С 1 января 2022 г. новые электрические счетчики, которые устанавливаются в дома жителей России, должны иметь функцию автоматической передачи данных о потреблении. Внедрение такого подхода требует создания надежного канала связи от счетчика до диспетчерской, при этом желательно обойтись без прокладки дополнительных линий. В этой статье мы рассмотрим, каким требованиям должны отвечать технологии передачи информации для нужд учета электроэнергии в быту.
Внедрение автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ) удобно клиентам энергетических компаний — не нужно тратить время на ежемесячную подачу сведений поставщику. Безусловно, есть выгода и для энергетиков — достоверная информация о потреблении электричества появляется у них сразу, тогда как при традиционном подходе в промежутке между обходами контролеров счетчиков (которые проходят дважды в год) у недобросовестных клиентов есть возможность исказить передаваемые данные. Также АСКУЭ позволяет в индивидуальном порядке ограничивать потребление клиентам, которые долго не платят за электричество, или даже отключить их от сети без возникновения проблем у соседей.
Тем не менее у внедрения АСКУЭ есть еще одна подоплека, возможно, даже более важная, чем устранение влияния человеческого фактора при сборе показаний счетчиков. Речь идет о решении проблемы учета потерь в электрических сетях, не принадлежащих компании, поставляющей электроэнергию.
В многоквартирных домах внутренние сети, подающие электроэнергию в квартиры, являются общей долевой собственностью владельцев жилья. В садоводческих товариществах и многих коттеджных поселках сети на их территории также являются общей долевой собственностью владельцев домов. Соответственно, именно на собственниках жилья лежит ответственность за состояние внутридомовой или поселковой сети.
К сожалению, износ сетей внутри многоквартирных домов, а также на территории садоводческих товариществ является серьезной проблемой в России. Изношенные сети — это большие потери электроэнергии. Чрезмерные потери, связанные с тем, что в ремонт сетей не вкладывали средства, должны оплачивать их собственники. Все время с момента, как страна встала на капиталистические рельсы, способы определения таких потерь и порядок их оплаты являются предметом дискуссий между поставщиками, клиентами, органами местной власти и даже политическими деятелями федерального уровня.
До введения АСКУЭ потери во внутридомовых и поселковых сетях определялись либо на основе неких усредненных коэффициентов, либо путем вычитания из показания общедомового (общепоселкового) счетчика суммы показаний счетчиков у абонентов. С первым способом все понятно — он изначально неточен. Но и второй способ при ручном сборе данных не дает достоверных результатов — некоторые жильцы забывают подать данные или умышленно избегают этого.
К тому же на подачу показаний счетчиков клиентам дается промежуток длительностью 12 дней, что снижает точность расчета. Самые точные данные о потерях в сети внутри дома или дачного поселка можно получить, сняв в один и тот же момент времени показания с общего счетчика и всех индивидуальных счетчиков. Соответственно, система передачи информации в АСКУЭ должна быть достаточно надежной и устойчивой к действию помех, чтобы сразу получить информацию от всех абонентов.
Технология PLC
Эта технология предусматривает передачу данных по линии электропитания. Наиболее распространенный способ передачи информации в системах АСКУЭ. Силовые кабели выполняют, помимо своей основной функции, еще и функцию кабелей связи. Это возможно, поскольку передача электроэнергии идет на частоте 50 Гц, а для связи применяются намного более высокие частоты (обычно от 30 до 90 кГц).
PLC удобна тем, что, в отличие от радиоволн, на распространение сигнала по силовым кабелям не оказывают влияние несущие конструкции здания. Принципиальным недостатком является то, что связь возможна только до ближайшей трансформаторной подстанции. Также, помимо трансформаторов, иногда препятствием для прохождения сигнала становятся и некоторые другие виды электрооборудования, не пропускающие или подавляющие высокие частоты.
Другая проблема — влияние помех в электрических сетях. Сейчас она стоит довольно остро из-за применения импульсных блоков питания, создающих высокочастотные помехи, по спектру близкие к рабочему диапазону PLC-систем. Пожалуй, самый большой враг PLC — это сварочный аппарат, во время работы которого в сети, к которой он подключен, может полностью прерваться связь по данной технологии.
В новой версии технологии под названием G3 PLC в значительной степени удалось преодолеть проблему влияния помех благодаря использованию OFDM-модуляции. Данная версия PLC обеспечивает скорость передачи до 45 кбит/с, в одной сети могут одновременно работать до 1000 устройств.
От точки электрической сети, дальше которой сигнал PLC пройти не может, данные в диспетчерскую передаются по специально проложенному кабелю Ethernet либо по сети мобильной связи стандарта LTE.
Беспроводные системы Sub-GHz
Более современный подход — каждый счетчик оснащается модулем беспроводной связи, который передает данные на расстояние порядка 10 км. Таким образом удается собрать информацию беспроводным способом в пределах района города или целого поселка.
Использовать для связи с каждым счетчиком полноценную мобильную связь стандарта LTE — дорогостоящее решение. Кроме этого, при одномоментной передаче показаний с большого числа счетчиков возникнет перегрузка сети мобильной связи. Поэтому используют специальные беспроводные технологии, разработанные для «Интернета вещей» (IoT). Применяется топология «звезда», когда каждый счетчик напрямую связан с базовой станцией. Скорость данных обычно невелика — не более 50 кбит/с. Благодаря этому обеспечивается большая дальность связи с базовой станцией, дешевизна и низкое энергопотребление абонентского оборудования. Современной тенденцией является появление на рынке (в том числе и в России) специализированных операторов, предоставляющих беспроводную передачу данных для служб жилищно-коммунального хозяйства.
Системы, применяемые для сбора данных, работают в диапазоне частот до 1 ГГц, поэтому они получили общее название Sub-GHz.
Во всем мире широкое распространение получил стандарт LoRaWAN (сокращенное название — LoRa). В России оборудование данного стандарта работает в диапазоне 864-870 МГц. Дальность связи в городских условиях — до 5 км, на открытом пространстве — до 15 км. LoRaWAN уже применяется в нашей стране для передачи показаний с «умных» счетчиков.
Российская фирма WAVIoT («Телематические решения») разработала технологию NB-Fi, которая по дальности связи превосходит LoRaWAN: до 10 км в условиях городской застройки и до 50 км при прямой видимости (но при максимальной дальности скорость падает до 0,3 кбит/с). Для связи используется диапазон 868 МГц. Технология NB-Fi уже успела завоевать популярность, ее чаще называют по фирме-разработчику WAVIoT. На основе NB-Fi созданы многочисленные системы сбора данных о потреблении электроэнергии. Мало того, с 1 апреля 2022 г. в России вступил в действие ГОСТ Р 70036-2022 «Информационные технологии. Интернет вещей. Протокол беспроводной передачи данных на основе узкополосной модуляции радиосигнала (NB-Fi)».
В современных условиях важным преимуществом NB-Fi является применение отечественных алгоритмов шифрования. Тем не менее оборудование для NB-Fi основано на чипах зарубежного производства, в которые загружается отечественное программное обеспечение. WAVIoT представляет пользователям своей технологии облачный сервис по организации учета электроэнергии.
NB-IoT
Этот стандарт передачи данных основывается на использовании существующей инфраструктуры мобильных сетей общего пользования. Для исключения перегрузки сети связи при передаче данных «Интернета вещей» полоса частот ограничена по сравнению с обычным доступом в глобальную сеть, что позволяет одной базовой станции обслуживать десятки тысяч счетчиков без ущерба для основных функций. Модуль связи NB-IoT дешевле, чем аналогичное оборудование для обычной мобильной связи. Дополнительное снижение стоимости достигается за счет того, что NB-IoT не требуется физически существующая SIM-карта. Скорость передачи данных в базовом варианте достигает 250 кбит/с. Услуги NB-IoT в России предоставляют все операторы «большой тройки».
Для NB-IoT не нужно создавать отдельную инфраструктуру, но цена абонентского оборудования для NB-IoT несколько выше, чем у LoRa и NB-Fi. Также следует отметить более высокую надежность связи в условиях городской застройки, характерную для Sub-GHz-систем. Наконец, немаловажный момент — пользуясь NB-IoT, вы попадаете в зависимость от тарифной политики оператора связи. Создать собственную NB-IoT-сеть энергосбытовая компания не сможет — ей потребуется лицензия на частоты мобильной связи, получить которую нереально. В то же время для развертывания сетей LoRaWAN и NB-Fi лицензия на частоты не требуется, так что такое дело под силу как энергокомпаниям, так и операторам рынка жилищно-коммунального хозяйства.
Выводы
Для новой жилой застройки, где электрические кабели находятся в хорошем состоянии и нет никаких возможных «сюрпризов» относительно установленного электрооборудования, препятствующего прохождению высокочастотных сигналов, до сих пор оптимальным вариантом является технология PLC, естественно, в ее новом варианте, основанном на модуляции OFDM.
В сложившихся районах города, где электрические сети отличаются большим разнообразием как по техническому состоянию, так и по используемому оборудованию, предпочтительны Sub-GHz-системы. Выбор между LoRaWAN и NB-Fi зависит от стратегии бизнеса. Для LoRaWAN намного шире выбор оборудования (в том числе и отечественного производства), но для NB-Fi ниже риски, обусловленные политической ситуацией, т. к. стандарт основан на отечественных технологиях шифрования и закреплен в ГОСТ.
Связь стандарта NB-IoT выгодно применять в местностях с низкой плотностью населения, т. к. затраты на создание отдельной сети беспроводной связи, чтобы передавать показания счетчиков, в таких условиях себя не окупят. В отдаленной же перспективе основным способом передачи данных от счетчиков может стать стандарт мобильной связи 5G. А еще через несколько десятилетий само понятие «электрический счетчик», наверное, уйдет в прошлое в связи с цифровизацией энергетики: бытовая техника будет сама передавать информацию об энергопотреблении.
