РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОММЕРЧЕСКОГО УЧЕТА ЭНЕРГОРЕСУРСОВ НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА С ПРИМЕНЕНИЕМ ОБЛАЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

В статье рассматриваются вопросы развития автоматизированных информационно – измерительных систем коммерческого учета электроэнергии (АИИС КУЭ). Произведен анализ классических архитектур различных АИИС КУЭ. Предложен вариант разработки устройства сбора и передачи данных (УСПД) на основе микроконтроллера и программного обеспечения (ПО) верхнего уровня на основе web-технологий. Представлены актуальные предложения и перспективные технологии, которые могут быть использованы при создании новых АИИС КУЭ, а также при модернизации уже существующих.

Ключевые слова: электроэнергия, АСКУЭ, учет, контроль, микроконтроллер, электросчетчик. (Electrical energy, AMR systems, metering, control, controller, electric counter.)

Введение.

В настоящее время интерес к автоматизированным системам коммерческого учета энергоресурсов увеличивается с каждым годом. Это связано с глобальной тенденцией к энергоэффективным и энергосберегающим технологиям, а также с изменениями в законодательной и нормативно – правовой базе в энергетическом секторе, которые стимулируют потребителей энергоресурсов к установке интеллектуальных приборов учета, автоматизированных информационно – измерительных систем (АИИС) и т.д. Растут объемы потребления энергоресурсов, растут и затраты на полученные услуги. Одним из способов оптимизации энергозатрат специалисты называют автоматизацию учета энергопотребления.

Общие понятия об организации и архитектуре АИИС КУЭ.

К основным энергоресурсам, которыми пользуются большинство как физических, так и юридических лиц, можно отнести: электроэнергию, воду и газ. Соответственно, можно выделить АИИС коммерческого учета электроэнергии (АИИС КУЭ), коммерческого учета водоснабжения и тепловой энергии (АИИС КУВ и АИИС КУТ) и коммерческого учета газа (АИИС КУГ).  Классической архитектурой любой АИИС принято считать трехуровневую модель:

1. Нижний уровень.

К этому уровню относят оборудование, выполняющее непосредственные измерения физических величин. В АИИС КУЭ это приборы учета электроэнергии, измерительные трансформаторы тока и напряжения, в АИИС КУТ это расходомеры, датчики температуры и тепловычислители.

2. Средний уровень.

Под средним уровнем, как правило, понимают оборудование, которое организует взаимодействие между нижним и верхним уровнем:

• каналообразующая аппаратура и коммуникационное оборудование (модемы, коммутаторы, маршрутизаторы и т.д.);
• каналы связи;
• преобразователи интерфейсов (Ethernet <=> RS-485, USB <=> CAN)
• устройства сбора и передачи данных (УСПД).

3. Верхний уровень.

Представляет собой программно-аппаратный комплекс, который собирает и обрабатывает результаты измерений, позволяет визуализировать информацию в удобном виде для диспетчера и потребителя энергии. К верхнему уровню относятся: физические сервера, базы данных, специализированное программное обеспечение, система обеспечения единого времени (СОЕВ).

При проектировании и внедрении АИИС неизбежно встает вопрос выбора оборудования для каждого из трех уровней. Большинство производителей оборудования специализируются на каком-то одном из основных типов энергоресурсов. Поэтому любая АИИС это сложная техническая система, в которой совмещается множество программно-аппаратных средств различных производителей и при выборе следует учитывать во внимание следующие факторы:

• Тип энергоресурса. Если планируется создание АИИС для одного типа энергоресурса, например для учета электроэнергии, то имеет смысл использовать на всех уровнях оборудование и программное обеспечение (ПО) одного производителя, это упростит внедрение, эксплуатацию и обслуживание системы. Если планируется создание АИИС для учета нескольких энергоресурсов, необходимо выбрать оборудование с такими интерфейсами и протоколами передачи данных, которое можно было бы использовать совместно с одним УСПД, и соответствующее ПО, которое будет поддерживать работу со всеми элементами нижнего и среднего уровней.
• Открытость системы. Использование оборудования с открытыми протоколами и стандартными интерфейсами дает возможность самостоятельной доработки и модернизации системы учета в случае необходимости. Такие системы, как правило, обходятся дешевле в эксплуатации и обслуживании, т.к. увеличивается взаимозаменяемость компонентов. В случае использование ПО и оборудования с закрытым протоколом и нестандартизированным интерфейсом для внесения любых изменений в систему приходится обращаться к производителю.
• Масштаб создаваемой системы. Количество точек (узлов) учета и места их расположения. При малой удаленности точек учета друг от друга и от центра сбора (верхнего уровня) отдают предпочтение оборудованию с проводными цифровыми интерфейсами, таким как RS-485, CAN, Ethernet, т.к. данный вид связи считается более надежным, чем беспроводные интерфейсы Irda, ZigBee, GSM, GPRS, радиоканал и т.д.
• Многие производители предлагают полностью готовые технические решения, когда все три уровня системы реализованы на базе их оборудования. К российским производителям оборудования и программного обеспечения в сфере АИИС КУЭ можно отнести: ГК «Системы и Технологии» [1], Эльстер Метроника [2], ООО "НПК "Инкотекс" [3]. Средняя стоимость одной точки учета, при создании АИИС КУЭ  составляет порядка 3000 - 4000 рублей для однофазного прибора учета. Для трехфазных счетчиков стоимость организации одной точки учета — от 7000 рублей[4].

Понятие среднего уровня АИИС КУЭ. Устройство сбора и передачи данных (УСПД).

Существуют архитектуры АИИС с УСПД и без него (рисунок 1).

Главной задачей УСПД является непосредственный сбор данных с нижнего уровня, хранение информации в памяти и передача ее на верхний уровень.

Необходимость использования УСПД определяется исходя из поставленных задач. Например, для развертывания системы учета в многоквартирном жилом доме (МКД) целесообразно и выгодней будет использовать систему с УСПД, поскольку  в МКД расположено большое количество  точек учета на относительно небольшом расстоянии друг от друга.

Основными достоинствами использования УСПД являются: сокращение времени на опрос точек учета, а также возможность опроса разных типов приборов учета. К недостаткам можно отнести : увеличение стоимости системы и затрат на ее     техническое обслуживание , снижение надежности АИИС   в целом, за счет добавления  еще одного элемента. 

Рисунок 1. Варианты архитектуры АИИС

Реализация среднего уровня для АИИС КУЭ в МКД

Популярным решением при создании АИИС КУЭ в МКД является применение технологии передачи данных по силовой сети (Power Line Communication - PLC). На вводе в дом устанавливаются PLC концентраторы или УСПД с PLC модулями, которые собирают данные по силовой сети с приборов учета, а затем передают их на верхний уровень, по одному из каналов связи – GSM/GPRS, Ethernet и т.д.  Основным недостатком применения данной технологии остается  дороговизна приборов учета со встроенным PLC модемом (рисунок 2).

Подобные системы также могут быть реализованы без использования УСПД,  но в этом случае функции УСПД должны быть реализованы на верхнем уровне с помощью сервера опроса. Классическим же решением при реализации АИИС КУЭ остается использование проводных интерфейсов связи, таких как RS-485. Практически все современные приборы учета электроэнергии имеют модуль связи стандарта RS-485.

Рисунок 2. Схема построения АИИС КУЭ на основе PLC с использованием GSM модема

Наиболее распространенными УСПД, которые используются  в многоквартирных жилых домах являются УМ-31, Меркурий 250, Энергомера СЕ805 (рисунок 3). Средняя стоимость подобных устройств составляет 30-40 тысяч рублей[9],  также дополнительно необходимо приобретать специализированное ПО, которое поддерживает работу с данными УСПД.

Рисунок 3. УСПД УМ31, Меркурий-250, Энергомера СЕ805

Одним из альтернативных вариантов может стать разработка УСПД с использованием платформы Arduino (рисунок 4).

Рисунок 4. Arduino UNO

На сегодняшний день средняя рыночная стоимость микроконтроллера в России варьируется в пределах от 400 до 3500 рублей в зависимости от технических характеристик[6]. С помощью одного микроконтроллера технически возможно реализовать УСПД, которое бы опрашивало через интерфейс RS-485 до 254 узлов в сети с учётом магистральных усилителей[5].

Технические особенности УСПД на основе Arduino

Разработка УСПД на основе микроконтроллера заключается в реализации протоколов обмена различных приборов учета, используемых на нижнем уровне и разработке программного обеспечения верхнего уровня, для отображения и запроса данных.

УСПД обладает следующими характеристиками:

- наличие интерфейса RS-485 в связи с его распространенностью в счетчиках электрической энергии;

- наличие возможности считывать основные показатели необходимые для коммерческого расчета энергоресурсов по тарифам;

- низкая стоимость;

- наличие возможности передачи показаний на верхний уровень АСКУЭ (сервер) по различным каналам связи (GSM/GPRS, Ethernet и др.).

Основные достоинства, разработанного УСПД на базе микроконтроллера Аrduino (рисунок 5):

1. Открытый исходный код дает возможность сконфигурировать УСПД для любых устройств с открытыми протоколами передачи данных ModBus, МЭК 61107, CAN и др.
2. Компактные размеры.
3. Поддержка различных интерфейсов связи.

Основные недостатки:

1. Сложность реализации протоколов оборудования нижнего уровня, поскольку почти каждый производитель модифицирует открытый протокол передачи данных под свои нужды. Сложность поддержки устройств с закрытыми протоколами.
2. Отсутствие сертификатиции ГОСТ установленного образца.

Рисунок 5. УСПД на базе микроконтроллера Аrduino

Реализация верхнего уровня для АИИС КУЭ в МКД.

На сегодняшний день набирают популярность АИИС КУЭ, где верхний уровень системы реализован на основе web-технологий и облачного хранилища данных.

Основные технические требования к верхнему уровню  АИИС КУЭ:

1. Реализация программного обеспечения на основе web-технологии (PHP, HTML5).
2. Передача и хранение полученных данных об энергопотреблении с применением облачных технологий. 
3. Реализации функций удаленного управления УСПД через web-интерфейс по технологии клиент-сервер.

К основным достоинствам разработанного верхнего уровня АИИС КУЭ можно отнести:

1. Доступ к системе, возможно получить с любого устройства подключенного к сети интернет из обычного браузера, без установки дополнительного программного обеспечения.

2. С помощью разработанного программного обеспечения верхнего уровня предоставляется возможность управлять УСПД из web-браузера:

• редактировать список опрашиваемых счетчиков;
• настраивать период и дополнительные параметры опроса;
• устанавливать и отслеживать текущее время на оборудовании;
• запрашивать данные об энергопотреблении на текущий момент времени.

3. Все полученные данные об энергопотреблении хранятся на облачных хранилищах и резервируются, что повышает надежность  и отказоустойчивость системы.

 На рисунке 6 изображена стартовая страница входа в систему. Каждый пользователь осуществляет вход в личный кабинет по  идентификатору и паролю.

Рисунок 6. Стартовая страница

В разделе  «Мои устройства» расположен список устройств (счетчиков), которые привязаны к личному кабинету пользователя, а также настройки параметров считывания данных (рисунок 7).

Рисунок 7. Мои устройства

В разделе «Отчеты» (рисунок 8) представлен дневной и почасовой график энергопотребления. В разделе «Справка» содержится краткое руководство пользователя системы.

Рисунок 8. Раздел отчеты

Перспективные технологии развития АИИС КУЭ.

Одним из самых перспективных направлений развития АИИС является активное внедрение технологии LoRaWAN - энергоэффективных сетей дальнего радиуса действия (Low Power Wide Area Network). Благодаря LoRaWAN стало возможно организовать передачу данных по беспроводному каналу связи от прибора учета до базовой станции, которая выполняет роль УСПД, на расстояние более чем  10 километров. Скорости LoRaWAN сети в 30-50 бит/с достаточно для передачи показаний приборов учета , что делает LoRaWAN сети идеальной средой передачи данных для АИИС КУЭ. Масштабное внедрение АИИС КУЭ на базе технологии LoRaWAN тормозится из за более высокой стоимости приборов учета со встроенными LoRa модулями, по сравнению с приборами учета, обладающими RS-485 интерфейсом,  а также из за отсутствия сети базовых станций на территории России.  Благодаря модульной структуре Arduino имеется возможность использовать LoRa модуль связи и по мере развития LoRaWAN сетей интегрировать УСПД в существующую инфраструктуру.

Заключение.

В статье были рассмотрены общие понятия об архитектуре и принципах построения АИИС КУЭ МКД, предложены способы модернизации среднего и верхнего уровня подобных  систем.

К основной проблеме внедрения АИИС КУЭ МКД в России относится то, что законодательством не регламентирована их установка и финансирование подобных проектов никак не субсидируется. Экономическая эффективность от внедрения АИИС КУЭ составляет 20% от затрат на электроэнергию[7], а окупаемость в бытовом секторе составляет не менее 3-5 лет[8], что приводит к отсутствию мотивации потребителей устанавливать АИИС КУЭ за свой счет. Предложенная реализация АИИС КУЭ с использованием УСПД на основе Arduino позволяет снизить затраты на внедрение системы, а также срок ее окупаемости.

Список литературы:

1. www.sicon.ru – сайт ГК «Системы и Технологии»
2. www.izmerenie.ru,  www.elstersolutions.com – сайт Эльстер Метроника
3. www.incotexcom.ru/ - сайт ООО "НПК "Инкотекс".
4. http://www.epps.ru/journal/detail.php?id=866 – единый промышленный портал Сибири, публикация "Промышленные страницы Сибири" №3 (74) март 2013 г.
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/RS-485 - Интерфейс RS485
6. https://www.dns-op.ru/catalog/17aa4bb416404e77/mikrokompyutery/ - интернет-магазин компьютерной техники.
7. Экономическая эффективность от внедрения автоматизированной системы учета электроэнергии, Анирова А.А. , Шарунова О.М., г. Пенза, Пензенский государственный технологический университет, Студенческий научный форум 2016.
8. www.pue8.ru – Современные системы учета электроэнергии: преимущества, решаемые задачи, окупаемость.
9. https://www.allmonitoring.ru/produkcziya/oborudovanie - сайт Связь Инжиниринг