Inteligentne liczniki energii

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 Skrót HAN (Home Area Network) oznacza obszar sieci domowej obejmującej dowolne urządzenia użytkownika (rys. 4). Możliwości komunikacyjne nowoczesnych liczników energii sprawiają, że mogą one wchodzić w skład takiej sieci. Umożliwi to dalszy rozwój technologii i poprawę jakości sieci energetycznej oraz ułatwi konserwację. 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 (smart grid). Pozwalają one zwiększyć efektywność i niezawodność dostaw energii w stosunku do obecnych rozwiązań oraz optymalnie rozmieścić poszczególne składniki sieci energetycznej.

Takie nowoczesne systemy dystrybucji energii nie mogą powstać bez inteligentnych liczników, stąd dążenia do ich upowszechnienia. Korzyści odniosą także dystrybutorzy energii, zyskując m.in. likwidację niektórych barier rozwoju rynku (w oparciu o otrzymywane dane możliwe będzie zminimalizowanie strat wywołanych błędnymi prognozami dotyczącymi zakupu energii, co otworzy rynek również dla mniejszych przedsiębiorców).

Istotne jest zmniejszenie strat wywołanych kradzieżą infrastruktury i energii, większa dokładność pomiarów, która umożliwi rejestrację prądu pobieranego przez urządzenia pozostające w trybie standby, oszczędności wynikające ze zdalnego odczytu stanu liczników (redukcja kosztów związanych z tradycyjnym odczytem liczników) oraz ułatwiona egzekucja należności, gdyż nowoczesne liczniki pozwalają na zdalne odcięcie zasilania w przypadku zalegania z płatnościami.

Nie bez znaczenia jest tu wspólna polityka energetyczna Unii Europejskiej. Przyjęta strategia 20- 20-20 polegająca na ograniczeniu emisji zanieczyszczeń o 20%, podniesieniu efektywności energetycznej o 20% i zwiększeniu udziału źródeł odnawialnych o 20% w produkcji energii narzuca oszczędności, które są możliwe do zrealizowania z inteligentnymi licznikami.

Trzeci Pakiet Energetyczny zatwierdzony przez Parlament Europejski w kwietniu 2009 niejako wymusza instalację nowoczesnych mierników zużycia energii. Zawarto w nim założenie, że 80% konsumentów powinno być wyposażonych w inteligentne liczniki przed rokiem 2020. Zawarte są tam także wytyczne obejmujące dostawców, sposoby zbierania informacji o zużyciu energii i wymaganym poziomie jakości monitorowania.

Wytyczne te będą bardzo trudne do spełnienia bez nowoczesnych mierników. Według raportu przygotowanego przez Berg Insight, liczba instalowanych liczników energii elektrycznej nowego typu na terenie Unii Europejskiej będzie wzrastała corocznie o 16% do 2014 roku, aby ostatecznie osiągnąć wartość 96,3 mln sztuk.

Docelowo ma to być 80% gospodarstw zlokalizowanych na terenie wspólnoty. Pomysł instalacji tych urządzeń popierają również ekolodzy, którzy dostrzegają w nim szansę na uświadomienie społeczeństwu ilości marnowanej energii.

Ochrona przed nadużyciami Rys. 5. Nadużycie polegające na odłączeniu przewodu neutralnego Inteligentne liczniki wyposażone w system AMI (Advanced Metering Infrastructure) są zdolne do natychmiastowego zgłoszenia alarmu w przypadku wykrycia próby naruszenia integralności urządzenia bądź stwierdzenia, że dokonano oszustwa (kradzieży energii). Przy braku łącza radiowego służącego do komunikacji z dostawcą zdarzenie tego typu może zostać odnotowane w wewnętrznej pamięci układu i przekazane operatorowi podczas okresowego odczytu. Omawiane mierniki energii elektrycznej oferują szereg mechanizmów pozwalających wykryć próby oszustwa, np.: zdjęcie pokrywy listwy, próby zdjęcia licznika lub jego przechylenia, próby nieautoryzowanego dostępu. Interesującą metodą zapobiegania nadużyciom jest wyposażenie miernika w dwa czujniki prądu (w przypadku instalacji jednofazowej). Jeden z nich jest odpowiedzialny za pomiar prądu w przewodzie fazowym, a drugi w neutralnym. Sprawdzana jest w ten sposób różnica pomiędzy prądem wpływającym do obciążenia, a wypływającym. W sytuacji, gdy jest ona większa od założonego progu, można podejrzewać problem z uziemieniem. Bardziej perfidną metodą oszukiwania jest odłączenie przewodu neutralnego od licznika (rys. 5). Po przecięciu przewodu zerowego w dwóch punktach (oznaczonych cyfrą 1) potencjał elektryczny w punkcie 2 oraz 3 będzie identyczny. Rys. 6. Zasilanie elektroniki inteligentnego miernika poprzez transformator prądowy Problem stanowi wtedy pomiar mocy, gdyż brak odniesienia spowoduje, że mierzone napięcie wyniesie 0 V i w efekcie moc również będzie zerowa (P=U × I). Pomimo to możliwy pozostaje jeszcze pomiar prądu, gdyż transformator prądowy pracuje normalnie, gdy do sieci włączone jest obciążenie. W takiej sytuacji jedynym wyjściem jest pomiar zużywanego prądu w Ah i wykorzystanie go do obliczenia mocy, podstawiając do wzoru napięcie znamionowe sieci. Należy zauważyć, że po odcięciu przewodu neutralnego powstaje problem z zasilaniem, gdyż uniemożliwia to pracę przetwornicy zasilającej elektronikę miernika. Wyjściem z takiej sytuacji jest wykorzystanie właśnie transformatora prądowego. Przykładowo, użycie takiego elementu o przekładni 200:1 umożliwia pobieranie prądu o wartości 10 mA, gdy obciążenie pobiera 2 A (rys. 6). W ten sposób można zasilić urządzenie, gdy brakuje potencjału odniesienia. Należy jednak zdawać sobie sprawę ze związanego z tym ryzyka. Wzrost prądu pobieranego z sieci spowoduje wzrost prądu na wyjściu transformatora prądowego. Zjawisko to może doprowadzić do uszkodzenia elementów półprzewodnikowych miernika. Z tego powodu projektując zasilacz działający z użyciem transformatora prądowego należy wykorzystać taki, którego rdzeń wejdzie w nasycenie po przekroczeniu określonej wartości prądu. Ochroni to układ przed nadmiernym prądem i uszkodzeniem.

SZWECJA PIERWSZA, W POLSCE ZACZĘLIŚMY DOPIERO NIEDAWNO

Rys. 7. Inteligentne liczniki w Europie; podano w milionach sztuk (źródło: Marc to Market, 2012)

Obecność nowoczesnych mierników zużycia energii elektrycznej w Europie jest w dużej mierze uwarunkowana wprowadzaniem regulacji prawnych. Większość krajów Europy Zachodniej opracowała politykę wprowadzania tych przyrządów do powszechnego użytku. Pierwsza w tym względzie była Szwecja, za którą podążyła Holandia, Irlandia, Norwegia, Francja, Włochy i Hiszpania.

Wielka Brytania i Finlandia ogłosiły to odpowiednio w październiku 2008 i lutym 2009 r. Prawdopodobnie Dania również podąży w tym kierunku. Dodatkowo, międzynarodowy projekt prowadzony przez publiczne spółki energetyczne jest rozwijany w Portugalii i na Malcie. Włochy są pierwszym krajem europejskim, w którym zainstalowano inteligentne liczniki na masową skalę w pierwszej połowie 2000 roku.

Planuje się, że przed 2011 rokiem wszyscy odbiory będą w nie wyposażeni. W 2009 roku tego typu przyrządy stały się obowiązkowe na terenie Szwecji i od lipca są zainstalowane we wszystkich budynkach. Rząd Wielkiej Brytanii planuje instalację 26 mln nowoczesnych mierników zużycia energii elektrycznej do 2020 roku.

Propozycją rządu Wielkiej Brytanii jest, aby zakłady energetyczne były odpowiedzialne za dostarczenie i zainstalowanie nowoczesnych mierników. Przewidywany koszt wymiany liczników wyniesie 7 mld funtów, czyli około 15 funtów na gospodarstwo domowe. Eksperci w swoich oszacowaniach podają, że roczne oszczędności mieszkańców z tego tytułu będą na poziomie około 2...3%, czyli około 25...35 funtów.

Jeżeli chodzi o Polskę, to w połowie 2009 roku Urząd Regulacji Energetyki (URE) wraz z Federacją Konsumentów, Stowarzyszeniem Konsumentów Polskich, Krajową Agencją Poszanowania Energii oraz Forum Odbiorców Energii Elektrycznej i Gazu podpisały deklarację w sprawie wprowadzenia inteligentnych liczników do polskiego systemu elektroenergetycznego.

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.

Mają one możliwość zdalnego odczytywania pomiarów i funkcję automatycznego przełączania trybu kredytowego na przedpłatowy. Pozwala to na świadome planowanie zużycia energii polegające na jej zakupie w dowolnej chwili i na dowolną kwotę. Prowadzi to do świadomego oszczędzania i wydłużania czasu, na jaki energia ta wystarczy.

Według szacunków URE z owego okresu, nakłady łączne na system AMM (Automated Meter Management) z terminalami domowymi na napięciu niskim wynieść miały ok. 8 mld zł, z czego na napięciu wysokim i średnim (75% rynku energii) ok. 70 mln zł. Nakłady jednostkowe na system AMM na napięciu wysokim i średnim wyniosą ok. 2,5 tys. zł/układ, a na napięciu niskim ok. 400-450 zł/układ.

Okres zwrotu na przykładzie projektu włoskiego jest szacowany na 4 lata, a oszczędności roczne przeciętnego odbiorcy domowego wynikające z ograniczenia zużycia energii o 10% to około 100 zł/rok. Obecnie liderem w liczbie zainstalowanych inteligentnych liczników jest Energa-Operator.

Jakub Borzdyński