ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ PLC В СИСТЕМАХ КОММЕРЧЕСКОГО УЧЕТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Ключевые слова: Электроэнергия, электросчетчик, связь по линии электропередачи (Electrical energy, electric counter, Power Line Communication).

Введение

Последние несколько лет в автоматизированных информационно-измерительных системах коммерческого учета электроэнергии (АИИС КУЭ) активно используются технологии передачи данных по силовым сетям – Power Line Communication (PLC). Основное преимущество PLC-технологии – это возможность использовать уже существующую электрическую сеть в качестве каналов связи для передачи данных с приборов учета, таким образом, нет необходимости в дополнительных работах, связанных с прокладыванием интерфейсных проводов и кабелей, что значительно облегчает процесс создания и обслуживания подобных АИИС КУЭ.

Структура АИИС КУЭ бытового сектора на основе PLC

Всех бытовых потребителей условно можно поделить на две большие группы: проживающих в многоквартирных жилых домах (МКД) и проживающих в частном секторе (поселки, деревни и т.д., сюда же можно отнести садовые общества гаражные кооперативы и др.).

Рисунок 1. Подключение многоквартирного жилого дома

Рисунок 2. Подключение домов частного сектора

Классификация PLC технологий

Рисунок 3. Классификация технологий PLC

На диаграмме иллюстрируется классификация технологий PLC и отражается состояние на сегодняшний день. Что касается низкоскоростной передачи, работающей во всех сегментах электросети – здесь проблем с измерениями и нормированием нет – есть полный парк приборов и набор протоколов передачи, специфичный для каждого сегмента сети. В части высокоскоростной передачи (BPL – Broadband PLC) – единства решений нет. Это и варианты электрического присоединения, и различные методы передачи и мультиплексирования, и множество протоколов верхнего уровня [3].

Сравнение PLC и альтернативных беспроводных технологий для создания АСКУЭ бытового сектора

Сферы применения любой технологии обусловлены ее характеристиками и стоимостью как реализации устройств наее базе, так и обслуживания уже развернутой сетевой инфраструктуры. В качестве альтернативы PLC среди существующих технологий можно рассматривать, например, беспроводные технологии GSM/GPRS, CDMA, Wi-MAX, Wi-Fi, 3G, LTE, а также более низкоскоростные Wireless M-Bus и ZigBee (SE 1.0/2.0) или многочисленные проводные, например, M-bus, Modbus, Ethernet. Высокоскоростные Wi-MAX, Wi-Fi, 3G, LTE в состоянии обеспечить большую скорость и надежную передачу данных, что обусловлено использованием высоких радиочастот несущих и наличием большого числа радиоканалов, применением высокоэффективных видов модуляции и алгоритмов кодирования данных, что, в свою очередь, требует большой вычислительной и соответственно потребляемой мощности, а это, в конечном счете, существенно усложняет устройства, поддерживающие эти технологии, и, что немаловажно, значительно увеличивает их стоимость. Кроме того, не следует забывать и о возможной оплате трафика. Сфера применения GSM/GPRS, CDMA, 3G, LTE, Wi-MAX, Wi-Fi – глобальные сети сотовой связи, беспроводные локальные компьютерные сети и высокотехнологичные мультимедийные гаджеты. В основном, все перечисленные технологии создавались для удовлетворения потребительских нужд человечества, и, не в последнюю очередь, – неуемной жажды развлечений. Сети Wireless M-Bus и ZigBee ориентированы на использование в сравнительно низкоскоростных беспроводных сетях сбора информации различного рода датчиков и управления несложными механизмами. Максимальная скорость передачи данных между устройствами в ZigBee-сети 250 Кбит/с при частоте несущей 2.4 ГГц или 20 Кбит/с при частоте 868 МГц. Одно из основных преимуществ сети ZigBee заключается в возможности создания устройств с очень низким энергопотреблением и питанием от встроенных батарей с ограниченной энергоемкостью, которые, тем не менее, могут обеспечить срок службы приборов 10 и более лет.

Беспроводные технологии имеют массу достоинств, но некоторые ограничения их применения, присущие беспроводным способам передачи данных (в первую очередь – небольшое расстояние связи, особенно при сложном рельефе местности; или полное ее отсутствие в сложных условиях подземных коммуникаций; наличие разного рода помех и препятствий, связанных, в том числе, с архитектурными излишествами), препятствуют их широкому использованию в разветвленных автоматизированных системах учета.

Существенный недостаток всех проводных технологий (M-bus, Modbus, Ethernet, xDSL, CANopen/Device Net и других) – необходимость прокладки линий связи. Многие счетчики электроэнергии, впрочем, как и счетчики расхода воды, газа и тепловые счетчики, содержат интерфейс M-bus, что потенциальнопозволяет объединить их в систему. Однако максимальная скорость передачи данных (рекомендованная – 9600 бит/с), как и протяженность линии связи, определяется параметрамииспользуемого кабеля (величиной его сопротивления и емкости). Реально достижимых значений скорости передачи и расстояния связи явно недостаточно для применения интерфейса M-bus в разветвленных автоматизированных системах. Кроме того, для работы сети необходим достаточно мощный источник питания. Использовать существующую развитую инфраструктуру проводных телефонных сетей по вполне понятным причинам также вряд ли представляется возможным. На начальном этапе развития систем дистанционного учета использование дополнительных проводов для информационного обмена в какой-то мере позволяло решить проблему. В разветвленных комплексных автоматизированных системах учета, содержащих не только счетчики расхода электроэнергии, а также воды, тепла, газа и другие, в силу отсутствия проводных линий к этим счетчикам, а в большинстве случаев и с невозможностью их прокладки целесообразно использовать для обмена данными радиоканал, реализованный, к примеру, на базе недорогих технологий Wi re less M-Bus или ZigBee, поддерживающих ряд упрощенных протоколов обмена. В этом случае в счетчике электроэнергии, поскольку он уже подключен к электросети, необходимо использовать мост ZigBee-PLC для дальнейшей передачи данных от этих приборов по электросети. Кроме того, технологию ZigBee можно использовать совместно с PLC для объединения сегментов электрической сети, между которыми по разным причинам отсутствует надежная PLC-связь. Радиоканал GSM/GPRS, как правило, используется в модулях, подключенных к проводной электросети и собирающих информацию счетчиков со сравнительно небольшой локальной территории с последующей передачей данных по радиоканалу в диспетчерский центр [2].

Так для автоматизированного снятия параметров с счетчиков, расположенных на значительном удалении друг от друга (маленькая сосредоточенность абонентов), выгоднее использовать PLC-связь, т.к. для подключения контроллеров к концентратору не требуется прокладка дополнительных кабелей, а различные радиопередатчики и радиоприемники не смогут покрыть большую площадь или будут слишком дорогими.

Для счетчиков в многоквартирных жилых домах больше подойдут радиопередающие-системы на основе LPWAN (LoRa), поскольку все контроллеры расположены максимально плотно. PLC-системы не способны поддерживать большое количество счетчиков и их установка выйдет экономически не выгодной.

Экономический аспект

Для потребителя:

В случае если ранее установленный прибор учета был однотарифный, то как правило все современные интеллектуальные приборы учета имеют возможность учета ЭЭ по нескольким тарифам, соответственно потребитель может проанализировать свое энергопотребеление, а затем выбрать более выгодный для него тариф.

Для сетевой организации:

Снижение потерь, во-первых, за счет переноса учета из дома на опору (столб), во во-вторых, за счет единовременного снятия показаний по всем приборам учета ровно на 1 число каждого месяца.

Возможность дистанционного введение частичного и полного ограничения энергопотребления должников с помощью встроенного в счетчик реле отключения нагрузки. Нет необходимости выезда к потребителю, проблем с доступом к прибору учета, все делается дистанционно из «диспетчерского пункта» (центра сбора и обработки данных - ЦСОД), и также включается обратно.

Основные проблемы PLC и методы их решения

Основные проблемы, с которыми сталкиваются при создании интеллектуальных систем учета можно объединить в две группы: организационные и технические.

Технические:

1. Серьезную проблему составляют импульсные шумы.   

Импульсный шум характеризуется короткой продолжительностью по сравнению со временем, процессов, происходящих в телекоммуникационных системах. Его природа связана с преходящими эффектами, которые возникают, например, при включении компьютера или телевизора. Продолжительность импульсного шума ограничена 1-100 мкс. Хотя некоторые авторы считают последний отрезок в качестве пульсирующего шума. Амплитуда, длительность и частота импульсных шумов очень разнообразна. Можно считать, что чем выше продолжительность, тем меньше амплитуда, и наоборот.

Импульсные шумы можно классифицировать по периодичности:

- Апериодический импульсный шум. Этот тип шумов может достигать очень больших значений амплитуды, таких как 2 кВ. Они могут быть вызваны включением разъединителя.

- Синхронный периодически возникающий импульсный шум в сети. Этот тип шумов может быть вызван некоторыми инверторами AC–DC/DC–AC. Он является периодическим (та же частота, как и частота сети или одной из ее гармоник) импульсным сигналом.

- Асинхронный периодически возникающий импульсный шум в сети. В этом случае период шума не имеет ничего общего с частотой сети. Это может быть вызвано различными коммутационными состояниями электрических машин (повторяющиеся помехи) [4].

Метод решения: установка фильтрокомпенсирующих устройств.

2. Низкое качество электропроводки и силовых сетей, как следствие низкий процент опроса приборов учета.

Метод решения: замена электропроводки и силовых кабелей на СИП (самонесущий изолированный провод).

3. Узкополосный шум влияет только на небольшую часть полосы пропускания канала связи PLC. Этот шум может быть вызван резонансными эффектами сопротивления линии НН, которые концентрируют большую часть мощности шума в определенных частотах. Также данный тип шума могут вызвать частотные селективные устройства, подключенные к сети, например импульсные источники питания. Кроме того, радиовещание (AM) может стать еще одним источником возникновения узкополосного шума в линиях НН [4].

Организационные:

1. Применение расчетных методов к потребителям, в случае, когда в результате технических сбоев или по другим причинам в сбытовую организацию не дошли показания приборов учета.

Метод решения: потребитель должен самостоятельно подавать показания по прибору учета, в частном секторе также желательно оставить старый прибор учета как контрольный и передавать показания и по нему.

2. Отсутствие у потребителя свободного доступа к прибору учета (касается только частного сектора)… поскольку счетчик расположен на опоре и как правило выполнен в закрытом («антивандальном») влагозащищенном корпусе.

Метод решения: использование специальных ЖКИ дисплеев, настроенных на конкретный прибор учета, вставив его в любую розетку.

3. Непопулярность данной технологии так же обуславливается её малой известностью в обществе.
4. Стоимость устройств PLC для граждан на сегодняшний день является высокой.

Выводы и рекомендации по использованию PLC технологий

В качестве новых технологий энергосбережения возможно реализовать регулярный сбор показаний счетчиков энергетическими компаниями, без прокладки новых кабелей и установки радиооборудования на основе PLC-технологии.

Список литературы:

1. Narrowband OFDM power line communication challenges, standardization, and semiconductor's role. Donald Shaver; David H. Su; Daniel Popa. 2013 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM). Year: 2013. Pages: 2993 – 2997
2. PLC-технологии: конкуренты и стандарты. В.Охрименко. ЭКиС. Контроль и автоматизация.
3. Измерения в сетях PLC. В.А. Белоруков. НПП «КОМЕТЕХ». Техника Связи №2, 2008 год.
4. Применение телекоммуникационных технологий PLC при подключении объектов распределенной генерации к электрическим сетям. Перевод и адаптация текста - М.Задонская, А.Вериго. ЗАО «РТСофт». 2015 год.