Александр Сенин (КОМПЭЛ)
С появлением приставки «Smart» энергосистеме предстоит по настоящему «поумнеть». И это действительно революция, так как требует огромной перестройки сложившейся инфраструктуры генерации, распределения и потребления.
За более чем вековую историю энергетики энергосети использовались только в одном направлении – от генерирующих компаний к потребителям. Однако при современном стремлении перейти к возобновляемым источникам энергии, и потребители могут становиться поставщиками энергии. Текущая потребность рынка - организация информационных потоков от конечных энергопотребляющих устройств. Поэтому столь актуальным становится создание информационного пространства на всех уровнях генерации, распределения и потребления (Smart Grid, т.е. «интеллектуальная сеть»).
С созданием инфраструктуры обмена информацией о произведенной, переданной и потребленной энергии в реальном времени между поставщиками и потребителями энергоресурсов становится возможным повышение эффективности всей энергосистемы, подключение новых потребителей без введения новых генерирующих мощностей. Это достигается оптимизацией распределения, снижения пиковых нагрузок, локализации потерь и повышения надежности за счет непрерывного контроля.
Для того, чтобы «поумнеть», энергосистеме необходимо начать с самого низа – с конечных потребителей. Уже сейчас некоторые производители бытовой техники встраивают в свою продукцию средства мониторинга собственного энергопотребления. В идеале каждая стиральная машина, получая информацию о текущих тарифах на электроэнергию и воду, сможет сообщить хозяину, сколько будет стоить конкретная стирка.
Для России это звучит пока довольно футуристично, и одна из задач, которая ставится 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» куда как понятнее, но совсем не проще – установка всем коммерческим потребителям энергоресурсов индивидуальных приборов учета. Что создает огромный рынок, учитывая низкую оснащенность ЖКХ общедомовым учетом, и столь же низкую оснащенность индивидуальных потребителей приборами учета тепла, воды и газа.
К современным приборам учета предъявляются требования, для реализации которых требуется применение новой элементной базы:
- высокая точность измерений;
- измерения не только количества потребленной энергии, но и параметров энергопотребления, качества энергоснабжения;
- развитые средства обмена информацией, поддержка индустриальных стандартов и протоколов, масштабируемость;
- невысокая стоимость конечного изделия для внедрения на массовом рынке.
Производители электронных компонентов, удовлетворяя возникший спрос, постоянно выпускают новинки для применения в современных приборах учета. В линейках продукции компаний Texas Instruments, Maxim, ST, ON Semi присутствуют все компоненты для создания полностью законченных устройств.
В этом году в дополнение к широко известной линейке микросхем MSP430FE4xxx и MSP430F4xxx, применяемых в счетчиках электроэнергии, компания Texas Instruments выпустила новый аналоговый фронт-энд MSP430AFE2xx, который сочетает в себе 24-разрядное сигма-дельта АЦП (до трех), вычислительное ядро MSP430, низкое энергопотребление и невысокую стоимость. На этой микросхеме можно построить как законченный бюджетный счетчик электроэнергии, так и использовать ее в качестве измерителя в интеллектуальных счетчиках, устройствах мониторинга энергопотребления и контроля качества электропитания. Семейство фронт-эндов MSP430AFE2xx достаточно универсально и может использоваться не только в счетчиках электроэнергии, но и в расходомерах, счетчиках газа.
Заинтересованная в рынке приборов учета компания Maxim в 2010 году приобрела Teridian Semiconductor с ее линейкой микросхем для электросчетчиков и систем мониторинга энергопотребления. Новые ИС четвертого поколения 71M654x компании Maxim для применения в электросчетчиках являются системами на кристале (SoC), включающими в себя как измерительную часть с метрологическим вычислительным ядром, так и ядро хост-контроллера, оснащенного часами реального времени с независимым питанием и термокомпенсацией, драйвером ЖКИ-индикатора. Для оцифровки измеряемого сигнала используется 22-битный сигма-дельта АЦП и входной мультиплексор. Такое решение позволяет упростить и ускорить процесс калибровки счетчика. Дополнительной интересной особенностью является фирменное решение с использованием интерфейса шунта 71M6xxx. Используя эту ИС, можно снизить стоимость и габариты счетчика за счет применения шунтов вместо ТТИ в трехфазных счетчиках и в однофазных счетчиках с защитой от хищения.
На данный момент не существует стандартного решения для обмена информацией между счетчиками и системами учета. Существуют как традиционные схемы с УСПД, собирающими информацию со счетчиков по проводным интерфейсам, так и решения на беспроводных интерфейсах, модемах для электропроводки, решения на базе GSM и т.д.
Для беспроводных интерфейсов 2.4 ГГц существует несколько протоколов передачи, среди которых наиболее удачным и динамично развивающимся выглядит протокол ZigBee, претендующий на индустриальный стандарт в области SmartMetering (интеллектуальных приборов учета). В протоколе стандартизирован профиль SmartEnergy, который описывает взаимодействия конечных устройств при обмене информации об энергопотреблении. В ZigBee и в профиле SmartEnergy большое внимание уделено защищенности сети, достоверности передаваемых данных и легитимности каждого узла участвовать в обмене данными по энергопотреблению.
Производители электронных компонентов выпускают широкий диапазон решений - от трансиверов, систем на кристалле до законченных модулей с радиотрактом.
С появлением открытого протокола 6LoWPAN привлекательными стали выглядеть решения для беспроводного интерфейса в субгигагерцовом диапазоне. Применяя протокол 6LoWPAN можно использовать IPv6 в каждом узле беспроводной сети. 6LoWPAN поддерживает mesh-топологию, что позволяет объединять устройства в большие, масштабируемые сети с IP адресацией.
TI предлагает решения 6LoWPAN на базе популярной микросхемы CC1101. Причем возможно как одночиповое решение на базе CC430 (система на кристалле на базе CC1101 и ядра MSP430), так и с сетевым процессором (WNP – wireless network processor) CC1180 с прошитым стеком протокола.
Если беспроводные решения находят применения для обмена данными внутри помещений, то для решения проблемы «последней мили» (передача данных от счетчиков или УСПД до точки консолидации трафика) привлекательным выглядит использования технологии PLC (Power Line Carrier) – передача данных по существующей электропроводке. Для применения в PLC-модулях производители предлагают как одночиповые решения (MAC+PHY), так и микросхемы модемов: ST7538/40, ST7570/80/90 – ST Microelectronics, MAX2990/2992 – Maxim, TMS320F28069 – TI, AMIS49587 – ON Semiconductor.
При проектировании общедомовых узлов учета, а также при установке электросчетчиков проблем с организацией питания устройств в основном не возникает. Обычно применяются либо встроенные в приборы источники питания, либо монтируемые на DIN-рейку модульные преобразователи. При установке же квартирных счетчиков и расходомеров зачастую нет возможности подвести ни проводные линии связи, ни стационарное питание. Единственным выходом в данной ситуации является автономное батарейное питание. Кроме того, автономное питание обуславливается необходимостью исключить возможность вмешательства в работу счетчика путем отключения питания.
Элементы питания EEMB отлично зарекомендовали себя для применения в приборах учета. Компания EEMB предлагает широкий перечень элементов питания различных типоразмеров и номинальных емкостей. При использовании беспроводного канала передачи информации со счетчиков также важным параметром является стандартный разрядный ток. В линейке продуктов EEMB присутствуют элементы питания с повышенным стандартным током разряда.
Развиваясь на Западе в условиях высокой конкуренции, рынок интеллектуальных приборов учета стимулирует производителей постоянно выпускать все новые и новые решения, ускоряет принятие стандартов. Такие гиганты IT-индустрии, как CISCO, HP, Oracle, IBM, Microsoft, SAP всерьез намерены бороться за свою долю на рынке систем управления данными для энергосистем, энергосбытовых компаний и биллинговых операторов по учету энергопотребления. Осталось создать современную базу приборов учета, которая наполнит эти системы данными.
