Уреди за измерване, контрол и анализ на електрическа енергия

Енергийна ефективностТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 3, 2014

Уредите за измерване, контрол и анализ на електрическа енергия са основен инструмент в подобряването на енергийната ефективност. На базата на получената информация чрез оперативно следене на енергийните параметри в реално време, събиране на аналитични данни и регистриране на отклонения могат да се вземат управленски решения за оптимизиране на разходите за експлоатация на енергийните съоръжения.

Измерване на електрическата енергия

Измерването на електрическата енергия за технически или търговски цели се осъществява основно с електромери. В зависимост от конструкцията си те се разделят на електромеханични (индукционни) и електронни (статични), като принципът на действие се базира на зависимостта между протичащия ток, електрическото напрежение и времето за потребление.

Специфична за електромерите класификация, свързана с използването им за търговски цели, е разделянето на еднотарифни и на многотарифни. Целта на въвеждането на повече от една тарифа е чрез увеличаване на цената да се ограничи ползването на електроенергия в най-натоварените часове на денонощието и съответно чрез намаляването й то да се стимулира в нощните часове. Това е важно за производителите на електроенергия, тъй като са необходими по-малко “върхови” електроцентрали, които работят само по няколко часа в денонощието.

При многотарифните електромери електрическата енергия се отчита разделно, най-често в зависимост от часовата зона, в която се консумира. Те имат регистриращо устройство за всяка тарифа. При електромеханичните многотарифни електромери е необходим тарифен часовник, който превключва тарифите. Електронните електромери сами изпълняват тази функция.

Електромерите също така могат да бъдат постояннотокови, които се изполват рядко, и променливотокови, които са масовият тип електромери. Последните от своя страна биват еднофазни и трифазни.

Еднофазни и трифазни индукционни електромери

Еднофазните електромери съдържат електромагнит с две намотки. Напрежителната е с много навивки от тънък проводник и се свързва към мрежовото напрежение, като създава пропорционален на него магнитен поток. Двете последователно свързани токови намотки са с малко навивки от дебел проводник и през тях протича токът на веригата, чиято консумирана мощност ще се измерва. Тези намотки създават друг магнитен поток, пропорционален на тока.

Двата потока преминават през тясната въздушна междина между полюсите на електромагнита, където е поставен алуминиев диск. В него се индуцират токове и от взаимодействието им с магнитния поток се получава механична сила, пропорционална на активната мощност, която го завърта. Скоростта на въртене на диска е пропорционална на тази мощност, поради което броят на оборотите му е пряко свързан с консумираната активна енергия.

За нейното точно измерване е необходимо токът на напрежителната намотка да изостава от нейното напрежение на 90 градуса, което реално не се получава заради нейното омично съпротивление. Това дефазиране се осигурява чрез закъснителната намотка и свързания като неин товар резистор за настройка на закъснението. Стойността на активната енергия се отчита чрез механичен брояч, свързан с оста на диска с червячна предавка.

Точността на отчитане се гарантира от двата постоянни магнита, чийто поток през диска се регулира по подходящ начин при фабричната настройка на електромера. Същевременно магнитите се използват и за спиране на диска след прекратяване на консумацията. Така описаният принцип на действие определя другото наименование - електромеханични електромери.

Трифазните индукционни електромери се използват за консуматори с голяма мощност, например над десетина kW, които се свързват към трите фази на мрежата. Действието им е подобно на еднофазните, но имат две или три двойки намотки.

Тези с две двойки са предназначени за мрежи без изтеглена неутрала (трипроводни с товари по схема триъгълник). За мрежи с изтеглена неутрала (четирипроводни с товари по схема звезда) се използват електромери с три двойки намотки, всяка от които отчита тока на една от фазите и напрежението между нея и неутралата.

Индукционните електромери не отговарят на все по-голяма част от съвременните изисквания към измерването на електроенергия. Причините за това се обуславят от незадоволителната им точност, практическата невъзможност да измерват едновременно активна, реактивна и привидна мощност, както и да предават данните от измерването на разстояние.

Към това се прибавя и уязвимостта към външни въздействия, целящи отчитане на по-малко от реално консумираната енергия. Тези и други причини доведоха до създаването на електронните електромери, които бързо изместват индукционните от пазара на средства за отчитане на енергопотреблението. Делът им нараства благодарение на по-богатата функционалност и съвременни характеристики, които им осигуряват редица предимства.

Електронни електромери

Измервателният механизъм на този тип електромери е изграден с електронни елементи. В зависимост от вида на обработваните сигнали биват аналогови и цифрови, при които входните напрежения и токове се преобразуват в дискретен вид с помощта на висококачествени аналогоцифрови преобразуватели и по-нататъшната обработка на сигналите става в цифров вид.

Накрая информацията за електрическата енергия се преобразува в брой импулси, поради което тяхната константа се дава в киловатчас (киловарчас) за импулс, но често се дава и реципрочната стойност - импулсите за киловатчас (киловарчас). При някои електронни електромери се използват механични броителни механизми също както и при електромеханичните електромери - в известен смисъл те са хибридни. Напълно електронните електромери имат цифров индикатор и енергонезависима електронна памет.

Често те са само с един течнокристален дисплей, на който във всеки момент от време е показана текущата тарифа и нейният вид, но могат последователно да се изписват различните измерени енергии за всяка от тарифите. Как точно става това, е въпрос на настройка. Обикновено при производството доста електромери се настройват на автоматично превключване на тарифите, като всяка се задържа на дисплея десетина секунди.

Преминаването към ръчно превключване и неговото осъществяване се прави чрез устройство, подобно на дистанционно, изпращащо необходимите команди към оптичния (инфрачервен) порт на електромера. Няколко десетки секунди след като приключи подаването им, електромерът сам се връща към режима на автоматично превключване.

Въвеждането на данни от оптичния вход и организацията на самото въвеждане се осъществява чрез оптичен интерфейс или интерфейс за местна комуникация. Освен него, обикновено електромерите имат на лицевия си панел бутон, първото натискане на който осигурява преминаването на ръчно превключване, а всяко следващо води до изписване на една от измерените енергии. Някои модели електромери имат и индикатор за неправилно свързване към електрическата мрежа.

Електронните електромери предоставят разширени възможности за измерване на електроенергията. Така например те могат да измерват реално използваната от потребителите активна и реактивна енергия, непрекъснато обменяна между тях и мрежата. Съществуват голям брой електрически товари, които, поради естеството на своето действие, променят формата на напрежението и тока.

Резултатът от това е, че върху тези товари освен напрежение и ток с честота 50 Hz има и множество други с честоти 100, 150, 200 Hz и т. н., наричани хармоници. В този случай точните стойности на активната и реактивната мощност са съответно сумите на активните и реактивните мощности на всички хармоници. Тяхното определяне също може да се извършва лесно и точно от електронните електромери.

Благодарение на факта, че предоставят цифрови данни, консумацията на енергия може да се следи на всяка минута. Някои устройства просто показват текущото потребление на дисплея, а други устройства и доставчици предлагат възможност да се проследи консумацията на енергия в Интернет.

Все по-нарастваща тенденция е електромерите да могат да измерват още различните мощности (активна, реактивна и пълна), при това ако са трифазни да показват както съответната обща трифазна мощност, така и мощностите на отделните фази. Също така след превключване могат да показват ефективните стойности на напрежението и тока (при трифазни - линейните и фазните), на фактора на мощността и др.

С мултифункционалните електромери може да бъде определена товарната диаграма на потребителите (промяната на консумираната мощност във времето), да се регистрират случаите на напрежения извън определени граници и т. н.

Често подобни електромери се предлагат в две разновидности - като устройство с всички описани възможности и като модулна конструкция с един основен възел за извършване на част от измерванията и прибавяни по желание няколко модула за останалите величини. Множеството комуникационни протоколи дават възможност уредите лесно да се интегрират в различни aвтоматизирани системи за анализ и контрол.

Съвременни системи за дистанционно отчитане и контрол

Изграждането на системи за дистанционно отчитане и контрол на електромерите е основен инструмент за разработване и прилагане на програми за оптимизиране консумацията на електрическа енергия.

Освен да автоматизират процеса на прочит на текущата консумация, системите осигуряват информация за качеството на електрическата енергия и надеждността в доставянето й. За целта системите следят текущите стойности на тока и напрежението, фазовите ъгли и екстремумите им за определен период от време. Също така анализират хармониците и следят синусоидалната форма на напрежението и тока.

Специфика на системите за дистанционно отчитане и контрол на електромерите е интегрирането им със SCADA, BAC, DCS или ERP системи. По този начин цялата събрана, обработена и архивирана информация се предоставя на потребителите във вид на различни графични и таблични справки.

Като концепция съвременните системи са базирани на отворени комуникационни технологии, което позволява изграждането на мащабни структури. Някои от системите дават възможност за работа с до 100 000 електромера. Чрез съпоставяне на потреблението на отделните единици се контролират разходите и се подобрява ефективността.


Top