Urządzenia pomiarowe dla energetyki

W praktyce przemysłowej, zwłaszcza dotyczącej odbioru i przesyłania energii elektrycznej, najważniejszymi mierzonymi parametrami są, co oczywiste, prąd, napięcie oraz moc bierna i czynna. Często istotny może być również pomiar przesunięcia fazowego. Parametry te pozwalają określić nie tylko stan techniczny poszczególnych urządzeń, ale również prawidłowość ich pracy w odniesieniu do cyklu produkcyjnego czy procesu technologicznego. Zbyt duże zużycie energii lub anomalny pobór prądu mogą świadczyć m.in. o nadchodzącej awarii lub złym dobraniu urządzeń do potrzeb procesu technologicznego. Dzięki temu bardzo szybko można zareagować na wszelkie nieprawidłowości i zapobiec awariom.

Z punktu widzenia zakładu energetycznego, pomiary wymienionych parametrów pozwalają określić nie tylko zużycie energii niezbędne do naliczenia opłat „za prąd”, ale również planować na bieżąco dostawy energii, czy przewidywać na co najmniej kilkanaście miesięcy w przód potrzeby rozbudowy sieci energetycznej związane ze stale rosnącym zapotrzebowaniem poszczególnych klientów na energię elektryczną w danym regionie. Mając tę wiedzę można dynamicznie zarządzać sieciami elektroenergetycznymi w taki sposób, aby nie doprowadzić do blackoutów, czyli rozległych awarii zasilania.

Narzędzia pomiarowe

Obecnie praktycznie wszystkie przemysłowe pomiary elektryczne wykonywane są cyfrowymi urządzeniami pomiarowymi. Nie znaczy to jednak, że urządzenia analogowe całkowicie zniknęły z rynku, jednak ze względów praktycznych, ich wykorzystanie sprowadza się niemal wyłącznie do naukowo-badawczych pomiarów laboratoryjnych, tam gdzie wymagana jest praca bez zewnętrznego źródła zasilana, wyjątkowa prostota budowy i wieloletnia niezawodność.

Największą wadą przyrządów analogowych jest brak możliwości współpracy i wymiany danych z systemami automatyki przemysłowej oraz komputerowymi systemami pomiarowymi. Do „analogowych” wyjątków zaliczyć można stosowane jeszcze powszechnie analogowe mierniki zużycia energii elektrycznej, które były do niedawna masowo stosowane przez firmy energetyczne, przede wszystkim u odbiorców indywidualnych. Powodem była ich prosta budowa, niska cena oraz długoletnia niezawodność działania. Jednak z powodu zmieniających się przepisów i automatyzacji odczytów energii bez udziału człowieka, są one obecnie sukcesywnie wymieniane na inteligentne urządzenia cyfrowe.

Cyfrowe przyrządy pomiarowe opierają swe funkcjonowanie na przetwarzaniu ciągłego, analogowego sygnału wejściowego na wartość liczbową mierzonej wielkości, która może być wyświetlona w postaci dziesiętnej na wyświetlaczu lub/i przesłana binarnie do systemu automatyki za pomocą zintegrowanego interfejsu komunikacyjnego. Przy pomiarze wartości elektrycznych przyrządem cyfrowym dokładność pomiaru zależy od jego rozdzielczości cyfrowej związanej z zakresem pomiarowym i wagą ostatniej cyfry oraz jego błędem podstawowym. Na błąd podstawowy przyrządu cyfrowego składają się dwa elementy – błąd części analogowej, której wskazania są próbkowane do wartości cyfrowej oraz błąd części cyfrowej, który związany jest m.in. z dokładnością (rozdzielczością) i częstotliwością próbkowania. Podobnie jak w wypadku przyrządów analogowych, przyrządy cyfrowe podzielone są również na klasy dokładności.

Dla przypomnienia, klasa dokładności przyrządu pomiarowego określa maksymalny błąd bezwzględny obliczony jako błąd procentowy w stosunku do pełnego zakresu pomiarowego urządzenia. Oznacza to, że np. wskazania miernika elektrycznego klasy 0,5 w warunkach znamionowych obarczone są błędem nie większym niż 0,5% maksymalnej wartości zakresu pomiarowego. Obecnie przyrządy pomiarowe zaliczane są do jednej z ośmiu znormalizowanych klas: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 i 5. Zdecydowana większość mierników cyfrowych stosowanych w warunkach przemysłowych zaliczana jest do klasy 0,5.

Dokładność wykonania pomiarów

Dokładność wykonywania pomiarów zależy od klasy dokładności użytych przyrządów pomiarowych, doboru właściwej metody pomiarowej i uwzględnienia uwarunkowań wynikających ze specyfiki badanego obiektu i jego parametrów. Pomiary powinny być wykonywane z możliwie dużą, ale rozsądną dokładnością. Nie ma sensu używać drogich przyrządów klasy laboratoryjnej (klasy od 0,05 do 0,2) do pomiarów odbywających się w warunkach przemysłowych, jak również opierać się na wskazaniach przyrządów klasy 2,5 czy 5, które będą obarczone zbyt dużym błędem mogącym mieć wpływ na prawidłową interpretację wyników i podejmowane na ich podstawie decyzje czy spowoduje nieprawidłowe naliczanie opłat.

Warto też pamiętać, że zastosowana metoda wykonywania pomiarów powinna być najprostszą metodą, która zapewni osiągnięcie wymaganej dokładności pomiarowej. Wybór samej metody oraz niezbędnych przyrządów pomiarowych podyktowany być powinien znajomością budowy urządzenia, zastosowanych w nim technologii oraz wykorzystanej infrastruktury instalacji elektrycznej. Dlatego przed wyborem metody pomiarowej należy się bezwzględnie zapoznać z dokumentacją techniczną urządzenia oraz dokumentacją techniczną infrastruktury elektrycznej obiektu, a także zachować wszelkie wymagania odnośnych norm.

Automatyczne opomiarowanie

Systemy pomiarowe najnowszej generacji używane w energetyce umożliwiają nie tylko automatyczne pomiary wartości elektrycznych, ale również dwukierunkową, cyfrową komunikację – w tym na wysyłanie danych pomiarowych z zadaną częstotliwością, wizualizację danych oraz na pełną skalowalność systemu, co umożliwia jego rozbudowę w dowolnym momencie. Najbardziej widocznym elementem systemu inteligentnych pomiarów są inteligentne liczniki energii elektrycznej, które zgodnie z dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady Europejskiej 2009/72/WE z dnia 13 lipca 2009 r., mają stać się częścią tak zwanego trzeciego pakietu klimatycznego i do 2020 r. muszą funkcjonować u 80% europejskich, w tym również u polskich odbiorców energii elektrycznej. Warto zaznaczyć, że już w 2012 r. Polska przesłała do Komisji Europejskiej „Informację dotyczącą zasadności wprowadzenia inteligentnych form pomiaru zużycia energii elektrycznej w Polsce”. W ten sposób wypełnieniono zapisy wspomnianej Dyrektywy w zakresie przedstawienia KE informacji o korzyściach i kosztach wdrożenia inteligentnych liczników i zastosowania technologii inteligentnego opomiarowania.

Wspomniana najnowsza generacja systemów pomiarowych energii elektrycznej, która umożliwia dwustronną, zdalną transmisję danych z liczników to tzw. technologia smart metering. Jest ona częścią systemu Smart Grid oraz zaawansowanej infrastruktury pomiarowej AMI (Advanced Metering Infrastructure), czyli systemu obejmującego urządzenia pomiarowe (inteligentne liczniki), sieci, systemy komputerowe, protokoły komunikacyjne oraz procesy organizacyjne, które pozwalają pozyskiwać dane o zużyciu i parametrach energii u każdego odbiorcy. W polskiej literaturze bardzo często używa się też określenia ISE (Inteligentna Sieć Energetyczna), która zawężona jest do elementów technicznych AMI, bez uwzględniania procesów organizacyjno-decyzyjnych związanych z zarządzaniem przesyłu energii elektrycznej.

Z punktu widzenia operatora sieci energetycznej, wprowadzenie do użytkowania inteligentnych liczników energii umożliwia reagowanie na zmiany zapotrzebowania energetycznego dla danego rejonu. Pozwala też na sprawniejsze użytkowanie odnawialnych źródeł energii. W miejscach, gdzie wprowadzono inteligentne liczniki energii, udało się zwiększyć efektywność wykorzystania energii elektrycznej, średnio o około 10%. System informatyczny współpracujący z inteligentnymi licznikami pozwala na bieżąco analizować dane o zużyciu prądu, dzięki czemu istnieje możliwość dokładnego przewidywania kosztów energii elektrycznej – na czym szczególnie zależy Komisji Europejskiej. Przeprowadzone w Europie badania wskazują, że taka zwiększona świadomość wydatków wśród społeczeństwa i przedsiębiorców oraz możliwość bieżącego sprawdzania swojego bilansu powoduje większą samokontrolę i generuje kolejne oszczędności w wydatkowaniu energii elektrycznej. System Smart Metering jest na tyle zautomatyzowany, że sam wystawia faktury, co generuje oszczędności czasu i pieniędzy po stronie dostawców energii, mogących zrezygnować z tradycyjnych metod odczytu.

Inteligentne liczniki zużycia energii

Zdalny pomiar i przesył parametrów elektrycznych w wypadku systemów dla energetyki dotyczy obecnie przede wszystkim jedno- i trójfazowych liczników zużycia mocy. Oprócz urządzeń zamawianych w postępowaniu przetargowym przez dostawców energii elektrycznej bezpośrednio u producentów, na rynku dostępne są również liczniki i systemy przeznaczone dla przedsiębiorstw przemysłowych. Dzięki nim firmy mogą na bieżąco monitorować i analizować koszty ponoszone na zakup energii elektrycznej.

Jednym z kompleksowych, informatycznych systemów zarządzania energią jest system moniTorus, dostępny w ofercie grupy Apator. MoniTorus umożliwia optymalizację zużycia energii i pozwala na racjonalizację wydatków w przyszłości. System informuje nie tylko o przekroczeniach zużycia energii na poszczególnych punktach pomiarowych, ale również raportuje ubytki energii, porównując wskazania licznika wejściowego ze wskazaniami podliczników. Możliwe jest też określenie poziomu strat energii i rozpływu wewnętrznego, a także określenie kosztów niewykorzystanej mocy zamówionej. Użytkownik może ustalić progi wydatków na energię dla poszczególnych linii produkcyjnych lub pojedynczych maszyn oraz stale kontrolować budżet przeznaczony na energie elektryczną. Moduł raportów technicznych pozwala na tworzenie wykresów, zestawień i porównań, a także na analizę procentowego udziału zużycia wydziału czy procesu na tle zużycia innych jednostek organizacyjnych firmy. Ciekawą opcją jest możliwość wizualizacji pracy urządzeń.

System informatyczno-pomiarowy moniTorus współpracuje z szeregiem modeli inteligentnych liczników. Firma Apator do współpracy z tym systemem oferuje użytkownikom inteligentne liczniki z serii smartEMU, ESOX, EQUS i CANGU. Ostatni z nich to wielofunkcyjny licznik energii elektrycznej w sieci jednofazowej, dwuprzewodowej. Pozwala on na bezpośredni dwukierunkowy i rewersyjny pomiar energii czynnej w wielotaryfowym trybie przedpłatowym lub w pełni autonomicznym trybie kredytowym. Oprócz pomiaru energii mierzone są takie parametry sieci elektrycznej jak: wartości skuteczne prądów i napięć, częstotliwość, współczynnik mocy, a także moc chwilowa i moc maksymalna. Urządzenie jest przystosowane do komunikacji dwukierunkowej. W zależności od potrzeb skorzystać można z wymiennych modułów komunikacyjnych PLC, GSM, RS-232, RS-485, SRD lub innych.

Z kolei liczniki z rodziny smartEMU są wielotaryfowymi licznikami energii elektrycznej, służącymi do bezpośredniego pomiaru czynnej i biernej energii elektrycznej. Ich cechą charakterystyczną są rozbudowane możliwości pomiaru i rejestracji napięcia, prądu mocy chwilowych i mocy maksymalnych. Liczniki mają wbudowany moduł komunikacyjny PLC zgodny z technologią PRIME lub OSGP. Dostępne są również modele z modułem komunikacyjnym GSM/3G, które pozwalają zamontować licznik w odległych lokalizacjach. Co ważne, obsługiwany jest tutaj protokół komunikacyjny DLMS/COSEM umożliwiający w pełni bezpieczną i szyfrowaną transmisję danych między urządzeniami pomiarowymi a systemem akwizycji danych. Liczniki energii elektrycznej z serii smartEMU umożliwiają rejestrację profilu obciążenia. Dodatkowe złącze USB obsługujące moduły pozwala skomunikować się z urządzeniami pracującymi w sieci HAN (Home Area Network), czyli lokalnej sieci teleinformatycznej obejmującej swoim zasięgiem gospodarstwo domowe.

Zdalne pomiary prądu i napięcia w sieci energetycznej

Oddzielną grupę urządzeń Smart Grid stanowią analizatory jakości energii. Są to elektroniczne mierniki wykonujące precyzyjny pomiar napięcia i natężenia prądu elektrycznego, na podstawie których obliczają szereg parametrów jakościowych energii elektrycznej. Warto zwrócić uwagę na fakt, że często można się spotkać z innymi nazwami tego typu urządzeń, jak: analizator sieci energetycznych, analizator jakości zasilania, analizator parametrów sieci czy rejestrator parametrów sieci. Wszystkie one informują, że urządzenie wyposażono w nieulotną pamięć, w której przechowywane są wyniki pomiarów oraz w moduł komunikacyjny, pozwalający na dwukierunkową wymianę danych. Najczęściej znajdziemy w nich Modbus RTU (RS-485), Modbus TCP (Ethernet), Profibus, Profinet, M-bus, BACnet IP. Obsługują także protokół http, który pozwala na połączenie się z urządzeniem za pomocą przeglądarki internetowej.

Analizatory jakości energii, w przeciwieństwie do liczników energii, oprócz pobranej ilości energii czynnej (czasem też biernej) mogą również precyzyjnie mierzyć napięcie i natężenie w czasie rzeczywistym. Na podstawie tych danych wyliczają: moc czynną, bierną, pozorną, dostarczoną energię czynną, bierną, wyższe harmoniczne, prąd upływu, częstotliwość napięcia, migotanie napięcia, niezrównoważenie napięcia, stany nieustalone i wiele innych. Bezpośredni odczyt danych z analizatorów, podobnie jak z liczników energii, umożliwia wyświetlacz LCD, ale liczba parametrów odczytywanych z analizatora energii jest znacznie większa.

Często urządzenia wyposażone są w interfejsy komunikacyjne pozwalające na zdalny odczyt. Takim urządzeniem jest montowany na szynie DIN zaawansowany analizator energii elektrycznej Janitza UMG 104, dostępny w ofercie firmy Elmark Automatyka. Umożliwia on pomiar i analizę mocy czynnej, biernej, wyższych harmonicznych, współczynnika THD, a także niezrównoważenia w sieci. Z urządzeniem można komunikować się za pomocą popularnego protokołu szeregowego Modbus RTU lub Profibus DP.

Innym ciekawym urządzeniem, mogącym stanowić solidną podstawę pomiarową dla inteligentnej sieci energetycznej jest analizator jakości sieci energetycznej ND40 firmy Lumel. Pozwala on na rejestrację ponad 500 parametrów jakości sieci energetycznej, zgodnych z normami PN-EN 50160, PN-EN 61000-4-30 oraz PN-EN 6100-4-7. Może on agregować wyniki pomiarowe w odstępach trzysekundowych, dziesięciominutowych lub dwugodzinnych. Urządzenie może pracować w trójprzewodowej lub czteroprzewodowej, trójfazowej, symetrycznej lub niesymetrycznej sieci energetycznej. Co ciekawe, analizator pozwala na rejestrację do 51 harmonicznych prądu i napięcia od 1 do 51, a także współczynników zniekształceń harmonicznych. Wśród podstawowych agregowanych wartości wymienić należy napięcia i prądy fazowe i międzyfazowe, moce fazowe czynne, bierne i pozorne, współczynniki mocy czynnej i biernej, kąt pomiędzy napięciem i prądem, kąty międzyfazowe napięcia, a także prąd w przewodzie zerowym.

Urządzenie dysponuje w pełni konfigurowalnym archiwum wartości chwilowych i systemem rejestracji zdarzeń. Archiwizacja danych możliwa jest na karcie SD. Do komunikacji z systemem Smart Grid wykorzystać można interfejsy RS-485 Modbus Slave, Ethernet 100 Base-T (Modbus TCP serwer) oraz złącze USB. Aby uzyskać dostęp do zgromadzonych danych skorzystać można z wbudowanego serwera WWW, serwera FTP lub z dotykowego ekranu. W sytuacji awaryjnej urządzenie może wysłać informację o zdarzeniu e-mailem.

Znacznie prostszym urządzeniem, współpracującym z zewnętrznym rekorderem i wysyłającym tam dane za pomocą interfejsu RS-485 i protokołu transmisji Modbus RTU jest miernik cyfrowy parametrów sieci N30P, również firmy Lumel. Przeznaczony jest do pomiaru parametrów sieci jednofazowej, takich jak: napięcie, prąd, moc czynna, bierna i pozorna, cos , tg , ,
częstotliwość, energia czynna, bierna i pozorna, moc czynna 15-minutowa, napięcie 10-minutowe, częstotliwość 10-sekundowa. Urządzenie ma trójkolorowy wyświetlacz i cztery wyjścia alarmowe z sygnalizacją LED.

Przykładem bardzo prostego, podstawowego miernika prądu lub napięcia, który może być stosowany w sieciach typu Smart Grid jest miernik z serii PRO EX firmy ARTEL, np. model I51/I53 lub U51/U53. Dwa pierwsze to mierniki prądu (odpowiednio w instalacjach jedno- i trójfazowych), kolejne dwa służą do pomiarów napięcia. Urządzenia dostępne są w klasach dokładności 0,2; 0,5 i 1 i wykorzystują protokół komunikacji Modbus RTU (RS-485). Użytkownik może zamówić u dystrybutora model z wejściami prądowymi i napięciowymi dla różnych wartości mierzonych parametrów prądowo-napięciowych, tak aby dopasować urządzenie do własnych, specyficznych potrzeb.

Nie tylko dla firm

Z możliwości sieci Smart Grid mogą od niedawna w Polsce korzystać również użytkownicy indywidualni. Na początku 2017 r. Tauron Dystrybucja, jako pierwsza spółka energetyczna, udostępniła nową funkcjonalność HAN Tauron AMIplus, która pozwala na zdalną aktywację bezprzewodowego interfejsu komunikacyjnego w inteligentnym liczniku energii elektrycznej. Po aktywacji dane dotyczące zużycia energii są przesyłane na bieżąco na domowe urządzenie odbiorcze HAN. Usługa dostępna jest obecnie tylko dla klientów Taurona, uczestniczących w pilotażowym projekcie AMIplus Smart City Wrocław.

Domowa sieć HAN pozwala nie tylko połączyć ze sobą szereg różnych urządzeń inteligentnego domu na podobnej zasadzie, jak ma to miejsce w wypadku komputerowych sieci LAN czy Wi-Fi, ale również umożliwia wymianę danych i sterowanie urządzeniami automatyki budynkowej oraz komunikację z urządzeniami Internetu Rzeczy – 
IoT (Internet of Things). Jak sama nazwa wskazuje, sieci HAN obejmują swoim zasięgiem gospodarstwa domowe. Sieci takie służą przede wszystkim do telemetrii i sterowania pracą urządzeń inteligentnego budynku.

Obecnie w wypadku bezprzewodowych sieci HAN wykorzystuje się najczęściej standardy Wireless M-Bus lub ZigBee, które zaimplementowane są w wielu urządzeniach pomiarowych. Standard ZigBee Smart Energy 2.0 charakteryzuje się wbudowaną możliwością obsługi mierników różnych mediów, w tym mierników energii elektrycznej, gazu, wody i ciepła oraz możliwością prezentacji wyników w różnych jednostkach miar. ZigBee Smart Energy 2.0 obsługuje również różne metody sterowania odbiornikami pracującymi w sieciach HAN, np. przez zadawanie wartości poszczególnych parametrów i uruchamianie alarmów w razie przekroczenia wartości krytycznych. Możliwa jest również rejestracja i reakcja systemu na próby manipulowania wskazaniami i odczytami w licznikach. Zaimplementowany mechanizm zabezpieczenia dostępu do sieci wymusza konieczność rejestracji z wykorzystaniem klucza instalacyjnego lub standardowych metod kryptografii klucza publicznego.

Podobnie, jak w przypadku sieci ISE, funkcjonalność sieci HAN zależy od możliwości zainstalowanych urządzeń, głównie od możliwości stacji bazowej. Proste stacje bazowe pozwalają tylko na przesył informacji, droższe na zdalne sterowanie, a najbardziej zaawansowane modele w zaprogramowanym zakresie mogą automatycznie reagować na sygnały z sieci, czy informacje pogodowe. Stacja bazowa pełni również funkcję styku między domową siecią LAN/Wi-Fi/Bluetooth a siecią HAN. W ten sposób bez problemu sterować można domowymi urządzeniami, np. za pomocą aplikacji zainstalowanej na smartfonie lub w laptopie.

Trzeba jednak pamiętać, że aby prawidłowo realizować swoją funkcję stacja bazowa sieci HAN musi być bezpośrednio połączona (przewodowo lub bezprzewodowo, np. korzystając z Wireless M-Bus) z inteligentnym licznikiem tak, aby przesłane dane mogły wywołać określoną reakcję podłączonych do sieci HAN urządzeń. Dokładnie na tej zasadzie działa wspomniana usługa HAN Tauron AMIplus. Każdy mieszkaniec Wrocławia, który ma zainstalowany inteligentny licznik energii elektrycznej i posiada własną domową sieć HAN wyposażoną w moduł komunikacji bezprzewodowej Wireless M-Bus, ma możliwość w dowolnej chwili aktywowania interfejsu komunikacyjnego HAN, który znajduje się w liczniku AMI.

Usługa HAN Tauron AMIplus pozwala na dostęp do danych przesyłanych przez inteligentny licznik energii elektrycznej co 30 sekund. Na tej podstawie urządzenia sieci HAN mogą zbudować profil obciążenia gospodarstwa domowego i sterować urządzeniami – np. wyłączyć poszczególne urządzenia, a nawet konkretne gniazdka elektryczne, zabezpieczając w ten sposób mieszkanie przed pozostawionym na przykład na desce do prasowania włączonym żelazkiem. W podobny sposób monitorować można stan czujników otwarcia okien, czujników zalania czy czujników dymu.

Dostęp do narzędzi oferowanych w ramach usługi Taurona jest bardzo prosty. Wystarczy skorzystać z platformy Tauron eLicznik, dostępnej na stronie WWW lub jako aplikacja na smartfona. Platforma Tauron eLicznik pozwala na zarządzanie portem HAN w liczniku AMI. Dużą wagę przywiązuje się do bezpieczeństwa danych pomiarowych. Wszystkie dane wysyłane z inteligentnego licznika do sieci HAN są szyfrowane, podobnie jak ma to miejsce w bankowości elektronicznej.

*Tabele produktów znajdują się w wersji drukowanej i elektronicznej Miesięcznika Automatyka 9/2017

źródło: Automatyka 9/2017