zdalna akwizycja danych.indd

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 3 / 2 0 0 4

t e l e k o m u n i k a c j a

połeczeństwo informacyjne, w
którym żyjemy, wymaga zbiera-

nia i przetwarzania coraz większych
ilości informacji. Problem pozyski-
wania ich nie omĳ a także energety-
ki zawodowej. Wprowadzanie no-
woczesnych metod rozliczeń za
energię elektryczną między jej pro-
ducentami, operatorem systemu
przesyłowego, spółkami dystrybu-
cyjnymi i odbiorcami końcowymi,
wymaga dokładnych pomiarów
oraz jak najszybszego pozyskiwania
informacji o ilościach przepływają-
cej energii. Czasy, kiedy licznik
energii elektrycznej był prostym
urządzeniem elektromechanicz-
nym minęły bezpowrotnie. Choć
dziś większość liczników pracują-
cych w sieci jest urządzeniami me-
chanicznymi, jednak coraz częściej
są wprowadzane bardziej nowocze-
sne rozwiązania. Współczesny licz-
nik nie tylko mierzy ilość przepły-
wającej energii i rejestruje jej pro-
fi l, ale również może wskazywać i
rejestrować wartości wielu innych
parametrów, tj. moc na poszczegól-
nych fazach i jej sumę, odpowied-
nio współczynniki mocy, napięcia
fazowe, międzyfazowe, prądy i kąty
pomiędzy nimi, zaniki, zapady i ob-
niżenia napięć wraz z czasem ich
trwania. Modele wyższej klasy
umożliwiają rejestrację parametrów
jakościowych energii elektrycznej,
zgodnie z zaleceniami normy PN-
EN 50160. Są to cenne informacje,
których szybkie pozyskanie pozwa-
la na obniżanie strat energii elek-
trycznej oraz kosztów jej produkcji,
przesyłu i rozdziału. Rozwój syste-
mów pomiaru energii elektrycznej

ma na celu bilansowanie energii w
węzłach sieci. Poprawnie wykona-
ny bilans (odpowiedniej jakości
wskazania wszystkich urządzeń po-
miarowych, węzła odczytane w tym
samym czasie) daje możliwość iden-
tyfi kacji źródeł strat. Zdalna komu-
nikacja z licznikiem pozwala rów-
nież kontrolować poprawność jego
pracy. W przypadku jakiegoś uszko-
dzenia lub błędu oprogramowania,
licznik generuje kod błędu i sygna-
lizuje uszkodzenie. W ten sposób
znacznie zmniejsza się możliwości
ingerencji we wskazania układu po-
miarowego. Producenci liczników,
m.in. krajowi, oferują pełny zakres
liczników w dowolnej konfi guracji,
co pozwala zastępować liczniki in-
dukcyjne elektronicznymi, nawet u
odbiorców w taryfi e G. Ceny liczni-
ków elektronicznych stają się kon-
kurencyjne w porównaniu do elek-
tromechanicznych, a wyparcie licz-
ników indukcyjnych jest tylko kwe-
stią czasu.

Duży wybór produkowanych

urządzeń pomiarowych, poziom
zastosowanych w nich technologii
i zróżnicowane zapotrzebowanie
na rozwiązania systemów pomia-
ru energii elektrycznej, wywołują
zastosowanie bardzo różnych roz-
wiązań technicznych do akwizycji
danych z liczników. Duża ilość in-
formacji zawarta w liczniku elektro-
nicznym powoduje, że odczyt bez-
pośredni staje się mało wydajny i
może generować błędy. W celu jego
automatyzacji stosuje się różnego
rodzaju interfejsy komunikacyjne
pozwalające na uzyskanie odczytu
w formie dokumentu elektronicz-

nego. Akwizycja danych z układów
pomiarowych energii elektrycznej
zawsze wymaga czasu. W zależno-
ści od tego, do jakich celów wskaza-
nia urządzeń pomiarowych są wy-
korzystywane, określa się, co jaki
czas należy je odczytać i jaki rodzaj
transmisji zastosować.

Rozbudowane systemy pomia-

rowe wymagają niejednokrotnie za-
stosowania dodatkowego urządze-
nia zbierającego dane z określonej
liczby układów pomiarowych ener-
gii elektrycznej. Urządzenia takie
zwane są koncentratorami i mogą
pośrednio pełnić inne funkcje, np.
sumatora. Nowoczesne koncen-
tratory coraz częściej upodabnia-
ją się pod względem konstrukcyj-
nym do komputerów – są wyposa-
żone w procesor i płytę główną w
wersji przemysłowej, twardy dysk
lub inny nośnik danych, różnego
rodzaju interfejsy komunikacyj-
ne, system operacyjny i odpowied-
nie oprogramowanie, dzięki czemu
stwarzają olbrzymie możliwości po-
zyskiwania i obróbki danych. Nie-
jednokrotnie sam licznik spełnia
część funkcji przypisywanych kon-
centratorowi.

Wobec tak dużej liczby nowych

technologii telekomunikacyjnych,
problemem staje się dokonanie
wyboru odpowiednich dróg trans-
misji. Celem naszym jest ułatwie-
nie tego zadania przez przedsta-
wienie dostępnych możliwości ich
wad i zalet.

metoda binarna

Najstarszą i jednocześnie naj-

bardziej rozpowszechnioną meto-

dą zbierania danych z liczników
jest metoda binarna, która swoją
popularność zawdzięcza prostocie
zastosowania. Licznik energii wy-
posażony musi być w jeden lub
kilka nadajników impulsów, a za-
daniem koncentratora jest ich zli-
czanie. Każdy wygenerowany im-
puls to określona ilość energii. W
licznikach stosuje się dwa rodzaje
wyjść impulsowych: pasywne (open
collector) i aktywne (tzw. pętla prą-
dowa). Parametry impulsu muszą
być ściśle zdefi niowane, aby wyeli-
minować traktowanie zakłóceń jako
impuls. Przy ocenie odległości, na
jakie można przesłać impuls, nale-
ży wziąć pod uwagę poziom zakłó-
ceń generowanych przez zewnętrz-
ne źródła, impedancję przewodów
łączących nadajnik z odbiornikiem
i moc źródła sygnału prądowego.
Podstawową wadą tego rodzaju ko-
munikacji jest to, że wskazania kon-
centratora nie są wskazaniami licz-
ników energii.

Nowoczesny licznik ma o wie-

le więcej do zaoferowania niż tylko
wskazania ilości energii. Komunika-
cja z licznikami lub koncentratora-
mi na poziomie lokalnym (nieduże
odległości) może odbywać się za po-
mocą różnych interfejsów komuni-
kacyjnych, tj. RS232, pętla prądowa
20 mA, RS485.

RS232

Interfejs RS232 jest jednym

z najstarszych szeregowych in-
terfejsów komunikacyjnych,
wykorzystywanym z powodzeniem
do odczytu liczników. Standard za-
pewnia transmisję o przepływności

zdalna akwizycja danych

z układów pomiarowych energii elektrycznej

Dariusz Skuba, Sławomir Domański – Zakład Energetyczny Warszawa-Teren S.A.

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 3 / 2 0 0 4

t e l e k o m u n i k a c j a

20 kbps na odległość 15 m. Najczę-
ściej stosowane prędkości transmi-
sji to 2400, 4800, 9600 bps. Niewiel-
ki zasięg transmisji w standardzie
RS232C sprawia, że nie nadaje się
on do przesyłania danych na więk-
sze odległości. Interfejs tego rodzaju
stosuje się zwykle w powiązaniu z
innymi metodami transmisji, a jego
wadą jest możliwość podłączenia do
jednego toru transmisji tylko jedne-
go urządzenia odczytywanego.

pętla prądowa 20 mA

Wydłużenie toru transmisyj-

nego zwiększa jego wrażliwość
na zakłócenia spowodowane ze-
wnętrznym polem elektromagne-
tycznym, co generuje wzrost licz-
by błędów. Łączenie urządzeń nie
będących w bezpośrednim sąsiedz-
twie utrudnia różnica potencjałów
ich uziemień. Powstałe w ten spo-
sób napięcie zakłóca współpracę, a
często nawet powoduje ich uszko-

dzenie. Popularnym rozwiązaniem
wymienionych problemów jest
„pętla prądowa 20 mA”. Interfejs
pętli prądowej pełni rolę ekspan-
dera zasięgu zwykłego interfejsu
RS232 i zapewnia ochronę przed
wzajemnym uszkodzeniem połą-
czonych urządzeń, dzięki izolacji
galwanicznej. Przy transmisji typu
“half duplex” interfejs wykorzystu-
je dwie żyły toru komunikacyjnego,
a do transmisji danych z liczników
pętlą prądową używa się prędkości
takich jak w RS232.

RS485

Uniwersalnym rozwiązaniem

dla szybkiej transmisji na duże od-
ległości w środowisku o dużej ak-
tywności elektromagnetycznej jest
pełna symetryzacja łącza. Standar-
dy RS422 i RS485 określają syme-
tryczny, zrównoważony system
transmisji danych, złożony z różni-
cowego nadajnika, dwuprzewodo-

wego zrównoważonego toru prze-
syłowego oraz odbiornika o różni-
cowym obwodzie wejściowym. In-
terfejs RS485, w przeciwieństwie
do RS232, pozwala na komunika-
cję między wieloma urządzenia-
mi i znaczne ograniczenie wpły-
wu zakłóceń na jakość transmisji,
co pozwala na pokaźne wydłużenie
toru transmisyjnego i podniesienie
przepływności. Maksymalną prze-
pływność - 10 Mbps - można uzy-
skać przy połączeniach o długości
nie przekraczającej 60 m. Najdłuż-
sza dopuszczalna droga transmisji
między dwoma skrajnymi urządze-
niami nie może przekraczać 1200
m. Przy tej odległości możliwa jest
do uzyskania przepływność od 100
kbps, natomiast maksymalna liczba
urządzeń mogących wykorzystywać
jedno łącze to 40.

Wskazania urządzeń pomiaro-

wych, zainstalowanych u końco-
wych odbiorców energii elektrycz-

nej, muszą być odczytywane zgod-
nie z zaleceniami obowiązującej ta-
ryfy lub umowy. Najczęściej spoty-
ka się okresy obrachunkowe o dłu-
gości 10, 15, 30 dni. Zupełnie ina-
czej wygląda sytuacja z odczyta-
mi urządzeń pomiarowych, któ-
rych wskazania są wykorzystywa-
ne do prognozowania i rozliczania
w rynku energii. Dzisiejszy rynek
energii wymaga dostarczenia pew-
nych danych profi lu obciążenia za
okres jednej doby najpóźniej do go-
dziny 6.00 dnia następnego. Plano-
wane jest wprowadzenie tzw. Ryn-
ku Dnia Bieżącego, który będzie wy-
magał zbierania danych nie za okres
poprzedniej doby, ale za okres po-
przedniej godziny. Powyższe wska-
zania determinują ilość koniecz-
nych do przesłania danych i czę-
stość odczytu. Współczesna tele-
technika udostępnia wiele rozwią-
zań zaspokajających powyższe po-
trzeby. Do przesyłania danych

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 3 / 2 0 0 4

t e l e k o m u n i k a c j a

na większe odległości i co za tym
idzie do odczytu urządzeń pomiaro-
wych znacznie oddalonych od cen-
trali odczytowej, wykorzystuje się
opisane poniżej metody.

ETN

ETN (Elektroenergetyczna Tele-

komunikacja Nośna) jest jednym z
najstarszych stosowanych w elek-
troenergetyce środków łączności.
Wykorzystanie
ETN do odczy-
tów zdalnych
wskazań ukła-
dów pomiaro-
wych jest w za-
niku. Pasmo
przesyłowe od
40 do 500 kHz,
przy odpowied-
nim podzia-
le kanałów, po-
zwala na wygo-
spodarowanie
oprócz kana-
łu rozmówne-
go, następującej
liczby kanałów
transmisyjnych (nadrozmównych):
jednego kanału 200 bps i trzech 50
bps lub dwóch 100 bps i trzech 50
bps lub siedmiu 50 bps. Przy dużej
ilości przesyłanych danych kanały
o szybkościach 50, 100, 200 bps są
zbyt wolnym na dzisiejsze potrze-
by środkiem łączności.

połączenie modemowe (modem

analogowy)

W początkowej fazie rozwoju

zdalnych odczytów liczników ener-
gii elektrycznej jedyną drogą dają-
cą odpowiedni dostęp i stosunek
ceny do jakości było korzystanie z
PSTN (Public Switched Telephone
Network). Połączenia komutowane
zestawiane między licznikiem a sta-
cją odczytową do dziś stanowią jed-

ną z głównych dróg zdalnego pozy-
skania danych. Są one stopniowo
wypierane przez inne techniki łącz-
ności. Zdalny odczyt tą drogą pole-
ga na zestawieniu połączenia mię-
dzy modemem urządzenia pomia-
rowego a modemem stacji odczy-
towej przez publiczną sieć telefo-
niczną. Połączenie jest inicjowane,
zależnie od systemu odczytowego i
zastosowanych urządzeń, przez mo-

dem stacji odczytowej lub przez mo-
dem urządzenia pomiarowego. Bez
użycia kompresji danych możliwe
jest zestawienie łącza o maksymal-
nej prędkości 14 400 bps, co wyni-
ka z twierdzenia Shanona o prób-
kowaniu sygnałów.

modemy radiowe

Jedną z możliwych do zasto-

sowania metod transmisji danych
jest łączność za pomocą radiomode-
mów. Modemy radiowe umożliwia-
ją szeregową transmisję danych w
trybie „half-duplex”. Modem radio-
wy jest z reguły urządzeniem prze-
zroczystym, retransmiterem dla
komunikujących się terminali. Pa-
rametry radiowego toru transmisyj-
nego zależą m.in. od zastosowanej

metody modulacji sygnału, mocy
nadajnika, ukształtowania terenu,
na którym jest prowadzona trans-
misja i odległości pomiędzy radio-
modemami.

PLC

PLC (Power Line Communica-

tions) jest nową techniką umoż-
liwiającą wykorzystanie istnieją-
cych sieci energetycznych do prze-

syłu nie tylko energii elektrycznej,
ale również informacji. Szybki po-
stęp technologiczny i wysoka jakość
rozwiązań spowodowały osiągnię-
cie pułapu umożliwiającego sto-
sowanie tej techniki w praktycz-
nych rozwiązań. Transmisja odby-
wa się przez nałożenie odpowied-
nio zmodulowanego sygnału in-
formacyjnego na sygnał sieci ener-
getycznej. Parametry sieci energe-
tycznej zależne są od wielu czyn-
ników - istnieje wiele źródeł zakłó-
cających przesyłany sygnał, co po-
woduje konieczność stosowania
wyrafi nowanych metod zabezpie-
czania sygnałów i fi ltracji zakłó-
ceń (procesory sygnałowe). Atrak-
cyjność tej metody transmisji po-
lega na wykorzystaniu istniejącej

infrastruktury sieci energetycznej
do transmisji. Technika przesyłu
danych po liniach energetycznych
wymaga zaawansowanej technolo-
gii i niewielu producentów ją opa-
nowało, przez co nie należy ona do
najtańszych.

modem GSM

Alternatywnym rozwiązaniem

w stosunku do PSTN jest telefonia

komórkowa
(bezprzewo-
dowa). Ana-
logowe syste-
my telefonii
komórkowej
zostały z ryn-
ku krajowe-
go całkowicie
wyparte przez
telefonię cy-
frową GSM. W
Polsce stoso-
wane są dwa
systemy GSM
900 i GSM
1800. Oba
umożliwiają

transmitowanie danych bez kom-
presji z prędkością 9600 kbps. Sys-
tem GSM 1800 to 374 kanały, pro-
mień komórki 4 km oraz znacznie
mniejsze moce nadajników stacji
bazowych i terminali ruchomych.
System GSM 900 to 124 kanały, pro-
mień komórki 35 km. System GSM
1800, ze względu na swoje parame-
try, jest używany wyłącznie w du-
żych aglomeracjach miejskich, gdzie
natężenie ruchu w sieci jest znacz-
nie większe. Modemy GSM stoso-
wane do zdalnego odczytu układów
pomiarowych są zazwyczaj dwuza-
kresowe. Połączenie z teletermina-
lem do zdalnego odczytu układu po-
miarowego może odbywać się dwo-
jako: serwer podczytowy systemu
akwizycji danych za pośrednictwem

Rys. 1 Zdalna transmisja danych z urządzeń pomiarowych: 1|obwody impulsowe, 2|pętla prądowa, 3|RS485, 4|RS232

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 3 / 2 0 0 4

t e l e k o m u n i k a c j a

PSTN łączy się z odpowiednim ope-
ratorem sieci komórkowej, a na-
stępnie z modemem GSM układu
pomiarowego lub modem GSM jest
podłączony do serwera, łączącego
się z teleterminalem odczytowym
wyłącznie za pośrednictwem sieci
operatora, w której oba urządzenia
są aktywowane. Rozwiązanie pierw-
sze może być przydatne przy małej
liczbie połączeń i niewielu mode-
mach GSM zainstalowanych w sys-
temie pomiarowym, ze względu na
duże koszty połączeń.

modem GPRS

System GPRS (ang. General

Packet Radio Service) pozwala na
pakietową transmisję danych w
sieciach komórkowych, opartych
na standardzie GSM. System ten
może być użyty w rozwiązaniach
wykorzystujących aplikacje bazują-
ce na protokole IP. Spośród wszyst-
kich istniejących usług transmisji
danych w standardzie GSM (SMS,
CSD, HSCSD), GPRS jest najbar-
dziej elastyczny i oferuje najwięk-
sze prędkości transmisji danych - do
115 kb/s (obecnie w systemach GSM
standardowo jest to 9,6 kbps).

Duże możliwości standardu

GPRS pozwalają na budowę wirtu-
alnych sieci prywatnych do trans-
misji danych pomiarowych - VPN
(Virtual Private Networks). Sieci ta-
kie umożliwiają wydzielenie termi-
nali, dzięki czemu transmitowane
między nimi dane są niedostępne z
innych terminali nie należących do
danej sieci VPN. Wirtualna sieć pry-
watna może obejmować nie tylko
terminale GPRS, ale również może
być rozszerzona o sieć zewnętrz-
ną, np. sieć LAN. Połączenie takie
może być wykonane z wykorzysta-
niem publicznych mediów trans-
misyjnych. Komunikacja w sieci
VPN odbywa się przez bezpiecz-

ne kanały zestawione w oparciu
o media publiczne. Medium takim
może być np. Internet lub linie de-
dykowane.

sieć komputerowa LAN,

WAN (Internet)

Producenci urządzeń odczyto-

wych coraz częściej stosują sieci
komputerowe jako medium trans-
misyjne. Lokalne sieci kompute-
rowe LAN (Local Area Netrork) są
wykorzystywane do odczytu urzą-
dzeń pozostających w ich zasięgu.
Do odczytu urządzeń odległych słu-
ży sieć rozległa WAN (Wide Area Ne-
twork). Większość sieci LAN budo-
wana jest według standardu Ether-
net. Najtańszym i najprostszym no-
śnikiem transmisji danych w Ether-
necie jest nieekranowana skrętka
opisana przez standard 10BaseT
(kabel telefoniczny, najczęściej
typu UTP, z dwoma parami skrę-
conych żył o przekroju 0,5 mm

za-

kończony po obu stronach wtyczka-
mi 8-pinowymi RJ45). Maksymalna
odległość toru transmisyjnego bez
dodatkowych urządzeń wzmacnia-
jących sygnał (repeater’ów) to 100
m. Prawie dwukrotne przedłużenie
toru transmisyjnego (182 m) można
uzyskać stosując standard 10Base2
(kabel koncentryczny o impedan-
cji falowej 50 W zakończony złącz-
kami BNC). Najdroższym rozwią-
zaniem jest zastosowanie technik
światłowodowych. Dają one znacz-
nie większą przepustowość, możli-
wość przesyłu danych na duże od-
ległości, dowolnej rozbudowy topo-
logii sieci. Są one odporne na zakłó-
cenia elektromagnetyczne oraz se-
parują galwanicznie skrajne urzą-
dzenia transmisyjne. Odczyt urzą-
dzeń za pomocą sieci informatycz-
nych odbywa się zazwyczaj cztere-
ma sposobami:

koncentrator danych prezentuje

je na swojej stronie WWW, a ope-
rator systemu za pomocą protoko-
łu HTTP i dowolnej przeglądarki
internetowej może je odczytać lub
zaimportować;

koncentrator wysyła w ściśle zde-

finiowanych przedziałach czaso-
wych pliki odczytowe na serwer
FTP, skąd są one importowane do
systemu odczytowego;

pliki z odczytami są wysyłane

przez koncentrator co pewien
ustalony czas za pośrednictwem
protokołu SMTP na serwer pocz-
towy, skąd są importowane do
systemu odczytowego;

serwer odczytowy łączy się z kon-

centratorem przez porty TCP/IP.

Wszechobecna sieć kompu-

terowa Internet coraz częściej
wykorzystywana jest również
do telemetrii. Dostęp do interne-
tu może być uzyskiwany za pomo-
cą różnych środków łączności do-
stępnych dla urządzenia pomiaro-
wego, np. analogowych linii tele-
fonicznych, sieci GSM lub GPRS.
Sieć internetowa pozwala na udo-
stępnianie danych pomiarowych
na duże odległości. Zastosowany
w urządzeniu pomiarowym inter-
fejs komunikacyjny nie determi-
nuje metody zdalnego odczytu.
Można zastosować konwersję jed-
nego standardu na inny, przez co
dopasowujemy ją do określonych
wymogów.

Wybierając najlepszą drogę

transmisji, należy wziąć pod uwa-
gę: niezawodność i jakość połącze-
nia, dostępność medium i gwaran-
towane przez nie parametry trans-
misji oraz odpowiedni stosunek na-
kładów poniesionych na instalację
oraz urządzenia i koszty transmisji
do zysków wynikających z jej użyt-
kowania. Podstawą systemów akwi-
zycji danych jest dziś komunikacja
światłowodowa. Sieci światłowodo-

we są wciąż unowocześniane i roz-
wĳ ane. W obszarach, gdzie zastoso-
wanie światłowodów jest niemożli-
we lub nieopłacalne, rozwiązaniem,
które należy wziąć pod uwagę, jest
GPRS. Stanowi on nowe rozwiąza-
nie dające możliwość zestawienia
toru transmisyjnego niemal zew-
sząd. Jest ono bardzo atrakcyjne
cenowo, ponieważ wielkością tary-
fi kowaną przy połączeniu nie jest
czas, lecz ilość przesłanych danych.
Prace nad wprowadzeniem i wyko-
rzystaniem tego rodzaju transmisji
danych do systemów pomiarowych
są prowadzone m.in. w Zakładzie
Energetycznym Warszawa – Teren
S.A. Zastosowanie GPRS-u widzimy
zarówno w układach pomiarowych,
których wskazania służą do prowa-
dzenia rynku energii, jak również w
tych, które służą do rozliczania od-
biorców na średnim napięciu oraz
grup odbiorców zasilanych z napię-
cia niskiego.