Rys. 1. Nowoczesny, inteligentny miernik zużycia energii elektrycznej jest wyposażony w mikrokontroler, przetworniki A/C i C/A, czujniki do pomiaru prądu i napięcia, przetwornicę, zasilanie rezerwowe i moduł komunikacyjny
Smart grid to pojęcie obejmujące nie tylko inteligentne liczniki, ale całościową infrastrukturę związaną z przesyłaniem energii, pomiarami, przesyłaniem danych i kontrolą pracy sieci oraz przyłączonych do niej urządzeń. Obszarem tym interesuje się wiele firm z branży automatyki i elektroenergetyki, a nawet producentów oprogramowania przemysłowego, traktując go jako bardzo przyszłościowy. W artykule opisujemy budowę i działanie urządzeń, które stanowią najpowszechniejsze elementy nowego rodzaju sieci - inteligentnych liczników.
W większości mieszkań i budynków komercyjnych do pomiaru zużycia energii elektrycznej wykorzystuje się liczniki mechaniczne. Są one co prawda relatywnie niezawodne i tanie, ale nie nadają się do użytku w nowoczesnych systemach dystrybucji energii. Spowodowane jest to wymaganą dokładnością, powtarzalnością pomiarów oraz zdolnością komunikowania się z otoczeniem, w tym w sposób bezprzewodowy.
Z tego względu dużą popularność zyskują nowoczesne liczniki energii elektrycznej określane mianem inteligentnych. Pozwalają one na dokładniejsze pomiary energii oraz bieżące śledzenie jej zużycia i związanych z tym kosztów. Dzięki komunikacji z dostawcą energii, liczniki takie mogą wskazywać dokładny koszt za rzeczywiście wykorzystane kWh zamiast rachunków zryczałtowanych. Umożliwiają one też płacenie w formie przedpłaty.
CECHY INTELIGENTNYCH MIERNIKÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ
Rys. 2. Transformator prądowy (a) oraz cewka Rogowskiego (b)
Schematyczną budowę nowoczesnego miernika przedstawiono na rysunku 1. Zawiera on w swoim wnętrzu mikrokontroler, przetworniki A/C i C/A, czujniki do pomiaru prądu i napięcia, zasilanie rezerwowe (bateria) oraz moduł do komunikacji bezprzewodowej. Obecność mikroprocesora pozwala nazwać urządzenie "inteligentnym", bo dzięki niemu na wyświetlaczu można zaprezentować wiele użytecznych informacji, np.: całkowite zużycie energii w kWh i koszt, bieżące zapotrzebowanie na energię, koszt 1 kWh i inne.
W przypadku rozliczania się z zakładem energetycznym na zasadzie przedpłaty, dodatkowo mogą być zaprezentowane dane dotyczące środków pozostałych do wykorzystania i przewidywanego terminu odłączenia zasilania. Ważnym parametrem nowoczesnych liczników energii jest ich efektywność energetyczna, czyli prąd pobierany przez pracujący przyrząd.
Jest to ważne, gdy weźmie się pod uwagę szacunki podające, że docelowa liczba zainstalowanych urządzeń przekroczy 500 mln sztuk. Niska efektowność podnosi cenę urządzenia, bo konsumenci oprócz zakupu przyrządu muszą płacić za zużywaną przez niego energię. Ponadto, ważnym zadaniem jest zmniejszenie globalnego zużycia energii. W przypadku zbyt dużego zapotrzebowania na prąd, postulat ten nie będzie spełniony.
ZASILANIE AWARYJNE
Rys. 3. Schemat funkcjonalny licznika
Znaczenie wewnętrznego akumulatora jest uzależnione od regionu świata, w którym licznik będzie używany. W USA można zrezygnować z prowadzenia pomiarów po wystąpieniu awarii sieci energetycznej. Inaczej sytuacja wygląda w przypadku Indii, gdzie niektóre specyfikacje wymagają aż dwóch źródeł zasilania awaryjnego.
Pierwsze z nich powinno umożliwiać odczyt zgromadzonych informacji i podtrzymywać wskazanie wyświetlacza w okresie od 24-48 godzin. Rola drugiego źródła energii sprowadza się do podtrzymania zawartości pamięci przez około 2 lata, aby uniemożliwić fałszowanie zgromadzonych danych.
Zapobiega to pokusie odłączenia miernika od linii energetycznej i kradzieży energii, gdyż akumulator gwarantuje dalszą pracę i działanie mechanizmów wykrywających nadużycia. Dzięki takiemu podejściu można ograniczyć straty spowodowane kradzieżą energii. Proceder ten szacuje się na mniej niż 4% na terenie Stanów Zjednoczonych, ponad 10% w Indiach oraz do 20% w niektórych krajch Ameryki Łacińskiej.
W roli awaryjnego zasilania może sprawdzić się bateria litowo-tionelowa, ponieważ jej prąd samorozładowania wynosi kilka nanoamperów, a przydatność takiego ogniwa przekracza 10 lat. Jest to rozwiązanie optymalne do podtrzymywania zawartości pamięci i wskazania zegara RTC, ale nie nadaje się do potrzeb transmisji danych drogą radiową.
Niezbędne są dodatkowe podzespoły, np. superkondensatory. Ich obecność pozwala rozwiązać również inny problem, jakim jest ograniczenie mocy pobieranej z sieci wynikające z regulacji prawnych niektórych krajów (np. Australia zabrania pobierania z sieci więcej niż 2 W przez liczniki). Niekiedy jest to poważna przeszkoda uniemożliwiająca wykorzystanie systemu GSM.
Paradoksem jest, że urządzenie podłączone do sieci energetycznej nie może transmitować danych, gdyż pobór mocy dochodzi do 6 W. Nie ma znaczenia, że tylko w krótkich odcinkach czasu, wynoszących około 0,6 ms, a średnie zużycie mocy kształtuje się na poziomie 0,75 W.
W tym miejscu właśnie superkondensatory pozwalają skutecznie rozwiązać problem, dostarczając brakującą energię. Superkondensator nie traci energii po wystąpieniu awarii sieci, więc istnieje możliwość zgłoszenia takiego zdarzenia drogą radiową.
Sieci domowe
Rys. 4. System inteligentnych liczników oparty na sieciach HAN i WAN Oprócz bieżącej informacji o kosztach i zużyciu energii, dostawca energii będzie mógł wysyłać komunikaty informujące o zmianach taryfy, np. o wyższej cenie energii w najbliższych godzinach. Zachęci to konsumentów do odłączenia urządzeń od sieci i oczekiwania na godziny poza szczytem, kiedy energia będzie tańsza. Idąc krok dalej, możliwa będzie zdalna komunikacja z licznikiem i sterowanie niektórymi urządzeniami, pozwalając w ten sposób zakładowi energetycznemu na włączenie ogrzewania, wyłączenie pompy w basenie. Podstawą takiej działalności jest jednak wyposażenie urządzeń domowych w układ radiowy umożliwiający komunikację z zainstalowanym licznikiem. |
METODY POMIARU PRĄDU
Napięcie w sieci elektrycznej ma zbyt dużą wartość, aby można było je doprowadzić bezpośrednio do układów półprzewodnikowych. Konieczne jest stosowanie elementów pośredniczących. W tym celu używane są transformatory prądowe, cewki Rogowskiego oraz boczniki rezystancyjne. Dwa pierwsze z wymienionych rozwiązań (schematycznie pokazane na rys. 2) zapewniają ponadto separację galwaniczną.
Ma to szczególne znaczenie dla instalacji wielofazowej, bo zapobiega powstawaniu zwarć pomiędzy fazami. Wadą transformatora prądowego jest obecność żelaznego rdzenia podatnego na przemagnesowanie silnym magnesem stałym. Stwarza to możliwość fałszowania wskazań miernika, gdyż transformator staje się w takim wypadku niewrażliwy na działanie pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez prąd przepływający w przewodniku.
Lepsza pod tym względem jest cewka Rogowskiego zbudowana w oparciu o rdzeń powietrzny. Element ten jest wykonany z odcinka przewodu owiniętego wokół linii elektrycznej dostarczającej zasilanie do budynku. W przeciwieństwie do rdzenia żelaznego, rdzeń powietrzny nie jest podatny na przemagnesowanie.
Nie oznacza to jednak, że cewka Rogowskiego rozwiązuje problem nadużyć. Wytworzenie silnego, zewnętrznego strumienia magnetycznego skojarzonego z cewką również prowadzi do zafałszowania pomiaru. Do pomiaru natężenia prądu są stosowane sensory bazujące na efekcie Halla. Wykorzystują pole elektromagnetyczne wytwarzane przez przepływający prąd zmienny.
Są jednak stosunkowe niedokładne ze względu na zauważalny współczynnik temperaturowy oraz nieliniowość charakterystyki występującą przy pomiarze prądu w szerszym zakresie. Niezaprzeczalną zaletą czujników Halla jest sposób montażu niewymagający fizycznego kontaktu z przewodem i przerywania instalacji elektrycznej.
Boczniki rezystancyjne znajdują zastosowanie zwłaszcza w instalacjach jednofazowych, gdyż nie jest wtedy potrzebna izolacja galwaniczna. Cechują się niskim kosztem, prostotą konstrukcji i odpornością na zewnętrzne pole elektromagnetyczne. Problem braku separacji galwanicznej można rozwiązać, wykorzystując technologię iCoupler opracowaną przez Analog Devices.
Bazuje ona na transformatorze wykonanym na podłożu półprzewodnikowym. Bocznik rezystancyjny oraz układ iCoupler cechują się wciąż mniejszym kosztem niż cewka Rogowskiego czy transformator prądowy, a uzyskiwana dokładność pomiaru jest na poziomie 0,1% w szerokim zakresie mierzonych prądów.
Technologia iCoupler nie rozwiązuje jednak wszystkich problemów. Jednym z nich jest ciepło wydzielane w boczniku, co ogranicza dopuszczalną moc pobieraną przez obciążenie.
PERSPEKTYWY W UNII EUROPEJSKIEJ
Dodatkowym impulsem do rozpowszechnienia omawianych liczników jest dążenie do budowania nowoczesnych, inteligentnych sieci energetycznych (
Rys. 5. Nadużycie polegające na odłączeniu przewodu neutralnego
Przygotowane zostało studium wykonalności instalacji urządzeń pomiarowych. URE uzasadniło przygotowanie tego projektu obowiązkiem zwiększenia efektywności energetycznej, który został nałożony przez Unię Europejską na państwa członkowskie. Termin wprowadzenia tych postanowień w życie upływa w 2020 roku. Na rynku polskim dostępne są różne inteligentne liczniki energii elektrycznej.
