Учет электрической энергии . Системы учета

Для учета расхода электрической энергии широко используют электросчетчики. Все используемые в настоящее время счетчики можно разделить на три вида: электролитические (электрохимические), электромеханические и электронные (цифровые).

Работа электролитических счетчиков основана на химическом действии электрического тока, а именно на разложении водных растворов неорганических солей или кислот на составные части при прохождении через них электрического тока.

Электромеханические счётчики характеризуются наличием вращающейся подвижной части. Исключение составляют так называемые осциллирующие счетчики, подвижная часть которых не вращается непрерывно в одном направлении, а совершает колебательное движение.

Следует отметить, что электромеханические счетчики могут быть построены не только на основе систем с вращающейся (или осциллирующей) подвижной частью. В прошлом веке и начале этого века, например, был распространен так называемый счетчик Арона, подвижная часть которого была выполнена в виде маятника. В настоящее время, однако, широко применяются только счетчики с вращающейся или осциллирующей подвижной частью.

По принципу действия электромеханические счетчики с вращающейся подвижной частью могут быть разделены на индукционные, магнитоэлектрические, электродинамические и ферродинамические.

По роду тока электрические счетчики могут быть разделены на счетчики постоянного тока и счетчики переменного тока. Все электролитические счетчики и счетчики магнитоэлектрической системы являются приборами постоянного тока. Счетчики электродинамической и ферродинамической систем пригодны и для постоянного и для переменного тока. Индукционные счетчики могут работать только на переменном токе; на сегодняшний день данный тип счетчиков наиболее широко распространен.

Различают однофазные и трехфазные индукционные счётчики. Однофазные счетчики применяются в основном для учета энергии у бытовых потребителей, питание которых осуществляется однофазным током. Для учета энергии трехфазного тока применяются трехфазные счетчики. В зависимости от рода учитываемой энергии различают трехфазные счетчики активной и реактивной энергии. Существуют также трехфазные счетчики полной энергии. В зависимости от схемы включения трехфазные счетчики активной и реактивной энергии можно разделить на трехфазные трехпроводные, предназначенные для работы в трехпроводных сетях, и трехфазные четырехпроводные, предназначенные для работы в четырехпроводных сетях.

Таким образом, в зависимости от назначения индукционного счетчика его исполнение может быть весьма разнообразным. Однако, каковы бы ни были конкретное выполнение и схема включения индукционного счетчика, в основу его работы всегда положен один и тот же принцип. Поэтому изучение индукционных счетчиков целесообразно начать с рассмотрения их общих свойств, обусловленных индукционным принципом. Легче всего это можно сделать на примере измерительного механизма однофазного индукционного счетчика – простейшего из всех перечисленных выше. Общее устройство измерительного механизма однофазного индукционного счетчика электрической энергии и его схема включения показаны на рис. 6.1.

Вращающий элемент включает в себя два узла: цепь напряжения с сердечником 1 и цепь тока с сердечником 2. Обмотка цепи напряжения включается на напряжение сети, т. е. параллельно нагрузке потребителя, в связи с этим цепь напряжения принято называть параллельной цепью. Через обмотку цепи тока пропускается полный ток потребителя. Так как обмотка цепи тока включается последовательно с нагрузкой, то обычно эту цепь называют последовательной. Последовательная и параллельная цепи выполнены таким образом, что часть магнитных потоков, создаваемых их обмотками, пересекает алюминиевый диск 3. Диск укреплён на оси 4, вращающейся в опорах 5 и 6. Нижняя опора служит подпятником, верхняя – направляющей. Вращение подвижной части через червячно-зубчатую передачу 7 передаётся на счётный механизм счётчика.

Рис. 6.1. Принципиальное устройство измерительного механизма

однофазного индукционного счетчика электрической энергии

Тормозной магнит 8, действует на тот же диск 3, служит для создания противодействующего момента. Магнитные потоки последовательной и параллельной цепей, пересекающие диск (их называют рабочими) в отличие от потоков, не пересекающих диск, наводят, в диске токи трансформации, которые, взаимодействуя с этими потоками, создают вращающий момент.

Для учёта электроэнергии в трёхфазных трёхпроводных цепях (без нулевого провода) применяются двухэлементные счётчики. Трёхфазный двухэлементный счётчик состоит как бы из двух помещённых в один корпус однофазных счётчиков, вращающие элементы которых воздействуют на одну общую подвижную часть, соединённую со счётным механизмом. При этом вращающие моменты, созданные каждым элементом, складываются.

Счётчики с предварительной оплатой энергии. В ряде стран сравнительно широкое применение получили счётчики с предварительной оплатой электроэнергии, называемые также счётчиками-автоматами. Счётчик с предварительной оплатой представляет собой автомат по продаже электрической энергии, отпускающий энергию потребителю только после её оплаты путем опускания в механизм автомата монеты или жетона определённого достоинства. Принято считать, что счётчиками с предварительной оплатой преимущественно пользуются лица с недостаточно сбалансированным бюджетом. Особенно широко распространены счётчики с предварительной оплатой в Англии. В нашей стране такие счётчики распространения не получили.

Цифровые счетчики электрической энергии. Стремительное развитие микроэлектроники наметило качественный переворот в области создания промышленных и бытовых систем контроля, который, в первую очередь, связан с использованием встраиваемых систем управления на базе микроконтроллеров. Тенденция к подобному переходу обусловлена, с одной стороны, постоянным снижением цен на микроконтроллеры и расширением их ассортимента, и с другой, теми преимуществами, которыми цифровые системы управления обладают по сравнению с их существующими аналогами. Применительно к счетчикам электроэнергии, очевидные преимущества, связанные с переходом на микроконтроллерное управление, можно обобщить следующим образом.

В цифровых счётчиках достижим практически любой класс точности, при условии выбора соответствующей элементной базы и алгоритмов обработки информации. Отсутствие трущихся механических частей значительно повышает надежность устройства.

Обработка аналоговой информации в цифровом виде принципиально позволяет одновременно определять как активную, так и реактивную составляющие мощности, что является важным, например, при учете распределения энергии в трехфазных сетях.

Появляется возможность создания многотарифных счетчиков. При работе такого счётчика значение накопленной энергии записывается в накопительный буфер текущего тарифа. Выбор текущего тарифа осуществляется автоматически. Например, «льготный» тариф может быть установлен на ночное время и на праздничные дни; «пиковый» тариф на время от 13:00 до 15:00 в будние дни; «штрафной» тариф, может включаться при превышении установленных лимитов мощности и энергии; в остальное время действует «основной» тариф.

В цифровых счётчиках несложно реализовать внешний интерфейс, по которому можно считывать показания счетчиков, изменять тарифы, производить диагностику и управление. Цифровой счётчик может осуществлять статистические исследования, например, вычислять среднюю мощность потребления нагрузки и ее дисперсию, а также хранить информацию о накопленной энергии за произвольные промежутки времени. Например, в бытовом счётчике можно реализовать сохранение накопленной информации за год по каждому из предшествующих 11 месяцев и сделать просмотр этой информации доступным для пользователя. Использование накопленной статистической информации для прогнозирования и управления распределением энергоресурсов может в значительной степени повысить эффективность работы энергосистемы в целом.

 Цифровые счетчики могут быть организованы в единую сеть с централизованным доступом, т.е. в систему учета электрической энергии. Например, все счётчики в жилом доме объединяются по внешнему интерфейсу и через модем выходят на телефонную линию. Таким образом, связываясь по телефонной сети, можно программировать или считывать информацию с любого счётчика в доме. В такой системе может быть, например, предусмотрена предварительная оплата электроэнергии. Пользователь, в этом случае, заранее оплачивает определенное количество энергии. Информация об оплате либо непосредственно поступает на счетчик по внешнему интерфейсу, либо может быть записана на специальную электронную карточку, индивидуальную для каждого пользователя. Карточка программируется в пункте оплаты, после чего записанная информация считывается с счётчика с помощью встроенного картридера. Если лимит купленной энергии будет исчерпан, а новая оплата не внесена, счетчик отключает пользователя от энергосети. Таким образом, в подобной системе исключается задолженность платежей за электроэнергию.

Цифровые счётчики могут выполняться в различных конструктивных исполнениях. Масса и объем цифровых счётчиков значительно меньше электромеханических. Применение цифровых дисплеев позволяет значительно повысить удобство представления информации для пользователя.

 Следует отметить, что стоимость счётчиков на микроконтроллерном управлении в настоящее время несколько выше стоимости механических. Однако в перспективе следует ожидать значительного снижения цены первых.

Расчет энергии, потребляемой за определенный промежуток времени любой нагрузкой, требует интегрирования текущих значений активных мощностей в течение всего времени измерения. В электромеханических счётчиках это осуществляется механическим счетчиком. В цифровых счётчиках необходимо реализовать постоянное суммирование вычисленной величины активной мощности за определенные промежутки времени.