Технические средства учета электроэнергии в быту

В. Е. Райнин, доктор техн. наук, профессор Московского энергетического института,

В. И. Эннс, канд. техн. наук, главный конструктор направления ОАО «Ангстрем»

Изобретенный Галилео Феррарисом в конце XIX века электромеханический счетчик индукционного типа до сих пор занимает доминирующее положение в установленном парке средств учета.

В результате выпуска таких счетчиков в течение 100 лет в огромных масштабах их конструкция и технология производства отработаны в мельчайших деталях. В настоящее время это вполне совершенный прибор с относительно низкой стоимостью.

Однако опыт передовых отечественных и зарубежных фирм свидетельствует, что резервы существенного улучшения технических параметров индукционных счетчиков, по-видимому, исчерпаны.

В России это наглядно проявилось при переводе однофазных счетчиков класса 2,5 в класс 2,0. Более того, по утверждению фирмы Digital Meter Company (США), точность индукционных электросчетчиков 2% в течение 10–12 лет – фантазия производителей. Стремление отечественных предприятий любой ценой обеспечить рентабельность производства привело к тому, что в Московской области, по данным Мособлэнергонадзора, 81% индукционных однофазных счетчиков не соответствует нормам Госстандарта России по точности измерения, а 51% – имеет более чем двукратное превышение погрешности.

Следует также отметить, что индукционные электросчетчики имеют ограниченные функциональные возможности, что обнаруживается уже при создании простейших двухтарифных систем или организации дистанционного сбора показаний.

Вышеизложенное и ряд других причин обусловили создание электронного счетчика – принципиально нового прибора на основе достижений микроэлектроники. Однако первые промышленные модели однофазных электронных счетчиков выполнялись на дискретной элементной базе, имели сложные электрические схемы с большим количеством элементов и, соответственно, недостаточную надежность и высокую стоимость. Главным их достоинством была существенно повышенная точность учета при изменении тока нагрузки от 5–10 мА до 50–60 А и совместимость с другими средствами АСКУЭ. Поэтому, несмотря на функциональное и метрологическое превосходство электронных счетчиков, энергосбытовые компании России в целом не решались на заметное применение последних. Перелом наступил после 1996 года и связан с появлением специализированных микросхем – интегральных преобразователей мощности.

В частности, был разработан счетчик ЦЭ6807Б в одно- и двухтарифном исполнениях. Сначала в нем применялась микросхема КР1095ПМ1 производства ОАО «Восход», а затем был осуществлен переход на более перспективную интегральную микросхему КР1446ПМ1, созданную в ОАО «Ангстрем». За истекшие годы МЭТЗ выпустил несколько сотен тысяч указанных счетчиков, а опыт их производства и эксплуатации свидетельствует о высокой надежности принятых схемотехнических решений.

В настоящее время основные производители электросчетчиков в России, такие как МЗЭП, Рязанский приборный завод, МЭТЗ, Завод им. Фрунзе, «Электромера» и т. д., освоили стандартную номенклатуру однофазных счетчиков: однотарифные, двухтарифные (с внешним тарификатором) и многотарифные (с внутренним тарификатором). Накопленный положительный опыт их эксплуатации, особенно выполненных по технологии поверхностного монтажа, позволил ряду энергосбытовых компаний принять решение о преимущественном применении электронных счетчиков.

Анализ технических решений, примененных в счетчиках российских предприятий, позволяет сделать следующие обобщения.

В качестве измерительного преобразователя тока, как правило, используется тороидальный трансформатор тока с замкнутым магнитопроводом из аморфного железа. На первоначальном этапе это было оптимальным решением, т. к. позволяло производить высокоточные однофазные счетчики на имевшемся метрологическом оборудовании и существовавшей на тот момент недорогой элементной базе. Однако такой счетчик недоучитывает потребление энергии при питании нагрузки через однополупериодный выпрямитель вследствие насыщения магнитопровода трансформатора и в связи с этим не полностью соответствует международному стандарту МЭК-1036.

Поэтому ряд российских изготовителей стали выпускать в ограниченных количествах счетчики с измерительным преобразователем тока на основе маломощного прецизионного шунта с сопротивлением примерно 0,5–1 мОм и импортных микросхем преобразователя мощности. Основной технологический недостаток шунта заключается в наличии гальванической связи входных и выходных цепей, что требует специального метрологического оборудования для групповых испытаний счетчиков, в том числе в службах по ремонту и периодической поверки. Альтернативным, но достаточно сложным решением является применение некоторыми предприятиями индуктивных преобразователей с ненасыщающимся магнитопроводом в сочетании с прецизионным интегратором.

В проекте нового российского стандарта, вводимого с 1 января 2004 года, требование правильного поведения счетчиков непосредственного включения при несинусоидальных с постоянной составляющей токах нагрузки становится обязательным. Кроме того, вводится ряд новых испытаний по проверке точности при наличии гармоник в цепях тока и напряжения.

Ядром счетчика является интегральная микросхема преобразователя мощности. Они используют высокоскоростные аналого-цифровые методы обработки информации и позволяют создать на их базе счетчики требуемого класса точности. На российском рынке присутствуют

интегральные микросхемы преобразователя мощности отечественного и импортного производства. Их параметры и функциональные возможности во многом одинаковы, и зачастую выбор продиктован субъективными причинами и конъюнктурными соображениями.

В связи с этим хотелось бы обратить внимание на семейство из шести недорогих интегральных микросхем преобразователя мощности серии 1446ПМ, разработанных в ОАО «Ангстрем» в рамках научно-технического сотрудничества с Энергосбытом Мосэнерго и заводами МЗЭП и МЭТЗ.

В настоящее время ОАО «Ангстрем» выпускает четыре типа интегральных микросхем преобразователя мощности и готовит к выпуску еще два. Они изготавливаются по КМОП-технологии и рассчитаны на питание от источника +5 В с током потребления 2–3 мА. Интегральные микросхемы имеют внутренний источник опорного напряжения, дифференциальные аналоговые входы и частотные выходы. Они рассчитаны на диапазон рабочих температур от -40 до +85°C и предназначены для построения счетчиков класса точности 1,0–2,0. Измеряют модуль активной мощности, что исключает наиболее характерный способ хищения энергии, и позволяют настраивать постоянную счетчика регулировкой опорного напряжения, что удобно в производстве.

Интегральная микросхема КР1446ПМ1 предназначена для построения однофазных счетчиков с трансформатором тока, а интегральная микросхема 1446ПМ2 – с шунтом. Интегральные микросхемы КР1446ПМ3 и КР1446ПМ4 предназначены для построения трехфазных счетчиков с трансформаторами тока. Все микросхемы выполнены в корпусе DIP-16.

Интегральные микросхемы К1446ПМ5 и К1446ПМ6 имеют встроенные ППЗУ и контроллер для управления ЖК-индикатором и выполнены в

64-выводном пластмассовом корпусе QFP. Данные микросхемы позволяют создать надежные и недорогие многотарифные счетчики.

Большинство предприятий в простых однотарифных счетчиках применяют электромеханические отсчетные устройства, по принципу действия обладающие энергонезависимой памятью.

И это соответствует мировой практике. В тоже время при сравнительно низкой стоимости они чувствительны к сильным магнитным полям, правда, многократно превышающим международные испытательные нормы. Вопрос качества российских отсчетных устройств также не снят с повестки дня.

В многотарифных счетчиках с отображением дополнительной информации повсеместно применяют ЖК-индикаторы. Однако необходимо учитывать, что они имеют ограниченный срок службы (10–12 лет) и зачастую не обеспечивают требуемый температурный диапазон, а при отказе ЖК-индикатора возникает техническая и, возможно, правовая проблема восстановления показаний счетчика.

Обычно электронные счетчики имеют стандартный импульсный выход, используемый для поверки и дистанционной передачи показаний. При всей простоте импульсный выход обладает серьезным недостатком: после восстановления неисправного канала связи требуется повторная инсталляция показаний счетчика в устройстве сбора данных.

С целью исключения этого и по другим причинам разработчики АСКУЭ настаивают на оснащении счетчиков цифровыми интерфейсами. На сегодня для бытовых счетчиков это приводит к их заметному удорожанию.

Главная особенность АСКУЭ бытовых потребителей состоит в том, что, во- первых, необходимо организовать связь с большим количеством счетчиков, во-вторых, объем передаваемой информации от каждого счетчика и количество сеансов связи в сутки невелики и, в-третьих, высока вероятность вандализма и недоступности к счетчикам после заселения дома. Очевидна также нецелесообразность унификации технических решений при создании АСКУЭ для городской массовой застройки, элитного жилья, коттеджных поселков или сельских населенных пунктов. Существующие АСКУЭ бытовых потребителей в основном отличаются по способу физической реализации канала связи со счетчиками.

Первые АСКУЭ, установленные в Москве, имели непосредственную проводную связь устройства сбора данных с каждым счетчиком, оснащенным импульсным выходом. Они оказались трудоемкими при проведении монтажных и пусконаладочных работ и неэффективными не только с точки зрения автоматизации учета, но, самое главное, не смогли обеспечить двухтарифный учет, что вызвало поток жалоб со стороны жильцов.

Более совершенными являются системы с использованием витой пары или силовой сети. При этом могут быть применены обычные счетчики с импульсным выходом в сочетании с промежуточным «этажным» концентратором, устанавливаемым со счетчиками в одном щитке, или так называемые «интеллектуальные» счетчики с цифровым интерфейсом либо встроенным модемом связи по силовой сети. Выбор архитектуры АСКУЭ и способ связи определяются характеристикой объекта, ценовыми факторами, а также достигнутым уровнем развития технических средств. Наилучшие перспективы для АСКУЭ бытовых потребителей, безусловно, имеет способ передачи информации по силовой сети, т. к. не требует прокладки кабелей связи и фактически защищен от вандализма, а техника так называемых PL-модемов во всем мире активно развивается. Не следует также упускать возможности QSM-cвязи.

Введение дифференцированных по времени суток, дням недели и т. д. тарифов вызывает необходимость применения энергонезависимых часов с календарем. В связи с этим важно подчеркнуть особенность счетчиков с внутренним тарификатором. Дело в том, что электронные часы подвержены сбою в условиях реальных радиопомех, без внешней поддержки не обеспечивают требуемой точности хода, а наличие литиевой батареи в каждом счетчике вызывает необходимость в процедуре ее неоднократной замены в течение срока эксплуатации счетчика. Вследствие этого и с учетом повышенной стоимости таких приборов спорным является предложение создавать АСКУЭ бытовых потребителей на базе счетчиков с внутренним тарификатором. Любая АСКУЭ имеет двухстороннюю связь счетчиков с устройством сбора данных, и вполне достаточно одних общих часов на каждом локальном уровне.

В настоящее время можно утверждать, что с помощью электронных счетчиков решена задача обеспечения необходимой точности учета энергопотребления, особенно в зоне малых нагрузок, и расширен динамический диапазон измерений до 100 А для счетчиков непосредственного включения. По данным Мособлэнергонадзора, электронные однофазные счетчики позволяют ликвидировать недоучет до 10–15% отпущенной электроэнергии. Электронные счетчики доказали свою эффективность при построении на их базе автоматизированных систем учета. Дальнейшее развитие электронных бытовых счетчиков и АСКУЭ можно прогнозировать в следующих направлениях:

- создание счетчиков с повышенной защитой от хищений, вплоть до самоотключения при обнаружении нештатных подсоединений;

- создание счетчиков с ограничением потребления в случаях превышения заявленной мощности и других нарушениях договорных обязательств;

- создание счетчиков, выполняющих функцию концентратора информации о потреблении других энергоносителей;

- создание АСКУЭ с использованием современных средств беспроводной связи;

- создание АСКУЭ с контролем качества отпускаемой электроэнергии потребителю;

- создание интегрированных автоматизированных систем учета энергоносителей бытовых потребителей (холодной и горячей воды, газа, тепла и электроэнергии).