ЦИФРОВЫЕ АСКУЭ
О метрологии синхронных измерений электрической энергии и мощности

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 всего диапазона тех временных интервалов, за которые измеряются и рассчитываются значения мощности и энергии. Проблемы и решения метрологии таких измерений во времени рассматривает Аркадий Лазаревич Гуртовцев.

Аркадий Гуртовцев, к.т.н., ведущий научный сотрудник РУП «БелТЭИ», г. Минск

ПРЕДЫСТОРИЯ – РУЧНОЙ СЪЕМ ПОКАЗАНИЙ СЧЕТЧИКОВ

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СЪЕМ ПОКАЗАНИЙ СЧЕТЧИКОВ В ЧИСЛОИМПУЛЬСНЫХ АСКУЭ

Идея и технические средства для автоматизированного дистанционного считывания показаний счетчиков известны с тех пор, как появились сами счетчики. Но практическая реализация началась только в 70–80-е годы, 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, 6]. Толчок к их созданию дал двухставочный тариф (введен в 1968 г. 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. Возникла задача измерения фактической совмещенной 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 Δt кванту электроэнергии ΔЕ, в дискретную величину количества импульсов N = К .
Δφ = К · С · ΔЕ, 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

ΔЕ_и = К · С · ΔЕ / N,

а количество энергии пропорционально количеству импульсов:

ΔЕ = N / (К · С).

Этот принцип передачи от счетчика к системе получил название числоимпульсного, а сами системы – числоимпульсные АСКУЭ [7, 8].
В таких АСКУЭ процесс измерения 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» [9]. Из этого сигнала еще необходимо выделить измерительную информацию, т.е. «информацию о значениях физических величин». Это 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 (3 мин, 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 рассмотрены в [10–12].

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) [6].
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 [5, 6, 13]. 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, сформированы в работах [7,8, 14–18]. Основой таких систем стали цифровые измерительные каналы (ЦИК) – «измерительные каналы, на выходе которых результаты измерений представлены в виде цифровых результатов» [18].
Согласно [9], 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». Числовое значение физической величины – «отвлеченное число, входящее в значение величины».
Вместе с тем в метрологической практике наряду с числовым результатом измерения стали рассматривать как результат измерения и измерительный сигнал. 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 он как результат измерения принципиально отличается от числового результата, 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 [18] введено новое понятие цифрового результата измерения физической величины – это «числовое значение физической величины, полученное путем ее измерения, представленное в позиционной системе исчисления 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, что отграничивает их 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» [18].
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» [9]. Это понятие сформировалось и работало в эпоху аналоговых измерений, когда их результатом станови- лось 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. 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 [18], 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 [19].
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.

В следующем номере журнала Аркадий Гуртовцев рассмотрит основные понятия из области измерения времени и частоты и проанализирует работу цифровых АСКУЭ во времени.

ЛИТЕРАТУРА