Nowoczesne liczniki energii elektrycznej

Poniedziałek, 10 września 2007 | Technika

Dzięki najnowszym osiągnięciom pomiary energii elektrycznej stają się niezwykłą okazją dla projektantów wszelkich specjalności. Staroświeckie metody pomiarów zużycia energii elektrycznej przechodzą rodzaj odrodzenia. Miernictwo to, będące dotychczas niemal wyłączną domeną elektryków o specjalności energetycznej, naraz stało się polem działania projektantów układów scalonych, płytek drukowanych, systemów, a także programistów.

Nowoczesne liczniki energii elektrycznej

Silnik reluktancyjny napędzający tradycyjny licznik energii elektrycznej ma już ponad 100 lat. Jest on obecnie zastępowany układami scalonymi, które nie tylko są tańsze i dokładniejsze, ale oddzielają oprócz tego składową czynną mocy od biernej oraz umożliwiają zdalny ich odczyt.

Rys. 1. Na pierwszy rzut oka ten mieszkaniowy licznik energii elektrycznej wygląda podobnie do tradycyjnego z wirującym dyskiem, z analogowym wyświetlaczem LCD. Złączka u dołu po lewej umożliwia odczyt zarejestrowanych danych. Licznik ten uwzględnia także odwrotny kierunek prądu, np. z dachowej instalacji ogniw słonecznych i rejestruje moc pobraną i generowaną o różnych porach doby.

Przykładowy nowoczesny mieszkaniowy licznik energii elektrycznej jest pokazany na rys. 1. Miernik zapisuje przebieg zużycia energii w czasie, zawiera port do zdalnego odczytu danych. Każdy użytkownik urządzeń elektrycznych potrzebuje przynajmniej jednego licznika. Ale także istnieje niemałe zapotrzebowanie na podliczniki do prywatnego użytku. Czasem są one używane w budynkach wielomieszkaniowych, dla których zakłada się liczniki zbiorcze, a administracja rozlicza lokatorów według podliczników. Podliczniki są też często używane w dużych przedsiębiorstwach, których kierownictwo chce wiedzieć, jak całkowite zużycie energii rozkłada się na poszczególne oddziały, urządzenia produkcyjne, czy podwykonawców. Pomagają one także w rozładowywaniu obciążeń szczytowych, zmniejszaniu obciążeń, czy ich agregacji, a także w innych poczynaniach, zmierzających do ograniczania kosztów energii. Zarządzanie zużyciem energii wymaga oczywiście wiedzy, jak posługiwać się otrzymywanymi danymi. Stąd się bierze potrzeba usprawniania i upraszczania sposobów zbierania i przechowywania danych, a także interfejsów użytkownika, umożliwiających wyświetlanie danych i manipulowanie nimi dla ułatwienia zarządzania systemami korzystającymi z elektryczności.

Podstawy pomiaru

Trzeba cofnąć się do roku 1890, żeby sobie uprzytomnić, że elektromechaniczny indukcyjny licznik energii jest oparty na silniku, wykorzystującym opór magnetyczny i prądy wirowe. Poziomy dysk metalowy obraca się w polu stałego magnesu. Indukowane pola napięcia zmiennego i prądu obciążenia tworzą moment obrotowy, napędzający dysk. Prądy wirowe, powstające w dysku na skutek jego obrotu w polu magnetycznym magnesu hamują obroty dysku. Napięcie zmienne sieci i moc pobierana wpływają na szybkość obracania się dysku, która jest proporcjonalna do mocy pobieranej przez obwody objęte połączeniem z licznikiem. Obracający się dysk napędza wielostopniowy mechanizm licznikowy, rejestrujący pobieraną energię. Zwykle jeden obrót dysku przedstawia 7,2Wh.

Międzynarodowa norma dla liczników energii elektrycznej IEC 61036 specyfikuje jego wymagania środowiskowe, czyli moc, jaką może pobierać sam licznik, napięcie, jakie musi znosić, a także jego dokładność i kompatybilność elektromagnetyczną. Norma ta także dzieli liczniki na klasę 1 i klasę 2, zależnie od dokładności. Klasy te dzielą jeszcze liczniki w zależności od nominalnego napięcia pracy (U_N), podstawowego natężenia prądu większości pomiarów (I_B) i największego natężenia prądu (I_MAX), przy którym jest gwarantowana dokładność (tabela 1 i 2).

Tabela 1. Wymagania elektryczne IEC 61036
Wielkość	Ograniczenie, klasa 1	Ograniczenie, klasa 2
Wydzielana moc poza obwodem prądowym	2W, 10VA
Wydzielana moc w obwodzie prądowym	4,0VA	2,5VA
Zakres napięcia pracy	90% do 110% nominalnego
Absolutne maksymalne napięcie pracy	0% do 115% nominalnego
Absolutne maksymalne przetężenie w połowie cyklu	30 I_MAX

Projektowanie liczników cyfrowych

Rys. 2. Układy liczników energii produkują zarówno sławne firmy półprzewodnikowe, jak i wytwórnie niezależne. 71M6513 firmy Teridian zapewnia funkcje podstawowe, oraz dostarcza zaawansowanych opcji wejść i wyjść.

Producenci układów scalonych liczników energii służą projektantom dużą pomocą. Dla projektantów, którzy chcieliby ocenić swoje projekty, jest dostępnych wiele informacji online. Analog Devices, Cirrus Logic, Maxim, Microchip i Texas Instruments oferują specjalne układy scalone do cyfrowych liczników energii. Działalnością tą zajmują się także firmy nieposiadające zakładów produkcyjnych, jak Teridian (rys. 2). Aby zrozumieć, co mieści się w najprostszym chipie licznika energii, warto przyjrzeć się układowi ADE7752 firmy Analog Devices, który odczytuje jedynie moc czynną. ADI nazywa go „układem scalonym do wielofazowych pomiarów energii z wyjściem impulsowym” i uważa za urządzenie pomiarowe. Układ ten, przeznaczony do pomiarów w obwodach połączonych w gwiazdę lub w trójkąt, zawiera w sumie sześć 16-bitowych przetworników analogowo-cyfrowych (A/C) delta-sigma drugiego stopnia. Pasmo pomiarów mocy czynnej zajmuje 14kHz przy częstotliwości nadpróbkowania 833kHz. Zewnętrznym czujnikiem napięcia może być transformator napięciowy lub dzielnik rezystorowy (rys. 3a i rys. 3b). Transformator izoluje oczywiście układ od napięcia sieci. W przypadku dzielnika układ jest połączony z przewodem zerowym. Zaletą dzielnika jest możliwość łatwej kalibracji czułości za pomocą R_A, R_B i V_R. Do odczytu natężenia prądu ADI zaleca stosowanie w każdym kanale transformatora prądowego (rys. 3c). Napięcie wspólne kanału prądowego dobiera się łącząc odczep pośrodku rezystora obciążającego R_B z analogowym uziemieniem. Przekładnię transformatora, czy rezystancję R_B wybiera się tak, aby szczytowe napięcie różnicowe przy maksymalnym obciążeniu wyniosło 500mV. Po zdigitalizowaniu napięć i natężeń usuwa się składowe stałe za pomocą filtrów górnoprzepustowych. Moc chwilowa jest otrzymywana przez mnożenie sygnałów napięciowych przez prądowe każdej z faz. Sygnały mocy chwilowych są odfiltrowywane filtrami dolnoprzepustowymi w celu otrzymania mocy czynnej. Wyniki są sumowane dla otrzymania całkowitej mocy czynnej.

Częstotliwość wyjściową układu mierzącego, która jest proporcjonalna do średniej mocy czynnej, otrzymuje się przez zgromadzenie całkowitych danych mocy czynnej. Informacja ta jest następnie rejestrowana i służy do obliczenia energii czynnej. Dolnoprzepustowa filtracja w ADE7752 służy do rejestrowania jedynie mocy czynnej i pomijania harmonicznych oraz prądów biernych. W górnej części rys. 4 pokazano przypadek współczynnika mocy równego jedności, a przypadek współczynnika mocy z przesunięciem (DPF) = 0,5 (prąd opóźniony względem napięcia o 60º) w dolnej części. Gdy przebiegi napięcia i prądu są sinusoidalne, składowa mocy czynnej chwilowego sygnału mocy (składnik stałonapięciowy) wynosi połowę iloczynu napięcia, prądu i cosinusa przesunięcia fazowego.

Rozciągając to na przypadek niesinusoidalnych przebiegów napięcia i prądu i rozkładając je na fourierowskie składowe, otrzymuje się:

v(t) chwilowe napięcie, V_O wartość średnia, V_n średnia wartość kwadratowa n-tej harmonicznej napięcia, α_n kąt fazowy n-tej harmonicznej napięcia.

Podobnie: i(t) chwilowy prąd, I_O wartość średnia, I_n średnia wartość kwadratowa n-tej harmonicznej prądu

β_n kąt fazowy n-tej harmonicznej prądu. Zatem moc rzeczywistą harmonicznych otrzymuje się przez łatwe w realizacji sumowanie.

Współczynnik mocy

W Unii Europejskiej, a także w Chinach i częściowo w Indiach, przy pomiarach trzeba uwzględniać współczynnik mocy, co reguluje europejska norma, dotycząca korekcji współczynnika mocy EN 61000-3-2 z poprawką A14.

Zanim rozpowszechniły się zasilacze impulsowe, współczynnik mocy wiązał się z obciążeniami reaktancyjnymi. Przedsiębiorstwa energetyczne radziły sobie z nimi instalując w rozdzielniach i w podstacjach wielkie kondensatory. Zasilacze impulsowe zmieniły tę sytuację, wprowadzając do linii prądy przesunięte w fazie względem napięcia i silne harmoniczne częstotliwości przełączania zasilaczy. Przedsiębiorstwa energetyczne dbają o współczynnik mocy z dwóch powodów. Po pierwsze fazowo przesunięte składniki mocy nie biorą udziału w wykonywaniu rzeczywistej pracy. Po drugie, przepisy zabraniają dostawcom energii pobierać opłaty za składowe przesunięte w fazie.

Celem wprowadzenia normy EN61000 w zasilaczach impulsowych jest ograniczenie amplitud poszczególnych harmonicznych prądów do 39 harmonicznej. Poprawka A14 łagodzi niektóre wymagania, ale nie w komputerach, monitorach i telewizorach.

Współczynnik mocy i pomiary

Rys. 3. Sygnał napięciowy dla ADC licznika może zapewnić transformator napięciowy (a), albo dzielnik (b). Sygnału prądowego dostarcza zwykle transformator prądowy (c).

Sposobowi, w jaki układy liczników energii oddzielają moc bierną od czynnej i je rejestrują, można się przyjrzeć na przykładzie układu CS5467 firmy Cirrus Logic, zawierającego czterokanałowy przetwornik A/C oraz jednostkę obliczeniową. Układ ma dwa kanały napięciowe i dwa kanały prądowe. Podobnie jak w ADE7752 firmy ADI, zewnętrzne czujniki napięcia i prądu generują sygnały, które są wewnątrz układu wzmacniane i doprowadzane do modulatorów delta-sigma (drugiego stopnia dla napięciowych i czwartego stopnia dla prądowych). Kaskada filtrów Sinc3 i trzeciego stopnia o nieskończonym czasie reagowania na impuls (IIR) mieści się w na wyjściach przetworników danych. Sinc3 dziesiątkuje a IIR kompensuje 5-krotny spadek czułości dolnoprzepustowego filtru decymacyjnego.

Działanie układu Cirrusa poszerzono o określanie mocy pozornej, opierającego się na obliczeniach próbek chwilowych wartości skutecznych napięcia i prądu. Moc pozorna jest połączeniem mocy czynnej i mocy biernej, a ich stosunek jest współczynnikiem mocy. Moc czynna decyduje o znaku tego współczynnika. Układ CS5467 oblicza także moc bierną jako pierwiastek kwadratowy różnicy kwadratów mocy pozornej i mocy czynnej. Moc czynna, pozorna i bierna są aktualizowane w każdym cyklu obliczeniowym.

Średnia moc bierna jest otrzymywana przez uśrednianie napięcia i mnożenie tej średniej przez mierzone natężenie prądu, przesuniętego o 90º. Przesunięcie to jest uzyskiwane za pomocą innego cyfrowego filtra IIR w kanale napięciowym. Filtr ten zapewnia przesunięcie fazowe dokładnie o 90º dla wszystkich częstotliwości, a stosunek częstotliwości w linii wejściowej do częstotliwości próbkowania wykorzystuje do znormalizowania do jedności wzmocnienia dla częstotliwości wejściowej.

Później chwilowe próbki kwadraturowe napięcia i prądu są mnożone dla uzyskania chwilowej mocy kwadraturowej. Iloczyn ten jest następnie uśredniany za N konwersji. Szczegóły tych operacji można znaleźć w danych technicznych CS5467 na stronie internetowej.

Tabela 2. Wymagania elektryczne IEC 61036
Wielkość	Ograniczenie
Wyładowanie elektrostatyczne, przez kontakt	8kV
Wyładowanie elektrostatyczne, przez powietrze	15kV
Niewrażliwość na pola elektromagnetyczne	10V/m, 80MHz do 1GHz
Szybkie stany nieustalone, obciążenie =I_B	2kV, wszystkie doprowadzenia
Szybkie stany nieustalone, bez obciążenia	4kV, wszystkie doprowadzenia
Zakłócenia radiowe	CISPR 22, klasa B
Niewrażliwość na zakłócenia przepływające	10V, 150kHz do 80MHz

Trendy pomiarowe

Rys. 4. Dlaczego w ekstrakcji mocy czynnej (rzeczywistej) z zespołu kolejnych próbek napięciowych i prądowych skuteczna jest filtracja? Wykres górny przedstawia prosty przypadek współczynnika mocy równego jedności. Na dolnym wykresie pokazano prąd przesunięty w fazie względem napięcia o 60ş. Przez analogię, obraz ten będzie prawdziwy również dla przesuniętych w fazie składowych przebiegów niesinusoidalnych, powstających w zasilaczu impulsowym.

Co nowego w licznikach? Według firmy Microchip, która produkuje zarówno samodzielne układy liczników, jak i takie, które współpracują z mikrokontrolerami PIC, dostawcy energii elektrycznej starają się przede wszystkim wyeliminować koszty, związane okresowym odczytywaniem liczników, jeden po drugim, przez pracownika. W okolicznościach ułatwiających kradzieże energii, jak w budynkach wielomieszkaniowych, liczników już się nie instaluje na ścianie na zewnątrz budynku, tylko w zamykanym pomieszczeniu wewnętrznym. Pracownicy odczytujący liczniki przyłączają swoje mierniki do skrzynki na zewnętrznej ścianie budynki, i rejestrują w ten sposób dane od razu ze wszystkich liczników.

Taki sposób zdalnego odczytu, przez wspólne złącze, nie ogranicza się do dużych budynków wielomieszkaniowych. Zabezpieczone przed manipulacją przez osoby niepowołane interfejsy odczytowe pojawiają się także w osiedlach domków jednorodzinnych. Ułatwiają one pracę odczytujących liczniki, i zwiększają jej wydajność, a także uwalniają od ewentualnych kłopotów z psami, rozrośniętymi krzakami i niezrównoważonymi lokatorami. Następnym etapem będzie przejście na odczyt bezprzewodowy, dokonywany z chodnika lub z jadącego samochodu. Firma Microchip informuje, że w okolicznościach częstszego narażenia na kradzieże energii, niektóre liczniki wyposaża się w oddzielne układy przetworników A/C, służące do nieustannego monitorowania napięcia sieci w celu detekcji takich incydentów. Może on na przykład wykryć, czy miernik nie został czasowo odłączony, albo czy nie zamieniono mu końcówek, w celu odwrócenia kierunku zliczania. Liczniki z transformatorami zamiast boczników są narażone na wprowadzanie ich rdzenia w nasycenie za pośrednictwem zewnętrznego magnesu. W razie podejrzenia takiego działania, licznik można wyposażyć w bocznik oprócz transformatora i porównywać oba rodzaje pomiaru.

Liczniki energii firmy Microchip nie są tylko adaptacjami mikrokontrolerów PIC ze standardowymi układami peryferyjnymi. Firma ostatnio zastępuje zwykły układ interfejsu RS-485 szeregowym interfejsem peryferyjnym. Jednym z ciekawszych rozwiązań jest układ trójfazowy złożonego z trzech układów scalonych PCP3909 plus PIC18F2520 i mikrokontrolera PIC18F4550. PIC18F2550 dokonuje obliczeń mocy, a PIC4550 zapewnia interfejs USB z oprogramowanym komputerem. Pakiet oprogramowania, dostarczany z układem wzorcowym, umożliwia kalibrację licznika. (KKP)