 |
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).
| 
|
