Новости Электротехники 2(116) 2019





<  Предыдущая  ]  [  Следующая  >
Журнал №3 (57) 2009 год     

ЦИФРОВЫЕ АСКУЭ
О метрологии синхронных измерений электрической энергии и мощности



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

Завершаем публикацию статьи Аркадия Лазаревича Гуртовцева (см. «Новости ЭлектроТехники», 2009, №2(56), с. 62–65), в которой впервые рассматриваются вопросы синхронных (координированных) измерений электроэнергии и мощности в цифровых АСКУЭ – системах, работающих в реальном времени и нуждающихся в его правильном определении.

ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ И ЧАСТОТЫ.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Время выражает длительность бытия и последовательность смены состояний всех материальных систем и процессов в мире [1, 2]. Его измерение основано на наблюдении (в астрономии) или осуществлении (в технике) периодически повторяющихся процессов одинаковой длительности – равномерных или квазиравномерных.
Часы – приборы для отсчета времени – используют постоянные периодические процессы: колебания маятника, кварца, переход атомов из одного состояния в другое и т.п. Измерение времени (его длительности) сводится к измерению числа периодов используемого процесса, приходящихся на измеряемую длительность: чем больше частота процесса, тем точнее можно измерить эту длительность. Современный международный стандарт времени и частоты реализован в атомных квантовых часах, основанных на частоте спектральной линии атома цезия-133 (этот стандарт лег в основу определения единицы времени «секунда» в системе SI).
Основные понятия, связанные со временем и частотой, определяет межгосударственный стандарт [3]: момент события – «положение события во времени», интервал времени – «время, истекшее между моментами двух событий», шкала времени (ШВ) – «непрерывная последовательность интервалов времени определенной длительности, отсчитываемая от начального момента (для ШВ устанавливают условный нуль, единицу величины и порядок корректировки)», координированные ШВ – «ШВ, в которых числовые выражения положения любого события отличаются друг от друга на значение, не превышающее установленного допуска», синхронные ШВ – «ШВ, числовые выражения любого события которых совпадают (ШВ, у которых разности между числовыми выражениями положения любого события известны с заданной точностью, называют привязанными ШВ)». От сравнения ШВ, позволяющего определить смещение между ними, следует отличать их синхронизацию.
Стандарт устанавливает такие понятия, как всемирное и атомное время, международная и национальная шкалы координированного времени, часовой пояс, поясное время и др.
Под определением времени понимается «экспериментальное или расчетное определение числового значения момента события в какойлибо ШВ», под измерением интервала времени – «экспериментальное определение длительности измеряемого интервала времени в принятых единицах величин», а под хранением времени – «действия, выполняемые для определения времени в избранной шкале времени с заданной точностью».
Время измеряют через измерение частоты и фазы периодической функции соответствующего средства измерения (СИ) частоты и (или) времени – меры, эталона или часов. Частота f – это «величина, измеряемая числом одинаковых событий в единицу времени», а фаза – «аргумент периодической функции, соответствующий ее определенному состоянию». Частоту определяют как прямым счетом числа одинаковых событий N на конкретном интервале времени измерений Tи: f = N / Tи, так и сравнением измеряемой частоты с частотой, значение которой известно.
Мерой частоты называют «техническое средство, используемое для измерений и предназначенное для воспроизведения частоты заданного размера и (или) формирования ШВ с нормированными метрологическими характеристиками». К метрологическим характеристикам СИ времени и частоты относятся, например, поправка часов – «значение интервала времени, которое прибавляют к показаниям часов, чтобы получить действительное время в данной шкале», ход часов – «изменение поправки часов за интервал времени, отнесенное к этому интервалу» (например, суточный ход в с/сут) и др. Меру частоты, относительная погрешность которой в течение 1 года не превышает ±5 · 10–9, называют стандартом частоты.
Сигнал, несущий информацию о размерах единиц частоты и ШВ, воспроизводимых конкретной мерой частоты, называют сигналом частоты и (или) времени. Сигнал, относящийся к национальной ШВ, именуют эталонным. Он передает информацию от государственного эталона времени и частоты средствам потребителя по различным каналам связи, а также через глобальную спутниковую систему. Сигналы точного времени могут передаваться в рамках Государственной службы времени и частоты (ГСВЧ), а также различными организациями и системами, в частности, радионавигационными системами (ГЛОНАСС, NAVSTAR), широковещательными («Маяк») или специальными (метеорологическими, морскими) радиостанциями и т.п. [4-6]. Сигналы для проверки времени большинством радиостанций передаются в виде шести звуковых точек (точность этой системы сигналов – до 0,5 с), хотя иногда возможна передача цифровой информации об актуальной дате, текущем времени и его типе – летнем/зимнем. Цифровые сигналы точного времени можно получать из интернета и ведомственных интранетов с соответствующих серверов точного времени, использующих, в частности, рубидиевые стандарты частоты и времени, синхронизируемые с государственными эталонами [4].

ЦИФРОВЫЕ ЧАСЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Для хранения, измерения и передачи сигналов времени в современных цифровых системах, включая микропроцессорные электросчетчики и компьютеры, используют цифровые микросхемы часов реального времени ЧРВ (RTC – Real Time Clock). Пример таких часов – часы/календари реального времени фирмы Dallas Semiconductor (www.dalsemi.com), в частности, ее микросхемы DS1202, DS1307, DS1337, DS3231 [7] и др.
Так, микросхема DS1202 содержит делитель с осциллятором (к нему подключен стандартный кварцевый резонатор с собственной частотой 32,768 кГц), часы с календарем, статическое оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и регистр ввода-вывода. Микросхема в корпусе DIP имеет 8 выводов: 2 – для подключения источника питания, 2 – для резонатора, 1 – для последовательного цифрового ввода-вывода данных, 2 – для линии внешней синхронизации последовательного интерфейса и входа сигнала сброса, 1 – резервный. Информация о реальном времени и календаре представляется в форме двоично-десятичного кода в секундах, минутах, часах, по дате, дню недели, месяцу и году с учетом високосности. Часы работают в 24- или 12-часовом формате. К микропроцессору микросхема подключается только тремя выводами, а цифровые данные могут передаваться в микропроцессор побитно, по одному байту, или их последовательностью.
Во всех цифровых микросхемах часов базовая единица времени – секунда, формируемая путем счета импульсов-меандров от осциллятора-делителя (так, если делитель делит стандартную частоту осциллятора fО = 32 768 Гц на 64, то частота импульсов на входе ЧРВ равна fЧ = 512 Гц). Секунда и все более крупные интервалы времени в цифровых часах измеряются при fО = 32 768 Гц с относительной предельной погрешностью не более 0,5 / 32 768 = 15,2 · 10–6 = ±15,2 ppm (миллионных долей), и то при условии, что частота осциллятора стабильна во времени. На самом деле в процессе эксплуатации часов с кварцевыми резонаторами их электромеханическая и тепловая чувствительность приводит к нестабильности частоты fО. Без соответствующей компенсации и синхронизации нестабильность многих часов достигает 100 мин/год [8].
Основные причины изменения точности хода часов, связанные с нестабильностью времязадающего элемента (кварцевого резонатора) [8]: а) начальная точность отсчета времени в нормальных условиях, обусловленная начальной неточностью резонатора; б) долговременная стабильность, определяемая старением резонатора; в) нелинейный температурный коэффициент резонатора. Очевидный, но дорогой способ уменьшить нестабильность резонатора – повысить его физическое качество. На практике нестабильность резонатора по каждой из указанных причин компенсируется с помощью соответствующих цифровых поправок, значения которых вычисляются в процессе производственной калибровки микросхем и резонаторов и записываются в память микросхемы. При работе микросхемы цифровые значения поправок (положительные или отрицательные) алгебраически суммируются с данными регистра секунд ЧРВ с требуемой периодичностью, например, один раз в сутки.
Эти и другие меры позволяют снизить нестабильность часов до ±24 и даже до ±2 мин/год. Такую высокую точность хода имеют микросхемы, снабженные встроенными кварцевыми резонаторами и датчиками температуры (датчик измеряет текущую температуру в микросхеме и извлекает из памяти соответствующее значение поправок для коррекции часов).
Заметим, что микросхемы часов, как и электросчетчики, в которых они используются, не измеряют время (его длительность), а формируют единицы времени, т.е. являются мерой, и используются для определения времени.

СИНХРОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ АСКУЭ

Типичная двухуровневая структура цифровой АСКУЭ (рис. 1) содержит N цифровых измерительных каналов (ЦИК), компьютер, обменивающийся данными с ЦИК через сетевую среду, и источник сигналов точного времени (ИСТВ). Структуры ЦИК (рис. 2) различаются только составом масштабных преобразователей – трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН). Обязательный элемент всех ЦИК – микропроцессорный электросчетчик со встроенными цифровыми часами, с цифровой базой данных учета и внешним доступом к ней и к часам по цифровым интерфейсам.
Часы ЦИК (счетчиков) хранят свои автономные ШВ, базовая единица которых – секунда. Если эти ШВ идеальны, т.е. не имеют погрешностей, то в отсутствие внешней синхронизации их можно признать координированными с максимально возможным смещением между ними в пределах не более ±1 с. При внешней синхронизации ШВ с ИСТВ смещение в принципе можно уменьшить почти до нуля, и при этом шкалы станут практически синхронными.
ШВ в ЦИК используются для привязки к ним моментов начала и окончания интервала времени, за который необходимо измерить количество электроэнергии в точках измерения (ТИ) электросети. ЦИК измеряют количество электроэнергии постоянно и непрерывно, но с привязкой этого процесса к иерархии временных интервалов, длительность и последовательность которых определяются задачами учета электроэнергии и мощности, сформулированными еще для первых АСКУЭ. Чаще всего электроэнергия учитывается в АСКУЭ по 1-, 3-, 15-, 30- и 60- минутным интервалам для формирования усредненных по этим интервалам значений контрольной или расчетной мощности и по зонам суток, суткам, неделям и декадам, месяцам, кварталам и годам для формирования расчетных значений электроэнергии. В условиях оптового и розничных рынков электроэнергии в России расчетным значением мощности является часовая, а в Беларуси – получасовая мощность.

В числоимпульсных АСКУЭ часов в счетчиках либо не было (в индукционных счетчиках), либо они не использовались (в электронных счетчиках с телеметрическими выходами) для формирования числоимпульсных сигналов: вся привязка к временным интервалам измерения электроэнергии и мощности в N ТИ производилась централизованно по одним часам ИИСЭ (рис. 2 в «Новостях ЭлектроТехники» № 2(56) 2008, стр. 62). Таким образом формировались совмещенные значения мощности или электроэнергии. В цифровых АСКУЭ происходит принципиально иной, децентрализованный процесс привязки измерений электроэнергии к автономным ШВ отдельных счетчиков, поэтому следует говорить о синхронных или координированных измерениях электроэнергии и мощности в N ТИ.
Так как в метрологии нет понятия синхронных или координированных измерений физической величины [9], определим их следующим образом: «это измерения однородной переменной физической величины в N пространственно распределенных ТИ, в каждой из которых значения величины соотносятся как события с моментами или интервалами времени автономной ШВ точки измерения, а ШВ всех точек синхронизированы (координированы)». В общем случае физической величиной, подлежащей синхронным (координированным) измерениям, может быть температура, давление и т.п. Но в случае электроэнергии синхронные измерения важны для выполнения вычислений, чтобы определить мощность или электроэнергию по группам ТИ (по объектам и сечениям учета).
Цена достижения синхронных измерений электроэнергии и мощности в цифровых АСКУЭ, особенно в масштабных АСКУЭ, очень велика. Современные микропроцессорные счетчики электроэнергии имеют, как правило, точность суточного хода часов в нормальных условиях в диапазоне ± (0,5–2,0) с/сут. В условиях эксплуатации реальные цифры в несколько раз выше. Для достижения практического синхронизма ШВ таких счетчиков, например, с максимальным смещением шкал не более ±0,1 с, необходимо обеспечить синхронизацию часов на субсекундном уровне, причем с частотой подачи внешнего сигнала синхронизации чаще, чем один раз в час. В работе [4] вообще полагается, что «для исключения потерь электроэнергии погрешность отсчета времени в счетчиках не должна превышать 10–2 с». К счастью, это не так.
Минимальный интервал времени, который имеет в АСКУЭ коммерческое значение, – интервал измерения расчетной мощности, равный 3 600 с (для России) или 1 800 с (для Беларуси). В то же время реальная погрешность измерения электроэнергии в ЦИК, как правило, превышает 1 % и в большинстве случаев составляет 2–3 % даже при использовании самых высокоточных электронных рабочих счетчиков, например, класса 0,2S (следует помнить об основных и дополнительных погрешностях счетчиков, ТТ, ТН и о реальных режимах их работы, в т. ч. в диапазоне первичной нагрузки менее 5 % номинальной [10–12]). Поэтому допустимая погрешность определения времени не должна вносить существенную дополнительную погрешность в результат измерения за интервал расчетной мощности. С учетом того, что в метрологии погрешности независимых величин принято складывать квадратично, достаточно, чтобы погрешность определения времени в АСКУЭ была не выше 0,25 %. Для интервала 3 600 с такая погрешность составит ± 9 с, а для интервала 1 800 с – ± 4,5 с относительно точной ШВ. Исходя из этого, в белорусской энергосистеме в требованиях к цифровым АСКУЭ принята допустимая погрешность определения времени ± 3 с.
Установив указанное предельное смещение автономных ШВ, в дальнейшем надо говорить уже не о синхронных, а о координированных (или привязанных) измерениях электроэнергии и мощности. В этих из- мерениях существенно то, что координировать шкалы на уровне секунд можно чисто цифровыми методами (путем точных алгебраических операций) и выполнять это достаточно редко, например, 1 раз в сутки. В двухуровневой структуре цифровой АСКУЭ есть две принципиальные возможности синхронизации ШВ счетчиков: непосредственно с ИСТВ через сетевую среду связи (С1) и опосредованно через компьютер (С2) (рис. 1). Сетевой средой связи в простейшем случае может служить физическое пространство (например, земная атмосфера), а в большинстве случаев – технически сложный комплекс со множеством аппаратно и программно коммутируемых компонентов (радиосеть, спутниковая связь, интернет, интранет и т.д.).

В варианте С1 (рис. 1) синхронизация ШВ счетчиков возможна либо с помощью сигналов точного времени (метод целесообразен при субсекундной синхронизации в АСКУЭ), либо посредством цифровых данных о точном времени (метод оправдан при секундной синхронизации). В первом случае каждый счетчик должен иметь встроенный приемник соответствующих сигналов (GPS-приемник, радиоприемник и др.). Во втором случае в каждом счетчике нужен стандартный цифровой интерфейс для обмена не только данными учета, но и цифровыми данными времени. В зависимости от сетевой среды интерфейсы счетчиков могут иметь проводное (RS232, RS485, CAN, Ethernet и т.п.) или модемное окончание (GSM-модем, RadioEthernet и т.п.). Для синхронизации часов в интернете или интранете разработан ряд цифровых протоколов, например, NTP [13]. Такой протокол позволяет использовать в качестве ИСТВ серверы точного времени (СТВ), которые в свою очередь синхронизируются с национальными или международными эталонами времени и частоты. К СТВ могут обращаться обычные ПК или специальные устройства, подключенные к сети и содержащие соответствующие протоколы синхронизации. В процессе синхронизации ПК многократно опрашивает СТВ для получения достоверной статистики задержки цифрового пакета в сети, указывая в запросе собственное текущее время. СТВ в ответе указывает время передачи пакета (разность между временем его отправки и получения) и свое текущее время. Получив пакет, ПК вычисляет задержку его передачи (половина времени передачи его туда и обратно) и корректирует собственное время по времени СТВ. То есть синхронизация часов в сети осуществляется сугубо цифровыми методами.
Соответственно вся метрология цифровой АСКУЭ автоматически заканчивается на уровне ЦИК (счетчиков), где сосредоточены операции измерения электроэнергии, хранения и определения времени, получения цифровых результатов по электроэнергии и мощности в ТИ. При аттестации или поверке этих ЦИК как средств измерений (СИ) достаточно рассчитать в условиях эксплуатации их инструментальные погрешности по предельным относительным основным и дополнительным погрешностям их стандартных компонентов (счетчиков и измерительных трансформаторов) и проверить координацию их ШВ относительно эталонной ШВ.
В варианте С1 между каждым ЦИК и ИСТВ существует только сетевая среда, которая в силу своего объема и сложности не может быть метрологически аттестована как СИ, но её физические и технические характеристики, влияющие на точность передачи через нее результатов измерения, могут быть учтены в соответствующих цифровых алгоритмах, закладываемых в ЦИК, ИСТВ и ПК. При этом на верхнем уровне АСКУЭ в ПК осуществляются только цифровые операции над цифровыми результатами координированных измерений электроэнергии и мощности в ЦИК. В силу этого ПК принципиально нельзя рассматривать в АСКУЭ как СИ электроэнергии или времени.

В более сложных, например, трехуровневых цифровых АСКУЭ (рис. 3) на среднем уровне появляются микропроцессорные устройства сбора и передачи данных (УСПД), которые осуществляют сбор цифровых данных учета электроэнергии и мощности, а также промежуточное цифровое хранение и синхронизацию ШВ ЦИК. В такой структуре возможны дополнительно три варианта синхронизации ШВ ЦИК: а) С3 – с ИСТВ через УСПД; б) С4 – с ИСТВ через сетевую среду 2, соединяющую УСПД с ПК, и через УСПД; в) С5 – с ИСТВ через ПК, сетевую среду 2 и УСПД.
Очевидно, что и в такой структуре для УСПД и ПК достаточно установить требования к точности цифровых операций, включая цифровую синхронизацию, и не добиваться их превращения в СИ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В будущем все АСКУЭ будут реализовываться только как цифровые, содержащие простые ЦИК, которые подлежат метрологической аттестации и поверке в качестве средств измерений. Все другие технические средства, надстроенные над этими каналами и обрабатывающие их цифровые результаты измерений энергии, мощности и определения времени, являются средствами неизмерительного назначения и не требуют метрологического контроля.
ЦИК по мере совершенствования интегральных цифровых технологий будут развиваться в направлении дальнейшего перенесения многих системных функций измерения энергии и определения времени в ТИ, и в частности, в первичные преобразователи (цифровые измерительные ТТ и ТН), устраняя тем самым составную конструкцию ЦИК.

ЛИТЕРАТУРА

1. Философский энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1989.
2. Большой российский энциклопедический словарь. М.: Большая Российская энциклопедия, 2003.
3. ГОСТ 8.567-99. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерение времени и частоты. Термины и определения.
4. Клеман А.С., Кравченко П.А., Романько В.Н. и др. Проблема обеспечения единого времени в электроэнергетике // Украинский метрологический журнал. 2006. № 2.
5. Что такое синхронизация часов при помощи радиосигнала DCF 77? – www. tcair.ru.
6. Радиосигналы точного времени. – www.connect.ru/article.asp?id=6336. 7. DS3231. Сверхточные RTC со встроенными I2C интерфейсом, TCXO и резонатором. – www.rtcs.ru/popup_product.asp?id=5464 8. Новые часы реального времени, имеющие точность в широком рабочем температурном диапазоне: ±2 минуты в год. – Сайт www.apls.ru.
9. РМГ 29-99. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения.
10. Гуртовцев А.Л. Погрешности электронных счетчиков. Исследование и оценка // Новости ЭлектроТехники. 2007. № 1(43), № 2(44).
11. Гуртовцев А.Л. Измерительные трансформаторы тока 0,4–10 кВ. Возможности улучшения характеристик // Новости ЭлектроТехники. 2008. № 1(49).
12. Гуртовцев А.Л. Измерительные трансформаторы тока. Проблема нижней границы вторичной нагрузки // Новости ЭлектроТехники. 2008. № 2 (50).
13. Время в Solaris. – www.sunhelp.ru/archives/197-VremJa_v_Solaris.
14. Гуртовцев А.Л. Аттестация цифровых АСКУЭ: какой ей быть? // Новости ЭлектроТехники. 2008. № 4(52).





Очередной номер | Архив | Вопрос-Ответ | Гостевая книга
Подписка | О журнале | Нормы. Стандарты | Проекты. Методики | Форум | Выставки
Тендеры | Книги, CD, сайты | Исследования рынка | Приложение Вопрос-Ответ | Карта сайта




Rambler's Top100 Rambler's Top100

© ЗАО "Новости Электротехники"
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Segmenta Media создание и поддержка сайта 2001-2019