Inteligentne liczniki energii elektrycznej w systemach pomiarowych

Liczniki zużycia energii elektrycznej ewoluują tak, jak rozwijają się dające im życie technologie-elektronika, energoelektronika, informatyka. Oczekujemy więcej, szybciej, dokładniej. I wraz z postępem to właśnie otrzymujemy. Nadal oczywiście spotkamy liczniki indukcyjne (elektromechaniczne). Jednak to, co oferują analogiczne urządzenia elektroniczne, jest nieporównywalnie bardziej zaawansowane pod wieloma względami. Gdzieś na szczycie tej hierarchii elektronicznych liczników prądu znajdziemy liczniki inteligentne. Co potrafią te urządzenia, że bez wahania kwalifikujemy je do tak popularnej obecnie kategorii „smart”?

Zrównoważony rozwój, inteligentne technologie

Z jednej strony postęp, który przyspiesza i usprawnia nasze życie z drugiej strony cena, którą płaci za to środowisko naturalne. Rezultatem dostrzeżenia tego problemu, czy wręcz zagrożenia, jest Agenda ONZ z 2015 roku „Przekształcamy nasz świat: Agenda na Rzecz Zrównoważonego Rozwoju 2030”. Zawiera 17 celów do osiągnięcia w takich dziedzinach jak gospodarka, społeczeństwo, środowisko. Jej wydźwięk jest jednoznaczny: nasza wspólna przyszłość. Musimy pamiętać, że nasze poczynania teraz wpłyną na jakość życia następnych pokoleń. Stąd duży nacisk na ochronę środowiska i rozwój technologii, które te proekologiczne działania wspierają. W idee zrównoważonego rozwoju wpisuje się poprawa zachowań zarówno producentów, jak i odbiorców energii elektrycznej. Zrównoważona gospodarka elektroenergetyczna polega na ograniczeniu korzystania z paliw kopalnianych, które podczas spalania emitują znaczne ilości CO2. Jej miejsce zajmuje zielona energia z OZE. Efektywność energetyczna, optymalizacja kosztów zużycia energii to wyzwania, z którymi wszyscy mierzymy się na co dzień. Zarówno w skali makro, jak i indywidualnych gospodarstw domowych. Jednak w dziedzinie oszczędności energii elektrycznej, wody, gazu nie zdziałamy wiele bez zgromadzenia odpowiednich danych. W tym celu powstały zaawansowane systemy pomiarowe (z ang. AMI-Advanced Metering Infrastructure). Umożliwiają one gromadzenie dużej ilości danych oraz dokonywanie ich szczegółowej analizy. O AMI mówimy przede wszystkim w kontekście zakładów użyteczności publicznej, takich jak np. zakłady energetyczne.

Gromadzenie danych

W przedsiębiorstwach, bez względu na ich wielkość, żeby zaplanować przyszłość, choćby nieodległą, trzeba mieć kontrolę nad teraźniejszością. Aby z kolei kontrolować teraźniejszość, musimy gromadzić m.in. informacje o zyskach, stratach i kosztach. Każdy biznes opiera się na zbieraniu danych i ich efektywnej analizie. Na podstawie różnorakich danych, zbieranych i wszechstronnie analizowanych, ustalamy strategię dla przedsiębiorstwa, także w dziedzinie optymalizacji kosztów. Również tych, o których wysokości decydują wskazania liczników prądu, wody, gazu i innych mediów. Dzięki temu uzyskujemy bezcenne informacje o poszczególnych obszarach produkcji. Dowiadujemy się, które procesy zużywają najwięcej energii, gazu, czy nawet wody. Ilość takich danych do przetworzenia jest ogromna. Ich wszechstronna analiza na wielu płaszczyznach wręcz niemożliwa do zrealizowania tradycyjnymi metodami, choćby ze względu na czasochłonność takiego procesu. Dlatego wielkim wsparciem są zdobycze informatyki, coraz bardziej zaawansowane programy i systemy typu AMR (Automatic Meter Reading) i BMS (Building Managment System), które umożliwiają zarówno szybkie pozyskiwanie danych, jak i ich analizę oraz wizualizację.

AMI w przedsiębiorstwach użyteczności publicznej

Zagadnienie AMI pojawia się przede wszystkim wtedy, gdy mówimy o przedsiębiorstwach użyteczności publicznej-zakładach energetycznych, gazowniach, zakładach wodociągów i kanalizacji itp. Rozliczamy się z nimi za zużycie mediów-prądu, gazu, wody. W praktyce oznacza to różne liczniki i kilku inkasentów, którzy przychodzą, aby "spisać licznik". W konsekwencji otrzymujemy fakturę. Jeżeli dla nas, jako klientów rachunek jest zbyt wysoki, na swoją rękę dokonujemy kontroli- notujemy, spisujemy, porównujemy. O ile z punktu widzenia odbiorcy indywidualnego jest to jeszcze do zrobienia, to w przypadku zakładów przemysłowych rzecz raczej niemożliwa do zorganizowania. I tu wkraczają AMI. Zaawansowane systemy pomiarowe powstały w celu szybkiego gromadzenia dużej ilości danych oraz ich rzetelnej, szczegółowej analizy. Nadal w centrum takiego układu jest licznik. Ale jest to licznik inteligentny, z możliwością zdalnego odczytu danych. AMI to także sieć komunikacyjna, która umożliwia wymianę danych. Wreszcie system informatyczny, który dane gromadzi i przetwarza. Taki system zdalnej komunikacji i gromadzenia oraz przetwarzania danych pomiarowych to potężne i efektywne narzędzie. Z punktu widzenia przedsiębiorstwa wygoda i oszczędność, ponieważ wszystko dzieje się samo, dane spływają, nie trzeba ich zbierać, spisywać, unikamy prostego błędu ludzkiego przy pozyskiwaniu danych. Dodatkowo AMI odgrywają nieocenioną rolę w sytuacjach kryzysowych. Na podstawie analizy danych zaalarmują o wykrytych anomaliach, które mogą skutkować przerwami w dostawach np. prądu. Dzięki temu można odpowiednio wcześniej zareagować, szybko identyfikując awarię sieci zasilającej lub kontrolowanej maszyny. W efekcie skracamy kosztowne, przymusowe przestoje produkcyjne. Dla użytkownika taka zdalna komunikacja z zakładem energetycznym oznacza nie tylko oszczędność czasu, bo nie musimy się zastanawiać, kiedy przyjdzie inkasent, albo pamiętać o wykonaniu telefonu i podaniu wskazań licznika. Otrzymujemy dostęp online do swojego konta i tam na bieżąco możemy śledzić wyniki pomiarów, porównywać np. z danymi archiwalnymi i nadzorować zużycie prądu w celu jego optymalizacji. Na podstawie takiej analizy możemy dobrać taryfę na taką, która jest dla nas korzystniejsza i tańsza. Analizując dane w przedsiębiorstwach, możemy również odpowiednio sterować urządzeniami. To z kolei pozwala ograniczać moc szczytową, a w konsekwencji zmniejszyć limit mocy przydzielonej. 

Dlaczego poświęcamy tyle miejsca zaawansowanym systemom pomiarowym? Ponieważ wkraczają w życie przedsiębiorstw i różnych inicjatyw biznesowych nie koniecznie przy okazji relacji z przedsiębiorstwami użyteczności publicznej. I można je wykorzystać dla optymalizacji kosztów w każdej firmie.

Inteligentne liczniki nie tylko do rozliczeń z zakładem energetycznym. Rozliczenia z podnajemcami

Jak już powiedzieliśmy, AMI powstają dla przedsiębiorstw użyteczności publicznej. Na podstawie wskazań smart liczników nie tylko energii elektrycznej rozliczamy się bezpośrednio z dostawcą prądu, gazu, wody. Wskazania inteligentnych liczników mogą również stanowić podstawę rozliczeń abonenckich, w biurowcach, centrach handlowych, targowiskach, domkach i mieszkaniach pod wynajem. I nie mówimy tu o liczniku głównym, którego wskazania służą do rozliczeń właściciela obiektu z operatorem OSD To rozliczenia wewnętrzne pomiędzy właścicielem lub administratorem lokalu, a jego podnajemcami. System dodatkowych liczników zdalnego odczytu, które są prostsze, a co za tym idzie tańsze. Nie potrzebujemy w takim przypadku rejestracji całego spektrum parametrów sieci, wystarczą wskazania zużycia energii w kWh. Taki system może posiadać programową "wtyczkę", dzięki której dane są przekazywane do programu księgowo-rachunkowego.

Inteligentny system pomiarowy. Z czego się składa

Powiedzieliśmy już, gdzie znajdują zastosowanie inteligentne systemu pomiarowe. Wiemy, jak duże znaczenie mają z punktu widzenia optymalizacji kosztów działania przedsiębiorstwa. W dalszej części artykułu omówimy elementy, z jakich zbudowany jest inteligentny system opomiarowania i analizy danych.

Inteligentne liczniki z możliwością zdalnej komunikacji. Na czym polega zdalny odczyt licznika prądu?

Inteligentne liczniki zużycia energii elektrycznej to takie liczniki, z którymi można porozmawiać- odpytać je z danych pomiarowych na odległość. Nowoczesne, cyfrowe liczniki zużycia energii elektrycznej wypierają te tradycyjne  mimo że ze względu na zaawansowane technologie są od nich droższe. Nie ma się co dziwić, ponieważ liczniki cyfrowe umożliwiają dokonywanie wielu pomiarów równolegle oraz, pod pewnymi warunkami, można je odczytywać zdalnie. 

Jak zbudowany jest taki nowoczesny licznik? To układ zaawansowanych procesorów oraz elektronicznych przetworników pomiarowych prądu i napięcia. Aby przejść proces certyfikacji MID, co umożliwia wykorzystanie ich odczytów do wystawiania dokumentów rozliczeniowych, faktur i rachunków, muszą również m.in. posiadać elektroniczny wyświetlacz LCD, na którym możemy przeglądać mierzone wartości. Wreszcie, aby zdalnie przekazywać dane i być elementem całego systemu zdalnego odczytu danych, taki licznik musi posiadać zintegrowany programowy i sprzętowy interfejs komunikacyjny. Z punktu widzenia użytkownika niezwykle istotne jest to, że pozyskane dzięki telemetrii dane możemy przeglądać i analizować za pomocą przeglądarki internetowej lub na "komórce" (telefonie komórkowym). Jakie funkcje oferują smart liczniki zużycia prądu? Od tych zaawansowanych urządzeń pomiarowych z komunikacją możemy m.in. oczekiwać:

  • pomiaru dwukierunkowego zużycia i produkcji energii el.:  energii czynnej i biernej, importowanej i eksportowanej 
  • bieżącego monitoringu parametrów sieci: prądów i napięć fazowych, częstotliwości, mocy, itp
  • dwukierunkowej komunikacji zdalnej
  • zdalnej konfiguracji
  • różnorodnej wizualizacji danych w systemie monitoringu i zarządzania
  • obniżenia kosztów odczytu i automatyzacji rozliczeń

Gdzie trafiają dane z liczników zdalnego odczytu? Informatyczne systemy zarządzania energią

Liczniki same w sobie danych właściwie nie zinterpretują. Nie na tym polega ich rola. Odczytywane przez nie dane muszą trafić do programu zarządzającego, który odpowiada za pracę całego systemu. Na rynku znajdziemy wiele form takiego oprogramowania. Od najprostszych rozwiązań, które odczytują liczniki na żądanie użytkownika, po rozbudowane, wielofunkcyjne propozycje. Znajdziemy oprogramowanie dla tzw. otwartych protokołów komunikacyjnych jak M-Bus, Modbus itp. Łatwo wówczas taki system rozbudować także o urządzenia, które oferują inni producenci, a które są niezbędne do budowy naszego systemu. Inne rozwiązanie stosowane przez producentów liczników to oferta własnego oprogramowania. Wówczas owszem, gdy stawiamy system oparty o liczniki i soft od jednego producenta, cały proces przebiega szybko i sprawnie. Kłopoty mogą się jednak pojawić, gdy chcemy podłączyć urządzenie spoza systemu. Wówczas jednym z rozwiązań jest dopasowanie proponowanego autorskiego rozwiązania do indywidualnych potrzeb klienta. Jeszcze inne rozwiązanie to budowa całego systemu od podstaw zgodnie z zapotrzebowaniem konkretnego klienta.

Rodzaje oprogramowania

Najprostsze i w konsekwencji tanie oprogramowanie

Niewiele nas w tym przypadku zaskoczy. Zazwyczaj w takim przypadku oznacza to:

  • podstawową konfigurację pracy systemu i -nie zawsze- liczników tworzących system;
  • „ręczny” lub cykliczny odczyt danych;
  • możliwość zapisu danych;
  • często ograniczoną możliwość eksportu danych do pliku tekstowego (.txt) lub zgodnego z formatem excel lub .csv. W takim przypadku, aby swobodnie przeglądać dane, musimy je zaimportować do innego programu bazodanowego;

Zaawansowane oprogramowanie

To wielofunkcyjne, niemal uniwersalne narzędzie do gromadzenia i analizy danych pozyskanych z inteligentnych liczników. Łączy w sobie mechanizmy zbierania danych, analizy, wizualizacji, zarządzania. Pozwala w wygodny sposób zarządzać całym systemem energetycznym przedsiębiorstwa, na który składają się nie tylko zużycie energii elektrycznej, lecz także innych nośników energii takich jak sprężone powietrze, para wodna, gaz, woda. Czego możemy oczekiwać od takiego oprogramowania?

  • Gromadzenia danych
  • Analizy danych
  • Tworzenia tabelarycznych raportów i wizualizacji danych zarówno bieżących, jak i archiwalnych w postaci wykresów, raportów przyrostowych itp.
  • Dostępu do danych on-line poprzez przeglądarkę internetową. Dzięki temu pracujemy zarówno bezpośrednio w sieci lokalnej, jak i przez internet.
  • Możliwości definiowania własnych raportów
  • Śledzenia wybranych parametrów w czasie rzeczywistym

Powiadomienia o odchyłkach od ustawionych wartości progowych. Systemowy "strażnik mocy"

Taki alarm otrzymujemy poprzez sms, e-mail, monit pojawiający się na ekranie komputera. Ale to nie wszystko. Taki nowoczesny system pozwala na takie wysterowanie wyjść cyfrowych i analogowych, że możliwa jest integracja z urządzeniami w procesie technologicznym. W ten sposób, dzięki kontroli przekroczeń wartości progowych można tak sterować urządzeniami o różnych priorytetach, że ograniczymy moc szczytową przedsiębiorstwa.

Sieć komunikacyjna. Jak przebiega zdalna transmisja danych

Skutecznie przesyłanie wyników pomiarów inteligentnych liczników wymaga odpowiedniej sieci komunikacyjnej oraz zastosowania protokołu komunikacyjnego (informatyczny format wymiany danych). Najczęściej stosowane układy to sieć RS-485, M-Bus, PLC. Są to standardy komunikacyjne, które ułatwiają np. swobodną wymianę danych także z urządzeniami innych producentów, wyposażonych w tę samą komunikację. Analogicznie, gdy licznik posługuje się powszechnie stosowanym "językiem" ( protokoły), łatwiej zintegrować go z innymi urządzeniami zarówno w obszarze sieci komunikacyjnej, jak i od strony programu. Do takich ogólnie stosowanych protokołów należą: Modbus, M-Bus, DLMS, BACnet, LonWorks. Zastosowanie protokołu komunikacyjnego zwiększa precyzję odczytów licznika. Dane odczytywane na wyświetlaczu nie odbiegają od tych, które przekazywane są do systemu. Takie odchyłki pojawiały się przy wykorzystywaniu wyjść impulsowych. W przypadku liczników inteligentnych z protokołem komunikacyjnym mamy również pewność, że odczytane przez licznik dane nie zostaną utracone w przypadku zaniku zasilania. Gwarantuje to ich zapis w pamięci nieulotnej.

Sieć skutecznej komunikacji

Inteligentne liczniki generują dane pomiarowe, które przekazywane są do programu, który je gromadzi i analizuje. To przekazanie możliwe jest dzięki sieci komunikacyjnej. Budowa sieci zdalnego odczytu zależy od wielu czynników. Znów kluczem są dane. Ile informacji będzie przekazywanych, ile urządzeń będzie te dane mierzyć i przekazywać dalej, wreszcie-gdzie będą zlokalizowane liczniki. (rozległość systemu). Wszystko to ma wpływ na wybór rodzaju komunikacji. Poniżej przedstawiamy podstawowe rodzaje z zastrzeżeniem, że w pewnych sytuacjach można je ze sobą łączyć.

Niskoprądowa przewodowa magistrala komunikacyjna

Doskonale sprawdza się w przemyśle, z jej udziałem zbudujemy stabilną sieć komunikacyjną, której pracy nie zakłócą nawet silne zakłócenia elektromagnetyczne wywołane pracą falowników, silników czy dużymi obciążeniami sieci. Niezawodną pracę tego rodzaju sieci komunikacyjnej gwarantują połączenia z zastosowaniem specjalistycznych kabli sygnałowych oraz urządzeń wspomagających jak np. konwertery, repeatory, koncentratory.

Komunikacja radiowa krótkiego zasięgu

Również ten rodzaj komunikacji sprawdzi się w miejscach, gdzie mogą występować silne zakłócenia elektromagnetyczne. Możemy ją zastosować np. w systemie rozliczeń z najemcami, gdy liczniki znajdują się w miejscach niedostępnych dla administratorów lub właścicieli budynków. Dzięki komunikacji radiowej krótkiego zasięgu (zamknięta transmisja 868 MHz), dane z inteligentnych liczników są przesyłane do lokalnego koncentratora, a stamtąd przewodowo lub bezprzewodowo do systemu centralnego.

Powerline

Bez niskoprądowej magistrali, po przewodach elektrycznych. Dane sieciowe przesyłane są po przewodach, w których jednocześnie płynie prąd. Tak przebiega komunikacja inteligentnych liczników w tym przypadku. Rozległość sieci ograniczają transformatory zasilające i separujące. Przeważnie dane z grupy liczników przejmuje koncentrator i od niego transmisja przebiega specjalna linią przewodową lub bezprzewodową.

 LAN

 Przekazanie danych pomiarowych z inteligentnych liczników lub pojedynczego urządzenia odbywa się z zastosowaniem specjalnych konwerterów TCP/IP z wykorzystaniem lokalnej sieci komputerowej Ethernet lub WiFi. Dzięki sieci ethernet można przekazać dane do wielu użytkowników, także globalnie ( zamknięte systemy intranetowe VPN).

Transmisja GPRS

To najczęściej wybierane rozwiązanie w przypadku dużego rozproszenia liczników. Przekazywanie pakietów danych do bazy centralnej odbywa się poprzez sieć GSM.

Zdalne systemy pomiarowe. Podsumowanie

Systemy zdalnego odczytu i archiwizacji danych pomiarowych to niezastąpione narzędzie w funkcjonowaniu przedsiębiorstw. Zdalne odczyty liczników energii elektrycznej, pozwalają w pełni zautomatyzować proces odczytu danych pomiarowych, przesyłania, zapisywania, analizy i archiwizacji danych. Dzięki inteligentnym systemom pomiarowym oszczędzamy czas i pieniądze. Reagując teraz, mamy realny wpływ na to, co będzie w przyszłości.