czytaj

Licznik energii elektrycznej – głos w dyskusji
dr hab. inż. Andrzej Bień
Katedra Metrologii i Elektroniki AGH
1. Wstęp.
Jednym z najczęściej poruszanym elementem w dyskusjach o nowej strukturze produkcji i
dostawy energii elektrycznej jest licznik energii elektrycznej i jego miejsce w nowej
elektroenergetyce. Z dyskusji konferencyjnych (tylko tej jesieni autor uczestniczył w dwóch
dużych konferencjach których osią był „Smart metering”), z publikacji w prasie fachowej
widać że jest to istotny element dostawy energii. Tezę tę potwierdza analiza publikacji na
stronach internetowych http://www.ure.gov.pl/ czy też http://prawo.rp.pl/artykul/789989.html.
Przepraszam, że we wstępie nie zacytuję gremiów i autorów ale chcę uniknąć sytuacji gdy
spis cytowań jest dłuższy od artykułu. Nie ma odwrotu klasyczny licznik mechaniczny –
licznik indukcyjny przechodzi do historii. Wprowadzanie jest pojęcie licznika inteligentnego,
którego inteligencja polega na przekazywaniu systemem teleinformatycznym pomiarów
energii [1]. Wraz z wynikami pomiaru energii elektrycznej przesyłanymi z interwałem 15
minutowym (na dzisiaj) planuje się przesyłanie innych wyników pomiarów innych wielkości
towarzyszących pobieraniu energii elektrycznej. Nie jest to koniec planowanej
funkcjonalności nowego licznika, myśli się o wprowadzeniu funkcji odbioru komunikatów od
dostawcy energii. Ten artykuł proszę traktować jako głos w dyskusji – czasami polemiczny
ale mający na celu świadome podejmowanie decyzji o wprowadzaniu nowości i ich
reperkusjach. Efekt skali tj. ok. 17mln nowych liczników do wymiany to nie tylko problem
inżynierów ale i ekonomistów [3].
2. Stary i nowy licznik energii elektrycznej.
Pierwszy licznik indukcyjny został zbudowany w latach 20 XX wieku. Licznik ten był
przeznaczony do pomiarów zużywanej energii elektrycznej w sieciach elektrycznych prądu
przemiennego. W połowie XX wieku konstrukcja ta była praktycznie jedyną stosowaną w
pomiarach energii elektrycznej. Oczywiście dzisiaj produkowany licznik w swojej konstrukcji
znacznie różni się od pierwowzoru. Zasadnicze różnice obejmują obwód magnetyczny a w
szczególności materiały magnetyczne i konstrukcję boczników magnetycznych, konstrukcję
hamulca magnetycznego, wykonanie cewek: napięciowej i prądowej, w końcu elementy
mechaniczne jak łożyska czy liczydło. Konstrukcja ta aktualnie jest zdolna pracować nawet w
trudnych warunkach (nie licząc obcych pól magnetycznych) dziesiątki lat praktycznie
gwarantując niepewność pomiaru nawet w klasie 0.2.
Liczniki elektroniczne są nowoczesnymi konstrukcjami rozwijającymi się w bardzo dużym
tempie. Pierwsze układy scalone w oparciu o które można było zbudować licznik energii
elektrycznej pojawiły się na rynku komercyjnym w latach 80 XX wieku, były to tzw.
mnożarki sygnałów analogowych. W latach 90 można było już kupić dedykowane dla
liczników układy scalone. Zdaniem autora układy w pełni umożliwiające budowę licznika
energii elektrycznej prądu zmiennego. zaoferowała pierwsza firma Cirrus Logic, Inc.
(http://www.cirrus.com/en/). Kluczowym elementem tej konstrukcji to wysokiej jakości
przetworniki A/C (analog/cyfra) i cyfrowe przetwarzanie sygnałów napięcia i prądu.
Wyznaczanie energii elektrycznej – pomiar w takich układach w prosty sposób można
uzupełniać o pomiary innych wielkości jak:
- moce pozorne i bierne,
- wartości skuteczne,
- częstotliwość napięcia obserwowanego,
- wskaźniki jakości energii elektrycznej.
To wyliczenie nie jest pełne i będzie na pewno bogatsze. Oferowane są układy do pomiarów
jednofazowych i trójfazowych. Dostawców komercyjnych układów scalonych do pomiarów
energii elektrycznej jest kilkunastu. Patrząc się na popularność i łatwość dostawy wymienię
tutaj Analog Devices (http://www.analog.com/) czy Texas Instruments (http://www.ti.com/)
czy wspominana wcześniej Cirrus Logic. Przepraszam za niepodanie wszystkich
producentów.
Pojawienie się tak szerokiej oferty układów scalonych jest odpowiedzią na narastający
popyt na elektroniczne liczniki energii elektrycznej. Można postawić pytanie: dlaczego
liczniki elektroniczne są aktualnie najchętniej montowane? Zdaniem autora odpowiedzią jest
wskazanie nowej funkcjonalności użytkowej tj. możliwości zdalnego przesyłania wyników
pomiarów. Porównanie klasycznego licznika energii elektrycznej i nowoczesnego licznika
elektronicznego jest następujące:
L.p.
Licznik indukcyjny
Licznik elektroniczny
1 Stabilność czasowa konstrukcji,
Rozwój konstrukcji podążający za zmianami
niewielkie modyfikacje i dodatki
w technologii elektronicznej, więc duża
elektroniczne.
zmienność.
2 Łatwość montażu, separowane obwody
Montaż wymaga znajomości konkretnej
wejściowe, trudno o pomyłkę.
konstrukcji, niektóre nie mają separowanych
pomiędzy sobą wejść, istnieje możliwość
pomyłki z poważniejszymi konsekwencjami.
3 Energia pobierana z sieci elektroEnergia pobierana z sieci zależy od
energetycznej, zwykle ok. 2W, moc
konstrukcji – dodatkowej funkcjonalności
bierna cewki napięciowej spora ok. 3VA. mniejsza od 2W, a nawet rzędu mW,
możliwość zasilania bateryjnego.
4 Niepewność od klasy 0.2 lub gorzej
Osiągane niepewności klasy 0.1, a nawet
lepiej.
5 Licznik mierzy tylko energię czynną.
Licznik mierzy szereg wielkości w tym
Pomiar energii biernej możliwy dla
popularnie wartości skuteczne.
zmodyfikowanej konstrukcji (drugi
egzemplarz).
6 Brak możliwości zdalnego odczytu.
Pełny zdalny odczyt wartości zmierzonych,
Można czytać stan liczydła
możliwość zdalnych zmian parametrów
specjalizowanymi urządzeniami.
pomiarów. Możliwość komunikacji
dwukierunkowej.
7 Poprawne pomiary tylko w sieci
Pracuje poprawnie dla dowolnych kształtów
elektroenergetycznej bez odkształconego napięć i prądów. współpracuje z
kształtu napięcia i prądu.
odbiornikami nieliniowymi.
8 Konstrukcja stosunkowo tania.
Bardzo proste wersje bez komunikacji
najtańsze, nawet tańsze od liczników
indukcyjnych. Konstrukcje z komunikacją
zdecydowanie droższe od liczników
indukcyjnych.
Tabela ta nie podaje wszystkich różnic pomiędzy konstrukcjami, ale już to zestawienie
pokazuje że wybór konstrukcji dla pomiarów w szerokim spektrum odbiorców nie jest
jednoznaczny. Pomiary u małego odbiorcy (mieszkanie skromnie wyposażone w sprzęt
elektryczny i elektroniczny) lub odbiorcy sezonowego (domek letniskowy) nie muszą być
robione często, nie należy też oczekiwać efektów komunikacji zwrotnej. Koszty inwestycji w
postaci elektronicznego licznika mogą się nie zwrócić w okresie jego sprawności tj. ważności
świadectwa legalizacji. Inaczej sytuacja wygląda z dużym odbiorcą, ekonomia wymiany jest
zauważalna. Ważna jest niepewność pomiaru wymagana dla dużych dostaw energii. Następną
ważną informacją wskazującą na potrzebę wymiany licznika jest charakter odbiorcy energii tj.
wielkości odkształcenia prądu – udziału odbiorników nieliniowych. Dla odbiorcy z dużą
liczbą odbiorników nieliniowych i energoelektronicznych dla rzetelnych pomiarów należy
stosować liczniki elektroniczne.
3. Smart metering a oszczędności energii elektrycznej.
Licznik elektroniczny energii elektrycznej jest podstawowym ogniwem rozproszonego
systemu pomiaru energii elektrycznej „Smart Metering” [3]. Smart Metring to element nowej
technologii dostaw energii elektrycznej Smart Grid (http://www.smartgrid.agh.edu.pl/) i jej
wpływ na oszczędności energii elektrycznej należy rozpatrywać tylko w działaniu w ramach
Smart Grid.
Smart metering sam nie przyniesie żadnych oszczędności energii elektrycznej, raczej w
pierwszej fazie pojawią się dodatkowe koszty dostawy energii związane z obsługą sieci
teleinformatycznej i jej budową. Artykuł [5] wskazuje też że oszczędności należy poszukiwać
u odbiorców ale w postaci oferty nowych konstrukcji używanego sprzętu. Funkcjonalność
„standy power” – czuwanie jest tu istotnym odbiorcą w związku ze skalą stosowania. Takimi
odbiornikami gdzie można osiągnąć szybko funkcjonalność poprawiającą oszczędzanie
energii elektrycznej to telewizory, komputery, modemy kablowe czy telefony komórkowe.
Przykładem, że można to zrobić w dużej skali to źródła światła lub lodówki, zastosowano
nowe materiały i technologie i otrzymano pozytywne efekty. Komunikacja zwrotna będąca
informacją dla odbiorcy o zużywaniu energii elektrycznej może przynieść efekt ale wymaga
jego aktywnej roli i dostępu do kanałów komunikacyjnych. Większe efekty oszczędności
przyniesie sterowanie dostawą energii elektrycznej dla obniżenia kosztów jej generacji i
przesyłania. Tutaj Smart Grid pełni rolę najważniejszą a źródło informacji o ruchu w sieci
elektroenergetycznej Smart Metering jest podstawą sterowania. W pierwszej kolejności
należy zatem zbudować funkcjonujący system nowoczesnych liczników energii elektrycznej
zainstalowanych we wnętrzu systemu elektroenergetycznego, w jego węzłach. Takie
umiejscowienie pozwoli nie tylko na bilansowanie energii, ale i na monitorowanie stanu
systemu [2], optymalizacji kosztów dostawy i pewność jej dostawy.
4. Zakończenie.
Wymiana liczników energii elektrycznej stanowi trudny problem wymagający rozważnych
decyzji. Decyzje te powinny w pierwszej kolejności zdefiniować funkcjonalność licznika.
Ważny postulat to dostosowanie uwarunkowań formalno prawnych, obejmujący nie tylko
legalizację ale i problematykę pomiarów mocy pozornych oraz biernych w warunkach
odkształconych przebiegów napięć i prądów w układach wielofazowych [4]. Życie już dawno
wykroczyło poza ramy istniejących przepisów. Skala ilościowa wymiany może przynieść
problemy praktycznie nierozwiązywalne ze względu na koszty.
Literatura:
[1] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/72/WE z dnia 13 lipca 2009 r.
dotycząca wspólnych zasad rynku wewnętrznego energii elektrycznej i uchylająca
dyrektywę 2003/54/WE.
[2] Bień A.: Znaczenie pomiarów elektrycznych dla oceny pracy systemu
elektroenergetycznego, Wiadomości Elektrotechniczne, nr 11, 2010 rok.
[3] Billewicz K.: Smart metering inteligentny system pomiarowy, PWN Warszawa 2011.
[4] Czarnecki L. S.: Moce w obwodach elektrycznych z niesinusoidalnymi przebiegami
prądów i napięć, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005
[5] Gajer M.: Głos w dyskusji dotyczącej zasadności zastosowania inteligentnych liczników
energii elektrycznej, Wiadomości elektrotechniczne nr 9, 2012 rok.