Подсистема технического контроля и учета электрической энергии

Энергобезопасность является неотъемлемой составляющей современной концепции энергоэффективности. Особую роль играет мониторинг состояния электропотребления с целью выявления энергоемких объектов и формирования мероприятий по энергосбережению для повышения эффективности функционирования системы электроснабжения в целом.

Подсистема технического контроля и учета электрической энергии (ПТУЭ) предназначена для автоматизированного коммерческого учета и контроля потребления электроэнергии на распределенных технологических объектах

ПТУЭ (Рис. 2) может внедряться и эксплуатироваться как отдельно, так и в составе автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ) распределенными энергетическими объектами (Рис. 1).

Рисунок 1 - АСДУ распределенными энергоресурсами БГТУ им. В.Г. Шухова	Рисунок 2 - ПТУЭ в составе АСДУ распределенными энергоресурсами БГТУ им. В.Г. Шухова

Целью создания ПТУЭ является повышение эффективности функционирования инженерных служб за счет контроля аварийных ситуаций на распределенных энергетических объектах, а также автоматизированного составления отчетной документации по потреблению электроэнергии на различных объектах предприятий.

Достижение поставленной цели обеспечивается за счет:

• получения оперативной информации в реальном масштабе времени о состоянии процесса потребления электроэнергии по различным объектам;
• автоматического вычисления расчетных показателей;
• получения оперативной информации об отклонениях технологических параметров от заданных значений;
• предоставления начальникам служб и дежурным диспетчерам информации в удобном для восприятия виде;
• доступ к технологической информации с любых, в том числе мобильных устройств, оборудованных функцией доступа к сети Интернет.

Поступающая информация от объектов комплекса распределенных энергоресурсов подразделяется на режимные параметры и релейные сигналы о состоянии технологического оборудования.

Потребление электроэнергии является основным входным режимным параметром. Процессор I-7188, используя интерфейс Ethernet, транслирует в локальную сеть университета по протоколу ModbusTCP/IP текущие параметры электропотребления:

• системное время и дату;
• частоту питающей электросети;
• токи по трем фазам;
• напряжение по трем фазам;
• фактор мощности по фазам;
• активную мощность по каждой фазе и суммарно за текущий день;
• активную мощность по каждой фазе и суммарно за текущий год;
• интегральный показатель активной мощности;
• активную мощность по каждой фазе и суммарно за предыдущий день;
• активную мощность по каждой фазе и суммарно за предыдущий год;
• реактивную мощность по фазам;
• реактивную мощность по сумме фаз;
• статус соединения;
• тариф.

ПТУЭ удовлетворяет требованиям

• адаптивности – возможность настройки при изменении конфигурации сети,
• аживучести – способность выполнять установленные функции в условиях воздействия внешней среды и отказов компонентов системы,
• аоткрытости – возможность её модернизации без нарушения функционирования,
• анадежности.

Нижний уровень данной системы реализован на базе микропроцессорной техники (контроллеров), которые осуществляют опрос датчиков, первичную обработку данных и осуществление локального управления.

Рисунок 3 - Структура системы мониторинга технологических параметров распределенных объектов электропотребления

Средний уровень реализуется на базе многофункциональных PC-контроллеров и выполняет функцию согласования различных устройств нижнего уровня, обеспечивает возможность подключения различного регулирующего и инженерного оборудования к ПТУЭ и формирует основные информационные потоки для верхнего уровня.

Верхний уровень реализуется на базе персонального компьютера и выполняет опрос контроллеров среднего уровня, а также функции

• супервизорного управления, представления информации для диспетчера в виде мнемосхем, графиков и таблиц,
• архивирования параметров функционирования объектов распределенных энергоресурсов,
• протоколирования действий диспетчера и нештатных ситуаций.

ПТУЭ для операторов-технологов будет представлена в виде мнемосхем, на которых должны отражаться объекты комплекса распределенных энергоресурсов с режимными параметрами, по которым технолог-оператор должен иметь представление о состоянии процесса энергоснабжения учебных корпусов и технологических объектов БелГУ.

Межуровневое взаимодействие функциональных узлов ПТУЭ верхнего и среднего уровня осуществляется посредством локальных вычислительных сетей (ЛВС), сети интернет или GSM модемов. Взаимодействие между нижним и средним функциональными уровнями осуществляется по технологической сети RS-485 (несколько счетчиков одного электрического ввода подключаются к порту RS-485 коммуникационного контроллера RS-485).

Применение счетчика Меркурий 230 модификации AR-03 позволяет использовать имеющийся интерфейс RS-485 для связи с промежуточными программируемыми логическими контроллерами среднего уровня I-7188EXD производства ICPDAS для сбора информации с устройств локального управления и контроля.

В процессоре I-7188 содержится информация обо всех контролируемых и регулируемых параметрах, которая посредством разработанного программного обеспечения контроллера I-7188 и коммуникационного протокола ModBus доступна оборудованию верхнего уровня. ПЛК выступает в роли преобразователя интерфейса RS485 – Ethernet. При этом все особенности связи между контроллером I-7188 и верхним уровнем системы обеспечиваются программным обеспечением, установленным в контроллере. Использование процессора в этой роли вызвано специфичностью интерфейса обмена данных с Меркурием (контрольная сумма, использование уровней доступа к параметрам электросчетчика, команды запроса и установки системного времени и тарифов). Запросы со стороны ПЛК делятся на четыре группы:

• запрос на тестирование канала связи;
• запросы на открытие/закрытие канала связи;
• запросы на запись (программирование);
• запросы на чтение.

Процессор I-7188, используя интерфейс Ethernet, транслирует в локальную сеть университета по протоколу ModbusTCP/IP.

Анализ потребления электроэнергии в разное время суток дает возможность принять меры по экономии электроэнергии, а также способствует повышению энергобезопасности, так как информация о перегрузки электросети, перебоях в электроснабжении хранится в базе данных и доступна оператору как в реальном времени так и в виде архивов. Без информации из архивов практически невозможно определить пиковые моменты потребления, определить максимальные токи по шинам.

Графическое отображение энергопотребления также дает косвенное представление о количестве сотрудников работающих в лабораторном и аудиторном корпусе, времени их нахождения на рабочем месте.

Более того, при наличии информации о текущем потреблении, для избежания аварий, перегорания предохранителей, возгорания трансформаторов можно автоматически отключать второстепенные нагрузки, освещение, кондиционеры, обогреватели.

Для контроля потребления электрической энергии применяются стандартные счетчики электрической энергии Меркурий 230 ART 03, с интерфейсом RS485. Счетчики с трансформаторами тока перекрывают весь диапазон требуемых измерений в учебных заведениях, от нескольких ватт до сотен киловатт. Тестирование счетчиков показало высокую стабильность показаний, удобство интерфейса RS485 для целей диспетчеризации.

Используемый электросчетчик позволяет измерять до пятнадцати параметров, характеризующих энергопотребление и качество получаемой электроэнергии: потребляемую активную мощность, реактивную мощность, напряжение, ток и частоту в каждой из фаз.

Рисунок 4 - Электросчетчик «Меркурий»

В составе SCADA системы инженерного оборудования показания электросчетчика доступны в реальном времени, также доступны архивы профиля потребления за все время работы электросчетчика.

Веб-интерфейс ПТУЭ предназначен для реализации верхнего функционального уровня ПТУЭ и позволяет обеспечить начальников служб и дежурных диспетчеров оперативной информацией о состоянии процесса потребления электроэнергии объектами БелГУ в реальном масштабе времени, а также формирует и предоставляет в их распоряжение отчёты о электропотреблении данных объектов.

Доступ к технологической информации осуществляется с любых, том числе мобильных устройств, обладающих функцией доступа к сети Интернет, в удобном для восприятия виде.

Оперативная информация предоставляется специализированным веб-приложением, представляющим собой динамически генерируемую сервером веб-страницу. Показатели электропотребления выводятся на страницу в виде числовых показателей или графиков, позволяющих в реальном времени отследить краткосрочную динамику процесса электропотребления. Числовые показатели выводятся над соответствующими объектами БелГУ, либо сводятся в единую таблицу (рис. 5).

Рисунок 5 - web-интрефейс ПТУЭ

Специализированное подменю главной страницы веб-интерфейса (рис. 6) предоставляет доступ к подробному описанию выбранного электросчётчика или объекта БелГУ, генератору отчётной документации и графиков.

Рисунок 6 - Меню инструментов главной страницы веб-интерфейса

Генератор отчётов позволяет указать требуемые объекты и счётчики, период расчёта, тарифные показатели и выходной формат, после чего сформированный отчёт возвращается пользователю в указанном формате. Возможно отображение в виде статической или динамической HTML-таблицы, предоставления файлов в формате CSV и Excel, а также сжатие выходного файла указанным алгоритмом архивации. Пример отчёта в формате статической HTML-таблицы приведён на рисунке 7.

Для упрощения процедуры получения отчётной документации веб-интерфейс ПТУЭ предоставляет иерархический интерфейс доступа к отчёту на основе универсальных локаторов ресурсов (URL) в формате "/год/[месяц, неделя]/[день]/[объект, счётчик]/список_показателей/шаг". Такой адрес используется как ссылка на требуемый отчёт.

Рисунок 7 - Фрагмент отчёта о электропотреблении в формате HTML-таблицы

Отчёты в виде наглядных графиков электропотребления объекта за указанный период формируются с помощью соответствующего генератора на главной странице веб-интерфейса. Генератор графиков позволяет осуществлять сравнительный анализ электропотребления, как показано на рисунке 8.

Рисунок 8 - График сравнительного электропотребления общежития

Вопросы безопасности решаются предоставлением функций разграничения доступа к конкретным разделам веб-интерфейса на основе парольной HTTP-аутентификации и клиентских SSL-сертификатов. Подлинность сервера подтверждается серверным SSL-сертификатом. Соединение с сервером происходит по протоколу HTTPS - данные передаваемые по сети Интернет шифруются асимметричным алгоритмом с открытым ключом, - что делает невозможным перехват и анализ передаваемой информации.

Сервер веб-интерфейса основан на высокопроизводительной программной платформе, обеспечивая высокую надежность и отказоустойчивость за счёт средств резервирования ресурсов и динамической балансировки нагрузки.