ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КАНАЛЫ И АСКУЭ

Предлагается принципиально новый подход к организации и порядку аттестации цифровых автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ), содержащих измерительные компоненты, объединенные в цифровые измерительные каналы (ЦИК), и неизмерительные компоненты вне этих каналов – технические средства (ТС) неизмерительного назначения, использующиеся для чтения цифровых результатов измерений с выходов ЦИК и их дальнейших цифровых преобразований (передачи, хранения, накопления, обработки, отображения, документирования, а также для других операций над цифровыми измерительными и неизмерительными данными). Вся совокупность ЦИК в цифровой АСКУЭ образует ее измерительную часть, а вся совокупность ТС неизмерительного назначения – неизмерительную часть.
Типовые структуры ЦИК и цифровой АСКУЭ приведены на рис.1 и рис. 2. Основными измерительными компонентами ЦИК являются измерительные трансформаторы тока (ТТ), измерительные трансформаторы напряжения (ТН) и электронные счетчики с цифровой базой данных (ЦБД), в которой накапливаются результаты измерений и внешний доступ к которой осуществляется по цифровым интерфейсам (ЦИ).

Измерительные компоненты объединяются в ЦИК линиями связи (ЛС) и соединениями. ЦИК в зависимости от состава подразделяются на три вида:

• ЦИК1 – непосредственное включение электронного счетчика по току и напряжению;
• ЦИК2 – непосредственное включение электронного счетчика по напряжению и трансформаторное включение по току;
• ЦИК3 – трансформаторное включение электронного счетчика по току и напряжению.

Все измерительные компоненты ЦИК являются средствами измерений (СИ), должны утверждаться как типы СИ, вноситься в Госреестр средств измерений (Госреестр) и при использовании в составе ЦИК цифровых АСКУЭ на объектах расчетного учета электроэнергии должны иметь клеймо поверителя или действующие свидетельства о поверке. ЦИК цифровых АСКУЭ должны подвергаться метрологической аттестации при вводе систем в эксплуатацию, а их измерительные компоненты – периодической поверке в соответствии с установленными для них межповерочными интервалами (МПИ).
Основные неизмерительные компоненты цифровых АСКУЭ – каналы связи (КС), цифровые устройства сбора и передачи данных (УСПД) и компьютеры с программным обеспечением (ПО) АСКУЭ.
Эти ТС не производят измерений (осуществляют только цифровые преобразования цифровых данных, включая цифровые результаты измерений), не являются СИ, не подлежат утверждению в качестве типов СИ, не должны вноситься в Госреестр и подвергаться метрологической аттестации.
ТС неизмерительного назначения и цифровые АСКУЭ в целом должны проходить цифровую аттестацию при вводе систем в эксплуатацию.
Цифровые АСКУЭ в общем случае содержат несколько ЦИК и ТС неизмерительного назначения. В простейшем случае в состав цифровой АСКУЭ входит один ЦИК. Простейшим случаем ЦИК является ЦИК1, т.е. канал, содержащий один электронный счетчик.

УСЛОВИЯ И ЗАДАЧИ АТТЕСТАЦИИ ЦИФРОВЫХ АСКУЭ

Аттестация цифровых АСКУЭ должна сводиться к метрологической аттестации их ЦИК и цифровой аттестации неизмерительных компонентов. При отсутствии неизмерительных компонентов в составе цифровых АСКУЭ их аттестация совпадает с метрологической аттестацией их ЦИК. Метрологическая аттестация ЦИК цифровых АСКУЭ должна сводиться к метрологической экспертизе и поверке СИ, входящих в состав ЦИК.
Цифровая аттестация неизмерительных компонентов цифровых АСКУЭ заключается в их цифровой экспертизе и цифровой проверке.
Так как все измерительные компоненты, входящие в состав ЦИК (ТТ, ТН, электронные счетчики), должны иметь утвержденный тип СИ и соответствующее свидетельство о поверке, то основными методами определения метрологических характеристик ЦИК являются расчетный и расчетно-экспериментальный (при этом нет необходимости использовать какие-либо эталонные средства измерений). Если в составе ЦИК имеются неповеренные СИ, то их необходимо поверить по соответствующим программам и методикам, прежде чем проводить метрологическую аттестацию ЦИК. Таким образом, метрологическая аттестация ЦИК конкретных цифровых АСКУЭ сводится к их метрологической экспертизе.
Основные задачи аттестации цифровых АСКУЭ:

• определение метрологических характеристик ЦИК по метрологическим характеристикам их измерительных компонентов (с учетом влияющих факторов) и физическим характеристикам ЛС, соединяющих эти компоненты;
• определение точностных характеристик неизмерительных компонентов цифровых АСКУЭ по эксплуатационной документации (ЭД) на эти компоненты;
• установление соответствия метрологических и точностных характеристик компонентов АСКУЭ требованиям нормативной (НД) и технической документации (ТД) или нормам точности измерений, установленным в соответствующих технических нормативных правовых актах (ТНПА);
• установление номенклатуры точностных характеристик неизмерительных компонентов цифровых АСКУЭ, подлежащих цифровой проверке, и проведение такой проверки;
• установление степени влияния точностных характеристик неизмерительных компонентов цифровых АСКУЭ на цифровые результаты измерений.

Цифровые АСКУЭ различного назначения имеют типовую структуру, содержащую ЦИК того или иного вида и ТС неизмерительного назначения. Различия между этими системами носят не качественный, а количественный характер, поэтому их аттестацию можно проводить по одной и той же программе и методике.

ПРИНЦИПЫ АТТЕСТАЦИИ ЦИФРОВЫХ АСКУЭ

Методика метрологической аттестации ЦИК цифровых АСКУЭ основывается на следующих положениях:

• метрологическая аттестация ЦИК проводится по метрологическим характеристикам поверенных СИ, входящих в ЦИК, и по физическим характеристикам ЛС, соединяющих эти СИ (данные сведения должны содержаться в соответствующей НД и ТД);
• в качестве метрологических характеристик СИ, входящих в состав ЦИК, используются показатели их класса точности и, в частности, нормируемые предельные относительные погрешности СИ в рабочих условиях эксплуатации с учетом действия влияющих факторов;
• в качестве физических характеристик ЛС используются их активные сопротивления, потери активной мощности или падения напряжения в ЛС в рабочих условиях эксплуатации;
• определение метрологических характеристик ЦИК проводится расчетным путем в предположении о случайном и независимом характере составляющих погрешностей (используется квадратическое суммирование погрешностей);
• анализ формата и значности (т.е. количества знаков в числе) цифровых результатов измерений на выходе ЦИК проводится с учетом предельных погрешностей СИ, входящих в состав ЦИК, в предположении об использовании в представлении приближенных чисел результатов измерений несимметричного метода их округления (метода отбрасывания незначащих цифр).

Методика цифровой аттестации ТС неизмерительного назначения цифровых АСКУЭ основывается на следующих положениях:

• для каждого ТС неизмерительного назначения выделяются точностные характеристики, т.е. характеристики, которые могут влиять на точность цифровых преобразований цифровых результатов измерений, поступающих на ТС с выходов ЦИК;
• выделенные точностные характеристики оцениваются на соответствие требованиям, установленным в НД, ТД, ЭД;
• в процессе цифровой проверки проводится считывание результатов цифровых измерений с выхода ЦИК (электронных счетчиков) по цифровым интерфейсам и/или с их цифровых табло, считывание результатов преобразований цифровых измерений с ТС неизмерительного назначения и сопоставление результатов указанных считываний с вычислением относительной погрешности цифровых преобразований (в предположении, что истинный результат измерений совпадает с цифровым результатом на выходе ЦИК).

РАССМОТРЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ

Для аттестации цифровой АСКУЭ должна быть представлена следующая ТД, утвержденная в установленном порядке:

• технические условия энергоснабжающей организации на создание цифровой АСКУЭ;
• проект цифровой АСКУЭ с заданием на проектирование, утвержденные в установленном порядке;
• действующие свидетельства о поверке на СИ, входящие в состав каждого ЦИК цифровой АСКУЭ;
• эксплуатационная документация на СИ и ТС неизмерительного назначения (руководство по эксплуатации, руководство оператора, паспорт, формуляр и т.п.);
• акт о завершении монтажных и пусконаладочных работ при вводе цифровой АСКУЭ в опытную эксплуатацию;
• протокол о проведении электрических измерений по каждому ЦИК (включая измерения физических характеристик ЛС и векторные диаграммы для трехфазных электронных счетчиков, установление коэффициента мощности и диапазонов изменения электрической нагрузки в рабочих условиях и обоснование выбора номиналов ТТ);
• протокол об исследовании действующих в местах установки СИ влияющих факторов и их величинах;
• протокол об опытной эксплуатации цифровой АСКУЭ (с указанием выявленных в процессе эксплуатации замечаний);
• технические условия на УСПД (в случае их использования в цифровой АСКУЭ);
• сертификаты на ТС неизмерительного назначения.

При рассмотрении представленной документации проводится ее метрологическая и цифровая экспертиза, а именно:

• проверка наличия в проектной и эксплуатационной документации разделов, регламентирующих назначение, технические данные, метрологические (для СИ) и точностные (для ТС неизмерительного назначения) данные, состав и устройство, алгоритмы, форматы и представления данных, методы их округления, подготовку и порядок работы, методики поверки и калибровки (для СИ) и цифровой проверки (для ТС неизмерительного назначения);
• оценка полноты и правильности формулировок и назначения СИ и ТС неизмерительного назначения, включая четкость определения измеряемой аналоговой величины и цифровых преобразований цифровых результатов измерений, полноту указания функций и алгоритмов, выполняемых СИ и ТС неизмерительного назначения, диапазоны измерений и цифровых преобразований, в том числе форматы и разрядность представления цифровых результатов измерений и их дальнейших преобразований;
• оценка полноты и правильности выражения метрологических характеристик СИ и точностных характеристик ТС неизмерительного назначения, включая однозначность выражения характеристик, исключающую возможность различного их толкования, наличие предельных значений, полноту комплекса регламентированных характеристик, целесообразность выбранной формы регламентации и т.п.;
• проверка правильности определения нормальных и рабочих (с учетом влияющих факторов) условий применения СИ.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ЦИК

Установление количества и видов ЦИК, типов СИ. Приводится перечень всех действующих на момент аттестации ЦИК (с ненулевой электрической нагрузкой) с указанием их вида (ЦИК1, ЦИК2, ЦИК3). Приводится перечень отключенных ЦИК (с нулевой электрической нагрузкой) с указанием их вида. Указывается максимальное количество ЦИК, которое может быть в перспективе задействовано в данной цифровой АСКУЭ. По каждому ЦИК приводится его состав с указанием типа (класса точности) и серийного номера СИ (ТТ, ТН, электронного счетчика), даты последней поверки, МПИ, даты очередной поверки.

Установление характеристик ЛС в ЦИК (для ЦИК1, ЦИК2). По каждому ЦИК (вида ЦИК2 и/или ЦИК3) указывается длина, тип (материал) и сечение провода ЛС, соединяющих клеммы вторичной обмотки ТН с клеммами цепей напряжения электронного счетчика и клеммы вторичной обмотки ТТ с клеммами цепей тока электронного счетчика. Для токовых цепей указывается сопротивление ЛС или потери активной мощности в ЛС при номинальном токе, а для цепей напряжения указывается падение напряжения в ЛС (в том числе в процентном отношении относительно номинального напряжения). Установление условий определения погрешностей СИ. По каждому ЦИК указывается рабочий диапазон изменения первичной нагрузки в абсолютных величинах (А) и в процентах от номинального первичного тока (% I1ном). По каждому ЦИК приводится действующая номенклатура влияющих факторов (согласно ТНПА на соответствующие СИ) и диапазоны их значений (обязательно должен быть указан диапазон изменения температуры в течение года в местах установки СИ).

Установление метрологических характеристик СИ. По каждому ЦИК определяются предельные относительные погрешности СИ в рабочих условиях эксплуатации при действующих влияющих факторах (согласно ТНПА на соответствующие СИ). Для ТТ определяются предельные относительные токовая и угловая погрешности, допустимые максимальные и фактические значения вторичной нагрузки (в Ом или ВА). Для ТН определяются предельная относительная погрешность напряжения и угловая погрешность. Для электронных счетчиков определяются предельные относительные основные и дополнительные погрешности, а также гарантированная изготовителем точность суточного хода часов в нормальных или рабочих условиях. Дополнительно указываются способы внешней синхронизации часов электронных счетчиков (встроенный приемник сигналов точного времени, внешний вход синхронизации, синхронизация по командам, подаваемым на цифровой интерфейс, и т.д.) и установки времени.

Представление цифровых результатов измерений ЦИК.

Цифровые результаты измерений на выходе ЦИК формируются в электронном счетчике: накапливаются в его ЦБД, отображаются на его цифровом табло и передаются в соответствующем протоколе через его ЦИ на ТС неизмерительного назначения. Эти результаты представляются, как правило, в одном из двух форматов: в формате с фиксированной запятой (содержит фиксированное количество разрядов, в которых запятая разделяет целую и дробную части числа) или формате с плавающей запятой (содержит нормализованную мантиссу и порядок: мантисса определяет значность числа, а порядок – его масштаб). На основании ЭД на электронный счетчик (или другой ТД) необходимо определить формат, разрядность и точность представления (округления) цифровых результатов измерений в электронном счетчике в его ЦБД, в протоколе ЦИ и на его цифровом табло и сравнить их с нижеприведенными требованиями.
Цифровой результат измерений на выходе каждого электронного счетчика должен иметь m десятичных значащих цифр. Значение m определяется из выражения:

где d_ос – предельная основная относительная погрешность электронного счетчика.

Данная формула получена при условиях, что предел погрешности приближенного числа (результата измерений) не должен превышать единицы его младшего разряда и для представления этого числа используется несимметричное округление с отбрасыванием незначащих цифр. Например, если d_осос = 1% (для счетчика класса точности 1), то количество десятичных значащих цифр должно быть m  3.
В общем случае, при использовании в ЦИК электронных счетчиков классов точности 0,2S или 0,5S, должно быть m  4. Для электронных счетчиков с отображением данных учета по электроэнергии на своих встроенных табло в виде чисел с плавающей запятой в принятой системе единиц измерения нормализованная мантисса на табло должна содержать четыре десятичных значащих цифры (m = 4). Проверка функциональных возможностей СИ. Проводится выборочно проверка функциональных возможностей отдельных электронных счетчиков, входящих в состав ЦИК (не менее чем по одному экземпляру каждого типа счетчика). В процессе проверки определяется их работоспособность и выполнение следующих функций: отображение на цифровом табло значений электроэнергии (мощности) по тарифам и по различным расчетным и контрольным периодам времени, отображение текущего времени и даты, отображение архивных значений цифровых результатов измерений, зафиксированных в ЦБД, отображение журнала событий, отображение нормативно-справочных данных (границ временных зон, коэффициентов трансформации по току и напряжению, перечня выходных и праздничных дней и т.п.). В процессе проверки определяются формат и разрядность цифровых результатов измерений, выдаваемых на цифровое табло электронного счетчика. Проверяется визуально соответствие текущего времени (с допустимой погрешностью 1–2 с) и даты электронного счетчика по заранее синхронизированным электронным цифровым часам представителя аттестационной комиссии.
Обработка результатов. Результаты, полученные в процессе выполнения вышеприведенных пунктов, фиксируются для каждого ЦИК в паспорте-протоколе.
Главными метрологическими характеристиками измерительных компонентов ЦИК (ТТ, ТН, электронных счетчиков) являются симметричные пределы допускаемых основной ±d_оk и дополнительных ±d_dk относительных погрешностей каждого компонента, выраженные в процентах. Реальные основные d^*ок и дополнительные d^*dк погрешности каждого конкретного измерительного компонента находятся в пределах

с вероятностью, равной единице.
В предположении, что основная и дополнительные погрешности каждого экземпляра одного и того же типа измерительного компонента и их пределы носят случайный характер (имеют различные значения и знаки), объединение этих погрешностей в одну интегральную инструментальную погрешность СИ – предел погрешности измерительного компонента d_к – должно производиться в общем случае путем квадратического суммирования соответствующих пределов указанных погрешностей.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ТС

Установление количества и видов ТС. Приводится перечень всех цифровых ТС неизмерительного назначения в составе цифровой АСКУЭ на ее среднем и верхнем уровнях и их виды (подвиды). ТС подразделяют по видам преобладающих в них цифровых операций на вычислительные (компьютер, контроллер, УСПД), хранения (память), отображения (табло, дисплей, монитор), документирования (принтер), передачи (ЛС и КС) и их комбинации.
В частности, к ТС относят УСПД, компьютеры с ПО АСКУЭ, КС от электронных счетчиков к УСПД и от УСПД к компьютерам и другие ТС. Среди УСПД выделяют устройства двух подвидов: УСПД1, которые осуществляют операции копирования цифровых результатов измерений из ЦБД электронных счетчиков в собственные ЦБД без групповой обработки этих данных и изменений их числовых значений, и УСПД2, которые дополнительно выполняют операции групповой обработки цифровых результатов измерений от отдельных ЦИК или другие цифровые преобразования, изменяющие цифровые значения результатов измерений (например, умножают результаты измерений на коэффициенты). Для расширяемых в перспективе цифровых АСКУЭ указывают дополнительно максимальное количество УСПД, которое может быть задействовано в цифровой АСКУЭ, а также распределение между ними общего максимального количества ЦИК.

Установление видов и объемов цифровых преобразований ТС. По каждому ТС устанавливаются виды цифровых преобразований, которые они осуществляют над цифровыми результатами измерений, получаемыми с уровня ЦИК, и другими цифровыми данными измерительного и неизмерительного назначения. Различают следующие виды цифровых преобразований цифровых данных: прием, передача, хранение, накопление, обработка, синхронизация, отображение, документирование и другие. По каждому ТС выделяют те виды цифровых преобразований, которые способны влиять на изменение точности цифровых результатов измерений в процессе их прохождения с выходов ЦИК до выходов ТС неизмерительного назначения, и определяют максимальные объемы таких операций (в том случае, если они потенциально влияют на точность результатов цифровых преобразований).

Установление точностных характеристик ТС. Приводится перечень точностных характеристик ТС неизмерительного назначения с учетом особенностей цифровых преобразований этих ТС. В частности, для операций хранения учитывают форматы и разрядность хранения данных. Для операций групповой арифметической обработки учитывают форматы обрабатываемых данных (исходных, промежуточных и результирующих), максимально возможное количество групповых операций, алгоритмы обработки и методы округления промежуточных и конечных результатов цифровых преобразований. Для операций приема/передачи в КС учитывают частоту ошибок или длину в битах безошибочно принимаемых/ передаваемых пакетов данных. Для операций отображения и документирования учитывают форматы, разрядность и методы округления отображаемых и документируемых цифровых данных. Для операций синхронизации учитывают задержки в КС и методы их цифровой компенсации.

Цифровая проверка ТС. Цифровая проверка ТС неизмерительного назначения и цифровой АСКУЭ в целом производится путем считывания и сопоставления цифровых результатов измерений, полученных на выходе ЦИК, с их индивидуальными и групповыми значениями, полученными на ТС верхних уровней цифровой АСКУЭ. Указанные цифровые результаты измерений и результаты их последующих цифровых преобразований могут быть сняты с табло, с оптопортов или цифровых интерфейсов электронных счетчиков, с дисплея и цифровых интерфейсов УСПД, с монитора или принтера компьютера с ПО АСКУЭ, со средств отображения и документирования других ТС.

Обработка результатов. Результаты, полученные в процессе выполнения вышеуказанных пунктов, фиксируются для ТС неизмерительного назначения (КС, УСПД, компьютера с ПО АСКУЭ) в паспорте-протоколе неизмерительных компонентов цифровой АСКУЭ. В процессе обработки результатов цифровой экспертизы и цифровой проверки точностных и других контролируемых характеристик ТС неизмерительного назначения необходимо установить по каждому компоненту и по каждой характеристике наличие и соответствие значений контролируемых характеристик их нормированным значениям. Расхождения между соответствующими значениями цифровых результатов измерений и результатами их последующих цифровых преобразований, снятых с различных уровней АСКУЭ, должны находиться в пределах точности цифровых результатов измерений, полученных на выходе ЦИК.

При модернизации находящейся в эксплуатации цифровой АСКУЭ путем ввода новых ЦИК в пределах максимального их количества, предусмотренного при первичной аттестации при вводе цифровой АСКУЭ в эксплуатацию, новой метрологической аттестации подвергаются лишь новые ЦИК. Новые ТС неизмерительного назначения, вводимые в цифровую АСКУЭ, подвергаются цифровой аттестации по усмотрению сторон, участвующих в коммерческих расчетах по показаниям цифровой АСКУЭ. В том случае, если количество ЦИК при модернизации цифровой АСКУЭ превысит их максимальное количество, зафиксированное в результатах первичной аттестации цифровой АСКУЭ, новой аттестации должна подвергаться АСКУЭ в целом.

Автор: Аркадий Гуртовцев, 

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