Bryta ner murar. A3 ALPHA Nästa generations energimätare. Technology Review

Transkript

1 Bryta ner murar A3 ALPHA Nästa generations energimätare Peter Kerstetter Tänk dig att du har en godisbutik. Tänk dig att barn från hela världen kommer in i butiken, pratar med dig på olika språk och vill betala med olika valutor. Du skulle få det besvärligt att ge alla barn de karameller de vill ha och samtidigt se till att du får rätt betalt. Energileverantörer befinner sig i en liknande situation när de samlar in energimätardata. Det beror på att mätarleverantörerna använder egenutvecklade kommunikationsprotokoll i sina avläsningssystem. Protokollstandardisering är den uppenbara lösningen och energileverantörer världen över har drivit denna utveckling i åratal. ABB har nu utvecklat en elektronisk energimätare A3 ALPHA som stöder nya öppna standarder och som därmed låter energileverantörerna använda ett gemensamt språk för mätardatakommunikation. A vreglering och privatisering av världens energimarknader tvingar energileverantörerna att se över sina alternativ inom viktiga verksamhetsområden. De har tryck på sig att minska lagerhållningen och undvika att bli sittande med dyrbar men gammalmodig utrustning. De måste effektivisera mätardrift och mätarkommunikation och minska kostnaderna för datainsamling. Samtidigt vill energileverantörerna kunna övervaka elkvaliteten och reagera snabbt på kundernas föränderliga behov. ABB hjälper energileverantörerna att uppfylla dessa krav med den nya energimätaren A3 ALPHA, en elektronisk enhet som bygger på den väl beprövade patenterade ALPHA-mätartekniken. Sedan de första enheterna kom ut 1992 har mer än 2 miljoner ALPHA-mätare levererats till energileverantörer världen över. Förutom 28 ABB tidning 2/2001

2 Transmission and Distribution de avancerade energimätarfunktionerna som även fanns i dess föregångare erbjuder den nya A3 ALPHA-mätaren bredare möjligheter för dataregistrering, profilinställning och elkvalitetsmätning (se tabell). Och lika viktigt - mätaren tillämpar det nya ANSI-standardiserade öppna kommunikationsprotokollet för datakommunikation med energimätare. A3 ALPHA erbjuder en konstruktionsplattform för energimätare som stöder de mest skilda krav från olika energibolag. Den enklaste versionen av A3 ALPHAmätaren kan fabrikskonfigureras för enkla entarifftillämpningar som ger information om totalvärde i kwh och maximalt effektbehov i kw. De mest avancerade A3 ALPHA-mätarna kan konfigureras som flertariffs dubbelriktade mätare som hanterar såväl aktiv som reaktiv energi. Andra standardfunktioner tillåter avläsning av nätspänning, ström, fasvinkel och effekt. Varje A3 ALPHA-mätare är försedd med funktioner som automatiskt validerar mätarens serviceanslutningar och ser till att den är korrekt ansluten till kraftsystemet. A3 ALPHA-mätare kan även konfigureras för elkvalitetsmätning för att detektera och registrera bortfall av en eller flera faser, temporära spänningsminskningar och spänningshöjningar liksom andra systemavvikelser. Sådana speciella händelser kan loggas i ett minne tillsammans med lastprofildata och den nya funktionen instrumenteringsprofilavläsning. Att samla in energimätardata är en allt mera komplex uppgift, och de nya elektroniska mätarna måste utvecklas med hänsyn till detta. Även om ABB och andra företag tidigt lanserade elektroniska elenergimätare för mer komplexa tariffbilder, har insamling av energimätardata kommit att bli något helt annat än traditionell avläsning av fyra eller fem visartavlor och anteckning av resultatet i kwh med papper och penna. Nu vill kunderna kunna mäta flera storheter och det blir allt vanligare att mätarna avläses elektroniskt. Detta kan man göra lokalt med en optisk prob och en bärbar dator, eller på distans genom automatisk mätaravläsning (AMR Automatic Meter Reading). A3 ALPHA-mätaren ger stöd för många olika fjärrkommunikationsalternativ, inklusive telefonmodem som kan initiera telefonlarm till energibolaget i händelse av ovanliga händelser eller matningsbortfall. Tabell: ABB A3 ALPHA-mätare huvuddata Egenskap Data Märkspänningsområde V Manöverspänningsområde V Ström 0 till ampereklass Märkfrekvens 50 eller 60 Hz ±5% Temperaturområde -40 till 85 C inuti mätarkapslingen Fuktighetsområde 0 till 100% ej kondenserande Tillämpliga ANSI-standarder C12.1, C12.10, C12.20, C12.18, C12.19, C12.21 Absolut ström Kontinuerligt 120 % av mätarens maxström Temporärt (1s) 200 % av mätarens maxström Överspänningshållfasthet ANSI C oscillerande 2.5 kv, 2500 stötar IEC kv, 2.5 khz upprepade stötar under 1 minut Noggrannhet Med belastning = { (Klass/I)(1 + tan θ)}% Noggrannhetsvariationer Spänningskoefficient = ±0.01% förändring från märkström Temperaturkoefficient = ±0.01% per C ABB tidning 2/

3 Förbättrad kommunikation tack vare öppna standarder ABB och andra leverantörer har under årens lopp lanserat en hel serie elektroniska elenergimätare med olika kommunikationsprotokoll. Detta innebär att energileverantörerna måste hantera olika kommunikationsprotokoll för att samla in data från dessa mätare. Och efter hand som leverantörerna har tagit fram allt mer avancerade elektroniska mätare har variantfloran växt. Resultatet är att utveckling och användning av datorbaserad energimätaravläsning har blivit en allt svårare och allt mera komplex uppgift, inte minst programvarumässigt. Energileverantörerna började därför uppmuntra till standardisering av systemen och till inriktning mot en gemensam maskinoch programvaruplattform för att samla in energimätardata. Högt på önskelistan stod ett sätt att minska såväl initialkostnad som löpande kostnader för mätarsystemen. Även om ett visst begränsat mått av protokollstandardisering utvecklades i Europa inom ramen för IEC:s standardiseringsarbete täckte detta endast insamling av basdata. IEC:s arbete gick inte in på den allt större variantfloran och de mer komplexa mätdata som energileverantörerna önskade sig. Samtidigt, i Nordamerika, insåg man att standardisering av kommunikationsprocesser för de över 3000 energileverantörerna i USA var en komplex historia som skulle ta längre tid än man från början hade väntat. Sedan 1996 har ANSI (American National Standards Institute), AMRA (Automatic Meter Reading Association) och Measurement Canada samarbetat för att publicera standarder för mätdatalagring och kommunikationsprotokoll. [1] Detta resulterade i tre viktiga standarder för utveckling av mätarsystem: ANSI C12.18 (1996): Protocol Specification for ANSI Type 2 Optical Port: Ett kommunikationsprotokoll för överföring av datastrukturer enligt definition i C12.19 via en optisk IR-port. ANSI C12.19 (1997): Utility Industry End Device Tables: Standarden som definierar datastrukturerna för användning i mätarprodukter. ANSI C12.21 (1998): Protocol Specification for Telephone Modem Communication: En kommunikationsstandard avsedd att överföra datastrukturer så som de definieras i C12.19 via telefonmodem. Genom att ge stöd för de nya ANSIstandarderna ger A3 ALPHA-mätaren kunderna mycket större flexibilitet än vad som är möjligt med andra elenergimätare i dess klass. Mätare som stöder standarden lovar enklare gränssnitt, snabbare implementering av nya funktioner och lägre driftskostnader. ANSI- och A3 ALPHAkommunikation hjälper kunderna att kapa sina kostnader A3 ALPHA är specifikt konstruerad för att hantera alla dessa nya standarder och erbjuder en mera täckande implementering av ANSI-standarderna än någon annan mätare som för närvarande finns på marknaden. Med hjälp av öppna standarder för mätardatakommunikation kan energileverantörerna minska sina driftskostnader genom att ta bort de hinder som skapades av olika företags egenutvecklade kommunikationsprotokoll. Denna standardisering tillåter snabbare konstruktion och implementering av AMR-system och kommer att ge mer övergripande mätarsystemalternativ på marknaden. A3 ALPHA-mätaren ger fullt stöd för ANSI C12.18, C12.19 och C Eftersom elindustrin fortsätter att ta till sig dessa standarder kommer flera system och kommunikationsalternativ att bli tillgängliga. Användarna av A3 ALPHA-mätaren kommer att kunna dra fördel av ett mera konkurrenskraftigt verktyg för datainsamling och dataanalys. Avancerad fyrkvadrantmätning Fyrkvadrantmätning 1 tillåter mätning av aktiv, reaktiv och skenbar energi i båda riktningarna. A3 ALPHA-mätare med mätning av reaktiv eller skenbar energi kan 1 Avancerad fyrkvadrantsmätning tillåter mätning av aktivt, reaktivt och skenbart energiflöde i båda riktningarna. kva received kw received Q2 Q3 kvar delivered kvar received Q1 Q4 kva delivered kw delivered 30 ABB tidning 2/2001

4 2 Programmet Alpha Keys tillåter enkel omkonfigurering av A3 ALPHA, exempelvis för att förvandla den från enkel kwh-mätare till en avancerad flerfunktionsmätare. PQM Loss compensation Advanced 4-quadrant metering Instrumentation profile Pulse profile Reactive power TOU Demand mäta två storheter: en medeleffektfaktor och två samtidiga värden. Om mätaren förses med avancerad fyrkvadrantmätning finns möjlighet till sex storheter: två medeleffektfaktorer och fyra samtidiga värden. Alpha Keys, för flexibel mätarkonfiguration Med hjälp av programmet Alpha Keys 2 kan A3 ALPHA-mätaren enkelt konfigureras om från en enkel kilowattimmemätare till ett avancerat mätsystem som rapporterar: Driftstid (TOU Time Of Use) kva kvar Lastprofilering Elkvalitet Instrumenteringsprofilering Transformator- och linjeförlustkompensation Avancerad fyrkvadrantmätning En mätare med dessa funktioner sparar värdefull tid och viktiga resurser, eftersom den inte behöver tas ur drift och skickas till fabriken för omkonfigurering. Alpha Keys erbjuder skydd mot potentiella maskinvarukostnader om tariffer eller kundkrav skulle förändras. Alpha Keys kan även användas för att hantera en energileverantörs mätarförråd, så att man kan hålla mycket låga förrådsnivåer utan att kompromissa med förmågan att svara på nya kundbehov. Mätarkretsen för effektivare drift A3 ALPHA-mätare kan konfigureras för ett brett spänningsområde från 96 till 528 VAC. Därmed kan en och samma mätartyp användas för de mest skilda tillämpningar. 12V-utgången matas till en linjär regulator som ger den spänning som behövs för mätarens egna logik. Effekten mäts av två integrerade kretsar: mätarkretsen och mikroprocessorn 3. Dessa fungerar som styrcentral för alla mätarkomponenter. Mätarkretsen får ström via en precisionslindad strömsensor. Denna reducerar strömmen proportionellt så att mätarkretsen kan mäta den noggrant utan att riskera överbelastning. En digital signalbehandlare konverterar den analoga strömsignalen till digitala pulser. Spänningen mäts med hjälp av skalade indata från resistiva spänningsdelare. Dessa spänningsdelare håller logikspänningen på rätt nivå för att säkerställa mätarkretsens drift och för att minimera fasskiftningar över ett brett dynamiskt område. Mätarkretsen kommunicerar med mikroprocessorn för att omvandla pulserna till fysiska enheter (t.ex. watt, VA och VAr). Mikroprocessorn utför många olika funktioner som behövs för mätarkommunikation och effektiv drift. Bland dessa kan nämnas: Behandling av rådata från mätarkretsen Lagring av behandlade data (kallas även faktureringsdata) Kommunikation med mätarkretsen och det icke flyktiga minnet Kommunikation via optiska portar och andra portar för fjärrkommunikation Styrning av displayen (LCD) Styrning av tillvalskort Mikroprocessorn ansvarar samtidigt för att på ett säkert sätt stänga av mätaren i händelse av matningsbortfall. För att förebygga inkomstförluster på grund av matningsbortfall lagras faktureringsdata i ett icke flyktigt minne. När matningen återkommer återställs mätaren till sitt driftstillstånd omedelbart före matningsbortfallet, innan normal drift fortsätter. ABB tidning 2/

5 3 Blockschema över A3 ALPHA-mätaren Phase A Voltage Phase B Voltage Phase C Voltage Phase A Phase B Phase C 12-V power supply Resistive divider Resistive divider Resistive divider sensor sensor sensor 2.5-V precision reference Crystal 5-V linear power supply Meter engine Non-volatile memory Avancerade mätarverktyg minimerar osäkerhet A3 ALPHA-mätaren kan utföra en serie test för att verifiera och analysera energileveransservicen och kontrollera elkvaliteten. Systemservicetest validerar den elektriska service som A3 ALPHA mäter och nära ögonblicklig analys av förhållandena på den plats där mätaren är installerad. Elkvalitetsövervakare granskar ständigt kretsparametrarna. Elkvalitetsövervakning Avregleringen tvingar energileverantörerna att inse att deras bästa kunder kan börja rösta med fötterna. Många energileverantörer sluter därför nya långsiktiga leveransavtal för att förmå sina viktigaste industrikunder att stanna. Avancerad General technical data Option connector Non-volatile supply LCD Battery µ-controller Optical port Watch crystal Remote ports 1&2 elövervakning spelar en viktig roll i avtal av detta slag. A3 ALPHA-mätaren, i kombination med ABB:s programvara, bidrar till att identifiera matningsstörningsproblem och deras orsaker. Genom att fullständigt tilllämpa elkvalitetsövervakning (PQM) kan energileverantörerna med förebyggande teknik förbättra servicen till sina kunder. A3 ALPHA-mätaren söker avvikelser från användardefinierade trösklar för aspekter som spänning, ström, total övertonshalt och TDD (Total Demand Distortion). Genom ett antal olika test kan den nya mätaren mäta och samla in elkvalitetsdata 24 timmar om dygnet. I enlighet med kundernas önskemål är mätaren konstruerad för: Kontinuerlig övervakning av mer än 10 olika elkvalitetsaspekter Registrering av instrumenteringsdata på 32 kanaler Visning av över 50 olika instrumenteringskvantiteter Diagnostik och serviceverifiering på plats Generering av realtidslarm om gränsvärden överskrids Systemservicetest Två test servicespänningstest och systemströmtest är allt som behövs för att verifiera servicetypen, fasrotationsriktningen och närvaro av fasspänning och fasström. Servicespänningstest Detta test kontrollerar spänning och servicetyp för att fastställa om spänningstransformatorer är felaktigt anslutna eller om nätsäkringar saknas. Om mätaren konstaterar att servicespänningen är korrekt lagras denna information som underlag för ytterligare elkvalitetstest. Systemströmtest Detta test kontrollerar strömmen för att fastställa om strömtransformatorer eller installationssocklar är felaktigt anslutna eller om det saknas säkringar på lastsidan. Systeminstrumentering Systeminstrumenteringsmätningar kan ge nära ögonblicklig analys av den elektriska servicen. Som exempel på dessa mätningar kan nämnas fasvis spänningsmätning, fasvis kw-mätning och fasvis 32 ABB tidning 2/2001

6 mätning av THD (total övertonshalt) för spänning eller ström. Dessa mätningar används inte för fakturering. Instrumenteringskvantiteter är instantana, medan faktureringsdata mäts eller medelvärdesberäknas över tiden. (Faktureringskvantiteter mäter på alla tre faserna, medan instrumenteringskvantiteter kan mätas fas för fas.) Inbyggd säkerhet minskar systemsupportkostnader A3 ALPHA-mätaren innefattar även säkerhetsfunktioner på hög nivå för att förebygga extern påverkan. Tre lösenord förebygger otillåten åtkomst till mätardata. Ett lösenord ger läsåtkomst till mätardata men tillåter inte programförändring. Ett andra lösenord ger åtkomst till faktureringsdatainsamling, med justering av datum och tid, behovsåterställning och kvittering av varningar och felmeddelanden. Ett tredje lösenord ger full åtkomst för programmering, t.ex. för ändring av mätarkonstanter eller elkvalitetsparametrar. Alla A3 ALPHA-mätarkonfigurationer innefattar ett system för att avslöja externa otillåtna ingrepp. Sådana händelser kan rapporteras som: Programförändringar ID-nummer för användaren som ändrar i programmet Matningsbortfall Antalet manuellt initierade behovsåterställningar Energiflöde i backriktning Antalet misslyckade påloggningsförsök Loggar och dataset Förutom verktygen mot extern påverkan registrerar A3 ALPHA-mätaren loggar och dataset för olika verksamheter. Detta kan användas för att fastställa servicekvaliteten eller för att undersöka misstankar om extern påverkan av mätaren. Händelselogg: Alla A3 ALPHA-konfigurationer kan registrera datum och tid för mätarhändelser, som matningsbortfall, behovsåterställningar, aktiviteter i testläge och tidsförändringar. Historisk logg: Alla A3 ALPHA-konfigurationer registrerar förändringar i mätarprogrammet. Den historiska loggen registrerar datum och tid för ANSI C12.19-tabellen eller procedur-id och ID för användaren som redigerade tabellen respektive utförde proceduren. Självavläsning: Alla A3 ALPHA-mätare ger stöd för självavläsning. Vid självavläsning registreras och lagras aktuella faktureringsdata. Självavläsningar kan utlösas vid ett förprogrammerat datum eller vid varje behovsåterställning. Informationen kan anropas vid en senare tidpunkt för analys eller fakturering. Lastprofilering: A3 ALPHA-mätare med lastprofileringsförmåga kan registrera upp till åtta informationskanaler. Lastprofilering har sin egen oberoende intervallängd som kan konfigureras separat från behovsintervallängden. Instrumenteringsprofilering: A3 ALPHA-mätare med instrumenteringsprofilering har två uppsättningar instrumenteringsregistrerare. Varje uppsättning kan registrera upp till 16 informationskanaler som övervakar förhållandena på mätarens installationsplats. Instrumenteringsprofilering används typiskt för analys inte för faktureringsändamål. Varje uppsättning har sin egen oberoende intervallängd, separat konfigurerad från behovsintervallängden eller lastprofileringsintervallängden. PQM-logg: A3 ALPHA-mätare med elkvalitetsövervakning har en logg som registrerar negativa resultat från elkvalitetstest. PQM-loggen registrerar tiden för det negativa resultatet och rapporterar testets identitet. När det förhållande som har orsakat det negativa resultatet har eliminerats, registrerar mätaren den tidpunkten då testet har gett positivt resultat, och rapporterar testets identitet. Spänningssänkningslogg: Mätare med elkvalitetsfunktioner har även en spänningssänkningslogg. Här registreras datum, tid och fas från varje detekterad spänningssänkning. Mätaren registrerar spänningssänkningar med så kort varaktighet som två nätcykler, oberoende av fas. Alternativ för att maximera mätarflexibiliteten Tillvalskort A3 ALPHA-mätaren kan utrustas med extra funktioner med hjälp av tillvalskort 4. Tillvalskorten ansluts till mätarens moderkort med hjälp av en 20-polig kontakt. A3 ALPHA-mätaren erbjuder för närvarande fem kommunikationsalternativ: Reläutgångar Inbyggt telefonmodem Seriellt gränssnitt RS232 Seriellt gränssnitt RS ma strömloop ABB Electricity Metering utvärderar ABB tidning 2/

7 4 Extra funktioner kan läggas till A3 ALPHA-mätaren genom att komplettera moderkortet med tillvalskort. 1 A3 ALPHA-mätare 2 Telefonmodem 3 Minnesutbyggnad 4 20 ma strömloop (6 reläutgångar) 5 RS232 (4 reläutgångar) enheter. Om en mätare exempelvis vidare befordrar signaler för inledning av högtariffperiod eller överskridande av maxbehovströskel, kan en extern enhet ges kommando att stänga av en viss utrustning till dess att förhållandena har återgått till de normala. Eller, om specifika elkvalitetskrav är av vikt för en viss kund, kan ett relä programmeras att signalera negativt elkvalitetstestresultat för att indikera förhållanden som påverkar exempelvis en maskins drift. Mätaren stöder upp till sex olika reläer, beroende på vilken uppsättning tillvalskort som har installerats. Alla reläer är fullt programmerbara. Användaren kan välja olika styrkällor för varje enskilt relä. Möjliga källor är: Energipuls för varje grundläggande mätt kvantitet Signal för slut på behovsintervall Laststyrningssignal Specifik TOU-signal Fel- eller varningssignal Signal för negativt resultat från elkvalitetstest Larmsignal nya kommunikationsalternativ och samarbetar med företag utanför ABB för att göra ännu fler alternativ tillgängliga. Eftersom A3 ALPHA-mätaren stöder ANSI-protokollet och dess kommunikationsstandarder, blir det enklare för nya programvaruapplikationer och kommunikationsalternativ att kommunicera med A3 ALPHAmätaren. Programmerbara reläer En A3 ALPHA-mätare, utrustad med tillvalskort som har reläer för ekopulser eller andra styrsignaler, kan även styra externa Konstruerad med blicken mot framtiden Korrekt debitering och effektiv elkvalitetsövervakning med A3 ALPHA ger energileverantörerna nya alternativ och ger dem möjlighet att erbjuda sina kunder bättre service och samtidigt hålla nere sina investeringskostnader och kostnader för föråldrad maskinvara. A3 ALPHA-mätaren representerar nästa generations energimätning. Med dess många avancerade funktioner hjälper den inte bara dagens energileverantörer utan även framtidens. Författare Peter Kerstetter ABB Automation Inc 208 South Rogers Lane Raleigh, NC 27610, USA peter.a.kerstetter@us.abb.com Referenser [1] T. York: Exploring ANSI Standards in Meter Communications. PowerValue September/October 2000, ABB tidning 2/2001