G.Szutkowski, G.Koślacz, A.Tomaszewski GUM

Prace podejmowane w
Głównym Urzędzie Miar na
rzecz badań i sprawdzeń
inteligentnych liczników
energii elektrycznej
Laboratorium Wielkości Elektrycznych Małej
Częstotliwości Zakładu Elektrycznego
Jerzy Szutkowski, Grzegorz Koślacz, Andrzej Tomaszewski
[email protected]
Plan Referatu
1. Wstęp
2. Licznik energii elektrycznej w świetle wymagań dyrektywy MID
3. Inteligentny Licznik energii elektrycznej a klasyczny licznik.
Jakie są różnice?
4. Badanie liczników na zaburzenia EMC
5. Prace podejmowane w Głównym Urzędzie Miar na rzecz badań i
sprawdzeń inteligentnych liczników energii elektrycznej
6. Modernizacji licznika wzorcowego energii elektrycznej typu
RD-22
7. Zakończenie i wnioski
Galopujący wzrost zapotrzebowania
na energię elektryczną





Koniec XX i początek XXI wieku to czas nieustannie galopującego
rozwoju społeczeństwa informacyjnego, globalnej cyfryzacji i
powszechnego stosowania tysięcy różnego rodzaju urządzeń do
komunikowania się ludzi. Technologie informacyjne spowszedniały.
Wydaje się, że te procesy są nieodwracalne i będą się rozwijać nadal.
Podobna jest sytuacja ze sprzętem gospodarstwa domowego. Co roku
rośnie liczba użytkowników telewizorów, pralek automatycznych,
lodówek, kuchenek mikrofalowych i innych urządzeń gospodarstwa
domowego.
Wszystkie te urządzenia wymagają zasilania energią elektryczną. W
związku z tym rośnie na nią zapotrzebowanie.
W 2011 r. w Polsce zużyto prawie 158 TWh energii elektrycznej. Z roku
na rok następuje ciągły jej wzrost zużycia. Prognozuje się, że w 2030 r.
zużycie energii przekroczy 170 TWh.
A zatem pojawia się problem bezpieczeństwa energetycznego
wynikające z jej ciągle rosnącego zapotrzebowania.
Idea Inteligentnych Sieci i Ich Rola







Ideą inteligentnych sieci jest zapewnienie bezpieczeństwa i jakości dostaw
energii elektrycznej społeczeństwu. Aby temu sprostać muszą być systemy
centralnego zarządzania siecią energetyczną, więc sieci muszą być poddane
radykalnej zmianie. Przyszłość energetyki to wizja czystej, odnawialnej i
lokalnie wytworzonej energii.
Sieć aby stać się „smart grid”, musi być zdolna do dawania i brania
energii.
Inteligenta sieć powinna umożliwiać dopasowywanie się do zapotrzebowania
na energię.
Inteligentna sieć ma zapewnić stabilną i wysokiej jakości energię
elektryczną.
To prowadzi do nowych wymogów oprzyrządowania i kontroli sieci.
Inteligentna obsługa sieci oraz zarządzanie reakcją na popyt energii polegać
musi na dostępności wiarygodnych danych pomiarowych.
Dostarczenie wiarygodnych danych pomiarowych mają zapewnić
inteligentne liczniki energii, które stanowią jeden z elementów inteligentnej
sieci.
Aby rozwiązać ten prblem podjęty został w Europie wspólny projekt badawczy
ENG04 Smart Grids.
Inteligentny Licznik w Inteligentnej
Sieci
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.
Niektóre możliwości
Inteligentnych Liczników
Zmniejszenie strat wywołanych kradzieżą
infrastruktury i energii, większa dokładność
pomiarów, która umożliwi rejestrację prądu
pobieranego przez urządzenia pozostające w
trybie stand-by, 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.
Definicja Inteligentnego Licznika Energii Elektrycznej
Studium wdrożenia inteligentnego pomiaru energii elektrycznej w Polsce
Instytut Energetyki Oddział Gdańsk Jednostka Badawczo Rozwojowa
Opracowanie-Raport Gdańsk, 6 maja 2010 korekta 1 czerwca 2010
Inteligentny system pomiarowy AMI
(ang. AMI=Advanced Metering Infrastructure)
Jest to kompletna infrastruktura obejmująca urządzenia
pomiarowe (liczniki energii), systemy przesyłu informacji,
systemy rejestracji, protokoły komunikacyjne oraz procesy
organizacyjne przeznaczone do pozyskiwania przez
przedsiębiorstwo dystrybucyjne danych o zużyciu energii przez
każdego odbiorcę oraz umożliwiające oddziaływanie na odbiorcę
poprzez sterowanie tym zużyciem energii w sposób celowy i
akceptowalny przez odbiorcę.
W skład tak zdefiniowanego systemu pomiarowego AMI:
1. Liczniki energii elektrycznej
2. Infrastruktura transmisyjna
3 Systemy zarządzania danymi
Pierwsze Pytanie Zasadnicze
Czy prawo rozróżnia pojęcia
między licznikiem
inteligentnym a licznikiem
dotychczasowym
?
Definicja Licznika
A zatem prześledźmy definicję licznika
w poszczególnych dyrektywach i innych
aktach prawnych.
DYREKTYWA RADY z dnia 4 listopada 1976 r.
w sprawie zbliżenia ustawodawstw Państw
Członkowskich dotyczących liczników
energii elektrycznej (76/891/EWG)
Artykuł 1
Niniejszą dyrektywę stosuje się do nowych
liczników do przyłączenia bezpośredniego,
jedno- albo wielotaryfowych, które są
przeznaczone do pomiaru energii czynnej
prądu jednofazowego albo wielofazowego o
częstotliwości 50 Hz.
Definicja Licznika Energii Elektrycznej w
Dyrektywie MID 2004/22/WE z 2004 r.
 Odpowiednie wymagania załącznika I, wymagania
specyficzne i procedury oceny zgodności
wymienione w niniejszym załączniku stosuje się do
liczników energii elektrycznej czynnej,
przeznaczonych do użytku domowego, w usługach
i handlu oraz w przemyśle drobnym

ZAŁĄCZNIK MI-003
LICZNIKI ENERGII ELEKTRYCZNEJ CZYNNEJ
 DEFINICJE
Licznik energii elektrycznej czynnej jest
urządzeniem mierzącym energię elektryczną
czynną pobieraną w obwodzie elektrycznym
Definicja licznika według Dyrektywy
PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO I RADY
2014/32/UE z dnia 26 lutego 2014 r.
ZAŁĄCZNIK V
 LICZNIKI ENERGII ELEKTRYCZNEJ CZYNNEJ (MI003)
 Odpowiednie wymagania załącznika I, wymagania
szczegółowe oraz procedury oceny zgodności
wymienione w niniejszym załączniku stosuje się do
liczników energii elektrycznej czynnej, przeznaczonych
do użytku domowego, w usługach i handlu oraz w
przemyśle drobnym.
 DEFINICJE
Licznik energii elektrycznej czynnej jest
urządzeniem mierzącym energię elektryczną
czynną pobieraną w obwodzie elektrycznym
Licznik energii elektrycznej
klasyczny a licznik inteligentny
Dyrektywę MID wdraża do polskiego prawa
rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 18 grudnia
2006 r. w sprawie zasadniczych wymagań dla przyrządów
pomiarowych, dopełniając implementację dyrektywy do
prawa polskiego.
A w zasadzie jej załączniki specyficzne do tej dyrektywy.
Definicja licznika nie ulega zmianie.
Definicja we wcześniejszych
rozporządzeniach
Rozporządzenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki
Społecznej w sprawie wymagań metrologicznych, którym
powinny odpowiadać liczniki energii elektrycznej czynnej
prądu przemiennego, klasy dokładności 0,2; 0,5; 1 i 2
z dnia 2004-02-10 r. (Dz.U. 2004 Nr 35, poz. 315)
§ 2. Ilekroć w rozporządzeniu jest mowa o:
1) liczniku, należy przez to rozumieć przyrząd
pomiarowy przeznaczony do pomiaru energii
elektrycznej czynnej;
Konkluzja
Czy prawo rozróżnia pojęcia między licznikiem
inteligentnym a licznikiem dotychczasowym?
 Zarówno w dyrektywach jak i obowiązujących
rozporządzeniach nie zdefiniowano pojęcia
Inteligentnego Licznika Energii Elektrycznej
 A zatem inteligentny licznik energii w świetle
obowiązującej dyrektywy która określa wymagania
dla liczników energii jest traktowany jako typowy
licznik
Istota Podstawowej Funkcji Licznika Jaką
Jest Pomiar Energii Nie uległa Zmianie
 Pomiar energii polega na pomiarze mocy
z jednoczesnym całkowaniem jej w
czasie.
 Wskazania liczników umożliwiają
kontrolę ilościową wytworzonej energii,
a także jej zużycie przez odbiorniki.
Jest to odpowiedź na pierwsze pytanie
Rodzaje liczników do rozliczeń za energię
elektryczną – dla przypomnienia
liczniki indukcyjne – mechaniczne z wirującą tarczą
tzw. liczniki Ferraris’a. W Polsce stosowane od lat
dwudziestych XX wieku do początkowych lat XXI wieku
liczniki elektroniczne które pojawiły się w latach
osiemdziesiątych ubiegłego wieku. W Polsce pierwsze
liczniki elektroniczne zaczęto stosować dopiero po
2000 r.
Pierwsze liczniki elektroniczne z lat 80 minionego wieku
były układami mnożącymi sygnały analogowe.
Obecnie są stosowane w pełni elektroniczne liczniki z
dedykowanymi układami scalonymi wyposażonymi w
wysokiej klasy przetworniki A/C, dokonujące cyfrowego
przetwarzania mierzonych sygnałów napięcia i prądu.
Schemat blokowy typowego
Inteligentnego Licznika
Przykład Inteligentnego Licznika
Inny Przykład Inteligentnego
Licznika
Badania na zaburzenia EMC
wg. PN-EN 50470
Odporność na obniżenia napięcia i krótkotrwałe przerwy w zasilaniu
Emisja o częstotliwościach radiowych
Odporność na szybkie elektryczne stany przejściowe
Odporność na oscylacje
Odporność na promieniowane pola o częstotliwościach radiowych
Odporność na zaburzenia przewodzone, indukowane przez pola o
częstotliwości radiowej
Odporność na wyładowania elektrostatyczne
Odporność na udary (piorunowe i łączeniowe)
Odporność na zewnętrzne pole magnetyczne o częstotliwości sieci
elektroenergetycznej
Odporność na stałą indukcję magnetyczną pochodzącą od zewnętrznego
źródła
Badania mechaniczne





Wibracje (Fc)
Udary (Ea)
Spadający młotek (Eh)
Odporność na wnikanie pyłu i wody
Odporność na temperaturę i ogień
PRZYKŁADOWE APLIKACJE
PRZYKŁADOWE APLIKACJE
PRZYKŁADOWE APLIKACJE
Drugie Pytanie Zasadnicze
Czy w Głównym Urzędzie Miar są
podejmowane prace na rzecz badań i
sprawdzeń inteligentnych liczników energii
elektrycznej
?
Wzorzec odniesienia wielkości energii
elektrycznej GUM licznik RD-22
Przetwornik
Zakres pracy wzorca RD-22
 Zakres prądowy (z automatyczną zmianą
zakresów od 0,2 do 125 A
 Zakres napięciowy 60 do 600 V
(automatyczna zmiana zakresów)
 Wejście DC dodatkowego zasilania 24 V
 Częstotliwość: 45 Hz do 65 Hz
 Kąt fazowy: 0 do 360 ° lub -180 do 180 °
 Współczynnik mocy: od -1 do 1, bez wpływu
na dokładność
 Temperatura: 18 ° do 30 ° C
 Wilgotność: 0% do 95% bez kondensacji
Specyfikowana dokładność
licznika RD-22
 Specyfikacja dokładności odnosi się do
wszystkich funkcji pomiarowych w całym
zakresie pracy dla temperatur 18 do 30 ° C.
Specyfikacja maksymalnej gwarantowanej
dokładności obejmuje stabilność,
niepewność pomiarów, współczynnik mocy i
błędy systemu pomiarowego.
 Typowa dokładność: w granicach
niepewności pomiarów (Accuracy at key calibration
points: ± 0,005%)
 Gwarantowana dokładność: ± 0,01% -(The
worst case)
Niektóre charakterystyczne
parametry metrologiczne
nowoczesnych elektronicznych
liczników energii
Wartości charakterystyczne prądów
obciążenia liczników określone w
dyrektywie
I
0
Ist
Imin
Itr
In
Imax
Rys. 1. Prądy charakterystyczne obciążenia licznika energii elektrycznej (Ist –
prąd startowy, Imin – prąd minimalny, Itr – prąd przejścia, In – prąd
znamionowy, Imax – prąd maksymalny)
Jak widać na powyższym wykresie wartość prądu startowego Ist jest
znacznie poniżej wartości prądu minimalnego, od wartości którego
błędy licznika energii elektrycznej nie mogą przekraczać granicznych
błędów dopuszczalnych, określonych przez właściwe normy i prawo.
Można więc zapytać o dokładność pomiaru energii w przedziale
prądowym pomiędzy prądem startowym a minimalnym? Dla tego
zakresu normy nie określają wartości błędów dopuszczalnych.
Małe prądy rozruchu liczników –
wymaganie zdefiniowane w
rozporządzeniu i dyrektywie
 Zgodnie z załącznikiem nr 2 do obowiązującego
rozporządzenia dla liczników wartości dopuszczalne
prądu rozruchu w danej klasie dokładności są
uzależnione od wartości prądu bazowego. Na przykład
dla licznika przekładnikowego o klasie dokładności A i
prądzie bazowym 5 A, prąd rozruchu wynosi 25 mA,
 gdy prąd bazowy wynosił będzie 1 A to wymagany
prąd powodujący rozruch licznika będzie równy 5 mA.
 dla klasy licznika C prądy rozruchu są odpowiednio:
20 mA i 4 mA.

Ma to szczególne znaczenie przy niewielkim poborze energii.
Niska konsumpcja energii
liczników na potrzeby własne
Liczniki elektroniczne cechują się
małym poborem własnym energii
rzędu 2 W przez obwody napięciowe
oraz 2,5 VA dla liczników
bezpośrednich i 1 VA dla
przekładnikowych przez obwody
prądowe.
Potrzeba podjęcia w GUM prac na rzecz
inteligentnych liczników i modernizacji
wzorca mocy i energii
Konieczność badania do oceny zgodności liczników
o bardzo małych prądach rozruchu i małym
poborze własnym energii stały się przyczyną, dla
której podjęto w Zakładzie Elektrycznym
Głównego Urzędu Miar próbę modernizacji
wzorcowego licznika Radian typu RD-22.
Modernizacja polegała na rozszerzeniu jego
zakresu pomiarowego o pomiar małych prądów.
Wzorzec odniesienia RD-22
po modernizacji
Przetwornik po modernizacji
Pomiary kontrolne wykonane
kalibratorem
Wykonane zostały pomiary w Laboratorium
Instytutu Metrologii Elektrycznej
Uniwersytetu Zielonogórskiego kalibratorem
ROTEK 8000 firmy z USA
Planowane jest również wzorcowanie
kalibratorem Fluke 6105A
Zmodernizowany licznik RD-22 a
sygnały zniekształcone
Wykonano pomiary porównawcze:
 dla prądu 1 mA i 10 mA o zawartości 0,02 %
Thd - czyli prawie czysta sinusoida
 oraz dla tych samych prądów o zawartości
63,5 % Thd,
 Wykonane pomiary wykazały, że licznik RD22 po modernizacji zachowuje swoje
właściwości pomiarowe również dla prądów z
harmonicznymi.
Inne pomiary mocy
zmodernizowanym wzorcem RD-22
Za pomocą zmodernizowanego licznika RD-22
wykonano szereg pomiarów mocy różnych
odbiorników energii, wyposażonych w moduły
czuwania (stand-by) oraz małych żarówek LED
o niewielkich mocach rzędu pojedynczych watów,
a nawet poniżej 1 wata. Uzyskane rezultaty
można przyjąć za zadawalające. Pomiar małych
mocy i energii jak wykazano jest koniecznością, a
przedstawione i opracowane rozwiązanie umożliwi
administracji miar ich realizację bez konieczności
zakupu nowego i drogiego wyposażenia
pomiarowego.
Pomiar mocy małych
odbiorników
Zapytanie producenta licznika jaki jest
materiał rdzenia przetwornika
Dear Jerzy,
The core material of the CCCC is ferrite. The
CCCC stands for concentric core current comparator.
There are two concentric cores; the inner core
provides compensation for the outer core.
Best regards,
Joel Canine
Radian Research
Office:765-449-5514
Cell:765-430-1054
Opinia producenta licznika RD-22
Dear Jerzy,
Yes, the concept is correct. We also have a similar
configuration with some of our standards. We perform a
check on our RD-22’s to verify the accuracy with the turns
added. For example, our turns ratio is 20:1. We then verify the
accuracy of the RD standard with 10mA into 20turns against the
accuracy of 200ma into the single turn. With this, I would
recommend for you to verify the accuracy of your RD standard
the same way.
Please let me know if you have any further questions.
Best Regards,
Joel Canine
Customer Service and Support Supervisor
Radian Research, Inc.
Phone Direct: (765)449-5514
Potwierdzenie dokładności przez
producenta
Dear Jerzy,
I received a little more information that must be considered.
There is one additional possible limitation that needs to be taken into
account but it does not normally occur.
The gage of the wire used vs the capacitance between the windings can cause
current to not flow through the CCCC but around it. Depending upon the
voltage generated per turn, the capacitance between the turns and the
frequency of the signal a small amount of current bypasses the CCCC. At 50
ppm accuracy, 60 Hz signal, with reasonable wire choice and maximized
spacing between the wire turns this is usually negligible but the customer
should know to take this into account. The biggest effect of the winding to
winding capacitance will be in phase shift not amplitude. You can have
phase shifts that affect power measurements at the 10’s of ppm level at 0.5
power factor while observing amplitude shifts less than 0.01ppm. If the
goal is power or energy measurement then this needs to take this into
account.
Also, because of the nature of the CCC, the inductive reactance per turn is
very, very near zero and the resistance of the winding always dominates at
50 and 60 Hz
Best Regards,
Joel Canine
Podsumowanie korzyści wynikających
z modernizacji wzorca RD-22
Rozszerzenie zakresu pomiarowego licznika
RD-22, polepszy precyzję kontroli i
wyznaczania błędów domowych liczników
elektronicznych, szczególnie w zakresie
pomiaru bardzo małych energii. Poprawi
dokładność pomiaru coraz to mniejszych
prądów startowych liczników użytkowych,
które są rzędu pojedynczych miliamperów.
W rezultacie zwiększy się zaufanie do
pomiarów energii, za którą uiszcza rachunki
każdy jej odbiorca. W konsekwencji może to
również pośrednio przyczynić się do
oszczędności energii.
Wnioski
 Pod względem metrologicznym inteligentny
licznik energii jest tym samym licznikiem jak
dotychczasowy licznik
 Prawo nie rozróżnia pojęcia między
licznikiem inteligentnym a licznikiem
dotychczasowym
 Możliwe są zmiany niektórych norm
zharmonizowanych do dyrektywy MID
Zmiany normy zharmonizowanej do
dyrektywy MID
Przygotowywana jest zmiana jednej części normy
zharmonizowanej do MID EN 50470-1 „Electricity metering
equipment )a.c) Part 1: General requirements, test and test
condition – Metering equipm (class indexes A, B and C)”
znana w polskiej wersji jako norma EN-PN 50470-1:
Urządzenia do pomiarów energii elektrycznej (prądu
przemiennego) Część 1: Wymagania ogólne, badania i
warunki badań Urządzenia do pomiarów (klas A, B i C).
Norma ta zostanie zastąpiona normą IEC 62052-11
„Electricity metering equipment (AC)- General requirements,
tests and test conditions - part 11: Metering equipment”
która jest zmieniana i trwają prace nad jej nową wersją.
Na zakończenie trochę historii
Licznik indukcyjny
Za pierwszy, dokładny miernik zużycia
energii elektrycznej uważa się licznik
opatentowany w 1883 i skonstruowany
przez berlińskiego naukowca Hermana
Arona urodzonego w mieście Kępno w
województwie wielkopolskim. Miernik
ten, zwany "Pendelzähler"
wykorzystywał zasadę wahadła.
Licznik indukcyjny
Licznik indukcyjny jest maszyną
indukcyjną w której aluminiowa tarcza
porusza się pod wpływem wirowego pola
magnetycznego wytworzonego przez dwie
cewki. W jednej cewce płynie prąd
proporcjonalny do natężenia prądu
pobieranego przez odbiorcę, w drugiej do
napięcia. Cewki są tak umieszczone, że
powstający moment napędowy jest
proporcjonalny do iloczynu chwilowej
wartości prądu i napięcia (a więc licznik
"mierzy" moc czynną), a ten z kolei jest
równoważony poprzez moment hamujący,
który powstaje w wyniku obrotu tarczy
między biegunami magnesu trwałego i jest
proporcjonalny do szybkości ruchu tarczy.
Licznik indukcyjny
Za pierwszy, dokładny miernik
zużycia energii elektrycznej
uważa się licznik
opatentowany w 1883 i
skonstruowany przez
berlińskiego
naukowca Hermana
Arona urodzonego w
mieście Kępno w
województwie wielkopolskim.
Miernik zwany "Pendelzähler"
wykorzystywał zasadę
wahadła.
Dziękuję za
uwagę
Laboratorium Wielkości Elektrycznych
Małej Częstotliwości Zakładu
Elektrycznego
Jerzy Szutkowski
[email protected]