Современные технологии измерений

Умный счетчик для интеллектуальной системы учета газа: есть ли выбор?

В декабре 2018 года в Правительстве РФ прошло совещание, темой которого было развитие интеллектуальных систем учета (ИСУ) электроэнергии. По результатам совещания дано поручение Минэнерго, Минэкономики и ФАС проработать вопрос применения «умных счетчиков» с целью последующего внедрения ИСУ на газ.

В последовавших публикациях основное внимание уделялось чрезмерно высокой стоимости установки так называемых «умных счетчиков газа», которые якобы уже производятся серийно. Непонятно, о каких серийно выпускаемых «умных счетчиках» можно было говорить, если до настоящего времени отсутствуют согласованные и утвержденные требования, предъявляемые к приборам учета для работы в составе ИСУ на газ? Ситуация несколько прояснилась после принятия ФЗ от 27.12.2018 г. N 522 «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации в связи с развитием систем учета электрической энергии (мощности) в Российской Федерации» [1], в котором приведены обобщенные характеристики приборов учета, предназначенных для работы в составе ИСУ.

С учетом специфики работы приборов учета в настоящей статье произведен анализ серийно выпускаемых счетчиков газа на предмет возможности их работы в составе ИСУ. При этом на первом этапе были отобраны серийно выпускаемые счетчики газа, удовлетворяющие требованиям по измерению объема газа, скорректированного по температуре с помощью микроконтроллера, встроенного в счетчик и имеющие канал удаленной передачи данных.

В табл.1 приведен перечень приборов, удовлетворяющих данному минимальному набору требований.

Марка счетчика, типоразмер

Производитель

Принцип измерения

Приведение объема к стандартным условиям

Сертификат

СГБУ

G1,6 - G6

ООО ПКФ «Бетар» г.Чистополь

Ультразвуковой

Коррекция по температуре газа

N 57861 от 18.02.2015

Омега ЭТК GSM

G1,6 – G4

ЗАО «Газдевайс» Московская обл.

Объемный диафрагменный

Коррекция по температуре газа

N 60073/2 от 19.05.2017

BK-G ETe

G4,G6

ООО « Эльстер Газэлектроника» г.Арзамас

Объемный диафрагменный

Коррекция по температуре газа

N 63671 от 28.09.2016

Гранд – SPI

G4 – G10

ООО НПО «Турбулентность – ДОН»

Струйный

Коррекция по температуре и давлению газа

N 54042/1 от 30.05.2018

СГБЭТ «Сигма»

G1,6 –G10

ООО ЭПО « Сигнал » г.Энгельс

Объемный диафрагменный

Коррекция по температуре газа

N 67988 от 27.11.2017

Вектор – Т

G4

НПП « Скайметр»

г.Ростов на Дону

Объемный диафрагменный

Коррекция по температуре газа

N 64875 от 18.01.2017

СМТ Смарт

G4 – G25

ООО «Техномер» г.Арзамас

Микротермальный массовый

Прямое измерение объема, приведенного к стандартным условиям

N 70102 от 14.06.2018

Таблица 1.

В перечне приборов, представленных в табл.1 отсутствуют счетчики газа, выпускаемые такими крупными производителями, как Gold Card (Китай), Actaris (Франция), Elektromed (Турция). Это связано с тем, что в линейках производимой продукции у них отсутствуют счетчики, осуществляющие приведение измеренного объема газа к стандартным условиям. Следует также обратить внимание на то, что большинство приборов, представленных в табл.1, используют объемный (диафрагменный) способ измерения, т.е. данные приборы были разработаны на базе ранее выпускавшихся счетчиков с механическим отсчетным устройством, в которых отсутствовали какие-либо электронные компоненты. Также следует указать, что большинство счетчиков имеют действующие сертификаты, выданные уже после вступления в силу ГОСТ Р 8.915-2016.

Будет совершенно неправильно ограничивать возможности счетчиков газа при работе в составе ИСУ только измерением объема газа с последующей передачей данных поставщику. Современные счетчики, построенные с использованием встроенных микроконтроллеров, должны относиться к классу интеллектуальных приборов, обладающих расширенными функциональными возможностями. В статье «Об учете газа, неплатежах и «умных счетчиках» [2] была сделана попытка предложить критерии, которым должны соответствовать подобные интеллектуальные счетчики газа:

  1. Счетчик должен обеспечивать измерение прошедшего объема газа, приведенного к стандартным условиям, - температуре +20° и давлению 101,3 кПа.
  2. Наличие встроенного в счетчик управляемого клапана.
  3. Работа микроконтроллера счетчика в режиме самодиагностики, для осуществления контроля работоспособности счетчика, отдельных его узлов и условий эксплуатации.
  4. Передача данных от счетчика на сервер поставщика газа по беспроводному интерфейсу.
  5. Работа в составе различных интеллектуальных систем учета верхнего уровня.
  6. Конструкция и принцип измерения объема газа счетчиком должны обеспечивать максимальную защиту от внешних, в т.ч. несанкционированных воздействий, искажающих результаты измерения объема.

Рассмотрим, в какой степени счетчики, приведенные в табл.1, соответствуют предложенным выше критериям (далее номер пункта сравнения соответствует номеру пункта выбранного критерия).

   1. Может показаться, что требования данного пункта выполняются всеми предложенными счетчиками, однако на самом деле только два из них осуществляют измерение объема газа, приведенного к стандартным условиям корректно: Гранд-SPI (исполнение TPz) и СМТ – Смарт, остальные счетчики для вычисления стандартного объема используют измеренную температуру газа и подстановочные (константные) значения абсолютного давления газа и относительного коэффициента сжимаемости. Как известно, приведение объема газа к стандартным условиям (при использовании значения коэффициента сжимаемости газа «К» в виде условно-постоянной величины) производится по формуле:

Vст = Vраб ( Рабс.изм x Тст/ Рст xТизм х К),  где

Рабс.изм, Тизм – соответственно измеренные давление и температура газа;

Рст, Тст - стандартные значения давления и температуры газа по ГОСТ 2939.

Исходя из приведенной формулы очевидно, что погрешность приведения объема к стандартным условиям в равной мере зависит и от температуры газа и от его абсолютного давления. Использование подстановочного значения давления взамен измеренного приводит к расхождению объемов газа переданных поставщиком и измеренных потребителем. Так, при относительном давлении газа в трубе 2 кПа и вариациях атмосферного давления в диапазоне 84 – 106,7 кПа предельное значение дополнительной погрешности вычисления объема, приведенного к стандартным условиям при использовании подстановочных значений давления может составлять ± 5%. Как быть в таком случае? Очевидно, что для подобного способа измерения нет хорошего варианта – либо производитель счетчика должен указать в документах значение относительной погрешности измерения на уровне ± 5,7% для Qmax и ± 6,5% для Qmin соответственно, либо установить разрешенный для работы счетчика диапазон атмосферного давления на уровне, при котором будут соблюдены требования по величине относительной погрешности счетчика в соответствии с ГОСТ Р 8.915-2016 г, что абсурдно по сути . Есть, конечно, и третий вариант – не учитывать давление в газовой трубе и не использовать при этом какие-либо подстановочные значения – так, как это сделано в ультразвуковом счетчике СГБУ. Но коррекция объема на стороне потребителя только по температуре приведет к возможному расхождению объемов газа, измеренных поставщиком и потребителем на те же ± 5 %, т.к. поставщик газа всегда производит учет объема отпущенного потребителю, приведенному к стандартным условиям с учетом измеренных значений температуры и давления газа. 

   2. Управляемый клапан отсечки газа имеется только в счетчиках Омега ЭТК, СМТ Смарт и Гранд-SPI, однако в последнем случае клапан установлен не внутри корпуса счетчика, а вне него и, кроме того, управляется клапан от автономной системы контроля утечки газа, не имеющей к счетчику прямого отношения. Правильнее считать, что счетчик Гранд-SPI клапана, встроенного в корпус счетчика, не имеет.

Возможные режимы управления клапаном приведены в [4]. К ним относятся:

  • измеренное значение расхода газа после открытия клапана превышает 0,015м3/ч, что свидетельствует об утечке – интервал времени измерения расхода газа после открытия клапана должно быть не более 1 мин; при обнаружении расхода газа клапан должен быть закрыт и, по прошествии 1 мин, попытка открытия должна быть повторена; всего попыток открытия клапана должно быть не менее 3-х;
  • превышения максимального допустимого расхода газа (Q ≥ 1,2 Qmax); контрольный интервал времени, после которого счетчик должен закрыть клапан (1нед – 1мес), программируется оператором; измеряемым параметром является суммарный суточный объем газа, прошедший через счетчик за установленный контрольный интервал времени;
  • закрытие клапана при разряде встроенной в счетчик батареи до минимально допустимого уровня, при котором еще гарантируется работоспособность счетчика;
  • закрытие клапана при обнаружении попытки вскрытия крышки корпуса счетчика, что может привести к нарушению его работоспособности;
  • закрытие клапана при обнаружении обратного потока газа (время непрерывной фиксации обратного потока – не менее 1 мин);
  • закрытие клапана при обнаружении вмешательства в работу счетчика, приводящего к нарушению его работоспособности.

Выполнение команд закрытия/открытия клапана должно сопровождаться передачей информации о итоговом состоянии клапана на сервер оператора. В архивной памяти счетчика должен фиксироваться каждый факт изменения состояния клапана счетчика, время этого изменения и причина, приведшая к изменению состояния клапана.

Перечисленные выше функции управления клапаном в полном объеме реализованы в счетчиках СМТ Смарт и Омега ЭТК.

   3. Любой счетчик газа – это прибор, предназначенный для автономной работы в длительно необслуживаемом режиме. В этом случае наличие развитой системы самодиагностики в счетчике должно являться не просто дополнительным бонусом, но обязательным требованием. Также совершенно естественно, что при наличии в счетчике канала дистанционной передачи данных любые нарушения в работе счетчика должны фиксироваться в его памяти и передаваться на сервер оператора газовой службы. Перечень контролируемых в режиме самодиагностики параметров во многом зависит от конкретной конструкции счетчика, однако можно выделить некие общие для всех. Опять сошлемся на критерии, предложенные в [2]:

  • отказ измерительного устройства (механизма) счетчика;
  • измеренный расход больше Qmax;
  • измеренный расход меньше Qmin, но больше порога чувствительности;
  • температура измеряемого газа выше верхнего предела по ТУ (например +55°С);
  • температура измеряемого газа ниже нижнего предела по ТУ (например -25°С);
  • температура окружающей среды выше верхнего предела по ТУ (например +55°С);
  • температура окружающей среды ниже нижнего предела по ТУ (например 40°С);
  • заряд встроенной батареи меньше минимально необходимого значения;
  • состояние встроенного в счетчик клапана (открыт/закрыт);
  • отказ в работе клапана;
  • вскрытие крышки корпуса счетчика;
  • параметры измеряемого газа не соответствуют ГОСТ 5542-87;
  • контроль режимов передачи данных по беспроводному интерфейсу;
  • работа счетчика в режиме контрольного элемента (в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.915-2016).

Процедура контроля приведенных выше параметров выполняется в режиме самодиагностики только в счетчике СМТ Смарт. К сожалению, в большинстве счетчиков газа контролируются только степень разряда встроенной в счетчик батареи, а на цифровом табло отображаются режимы передачи данных по интерфейсу. Также на цифровое табло может выводиться большой объем различной технологической информации, не имеющей никакого отношения к режиму самодиагностики. Например, такой важный параметр, как контроль работоспособности измерительного устройства, за исключением СМТ Смарт, не реализован ни в одном из выпускающихся серийно счетчиков газа.

   4. Наличие интерфейса для удаленной передачи данных являлось одним из двух обязательных условий для счетчиков газа, приведенных в табл.1. Однако типы используемых в счетчиках интерфейсов отличаются. Так, в счетчиках СГБЭТ «Сигма» и « Вектор-Т» использован проводной интерфейс RS232, не предназначенный для передачи информации на сколько - нибудь значительные расстояния; счетчики работают только с собственным программным обеспечением, установленным на локальном компьютере. В счетчике СГБУ передача данных осуществляется по радио-каналу 433/868 МГц, однако данный счетчик предназначен для работы в составе собственного программного обеспечения - АСКУЭ «Умный дом ». В счетчиках ОМЕГА ЭТК, Гранд-SPI, BK-G ETe и СМТ Смарт для передачи данных используется канал сотовой GSM/GPRS связи, обеспечивающий высокоскоростную передачу больших объемов данных.

   5. Успешная реализация процедуры передачи по беспроводному интерфейсу данных от счетчика газа на сервер поставщика возможна только в том случае, когда во – первых, эти устройства работают по согласованному протоколу, а во – вторых, структура передаваемых счетчиком данных, их формат, а также перечень технологических команд для настройки режимов работы счетчика в сети совместимы с ИСУ на сервере поставщика газа. Это представляет собой определенную проблему, т.к. со стороны производителей счетчиков газа не существует единого формализованного алгоритма и структуры передаваемых/принимаемых данных, а поставщики газа могут использовать различные программно-технические комплексы для обработки получаемых данных. По-видимому, в настоящее время наиболее простым вариантом решения данной проблемы явилось бы использование всеми производителями интеллектуальных приборов некой единой программы – шлюза, обеспечивающей, с одной стороны, прием первичных данных от счетчиков газа различных производителей, конвертацию форматов принятых данных в единую структуру и ее дальнейшую передачу в программное обеспечение верхнего уровня, используемое на стороне поставщика газа. В качестве примера подобной программы-шлюза можно привести программно-технический комплекс ПТК «Газсеть: Экстра». Данный ПТК поддерживает обмен с большим количеством типов счетчиков газа, в том числе оснащенных электронными корректорами газа разных производителей, осуществляет преобразование полученных данных и их передачу в программные сетевые комплексы ИУС-ГАЗ, СКАДА-АНТ, АИС Регионгаз и др.

   6. В [3] были приведены результаты испытаний серийно выпускаемых счетчиков газа. В программе испытаний  предусматривалась проверка влияния различных внешних факторов на работоспособность приборов: условия монтажа и различные способы воздействия – внешнее магнитное поле, вибрация, импульсный режим работы, стойкость к электростатическим разрядам и т.д. И, хотя перечисленные методы воздействий указаны в ГОСТ Р 8.915-2016, только 2 счетчика из представленных - BK-G ETe и СМТ Смарт их успешно выдержали.

Отдельно следует остановиться на «вандалостойкости» счетчиков, когда недобросовестными пользователями производятся различные манипуляции с целью искажения результатов измерения. Интернет полон описаниями различных способов подобных воздействий, причем речь идет не только о простых приборах с механическим отсчетным устройством, но также и о современных приборах с электронными отсчетными устройствами. И, если с воздействием внешнего магнитного поля на счетчик производители научились бороться конструктивными методами, то с более изощренными способами, когда в счетчик встраиваются некие электронные устройства, блокирующие или подменяющие сигнал от измерительного механизма, бороться крайне сложно тем более, что завтра недобросовестные «умельцы» обязательно предложат какой-нибудь новый способ испортить «мозги» интеллектуальному счетчику.

В связи с этим, на наш взгляд, следует еще раз подчеркнуть необходимость режима самодиагностики, когда микроконтроллер счетчика проверяет правильность функционирования и, в случае возникновения ошибок в работе счетчика или обнаружения внешнего воздействия, которое может исказить результаты измерения, посылает соответствующее сообщение на сервер поставщика газа, фиксируя время и факт этого воздействия в своем архиве. Таким образом реализована защита от несанкционированных воздействий в счетчике СМТ Смарт; к сожалению, другими производителями счетчиков данный способ практически не используется – см.п.3 данной статьи.

В заключении необходимо отметить следующее. Как уже говорилось выше, большинство счетчиков, приведенных в табл.1, используют в своей работе объемный (диафрагменный) метод измерения; метод, хорошо себя зарекомендовавший и применяющийся в течение длительного времени многими производителями практически во всех бытовых счетчиках газа с механическими отсчетными устройствами. Однако, в настоящее время, потенциал  дальнейшей модернизации счетчиков, использующий данный метод измерения, практически исчерпан. Так, введение режима коррекции объема по температуре привел к отказу от механического отсчетного устройства с заменой его на электронное с использованием встроенного микроконтроллера и установкой внутри корпуса счетчика преобразователя температуры, а переход к измерению объема газа, приведенного к стандартным условиям, потребует дополнительной установки также внутри корпуса счетчика датчика абсолютного давления. Управляемый клапан также должен устанавливаться внутри корпуса, а реализация механизма самодиагностики во многом определяется способностью счетчика измерять мгновенное значение расхода газа, - параметр, измерение которого в данном типе счетчика вообще не представляется возможным без значительной переделки конструкции измерительного механизма счетчика.

Еще одна особенность данного типа счетчиков, напрямую связанная со способом измерения, - большие габаритные размеры. Они определяются размерами рабочей камеры с установленным кривошипно-шатунным механизмом, зависящими от максимального рабочего расхода счетчика. Так, если для типоразмера G4 размеры счетчика (высота х ширина х глубина, мм) составляют 215 х 195 х 175 мм, то уже для типоразмера G6 размеры счетчика существенно больше - 225 х 340 х 185 мм.

Для сравнения габаритные размеры счетчика СМТ Смарт:

- типоразмер G 4/G6  175 х 120 х 110 мм;

- типоразмер G10     225 х120 х 135 мм.

Аналогичные проблемы имеются и в счетчиках, построенных на других принципах измерения. Исходя из этого следует признать, что далеко не все типы счетчиков газа, широко используемые в настоящее время, могут быть с успехом применены для работы в составе современных интеллектуальных систем учета газа.

  1. Федеральный закон N 522 от 27.12.2018г. «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации в связи с раз-витием систем учета электрической энергии ( мощности) в Российской Федерации ”
  2. Левандовский В.А., Охотин А.А. «Об учете газа, неплатежах и «умных счетчиках».
  3. Охотин А.А. «Счетчик СМТ Смарт : испытания, сертификация и вопросы метрологии».
  4. Охотин А.А. «Счетчик газа СМТ-Смарт - новые возможности».