Инновационные измерительные решения для эффективности национальных энергосетей

Cегодня одним из ключевых элементов подобных сетей являются «умные» счетчики электроэнергии. В отличие от стандартных, они могут связываться как с потребителем, так и с поставщиком электроэнергии и предоставлять информацию об энергопотреблении и затратах на него в режиме реального времени.

Как известно, самой большой трудностью поставщика является снабжение электроэнергией потребителей в периоды пиковых нагрузок на сеть. Пиковые нагрузки могут быть связаны как с потребностями пользователей (например, кондиционеры в жаркую погоду), так и с выходом из строя определенного оборудования.

Цель «умных» сетей — смягчение последствий пиковых нагрузок как путем изменения поведения потребителей, так и прямым управлением их оборудованием. При выравнивании нагрузки на сеть поставщик электроэнергии может более эффективно планировать генерирование энергии и управлять ее передачей, что в свою очередь сокращает расходы на производство электроэнергии и уменьшает выбросы в атмосферу парниковых газов.

Повсеместное развертывание «умных» сетей должно обеспечить адекватные цены на электроэнергию для потребителей. При этом электроэнергия станет безопасной, надежной и доступной.

«Умные» счетчики при общении со своей сетью позволяют применять различные способы контроля и снижения нагрузки на сеть (одним из примеров может быть изменение стоимости электроэнергии в реальном времени в зависимости от нагрузки на сеть).

Благодаря наличию в доме пользователя специальных энергетических дисплеев (эко-панелей) пользователь будет предупрежден, когда наступает период пиковой нагрузки на сеть. При этом он может выключить приборы с высоким энергопотреблением (стиральная машина, фен и пр.) и включить их, когда пик нагрузки на сеть пройдет и цена на электроэнергию станет ниже. С помощью специального оборудования Demand Response Units (DRUs), управляемого «умным» счетчиком, пользователь может автоматически перепрограммировать время работы приборов с высоким энергопотреблением на то время, когда нагрузки на сеть нет вовсе и стоимость электроэнергии минимальна.

Примеры реализации «умных» сетей на практике доказывают, что эти технологии себя оправдывают и обеспечивают существенную экономию электроэнергии. Так, например, в США Федеральная комиссия по регулированию в энергетике (FERC) обнаружила, что из 140 миллионов счетчиков электроэнергии, установленных в США, 4,7% обладают «умными» функциями (1% в 2006 г.). Согласно данным FERC, благодаря использованию «умных» счетчиков экономия электроэнергии составляет 41 000 МВт, или 5,8% от общего спроса в США. Более того, во многих штатах США законодательно разрешается установка только «умных» счетчиков. Показательно также, что в ближайшие 5 лет эта страна предполагает потратить 28 биллионов долларов на переход на «умные» сети распределения энергии.

В апреле 2009 г. в Майами было объявлено о планах по установке более чем 1 миллиона «умных» беспроводных счетчиков электроэнергии в домах и на предприятиях в районе Miami-Dade. Данная инициатива включает в себя целый ряд технологий для повышения эффективности доставки электроэнергии, а потребителям она поможет эффективнее управлять своим энергопотреблением, вплоть до того, что они смогут заходить на специализированный веб-сайт, где смогут контролировать энергопотребление в реальном времени.

Методики управления нагрузкой на сеть вводились в США еще с 1968 г. С тех пор было разработано несколько программ по снижению нагрузки на сеть. Благодаря наличию прямого контроля поставщик мог отключать оборудование с большим энергопотреблением (например, кондиционер) для балансировки общей нагрузки. Пользователь, согласившийся участвовать в подобной программе, получал скидку на электроэнергию.

Подобная ситуация складывается во многих странах Европы. По данным аналитической компании Berg Insight (Гетеборг, Швеция), число установленных «умных» счетчиков будет расти на 16% до 2014 г. В конце этого периода, как ожидается, число «умных» счетчиков составит 96 млн единиц. Правительство Великобритании объявило о планах установки «умных» счетчиков в 26 млн домов к 2020 г. Благодаря более низким счетам за электроэнергию и сокращению расходов электро- и газовых компаний этот шаг позволит получить чистую прибыль от £2,5 до £3,6 миллиарда.

Предполагается, что «умный» счетчик будет центром домашней информационной сети, собирая данные с приборов и связываясь с поставщиком электроэнергии (рис. 1). Для обеспечения связи рассматривается множество сред и протоколов, включая радиотехнологии, связь через модемы по силовой сети, Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth, RS485. Для удовлетворения различным местным требованиям и стандартам архитектура «умного» счетчика должна быть не только гибкой, но и обладать возможностью расширения. При этом немаловажным фактором, который позволит оградить потребителя от несанкционированного проникновения в домашнюю сеть или доступа к его данным, является обеспечение безопасности.

Новые нормативные акты в США и Европе требуют крайне низкого энергопотребления счетчиков в активном режиме, но еще более строгие требования применяются к энергопотреблению счетчиков в режиме ожидания. Какая бы архитектура ни использовалась, требования к энергоэффективности в развитых странах сегодня стоят на первом месте. Источник питания счетчика должен эффективно работать в широком динамическом диапазоне с моментальным реагированием на изменение потребления (например, при передаче данных или выполнении других функций). Разработчикам же хорошо известно, что проектирование такого источника питания потребует немало времени и усилий.

Типовой источник питания для счетчика обычно обеспечивает на выходе 2 напряжения (5 и 12 В) при диапазоне входного напряжения 85-265 В AC, более того, он должен соответствовать стандарту California Energy Commission (CEC) / ENERGY STAR EPS v2 и CISPR22B / EN55022B. На рис. 2 показан пример такого источника питания.

Схема основана на микросхеме семейства LinkSwitch-CV компании Power Integrations и включает в себя MOSFET-ключ на 700 В, а также большое количество функций, которые делают ее удобной основой будущего источника питания. Защитные функции микросхемы: авторестарт при КЗ на выходе и разрыве цепи обратной связи, тепловая защита, увеличенное расстояние между высоко- и низковольтными выводами, что дает дополнительную надежность в помещениях с повышенной влажностью.

Схема построена по обратноходовой конфигурации, где входное напряжение попадает на первичную обмотку трансформатора T1 (выводы 1-3) и коммутируется ключом U1. Цепь D5, R3, R4, C3 ограничивает высоковольтный выброс на стоке U1, вызванный индукцией рассеяния трансформатора. U1 работает в релейном режиме для обеспечения режима CV (constant voltage) выходной характеристики. Такой схеме не требуется цепь обратной связи с вторичной цепью и оптопара. Контроль выходной характеристики осуществляется снятием напряжения со специальной обмотки трансформатора и дальнейшей его подачей на вход FB микросхемы U1.

Несмотря на малое число компонентов, во всем диапазоне входных напряжений и мощностей нестабильность напряжения составляет всего ±5% на выходе 5 В и ±10% на выходе 12 В.

П-образный фильтр L1, L2, C1 и С2 минимизирует уровень наведенных дифференциальных ЭМИ. Схема соответствует стандартам IEC950 и UL1950 Class II. Надежность конечного изделия во многом обусловлена небольшим числом компонентов. Снижение числа компонентов на 30% благодаря внедрению контроля по первичной стороне приводит к уменьшению поломок с течением времени на 22%.

Учитывая прогнозируемое количество «умных» счетчиков, которое планируется установить во всем мире в ближайшие десятилетия, можно предположить значительную экономию электрической энергии и снижение затрат на ее производство.

В России в последние несколько лет также наблюдается устойчивая тенденция перехода с «обычных» электромеханических счетчиков на «умные». Анализ рыночной ситуа-ции¹ показывает, что за последние 2-3 года при общем росте объема продаж счетчиков электроэнергии доля продаж индукционных приборов снизилась на 25-30%. Если пять лет назад на один электронный выпускалось 5 ивдукционных электросчетчиков, то в 2008 г., по данным маркетинговой компании Abercade, в России наибольший объем производства занимают «умные» электросчетчики, их доля составляет 87,2%, а индукционных — 12,8%.

Готовые решения энергосберегающих счетчиков, в том числе на основе микросхем Power Integrations, уже освоены некоторыми ведущими игроками российского рынка.

Например, компанией Макро Групп совместно с концерном «Энергомера» была разработана и внедрена схема источника питания на микросхеме TNY255PN для трехфазных счетчиков с внешним интерфейсом СЕ301, СЕ2304, ЦЭ6850М, которые запущены в серийное производство. ФГУП «Нижегородский завод им. М.В. Фрунзе» серийно производит многофункциональные электросчетчики «Микрон» ПСЧ-3АРТ.07, ПСЧ-3АРТ.08, ПСЧ-3ТА.07, используя источник питания на микросхеме LNK520GN, также разработанный совместно с Макро Групп.

Таким образом, с учетом проводимой государством инновационной политики, становится очевидно, что переход на энергоэффективные решения в ближайшее время будет решительно набирать обороты в России. Рынок «умных» устройств еще не освоен в полной мере. И именно сейчас у отечественных производителей, понимающих это, есть шанс предложить достойные решения и надолго завоевать лидирующие позиции на рынке энергосберегающих технологий.

¹ По материалам консалтинговой компании Abercade «Рынок электросчетчиков в России в 2008 году»: www.abercade.ru/research/reports/1164.htm