергетические системы регионов и всей страны, могут своевременно распределять мощности для исключения критических точек избыточной нагрузки.
• Потребитель контролирует свои расходы, благодаря чему экономит финансы. Автоматизированный учёт позволяет зачисление денег без необходимости снятия показаний с электросчетчиков, вычислений стоимости по тарифам, ручной оплаты счетов. Достаточно установить на компьютеры организации программное обеспечение, для учёта и формирования оплаты за электроэнергию.
• Кроме того, работа с автоматизируемым контролем позволяет проводить анализ параметров стоимости, и выбирать цены за потребляемую электроэнергию с различными тарифами: включая разграничение по времени суток.

Техническое обеспечение автоматизированных систем коммерческого учёта электроэнергии

• Установка во всех групповых точках потребления современных электронных приборов учёта электроэнергии, с возможностью дистанционного снятия параметров в реальном времени (компьютерная или специализированная сеть).
• Разработка и подключение к приборам учёта специальных модулей сумматоров с внутренней памятью, которые будут накапливать данные, и разделять их по тарифной классификации. Эти модули должны быть обеспечены автономным (резервным) питанием.
• Прокладка проводных линий связи между приборами учёта, накопителями данных и центрами обработки информации. Обмен данными может быть организован с помощью беспроводных сетей или с использованием Internet. Линии связи должны предусматривать отправку отчетов в реальном времени на абонентское устройство потребителя, для обеспечения контроля за формированием сводных данных. Каналы защищаются от несанкционированного подключения (кодирование). В первую очередь, это делается для защиты от взлома и предоставления искаженной информации.
• Обустройство центров обработки информации (ЦОИ), оснащенных быстродействующими вычислительными системами (серверами). Необходимо также предусмотреть возможность подключения к ЦОИ систем удаленного доступа, чтобы не привязывать операторов к физическому рабочему месту.
• Оснащение серверов и компьютеризированных рабочих мест профильным программным обеспечением. При использовании удаленного доступа, необходима установка программ, работающих под управлением мобильных операционных систем.
• В идеале, доступ к информации должна иметь компания энергосбыта. Для эффективной работы автоматики, автономное оборудование устанавливается и на трансформаторных подстанциях.

Эшелонирование системы

Для бесперебойной работы, и повышения надежности «на отказ», автоматизированная система коммерческого учёта электроэнергии выполняется по многоуровневому принципу.

1. Первый уровень — это система абонентских приборов учёта. В разветвленных сетях к этому уровню относятся также накопители данных. Кроме того, можно использовать различные датчики, анализирующие действительную потребность в электроэнергии на конкретном объекте. Например, датчики освещенности или температуры.
2. Второй уровень — система передачи данных и преобразования информации в формат, с которым работает программное обеспечение центра обработки информации. В некоторых проектах ко второму уровню относятся накопители данных, если они интегрированы в системы преобразования сигнала. Линии связи можно отнести ко второму уровню системы, или выделить их в отдельную структуру. Для простоты обслуживания они обычно привязываются к уровню №2.
3. Третий уровень — это центры обработки информации: сервера управления и хранения готовых преобразованных данных. Как правило, в местах локации ЦОИ оборудуются автоматизированные рабочие места операторов (если используется обслуживаемая АСКУЭ). Аппаратное обеспечение монтируется с учётом защиты информации и резервирования систем. Если на ЦОИ завязано управление энергосистемой (распределительные и трансформаторные подстанции), непредвиденное отключение системы может привести к масштабной аварии энергосистемы.

Монтаж системы АСКУЭ

Все работы по монтажу, подключению, наладке автоматизированных систем коммерческого учёта электроэнергии, выполняют сертифицированные подрядные организации. Исполнитель, по окончании работ должен согласовать и организовать подключение комплекса к управлению энергетическими системами на территории.

Последовательность выполнения монтажа:

• Изучение объекта, подбор оборудования по согласованию с заказчиком, составление проектной и сметной документации. Заказчик обязан предоставить подрядчику всю документацию, по которой осуществляется энергоснабжение объекта.
• Предварительное согласование проекта в органах энергосбыта.
• Проведение пусконаладочных работ, определение срока тестовой эксплуатации, ввод системы в режим постоянной работы.
• Сопровождение системы после установки и запуска.
• Настройка программного обеспечения, подключение удаленных рабочих мест.

При наладке системы обязательно проводятся тесты работоспособности (восстановления) при аварийных ситуациях, проверка защиты от взлома информации.

Подрядчик несет ответственность за гарантийное обслуживание, за безопасность АСКУЭ в рамках территориальной системы энергообеспечения.

Оборудование для автоматизированных систем коммерческого учёта электроэнергии

Системы передачи данных, преобразователи формата информации, накопители данных — это специальные устройства. Заказчик выбирает бренд, комплектацию, и состав аппаратуры. Абонентские устройства — это стандартные сертифицированные приборы учёта, с возможностью подключения к устройствам считывания информации.

Без подключения к системе, эти счетчики работают в обычном режиме.

Причем для работы АСКУЭ не обязательно использовать электронные приборы учёта. Есть и механические модели с возможностью отбора данных.

Рабочие места и серверное оборудование организуются на основе персональных компьютеров. Как правило, под управлением ОС Windows. После установки специализированного программного обеспечения, компьютер становится частью АСКУЭ.

Энергетики считают, что в скором времени все системы энергообеспечения будут интегрированы в АСКУЭ. Электронных устройств становится все больше, электричество относится к возобновляемой энергии. Те организации, которые уже сегодня подключены к автоматизированной системе коммерческого учёта электроэнергии, будут работать в привычном режиме. Остальным все равно придется приобретать оборудование, и заказывать монтаж. Специалисты подсчитали, что внедрение глобальной системы автоматизации позволить сократить расход электроэнергии в масштабах государства до 40%.