Необходимая структура потоков информации между первичными источниками (приборами учета) и районными центрами обработки информации для многоуровневой иерархической системы диспетчеризации потребления энергоресурсов определяется:

• принципами адресации оборудования в системе;
• способами первичной обработки и кодирования информации на уровне приборов и сервера системы диспетчеризации энергетических ресурсов;
• особенностями информационных потоков для передачи информации об энергопотреблении, а также дополнительной и диагностической информации;
• требованиями к частоте опроса каналов передачи данных и пропускной способности используемых линий связи.

Принцип адресации приборов в системе учета энергопотребления

Допустимые границы адресного пространства должны быть определены исходя из максимально допустимого количества приборов учета на соответствующем уровне иерархии.

Адрес отдельного элемента (или узла) сети учета энергопотребления должен включать:

• уникальный номер общедомового концентратора;
• уникальный (в пределах одного общедомового концентратора) номер квартирного концентратора (блока);
• уникальный номер элемента (счетчика, датчика или исполнительного устройства, подключенного к квартирному концентратору).

Подключение общедомового концентратора к серверу центра обработки информации осуществляется по протоколу TCP/IP с использованием общедоступных каналов связи. В сетях Internet (при использовании протокола TCP/IP версии 4) теоретический предел одновременно подключений к одному компьютеру (или другому узлу сети) составляет 65535 [1]. Исходя из этого, максимальное адресное пространство для идентификации общедомовых концентраторов, подключенных к одному серверу, может составлять 2 байта.

Размер адресного пространства для идентификации квартирного концентратора может составлять один байт, что позволит адресовать до 255 квартирных концентраторов на каждом домовом концентраторе.

Поскольку приборы учета энергоресурсов и управления могут иметь достаточно сложную конфигурацию, целесообразно структуру системы диспетчеризации энергопотребления представить в виде логической совокупности каналов передачи данных и канала управления.

Каждый канал передачи данных представляет собой логически обособленную измеряемую величину, изменяющую значение с течением времени и физически расположенную на некоторой контрольной точке объекта мониторинга. Примерами канала передачи данных являются:

• температура теплоносителя на входе в отопительную систему;
• текущий расход холодной воды в конкретной квартире;
• текущая потребляемая электрическая мощность в конкретной квартире;
• текущие показания счетчика электроэнергии в конкретной квартире;
• состояние датчика утечки газа в конкретном помещении и т. д.

Примерами канала управления являются линии управления реле, контакторами, регулирующими и отсечными исполнительными механизмами, установленные на соответствующих линиях электроснабжения, водоснабжения и т. д. Например, электрический счетчик, определяющий мощность, потребляемую электроэнергию и имеющий выход для отключения абонента, включает три канала:

• канал передачи данных для учета текущей потребляемой электрической мощности;
• канал передачи данных для учета потребленной электроэнергии;
• управляющий канал для блокировки подачи электроэнергии абоненту.

Для адресации каналов отдельного квартирного концентратора достаточно использовать 1 байт, что позволит адресовать до 255 каналов передачи данных и управления.

Возможная структура адреса отдельного канала передачи данных или управления представлена в таблице 1.

Таблица 1 - Структура адреса в сети учета энергопотребления

Адреса общедомовых концентраторов, подключенных к одному серверу должны быть уникальны. Адреса всех квартирных концентраторов, подключенных к одному общедомовому концентратору также должны быть уникальны. Номера каналов передачи данных или управления должны быть уникальными в пределах одного квартирного концентратора.

Рассмотренный метод адресации обеспечит поддержку:

• до 65535 общедомовых концентраторов (0 — 65534) на одном сервере;
• до 255 квартирных концентраторов (0 — 254) на каждом общедомовом концентраторе;
• до 255 каналов передачи данных и управления (0 — 254) на каждом квартирном концентраторе.

Способы обработки и кодирования данных учета энергопотребления для передачи на сервер центра обработки информации

В большинстве современных приборов учета энергопотребления присутствует измерительный элемент с импульсным выходом, передающий информацию о потреблении определенного количества воды, газа, тепла или электроэнергии.

Основное отличие приборов заключается в различии величины и размерности коэффициентов пропорциональности   (или в цене деления одного импульса).

Использование приборов с импульсным выходом позволит определить:

• интегральный объем потребления энергоресурса X_Σ  (по количеству импульсов за заданный временной интервал);
• текущее потребление энергоресурса X (по среднему интервалу Т_ср   между соседними импульсами).

Регистрацию количества импульсов и времени появления импульса выполняет модуль сумматора, к которому подключен импульсный выход преобразователя прибора учета. Реализация сумматора может быть выполнена на базе квартирного блока. Прибор выполняет регистрацию среднего периода следования импульсов, а также подсчитывает общее количество импульсов.

Один импульсный вход квартирного блока ассоциируется с двумя каналами передачи данных:

• средний период следования импульсов;
• количество импульсов.

Для передачи указанных величин достаточно использовать 4-х байтовые целые значения. Все передаваемые на сервер данные снабжаются временными метками (размером 4 байта). Преобразование полученных величин в соответствии с масштабным коэффициентом k прибора учета может выполняться на сервере районного (городского) центра обработки информации.

В приборах учета потребления тепла может использоваться более сложный метод кодирования и передачи данных. Например, при использовании теплосчетчиков в закрытой системе сумматор выполняет расчет разности энтальпий ΔQ  в каждый конкретный момент времени и интегрирование указанной величины во времени, которая отражает количество потребленной тепловой энергии. При использовании пропорционаторов осуществляется суммирование разностей температур от двух датчиков – радиаторного и воздуха в помещении.

Помимо использования каналов для передачи показаний приборов учета, необходимы каналы, позволяющие контролировать другие параметры (давление в сети тепло- и водоснабжения, датчики влажности, датчики утечки газа, датчики протечки воды и т. д., сервисные каналы прибора, например, напряжение в сети питания, уровень заряда аккумуляторной батареи и т. д.).

Несмотря на большое количество каналов, задействованных в квартирном концентраторе, активно используются при передаче данных только перечисленные ниже каналы:

• текущая электрическая мощность;
• текущая потребленная электроэнергия;
• текущий расход горячей и холодной воды;
• объем потребленной горячей и холодной воды;
• потребление тепла за заданный интервал времени по соответствующим отопительным трубопроводам.

Высокая интенсивность передачи данных по указанным каналам связи необходима в первую очередь для оперативного мониторинга энергопотребления, а также может быть использована при анализе энергоэффективности отдельных объектов и системы в целом.

Данные по остальным каналам квартирного концентратора могут передаваться с большим интервалом времени (от 30 минут до нескольких часов и более) или при возникновении неполадок, неисправностей и внештатных ситуаций.

Дополнительные сервисные и диагностические сообщения

Целесообразна реализация не только оперативного централизованного контроля совокупности параметров энергопотребления, но также:

• диагностики неисправностей в системе;
• извещений о возникновение внештатных ситуаций на объекте мониторинга;
• определения и извещения о фактах недобросовестного использования систем учета или о саботаже в системе учета энергопотребления.

К неисправностям, возникающим в системе централизованного учета потребления энергоресурсов, можно отнести следующие:

• потеря связи между общедомовым концентратором и отдельными квартирными концентраторами;
• низкий заряд аккумуляторных батарей в общедомовом и квартирном концентраторе (блоке);
• высокий процент ошибок передачи данных (в линии RS-485, X.10) или низкий уровень сигнала беспроводных модулей;
• отсутствие напряжения в сети питания 220 В;
• неполадки в подключении интеллектуальных датчиков и приборов учета энергопотребления;
• неисправности прибора учета энергопотребления (в случае, если прибор учета энергопотребления имеет встроенные средства самодиагностики).

К внештатным ситуациям на объекте относятся:

• срабатывание датчиков утечки газа;
• срабатывание датчиков протечки воды;
• срабатывание оповещателей охранно-пожарной сигнализации;
• короткое замыкание в сети электропитания и другие.

При возникновении вышеперечисленных ситуаций выполняется внеочередная передача диагностического сообщения на сервер от соответствующего прибора (от домового или квартирного концентратора). Данные сообщения должны регистрироваться в энергонезависимой памяти прибора на случай отсутствия связи с сервером. В таких ситуациях прибор может выполнить ряд действий для предупреждения и предотвращения последствий внештатной ситуации. Например, передать сообщение о блокировке подачи воды на объект, включение системы автоматического пожаротушения или пожарной сигнализации и т.д.

Структура потоков информации между первичными источниками и районными (городскими) центрами обработки информации

В соответствии с проведенным анализом передаваемых в сети энергопотребления данных можно сформировать структуру потоков информации и определить основные алгоритмы обмена данными между первичными источниками и районными (городскими) центрами обработки информации.

Передача данных выполняется в канале TCP/IP. Инициатором подключения к серверу районного (городского) центра является общедомовой концентратор. Непосредственно после подключения выполняется процедура авторизации. Прибор в процессе работы поддерживает постоянное подключение к серверу и при разрыве соединения выполняет повторное подключение и авторизацию.

После выполнения авторизации начинается обмен данными между общедомовым концентратором и сервером. Принцип обмена данными - пакеты с квитированием (подтверждением получения).

Алгоритм передачи данных включает следующие этапы:

• подключение к серверу и авторизация;
• если авторизация не пройдена, то осуществляется повторение попытки через некоторое время;
• общедомовой концентратор выполняет опрос одного из квартирных концентраторов и сохраняет данные во временный буфер;
• если связь с квартирным концентратором утеряна, выполняется отправка сообщения на сервер о потере связи;
• если связь с квартирным концентратором восстановлена, в пакет данных добавляется информация о восстановлении связи;
• данные для отправки на сервер упаковываются в отдельный пакет, которому присваивается номер;
• выполняется передача данных на сервер;
• если общедомовой концентратор за заданное время не получает ответ от сервера, или же в ответе фигурирует номер, отличный от указанного в пакете, то отправка данных повторяется до исчерпания попыток отправки данных;
• если в течение заданного количества попыток отправки подтверждение от сервера не получено, то общедомовой концентратор закрывает соединение к серверу и после некоторой паузы выполняет повторную попытку подключения;
• если от сервера получена верная квитанция, то общедомовой концентратор анализирует наличие команды от сервера;
• если от сервера получена команда, то общедомовой концентратор выполняет ее и возвращает ответ серверу;
• выполняется опрос следующего квартирного концентратора.

Поскольку приборы учета энергопотребления передают информацию по общедоступным каналам связи, а также учитывая, что система является распределенной в пространстве, возможны ситуации, когда связь с приборов учета с сервером отсутствует. В этом случае приборы должны осуществлять хранение данных в энергонезависимой памяти на случай потери связи с сервером системы. После восстановления связи с сервером прибор должен выслать архивные данные, накопленные за время отсутствия связи.

Возможная структура пакета данных приведена в таблице 2.

Таблица 2 - Структура пакета данных

Основные коды команд приведены  в таблице 3.

Таблица 3 - Основные коды команд

Наибольший интерес представляют команды с номерами 2-4 и 12, поскольку они наиболее часто используются в обмене данными.

Для передачи текущего значения величины одного канала необходимо использовать пакет длиной 15 байт. Если к одному квартирному концентратору будет подключено 5 счетчиков (электричества, газа, горячей воды, холодной воды и теплосчетчик с 2 измерительными каналами), то для полного опроса одного квартирного концентратора в штатном режиме (при отсутствии тревог и неисправностей в системе) потребуется передача от квартирного концентратора к общедомовому

N_отв = m·15 = 10·15 = 150 байт,

где m - количество каналов на одном квартирном концентраторе.

Длина команды «Получить текущее значение величины» составляет 6 байт, тогда при 10 каналах получим, что длина запроса составит

N_запр = 10·6 = 60 байт.

Домовой и квартирный концентраторы могут быть объединены в сеть с использованием шины типа RS-485, поэтому для идентификации квартирного концентратора в сети потребуется выделять дополнительно 1 байт, а также 2 байта для хранения контрольной суммы, то есть объем служебной информации составит:

N_служ = 10·(1+2+2) = 50 байт.

Тогда общий размер пакета:

N_{передачи} = N_запр + N_отв + N_служ = 60+150+10·5 = 260 байт.

Скорость линии связи, которая обеспечивает устойчивый прием и передачу данных на больших расстояниях и при большом количестве объектов составляет 9600 кбайт/с или меньше. Для передачи 260 байт потребуется время

Учитывая время на дополнительную обработку этой информации, а также появление возможные пауз при передаче данных:

t_опроса = 0,3 с.

При максимальном количестве 255 приборах в сети общее время опроса всех домовых концентраторов составит:

t_Σ = 0,3·255 = 75,5 с.

Таким образом, если требуется малый интервал опроса приборов учета, например 10 с, рекомендуется подключать к одному домовому концентратору не более 30 квартирных концентраторов при 10 каналах приборов учета. Однако в системах контроля энергопотребления высокий интервал опроса у конечного потребителя обычно не требуется.  Время опроса 76,5с соизмеримо с временем, декларируемым в существующих приборах и системах учета (например, интервал опроса от 3 до 30 минут для счетчиков «Меркурий»).

Передача показаний прибора с общедомового концентратора на сервер выполняется по инициативе общедомового концентратора, после чего концентратор должен дождаться ответа сервера о получении данных. Объем отправляемых на сервер данных с одного концентратора составит:

N_вх = 10·15 = 150 байт.

После чего концентратор получает ответ размер 6 байт, тогда при 10 командах получим, что длина ответа составит

N_исх = 10·6 = 60 байт.

Для случая, когда к общедомовому концентратору подключено 255 приборов:

N_Σ = 255·(N_вх + N_исх) = 255·210 = 53 550 байт,

при времени опроса t_Σ = 76,5 с объем передаваемых данных от одного прибора составит:

Тогда, например, при 1000 подключенных к серверу приборах учета, пропускная способность линии связи должна составлять не менее 1500 кбайт/с (14 Мбит/с) в штатном режиме, поскольку сервер должен обеспечить передачу данных на клиентские приложения.
При увеличении интервала времени опроса до t_Σ  = 600 с, получим, что

В таблице 4 приведены результаты расчета   для различного количества каналов и времени общего опроса.

Таблица 4 - Требуемая скорость передачи данных (F_eth , бит/с) линии связи сервера при 1000 общедомовых концентраторах и 255 приборах на каждом общедомовом концентраторе (для случаев различного количества каналов и различного интервала опроса каналов)

Из таблицы видно, что для поддержания постоянного равномерного интервала опроса всех приборов концентраторов даже при самой высокой частоте опроса потребуется поддерживать скорость более 9 Мбит/с. В настоящее время Internet-провайдеры могут обеспечить подобную скорость передачи данных в пределах одного города или микрорайона, однако провайдеры не гарантируют ее постоянство (QoS — quality of service) во времени и такие услуги имеют высокую стоимость [2].

Литература

1. Т. Паркер, К. Сиян. TCP/IP для профессионалов. - СПб.: Питер, 2004. - 859 с.
2. Игорь Елисеев. Надежность и QoS: ОТ СЛОВ К ДЕЙСТВИЮ. // Журнал «Сети». М.: Открытые системы, № 3-4 (20-21), 2003. (http://www.osp.ru/text/print/302/149621.html).