WYKORZYSTANIE LICZNIKA LZQM DO ZDALNEGO MONITOROWANIA PARAMETRÓW SIECI ELEKTROENERGETYCZNEJ

Transkrypt

1 Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej Nr 21 XV Seminarium ZASTOSOWANIE KOMPUTERÓW W NAUCE I TECHNICE 2005 Oddział Gdański PTETiS WYKORZYSTANIE LICZNIKA LZQM DO ZDALNEGO MONITOROWANIA PARAMETRÓW SIECI ELEKTROENERGETYCZNEJ Leon SWĘDROWSKI 1 Ariel DZWONKOWSKI 2 Politechnika Gdańska, ul. G. Narutowicza 11/12, Gdańsk tel.: fax.: lswed@ely.pg.gda.pl 2. adzwon@ely.pg.gda.pl W artykule przedstawiono zagadnienie dotyczące wykorzystania komputerów do zdalnego monitorowania parametrów sieci elektroenergetycznej, sposobów transmisji sygnałów na odległość, a w szczególności transmisji danych z elektronicznego licznika energii elektrycznej LZQM do komputera. Opisano również program Licznik LZQM, stworzony w środowisku LabVIEW, przeznaczony do zestawienia połączenia komputera z licznikiem, umożliwiający prezentację i archiwizację danych otrzymanych z licznika. Opracowany program został przetestowany pod kątem wizualizacji i archiwizacji danych. W pracy zamieszczono również przykładowe wyniki pomiarów parametrów sieci elektroenergetycznej, uzyskane z licznika LZQM. Zaprezentowane rozwiązanie może być wykorzystywane w celach dydaktycznych z przedmiotu miernictwo elektryczne. 1. WSTĘP Liczniki energii elektrycznej są przyrządami przeznaczonymi do pomiaru energii zarówno w obwodach prądu stałego jak i przemiennego. Zagadnienia związane z pomiarem energii są bardzo istotne, gdyż wskazania liczników stanowią podstawę do rozliczeń za energię dostarczoną użytkownikom, a ponadto umożliwiają kontrolę zużycia i rozpływu energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych i instalacjach przemysłowych. Wynikają stąd wymagania zarówno coraz większej dokładności liczników jak również, w przypadku zdalnego monitorowania parametrów, większej szybkości i dokładności transmisji danych [1], [2]. W opracowaniu dokonano krótkiego przeglądu dostępnych na rynku rozwiązań, dotyczących sposobów transmisji danych. Wybrane rozwiązanie zostało przedstawione szerzej, na konkretnym przykładzie transmisji danych z licznika energii elektrycznej LZQM do komputera, z wykorzystaniem specjalnie w tym celu opracowanego oprogramowania, opartego na protokołach komunikacyjnych udostępnionych przez producenta licznika (jednak ze względu na prawa autorskie informacje odnośnie protokołów nie zostaną ujawnione). Recenzent: Prof. dr hab. inż. Ryszard Zajczyk - Wydział Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej

2 PRZEGLĄD WYBRANYCH ROZWIĄZAŃ TRANSMISJI DANYCH Na rynku istnieje szereg rozwiązań transmisji danych na odległość. Różnią się one pod względem wykorzystywanego medium transmisyjnego, a co za tym idzie odległości na jaką mogą zostać przesłane dane, szybkości transmisji, jak i parametrów elektrycznych przesyłanych sygnałów. Jednym ze sposobów transmisji danych z licznika do komputera jest transmisja danych oparta na magistrali M-BUS. Takie rozwiązanie wprowadziła firma Schrack Energietechnik. Podstawowym elementem takiego systemu są liczniki elektroniczne z wyjściem cyfrowym M-BUS. Maksymalna liczba urządzeń w magistrali wynosi 250, przy długości kabli 350 m. Wraz ze wzrostem długości przewodów maleje liczba urządzeń, które mogą być dołączone do magistrali, oraz prędkość transmisji danych. Połączenie magistrali z komputerem PC odbywa się za pomocą urządzenia zwanego M-BUS master/repeater, umożliwiającego wymianę informacji w obie strony z prędkością do 9600 bodów. W całej magistrali, w której długość przewodów może sięgać do 10 km, wystarczy tylko jedno urządzenie zapewniające komunikację z komputerem [3]. Innym z nowoczesnych rozwiązań jest wykorzystanie sieci telefonii bezprzewodowej GSM. Rozwiązanie to pozwala na transmisję danych na znaczne odległości, ograniczone jedynie zasięgiem sieci. W celu zestawienia toru transmisyjnego można wykorzystać modemy GSM. Rys. 1. Przykład wykorzystania systemu pomiarowego opartego o transmisję danych przez sieć GSM. Dane z licznika (wartości rejestrów, profil obciążenia) przesyłane są w trybie przezroczystym przez interfejs pętli prądowej CL1, RS232 lub RS485. Odczytywane mogą być również dane gromadzone w innych urządzeniach, korzystające z tego trybu pracy. Modem posiada także możliwość monitoringu wielkości mierzonych licznika, ochronę danych, itp. Najczęstszym rodzajem transmisji, wykorzystywanym do przesyłania danych z liczników jest transmisja pakietowa GPRS [4]. Kolejnym rozwiązaniem jest zastosowanie technologii PLC. System Powerline Communication - PLC używa istniejących linii energetycznych do transmisji danych, jak również do przenoszenia sygnału głosu czy wideo z dużą prędkością transmisji. System PLC składa się z dwóch systemów pracujących jednocześnie: zewnątrzbudynkowego (outdoor), służącego do przesyłania sygnału od transformatora do punktu dostępu w budynku, i wewnątrzbudynkowego (indoor), którego zadaniem jest rozdzielanie sygnału z punktu dostępu w budynku do każdego użytkownika systemu. Podstawową zasadą działania komunikacji PLC jest modulacja i demodulacja sygnałów. Modulowany sygnał wysokiej częstotliwości jest dodawany do przebiegu napięcia zasilania w linii zasilającej.

3 Tor transmisyjny, oparty o system PLC, umożliwia dwukierunkową komunikację pomiędzy licznikiem a koncentratorem, przy czym sygnał rozchodzi się przez sieć energetyczną niskiego napięcia. Natomiast komunikacja pomiędzy koncentratorem a komputerem centralnym może odbywać się z wykorzystaniem np. wbudowanego modemu telefonicznego. Rozwiązanie oparte o komuniację PLC stosuje np. firma Ascon [5]. Innym ze sposobów transmisji danych z licznika do komputera jest wykorzystanie sieci Internet. Takie rozwiązanie umożliwia transmisję danych na praktycznie nieograniczone odległości. W celu zestawienia toru transmisyjnego należy zastosować specjalne urządzenia umożliwiające przepływ informacji pomiędzy licznikiem i siecią Internet. Przykładem takiego urządzenia jest moduł komunikacji internetowej MKi firmy Pozyton. MKi jest programowalnym modułem komunikacyjnym, przeznaczonym do transmisji danych pomiarowych z elektronicznych liczników energii elektrycznej produkcji ZEUP POZYTON, który wykorzystuje technologię transmisji danych z użyciem protokołu TCP/IP. Urządzenie to zapewnia autoryzowany wielodostęp do danych rejestrowanych w jego pamięci, dzięki czemu dane pomiarowe, w postaci plików zawierających pełne dane odczytowe, mogą być jednocześnie dostępne zarówno dla odbiorcy energii elektrycznej - za pośrednictwem lokalnej sieci komputerowej (w tym wypadku konieczne jest przypisanie modułowi statycznego adresu IP), jak również dla dostawcy energii elektrycznej np. wykorzystując sieć Internet. MKi wyposażony jest w złącze komunikacyjne LAN typu RJ45 (do sieci komputerowej Ethernet oraz Internet) [6]. 3. STANOWISKO DO MONITOROWANIA PARAMETRÓW SIECI ELEK- TROENERGETYCZNEJ. Oprócz opisanych rozwiązań istnieje także sposób przesyłania danych z licznika do komputera oparty o wykorzystanie komutowanego łącza telefonicznego. Sposób ten zostanie omówiony na przykładzie licznika energii elektrycznej LZQM oraz osprzętu dodatkowego, zainstalowanego na Politechnice Gdańskiej. O wyborze takiego rozwiązania zadecydował fakt, iż wszystkie urządzenia, potrzebne do budowy toru transmisyjnego, zosały zakupione razem z licznikiem i były dostępne w Dziale Głównego Energetyka PG. Rys. 2. Sposób transmisji danych z licznika LZQM do komputera. Tor transmisyjny składa się z przystawki modemowej, LZM, analogowych modemów telefonicznych oraz linii telefonicznej. Przystawka LZM MODEM służy do zdalnej

4 transmisji danych z licznika LZQM komutowanym łączem telefonicznym z wykorzystaniem modemów analogowych. Przystawka komunikuje się z licznikiem za pośrednictwem głowicy optycznej, natomiast z modemem telefonicznym poprzez interfejs RS-232. Polecenie przesłane z komputera do licznika poprzez modem telefoniczny dociera do przystawki modemowej, w której tłumaczone jest na ciąg poleceń przesyłanych do licznika LZQM. Dane pomiarowe pobrane z licznika gromadzone są tymczasowo w pamięci przystawki modemowej i na odpowiednie polecenie z komputera transmitowane są poprzez łącze telekomunikacyjne do komputera. Pozwala to na odczyt wszystkich danych pomiarowych zgromadzonych w liczniku LZQM, jak również ich transmisję na praktycznie dowolną odległość. W komputerze następuje wizualizacja i archiwizacja danych za pomocą programu Licznik LZQM napisanego w środowisku programowania LabVIEW [6]. 4. PROGRAM LICZNIK LZQM Program Licznik LZQM przeznaczony jest do wizualizacji i archiwizacji danych pobranych z licznika energii elektrycznej LZQM, zainstalowanego w Dziale Głównego Energetyka na Politechnice Gdańskiej. Program w całości został napisany przez jednego z autorów artykułu w środowisku programowania LabVIEW 7.0 Express, przy wykorzystaniu protokołu odbiorczego licznika LZQM oraz protokołu przystawki modemowej LZM- MODEM. Komunikacja z programem możliwa jest za pośrednictwem Panelu programu wyświetlanego na ekranie monitora. Przykładowe okno panelu programu przedstawione zostało na rysunku 3. Wyboru trybu pracy programu, ustawień oraz preferencji dokonuje się za pośrednictwem menu, umieszczonego w zakładce Ustawienia programu. Poruszanie się po programie umożliwiają przyciski, i zakładki oznaczone odpowiednimi hasłami. Do wizualizacji danych wykorzystano wskaźniki, wykresy oraz specjalnie oznaczone pola tekstowe. Zestawienie połączenia pomiędzy komputerem a licznikiem LZQM wykonywane jest automatycznie przy uruchamianiu programu (po wybraniu przez użytkownika odpowiedniego portu komunikacyjnego). W poszczególnych zakładkach programu prezentowane są następujące dane: Pomiar prądów i napięć prezentowane są wyniki pomiarów prądów i napięć w trzech fazach, współczynnika mocy w poszczególnych fazach oraz wypadkowego współczynnika mocy sieci trójfazowej, częstotliwości sieciowej oraz średniego napięcia międzyfazowego, Pomiar mocy w fazach prezentowane są dane z pomiarów mocy czynnej, biernej i pozornej w poszczególnych fazach oraz sumarycznej mocy czynnej, biernej i pozornej zarejestrowanej przez licznik, Pomiar energii przedstawione są dane związane z przepływem energii elektrycznej. Możliwy jest odczyt wartości energii czynnej (zarówno pobieranej jak i oddawanej do sieci), energii biernej (indukcyjnej i pojemnościowej) oraz ilości energii zużytej w poszczególnych porach doby (dzień, noc, szczyt, energia specjalna), Pomiar mocy przedstawiane są dane dotyczące wartości mocy chwilowej, prognozowanej, mocy średniej, zamówionej i mocy kontrolnej, Historia obserwacja zmian mocy chwilowej, prognozowanej i średniej od momentu rozpoczęcia pracy programu. Dane te prezentowane są na wykresie Przebieg mocy w postaci kolorowych przebiegów.

5 Rys. 3. Widok okna zakładki Pomiar prądów i napięć. Program Licznik LZQM umożliwia, oprócz prezentacji danych z licznika, zapis danych do pliku (przykładowe dane z licznika, zapisane do pliku przedstawione są na rysunku 4), odczyt uprzednio zapisanych danych z pliku, przesyłanie ich za pomocą poczty elektronicznej do podanego adresata oraz ustawienie czasu repetycji pomiarów. Rys. 4. Przykładowe dane odebrane z licznika LZQM. Program został przetestowany na symulowanym zestawie danych pod kątem wizualizacji oraz archiwizacji danych. Po wstępnym przetestowaniu programu przeprowadzono

6 eksperymentalne połączenie z licznikiem LZQM w celu pobrania danych. Program został również rozbudowany o możliwość nawiązania komunikacji z licznikiem poprzez Internet. Ta część programu została przetestowana w oparciu o przykładowe dane, pobrane z liczników z wykorzystaniem opisanego modułu MKi, udostępnione przez producenta na jego stronie internetowej. Program wyposażony został w algorytmy kontrolujące stan połączenia z licznikiem LZQM oraz w zabezpieczenia przed wykonaniem niewłaściwych działań. 5. ZAKOŃCZENIE W referacie dokonano przeglądu dostępnych na rynku rozwiązań transmisji danych z liczników energii elektrycznej do komputera oraz szerzej opisano rozwiązanie zastosowane na Politechnice Gdańskiej. Przedstawiono również opracowany w środowisku LabVIEW program do komunikacji z licznikiem, który może być wykorzystywany na zajęciach dydaktycznych z przedmiotu miernictwo elektryczne. Ze względu na fakt, iż licznik LZQM zainstalowany na Politechnice Gdańskiej wykorzystywany jest do rozliczeń za energię elektryczną z lokalnym dystrybutorem, w programie nie uwzględniono możliwości ingerencji w pracę, sterowanie i programowanie licznika. W przyszłości planuje się rozbudowę programu o dodatkowe funkcje, związane z programowaniem oraz diagnostyką licznika LZQM, jak również opracowanie stanowiska laboratoryjnego do zdalnego monitorowania parametrów sieci elektroenergetycznej przy wykorzystaniu różnych metod transmisji danych, którego częścią będzie opisany program. 6. BIBLIOGRAFIA 1. Kuśmierek Z.: Pomiary mocy i energii w układach elektroenergetycznych, WNT Warszawa Marcyniak A., Pasecki E., Pluciński M., Szadkowski B.: Podstawy metrologii elektrycznej, WNT Warszawa Racki T.: Elektroniczne systemy pomiaru energii elektrycznej Publikacje firmy Schrack Energietechnik, ELSTER Kent Metering materiały firmowy, katalog produktów 5. Ascom materiały firmowe, katalog produktów 6. Pozyton materiały firmowe, katalog produktów REMOTE ELECTRICAL PARAMETERS OF POWER SYSTEM MONITORING WITH COMPUTERS This paper presents remote monitoring the parameters of electrical network with computers systems, methods of the distance data transmission, especially transmission data from electronic energy meter LZQM, installed on Gdansk University of Technology, to the computer. The software "Licznik LZQM", created in LabVIEW programming tool, designed to establish connection between meter and computer is also described. This software enables to present and to save received data from energy meter. Program "Licznik LZQM" was tested in respect of establish connection and data transmission. Exemplary results of this test are also showed.