Рынок приборов учета электроэнергии: технологии и прогнозы.

Одной из основных задач, стоящих перед энергетическим комплексом России, является разработка инновационных направлений развития и реализация принципиально новых методов модернизации отрасли. Ожидается, что внедрение технологических нововведений позволит 
повысить надежность и качество энергоснабжения, расширит возможности по управлению потреблением и будет способствовать массовому вводу в эксплуатацию экологически чистых технологий. 

Сегодня во многих странах мира предприятия топливно-энергетического комплекса находятся в стадии трансформации. В них происходят процессы слияния, корректируются структуры управления, реформируются границы деятельности и территориального присутствия. 

Все это неизбежно влечет за собой изменение бизнес-процессов и ключевых задач, стоящих перед всеми участниками рынка, а также требует внедрения технологических новинок, соответствующих современным трендам развития энергетики.
 В частности, речь идет об «Интернете вещей» – одной из главных и наиболее перспективных современных технологий.

В России одной из актуальных задач является необходимость повышения энергоэффективности отечественной экономики. Наряду с реконструкцией и обновлением энергетической инфраструктуры важную роль играет оснащение всех категорий потребителей 
современными приборами учета электроэнергии.

В последние годы Правительством Российской Федерации был принят ряд последовательных решений, направленных на развитие коммунальной энергетики, замену счетчиков с истекшим сроком годности и повышение значения точного учета электроэнергии 
с использованием интеллектуальных систем. В свою очередь это стимулировало рост отечественного рынка приборов учета. 

Например, как следует из результатов исследования, проведенного специалистами агентства DISCOVERY Research Group, в 2010 году объем рынка автоматизированных систем коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ) розничного потребителя составлял
 около 500 тыс. счетчиков с удаленным доступом. 

На тот момент основными проблемами отрасли эксперты называли засилье контрафакта, высокий процент брака и несовершенство нормативно-правовой базы. В процессе борьбы с недобросовестными «Кулибиными», которые изобретали все новые и новые 
способы хищения электроэнергии, производители приборов учета разрабатывали инновационные методы защиты счетчиков от несанкционированного воздействия. 

В период с 2011-го по 2016 г. рынок характеризовался положительной динамикой. Рост спроса был связан с обновлением парка приборов учета на производственных предприятиях и объектах жилого фонда. Предпосылками к этому послужила необходимость
 более точного учета энергопотребления с целью повышения энергоэффективности и сокращения затрат на оплату электроэнергии. Помимо этого, немаловажными являлись такие факторы, как надежность и удобство использования новых систем учета.
 Счетчики нового поколения:

<>···ООО «НПФ «Моссар» – промышленная компания – производитель электронной техники работает в г. Марксе (Саратовская обл.). Наряду с торговым, светодиодным и осветительным оборудованием на предприятии налажено производство нескольких 
видов электросчетчиков различного функционального назначения. Например:

- приборы учета электроэнергии однотарифные однофазные. Продукция этой группы предназначена для учета активной электрической энергии в двухпроводных сетях переменного тока напряжением 230 В частотой 50 Гц. Приборы могут работать в автономном режиме или использоваться в качестве компонента автоматизированной системы сбора данных о потребляемой электроэнергии. Функцию индикатора может исполнять устройство отсчетное электромеханическое (УО) или жидкокристаллический индикатор (ЖКИ);

- приборы учета электроэнергии однотарифные трехфазные. Электрооборудование предназначено для учета активной энергии одного направления в трех- и четырехпроводных сетях переменного тока частотой 50 Гц. Эти приборы, как и электросчетчики из предыдущей категории, могут быть использованы автономно или как элемент автоматизированной информационно-измерительной системы коммерческого учета электроэнергии;

- приборы учета электроэнергии многотарифные однофазные. Они предназначены для учета активной и реактивной энергии в однофазных цепях переменного тока. Могут функционировать в автономном режиме или быть частью АИС, предназначенных для сбора данных;

- приборы учета электроэнергии многотарифные трёхфазные. Используются для одно- или двунаправленного учёта активной и реактивной энергии и мощности в трехфазных трех- или четырехпроводных сетях переменного тока. Позволяют вести тарифный учет по зонам суток. Обеспечивают долгосрочное хранение и передачу собранных данных по проводным или беспроводным каналам связи в центры сбора информации.

• АО «Электротехнические заводы «Энергомера» ежегодно выпускает более 3 000 тыс. электронных приборов учета электрической энергии. Это означает, что более 30% российских счетчиков – это оборудование, которое работает под торговой маркой «Энергомера». За 25 лет работы с конвейеров предприятия сошло 40 000 тыс. однофазных и трехфазных электросчетчиков.

Рынок с колоссальным потенциалом

            Российская энергетика входит в фазу активных изменений. Сегодня главным трендом, задающим вектор развития отрасли, можно назвать технологию Smart Grid. Для России эта концепция особенно актуальна, поскольку энергетическая инфраструктура в стране

сильно изношена. Она остро нуждается в модернизации, переоснастке и тотальном обновлении.

Впервые термин «умная сеть» был введен в обиход в 2003 году. Его использовал Майкл Берр в своей статье «Спрос надежности будет управлять инвестициями». По мнению исследователя, слабые места в энергосистеме можно сузить благодаря «новым

способностям передачи энергии и системам сетевого управления».

«Умная сеть» – это автоматизированный программный комплекс, который позволяет передавать и правильно распределять всю имеющуюся энергию между потребителями, что обеспечивает стабильную работу энергосети. При этом используются данные, поступившие от всех объектов системы и промежуточных элементов сетей. В роли технического аппарата ИС выступают цифровые управляющие.

Важным элементом технологии Smart Grid является интеллектуальный учет электроэнергии. В соответствии с этой концепцией можно выделить три приоритетных направления развития информационных технологий в сфере энергетики, которые будут оставаться актуальными на протяжении нескольких ближайших лет:

• Активное внедрение на новых и реконструируемых точках измерения «умных» электросчетчиков со стандартными коммуникативными интерфейсами, оснащенных функцией удаленного управления на основе беспроводных технологий, которые полностью соответствуют стандартам информационной безопасности. Стандарты – это обязательные или рекомендуемые к выполнению документы, определяющие подходы и методы к оценке ИБ, а также устанавливающие требования к безопасным информационным системам. Применительно к информационной безопасности такая документация выполняет ряд важнейших функций:

- во-первых, вырабатывает терминологию в области ИБ;

- во-вторых, формирует шкалу, которая позволяет измерить уровень ИБ;

- в-третьих, способствует согласованной оценке продуктов, обеспечивающих ИБ;

- в-четвёртых, повышает информационную и техническую совместимость продуктов, задействованных в сфере ИБ;

- в-пятых, выполняет функцию нормотворчества. Благодаря этому некоторые стандарты приобретают статус юридического документа, обязательного для исполнения;

- в-шестых, обеспечивает сбор и накопление информации о наиболее эффективных практиках обеспечения ИБ, а также предоставление нужных данных представителям заинтересованной аудитории – экспертам, разработчикам информационных технологий, производителям и пользователям средств ИБ.

Реализация национальных стратегий в сфере энергетики, которые основаны на технологии Smart Grid и предполагают внедрение «умных» счетчиков электроэнергии, преследует несколько важных целей. Например, энергокомпании видят в этом возможность:

1. Снизить потери энергоресурсов.
2. Эффективно бороться с неплательщиками, которые несвоевременно или не в полном объеме оплачивают потребляемые энергоресурсы.
3. Управлять неравномерностью графика электрической нагрузки.
4. Более эффективно управлять активами.
5. Повысить качество обслуживания потребителей.
6. Эффективно интегрировать объекты «зеленой» энергетики и распределенной генерации в энергосистему страны.
7. Повысить надежность функционирования энергетического комплекса в случае возникновения аварийных ситуаций и возможных сбоев в работе энергосистем.
8. Наладить двухстороннюю информационную и управляющую связь с потребителями. Это может быть передача сообщений, дистанционная смена тарифа и т. п.
9. Сделать работу объектов энергетической инфраструктуры более прозрачной.

При внедрении интеллектуальных технологий на базе «умных» сетей рядовые потребители могут решить ряд ключевых задач:

1. Улучшить качество доступа к энергетической инфраструктуре.
2. Получать более качественные услуги энергоснабжения.
3. Выйти на новый уровень взаимодействия с поставщиками энергии.
4. Стать полноправным участником энергетического рынка.
5. Расширить возможности по управлению энергопотреблением, что позволит снизить расходы на оплату потребленных энергоресурсов.

Вместе с тем развитие технологии Smart Grid выгодно и для государства, поскольку позволяет достичь таких важных целей, как:

• удовлетворенность потребителей энергоресурсов качеством энергоснабжения и доступными тарифами;
• обеспечение устойчивого финансового положения компаний, задействованных в сфере энергетики;
• возможность модернизации основных фондов и реконструкции электросетевого комплекса без повышения стоимости электроэнергии и услуг энергоснабжения.

В ногу с буквой закона

            27 декабря 2018 года президент РФ Владимир Путин подписал инициированный правительством Федеральный закон № 522-ФЗ «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации в связи с развитием систем учета электрической энергии (мощности) в Российской Федерации», который ориентирован на развитие интеллектуальных систем учета электрической энергии в стране.

Документ устанавливает порядок внедрения ИС, вводит единые требования к «умным» счетчикам и системам учета электроэнергии, а также создает базу для борьбы с коммерческими потерями электричества (хищениями). В Минэнерго считают, что принятие этого закона позволит ускорить внедрение цифровых технологий в сферу электроэнергетики и станет эффективным инструментом борьбы с неплатежами за потребленные энергоресурсы.

На этапе обсуждения законопроекта и в процессе внесения правок предполагалось, что все затраты, связанные с установкой новых счетчиков, лягут на плечи потребителей – от населения до субъектов оптового рынка. Однако в ходе работы над документом было принято решение перенести обязанности по установке, эксплуатации, поверке и замене приборов учета с потребителей на поставщиков электроэнергии.

Если в роли потребителей выступают жители многоквартирных домов, то новые счетчики должны быть установлены за счет гарантирующих поставщиков. В остальных случаях затраты понесут сетевые компании, которые имеют право в каждом отдельно взятом случае самостоятельно решать, ставить интеллектуальные системы учета или же нет. При этом принятие закона не отменяет действие механизма, при котором потребитель несет ответственность за организацию учета энергопотребления и взаимодействие с поставщиком ресурса.

Авторы законопроекта предусмотрели норму, согласно которой расходы сетевиков и поставщиков электрической энергии, связанные с приобретением и установкой новых электросчетчиков для коммерческого учета электричества на розничных рынках и в сфере ЖКХ, не берутся в расчет при государственном регулировании тарифов.

В соответствии с новым законом, начиная с 1 июля 2020 года потребители электроэнергии не вправе препятствовать обеспечению коммерческого учета. Также они не должны препятствовать контролю над осуществлением коммерческого учета электрической энергии, включая поверку счетчиков, установленных на территории земельного участка или внутри помещения, которые принадлежат потребителям на праве собственности или на ином законном основании.

Если в входе проверки окажется, что счетчик вышел из строя или передает недостоверные данные об энергопотреблении, потребитель может быть освобожден от оплаты счетов за электроэнергию вплоть до момента, пока компания не устранит неполадки или не установит новый электроприбор.

По оценкам экспертов, массовая установка интеллектуальных приборов учета электроэнергии не будет способствовать росту тарифов. Более того, переход к «умным» системам позволит разработать более гибкие условия тарифных планов оплаты, которые будут зависеть от объемов энергопотребления.

Начиная с 1 января 2021 года все новые многоквартирные дома, до ввода их в эксплуатацию, должны быть оборудованы интеллектуальными электросчетчиками и переданы на обслуживание гарантирующему поставщику.

Одним из инициаторов внедрения инноваций в сфере учета электроэнергии был депутат Государственной Думы от Республики Татарстан, первый заместитель главы думского комитета по жилищной политике и ЖКХ Александр Сидякин. Он отметил, что сегодня существует категория недобросовестных потребителей электроэнергии, которые различными способами вмешиваются в работу приборов учета с целью искажения данных. В результате им удается снизить суммы в собственных платежках, но при этом часть этих затрат перекладывается на плечи других абонентов.

Выходом из сложившейся ситуации станет внедрение интеллектуальных систем учета электроэнергии. Основными отличиями «умных» электросчётчиков от обычных является отсутствие возможности вмешиваться в работу этих приборов.

В пояснительной записке к закону авторы законопроекта указали, что создание интеллектуальных систем учета позволит снизить потери электроэнергии, обеспечит адресное воздействие на должников, лишит недобросовестных жителей возможности похищать ресурсы (поскольку вся информация будет отображаться в центре сбора данных) и сделает работу электросетевого комплекса более прозрачной.

«В чем заключается смысл «умной» системы учета? Каждый такой прибор оснащен электронной головкой, которая обеспечивает передачу данных в пределах четырех–шести км. Все это происходит в режиме онлайн. Если к интеллектуальной системе подключить весь дом,

то воровство энергоресурса станет невозможным, ведь каждое несанкционированное вмешательство непременно будет зафиксировано», – говорит Александр Сидякин.

По оценкам экспертов, в домах с высоким классом энергоэффективности (А) затраты на установку «умных» приборов учета электроэнергии окупятся в течение шести–девяти месяцев, а экономия на платежах за услуги ЖКХ может составить более 40%.

По состоянию на декабрь 2018 года в России использовалось около 300-от видов электросчётчиков, изготовленных разными производителями. Многие из этих приборов (более 90%) не соответствовали минимальным функциональным требованиям, которые предъявляются к современным интеллектуальным системам учета.

Генеральный директор, председатель правления ПАО «Россетти» Павел Левинский уверен, что морально устаревшие счетчики невозможно интегрировать в единую систему. Первым шагом в направлении создания такой системы стало принятие закона № 522-ФЗ.

Краткий экскурс в историю

Изобретению счетчика электрической энергии предшествовала череда других открытий. Без них сама идея создания такого прибора была бы бессмысленной, и даже случайное создание электросчетчика было бы совершенно бесполезным.

Все началось с открытия электричества и использования новой технологии на пользу человечеству. Первой сферой применения электроэнергии стало освещение улиц. В дальнейшем ее начали использовать для освещения помещений.

В 1827 году была сконструирована динамо-машина. Ее изобрел венгерский физик и электротехник Аньош Йедлик. Однако о своем «детище» он объявил спустя три десятилетия – в конце 1850-х годов. С этого момента появилась возможность генерировать и поставлять большое количество электрической энергии, а вместе с этим возникла необходимость ее учета.

В 1872 году был запатентован первый счетчик. Он измерял продолжительность работы лампы Самюэля Гардинера – время, на протяжении которого электроэнергия подавалась к точке нагрузки. Примечателен тот факт, что при этом все лампы, включенные в одну электрическую цепь, контролировались одним выключателем.

В дальнейшем, когда благодаря усилиям Томаса Эдисона появилась лампа накаливания с угольной нитью, стало практиковаться разветвление цепей освещения. В результате такой трансформации принцип работы этого счетчика утратил актуальность. Прибор учета электроэнергии

стал бесполезным и постепенно был выведен из употребления.

Работа счетчиков следующего поколения была основана на электродинамических и электромагнитных свойствах электрического тока. В скором времени были созданы несколько новых моделей, которые отличались друг от друга по строению и принципу действия:

• 1881 год. Эдисон запатентовал электролитический прибор, работа которого была основана на принципе электрохимического эффекта тока. Под действием тока, пропущенного через медную пластину, которую предварительно помещали в электролит, происходило осаждение меди. Разница в массе пластины до и после измерений позволяла определить расход электроэнергии. В дальнейшем, чтобы упростить процесс использования счетчика, прибор был оборудован счетным механизмом.

До конца ХІХ века использовались и другие электролитические приборы учета. В качестве примера можно привести водородный счетчик немецкой компании «Сименс Шуккерт» и ртутную модель, изготовленную на стекольном заводе «Шотт унд Геноссен». Они измеряли только ампер-часы и были совершенно непригодны к использованию в условиях перепадов напряжения.

• 1884 год. В Германии был создан первый маятниковый счетчик. Эту модель разработал Герман Арон. Принцип работы этого измерительного прибора заключался в подсчете энергии, которая использовалась при запуске маятника. Счетчик позволял измерять ампер- и ватт-часы. Ему была свойственна одна отличительная особенность: прибор можно было использовать только в сетях постоянного тока. Конструкция маятникового счетчика состояла из двух часовых механизмов, поэтому его производство было довольно-таки затратным. Вскоре им на смену пришли моторные измерительные приборы.
• 1885 год. С развитием прогресса стали активно развиваться и системы распределения энергии. Однако основным препятствием на пути создания больших систем стала невозможность изменения разницы потенциалов в цепях постоянного тока. В 1885 году был изобретен трансформатор, который помог склонить чашу весов в долгом противостоянии сторонников распределительных сетей переменного и постоянного тока в сторону первых. Старания изобретателей и инженеров решить вопрос учета электроэнергии переменного тока привели к целой череде открытий. Например, в 1885 году Галилео Ферарис, а в 1888 Никола Тесла и Оливер Б. Шелленберг в результате независимых исследований открыли эффект вращающегося электрического поля. Этот принцип был положен в основу работы первого счетчика количества электричества для переменных токов, изобретенного Шелленбергом в том же 1888 году. Противодействующий момент создавался с помощью винтового механизма. В таком приборе отсутствовал момент напряжения, поэтому он не подходил для работы с электродвигателями.
• 1889 год. Венгерский электротехник Отто Титус Блати изобрел индукционный счетчик электрической энергии переменного тока, который был назван его именем. В патенте было записано: «Этот измерительный прибор состоит из металлического вращающегося тела, такого как диск или цилиндр, на который воздействуют два магнитных поля, сдвинутые по фазе друг относительно друга. Такое смещение происходит в результате того, что одно поле образуется главным током, а другое создается катушкой с высокой самоиндукцией, которая шунтирует те точки цепи, где измеряется количество потребляемой электроэнергии. Но эти магнитные поля не пересекаются в теле вращения, а проходят через разные его части».

Благодаря этому принципу в приборе было достигнуто внутреннее смещение фаз почти на 90°, что позволило определять ватт-часы с большей точностью. Одним из компонентов конструкции был тормозной электромагнит, обеспечивающий обширный диапазон измерений. Первые измерительные устройства делали 240 об./мин. Изначально их вес достигал 23 кг. Со временем его удалось снизить до 2,6 кг.

Параллельно с разработками счетчиков электроэнергии для переменного тока велись работы по созданию альтернативных моделей с использованием мотора. В 1889 г. инженер из Америки Элиху Томсон разработал «самопищущий ваттметр». Эта модель представляла собой двигатель с якорем, лишенный металлического сердечника. Он запускался в действие при помощи электрического напряжения, которое проходило через катушку и резистор. Прибор функционировал по принципу измерения произведения силы тока и напряжения, которое было пропорционально вращающему моменту. Счетчик использовался для учета постоянного электрического тока. Эта модель стала первым прибором, который измерял потребляемую мощность. Ее основным недостатком эксперты называют наличие коллектора.

• 1894 год. По заказу компании Westinghouse Шелленберг разработал индукционный прибор учета ватт-часов с барабанным счетным механизмом. В нем катушки напряжения и тока были установлены на противоположных сторонах вращающегося диска, движение которого замедлялось действием двух магнитов. Этот прибор также был массивным и достаточно габаритным.
• 1899 год. Была разработана усовершенствованная модель прибора учета ватт-часов активной энергии переменного тока типа «А». Функцию ротора в ней выполнял вращающийся цилиндр со спиралеобразной прорезью, который устанавливался в зоне действия катушек напряжения и тока. К основанию цилиндра прикреплялся диск. Он притормаживал вращение ротора при помощи магнита. В этом счетчике регулирование коэффициента мощности предусмотрено не было.

После этого в истории развития приборов учета электроэнергии начался этап усовершенствования уже созданных конструкций. Инженеры стремились расширить диапазон нагрузки, уменьшить вес и габаритные размеры счетчика. К числу таких трансформаций можно отнести компенсацию изменения коэффициента нагрузки, напряжения и температуры.

На смену подпятникам пришли шарикоподшипники, двойные камни и магнитные подшипники. Благодаря этому удалось устранить трение. В дальнейшем были улучшены качественные характеристики тормозных электромагнитов, из опоры и счетного механизма удалено масло, что позволило продлить период стабильной работы прибора.

В процессе модернизации конструкции электросчетчиков на фоне распространения электричества появилась концепция многотарифных приборов учета с локальным или дистанционным управлением. К началу ХХ века были сконструированы счетчики максимальной нагрузки, предварительно оплаченной электроэнергии и «Максиграф».

В системах учета энергии электронные технологии долгое время оставались невостребованными. Так продолжалось вплоть до того момента, пока в 70-х годах прошлого века не появились первые аналоговые и цифровые интегральные микросхемы, что послужило импульсом

к развитию электрических счетчиков.

Первым делом были созданы точные стационарные приборы. В основу их работы был положен принцип времяимпульсного умножения. Также использовались ячейки Холла. Чаще всего они применялись в конструкции коммерческих и квартирных счетчиков электроэнергии.

В 1980-х годах появились первые гибридные модели. Они сочетали в себе электронные тарифные единицы и индукционные элементы. Следует признать, что эта технология не прижилась и на практике применяется крайне редко.

Идея снятия показаний со счетчиков в удаленном режиме была озвучена в 60-х годах ХХ века. Первые попытки реализовать ее на практике были основаны на методе дистанционной импульсной передачи. В дальнейшем ему на смену пришли новые протоколы, разработчики электрооборудования начали использовать инновационные средства передачи данных.

Современные приборы учета электроэнергии функционируют на базе новейших информационных технологий. При этом широкий выбор опций обеспечивается встроенным программным обеспечением.

Классификация счетчиков электроэнергии

            Электросчетчики делятся на несколько видов:

            По типу конструкции приборы учета электроэнергии могут быть индукционными и электронными.

            По типу подключения в силовую цепь счетчики бывают двух видов:

• Прямого включения;
• Трансформаторного включения. Такие устройства включаются в цепь через специальные измерительные трансформаторные установки.

По количеству фаз электросчетчики бывают:

• Однофазные. Они предназначены для измерения переменного тока 220 В, 50 Гц. Могут быть установлены и в трехфазных сетях при условии, что на каждую из фаз будет приходиться по одному однофазному счетчику;
• Трехфазные. Они предназначены для измерения активной и реактивной энергии в электросетях переменного тока 380 В, в которых частота составляет 50 Гц. Все современные модели могут вести и однофазный учет. Также на рынке представлены трехфазные приборы учета для измерения тока напряжением 100 В. Однако они используются только с трансформаторами тока в высоковольтных цепях.

По числу тарифов счетчики могут быть:

• Однотарифные. Такие модели предназначены для учета энергопотребления в квартирах, жилых домах, офисных помещениях и т. д. Они круглосуточно ведут подсчет потребленной абонентом электроэнергии по одной и той же схеме и исключительно по одному тарифу.

• Многотарифные. В настоящее время во всех регионах России тарифы на электроэнергию дифференцируются по времени суток. Это означает, что ночью электроэнергия стоит в разы дешевле, чем в дневное время суток. Установка многотарифного прибора учета помогает сократить суммы в квитанциях за электроэнергию на 30-60%. Помимо этого, использование некоторых многотарифных счетчиков позволяет проводить пофазовый мониторинг параметров работы сети с фиксацией минимальных и максимальных нагрузок. От установки таких приборов выигрывают не только потребители, но и поставщики энергии.

Особенности конструкции индукционных счетчиков

Сегодня для учета электроэнергии, которую потребляют потребители России в бытовых или производственных целях, используются индукционные и электронные счетчики. Друг от друга они отличаются как по технологии изготовления, конструкции, так и по принципу действия.

Неотъемлемыми элементами индукционного (электромеханического) прибора учета электроэнергии являются неподвижная токовая катушка (имеет последовательное подключение) и обмотка напряжения (подключается параллельно нагрузке). Два этих компонента образуют вращающееся электромагнитное поле, которое приводит в движение токопроводящий диск, изготовленный из алюминия или латуни. Количество его оборотов пропорционально показаниям электросчетчика. С помощью установленного на оси червяка все вращения такого диска передаются на счетный механизм.

Катушки изготавливаются из провода с большим сечением, что позволяет выдерживать большую нагрузку. Витки обмотки равномерно распределяются на двух стержнях стального магнитопровода U-образной формы. Функция сердцевины заключается в создании магнитного потока определенной концентрации, который вращает счетный диск.

Катушка напряжения подключается к фазе напряжения сети. Она, как и потребитель, всегда находится в действующем (работоспособном) состоянии, поэтому такая обмотка называется параллельной. Катушка необходима для генерации магнитного потока, пропорционального

сетевому напряжению.

Основными конструктивными отличиями обмотки напряжения от катушки тока являются:

1. Большее количество витков (8 000 – 12 000 шт.);
2. Небольшое сечение проводника (0,1 – 0,15 мм²).

Угол сдвига между потоком напряжения и тока должен составлять 90 электрических градусов. Если это правило не соблюдается, электромеханический счетчик допускает погрешность в изменениях. Регулирование угла выполняется при помощи специальных шунтов.

Большое количество витков создает более высокое индуктивное сопротивление, чем имеет активное сопротивление обмотки. Эта особенность конструкции важна для соблюдения правила сдвига на 90°. К тому же она позволяет минимизировать энергопотребление на однофазном счетчике.

При прохождении тока по катушкам электромеханического прибора в сердечниках обмоток возникают переменные магнитные потоки, которые пронизывают диск и индуцируют в нем вихревые токи. Для создания противодействующего момента, пропорционального скорости движения диска, применяются тормозные магниты. Создаваемый ими магнитный поток пересекает вращающийся диск и образует токи резания, которые всегда соблюдают скорость вращения пропорционально диска.

Это означает, что индукционный счетчик работает с определенной закономерностью: чем больше мощность энергопотребления, тем быстрее вращается счетный диск. Момент противодействия, который формируется при взаимодействии магнитного потока и дискового тока, всегда пропорционален скорости вращения.

Принцип работы электромеханического прибора учета электричества аналогичен принципу работы асинхронного двигателя: диск может вращаться как в одну, так и в другую строну. Для того чтобы изменить направление вращения, достаточно сменить направление тока в одной из катушек.

Этой особенностью активно пользуются недобросовестные потребители и поставщики электроэнергии, которые самовольно вмешиваются в работу прибора. Они могут отматывать показания и тем самым искажать результаты измерений.

      Еще одним существенным недостатком индукционного электросчетчика является отсутствие системы дистанционного снятия показаний в автоматическом режиме, поэтому такой прибор может быть только однотарифным.

Наряду с определенными минусами таким приборам свойственны свои плюсы:

• относительно низкая стоимость;
• надежность;
• невосприимчивость к перепадам напряжения;
• долговечность;
• возможность приобрести прибор в большинстве магазинов, специализирующихся на продаже электротоваров.

Особенности конструкции электронных счетчиков

Электронный прибор для учета электрической энергии – это преобразователь аналогового сигнала в частоту следования импульсов. В результате подсчет этих импульсов позволяет определить количество потребляемой энергии. По сравнению с индукционными счетчиками

электронные модели обладают целым рядом преимуществ:

1. В их конструкции отсутствуют вращающиеся компоненты. Счетный механизм приводится в движение при помощи специализированной электроники.
2. Электронные приборы учета способны обеспечить более обширный интервал входных напряжений.
3. На базе электронного счетчика можно организовать многотарифные системы учета.
4. Функционал таких приборов позволяет измерять суточные максимумы нагрузки, а также отслеживать энергопотребление не только в настоящий момент, но и за определенный период времени.
5. Наряду с измерением потребления электроэнергии определяют потребляемую мощность.
6. Легко вписываются в конфигурации автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ).
7. В электронном счетчике средством счета является микроконтроллер – обязательный атрибут современного прибора. В роли табло, на котором отображаются показания, выступает цифровой дисплей. Эти особенности конструкции позволили сократить габаритные размеры устройства и снизить его стоимость.
8. Электронные модели характеризуются высоким классом точности.

Конструктивно электросчетчик состоит из нескольких компонентов. В их число входят:

• измерительный трансформатор тока;
• дисплей жидкокристаллического индикатора (ЖКИ);
• микроконтроллер;
• супервизор;
• часы реального времени;
• источник питания электронной схемы;
• телеметрический выход;
• корпус с клеммной колодкой.

Рассмотрим функционал каждого элемента более детально.

            ЖКИ – это многозарядный буквенно-цифровой индикатор. Он предназначен для информирования пользователя о режимах работы. Помимо этого, на табло отображаются данные о количестве потребленной электроэнергии, текущая дата и время.

            Микроконтроллер – это специализированная вычислительная микросхема, которая выполняет весь спектр основных функций по управлению, преобразованию и измерению. На вход такого чипа соответствующие датчики передают данные о напряжении и силе тока. Изначально эта информация транслируется в аналоговом виде. Внутри микроконтроллера она оцифровывается и преобразуется в импульсные сигналы. Их частота прямо пропорциональна потребляемой мощности нагрузки, подключенной к прибору учета. После этого импульсы передаются на счетный механизм. В бюджетных моделях это электромагнит, согласованный с зубчатыми передачами на колеса с цифрами. Более дорогостоящие электронные приборы учета электроэнергии оборудованы дополнительным микроконтроллером, который подключается к основному чипу

и к цифровому дисплею. Он фиксирует все результаты измерений, накапливает их в энергонезависимой памяти и выдает результат на экран (дисплей).

            Набор опций и сервисных функций, которые способен выполнять и контролировать микроконтроллер, зависит от программного обеспечения и технического задания, поставленного перед специалистом ИТ-службы на этапе программирования прибора.

            Супервизор предназначен для формирования сигнала сброса, который подается на микроконтроллер в момент включения или отключения питания. Помимо этого он отслеживает изменения входного напряжения.

            Часы реального времени отсчитывают время и текущую дату. В некоторых моделях эти функции выполняет микроконтроллер. Однако для того, чтобы высвободить мощность и уменьшить загруженность этого элемента, разработчики нередко устанавливают дополнительную микросхему.

Источник питания обеспечивает получение напряжения для подпитки микроконтроллера и других компонентов электронной схемы.

            Телеметрический выход используется при подключении к АСКУЭ или компьютерным системам.

            Сегодня электронные приборы учета в большинстве случаев эволюционируют за счет добавления дополнительных функций-«наворотов». Например, некоторые современные модели могут мониторить состояние питающей сети и передавать собранные данные в диспетчерские центры.

Часть электросчетчиков поддерживает функцию ограничения мощности. Такие приборы отключают потребителя от сети в тех случаях, когда потребляемая мощность превышает максимально допустимое значение. Отключение также возможно, если потребитель использовал установленный лимит электроэнергии или сумму предоплаты. При этом некоторые устройства оснащены считывателем банковских карт, что позволяет пополнить баланс.

АСКУЭ: интеллект наступает

«Интернет вещей» – это нечто большее, чем просто модный тренд. Это технология, которая будет задавать вектор развития всех отраслей российской экономики на несколько ближайших лет. Хотя в то время как эксперты описывают преимущества ІоТ и рассказывают, как объединение различных предметов с помощью интернета способно повысить качество жизни россиян, энергетики уже успели испытать их на практике.

В топливно-энергетическом комплексе межмашинные коммуникации (М2М) начали использовать еще до появления цифровых технологий. Во времена Советского Союза автоматизированный учет передачи и потребления электроэнергии активно продвигался на уровне Министерства энергетики и электрификации. Первые очереди АСКУЭ были введены в эксплуатацию в 80-х годах прошлого века.

Современные автоматизированные системы коммерческого учета энергии также функционируют по принципу М2М. По сути, это автоматизированный обмен данными между электросчетчиками и сервером. В западной терминологии для определения этого понятия используется слово smartmetering, что в переводе на русский язык означает «интеллектуальные измерения». Но в России этот термин не получил широкого распространения. Поэтому когда речь заходит об отечественных АСКУЭ, принцип М2М подразумевается автоматически.

Очередные шаги на пути создания автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии были предприняты вскоре после появления микропроцессоров. Следует признать, что такие устройства были достаточно дорогостоящими. Поэтому внедрение АСКУЭ могли себе позволить только крупные производственные предприятия. Над разработкой таких систем трудились НИИ. Перед специалистами стоял ряд важных задач:

• оборудовать индукционные приборы учета электроэнергии датчиками оборотов;
• создать устройства, которые могли бы подсчитывать поступающие импульсы и передавать полученный результат электронно-вычислительным машинам (ЭВМ);
• обеспечить возможность накопления в ЭВМ собранной информации;
• разработать алгоритмы формирования отчетной документации.

Себестоимость первых АСКУЭ, как и их комплектующих, была высокой. К тому же это были ненадежные комплексы, предоставлявшие лишь минимум информации. Однако их создание заложило прочный фундамент, на котором в дальнейшем развивались новые поколения автоматизированных систем учета электроэнергии и мощности.

Появление ПК и изобретение электронных счетчиков открыли новый этап в развитии АСКУЭ. Катализатором процесса стало активное внедрение сотовой связи, позволившее создавать беспроводные системы, поскольку на этапе разработки проектов важным оставался вопрос организации каналов связи.

В чем заключается основное назначение автоматизированных систем учета электроэнергии? АСКУЭ дает возможность дистанционно снимать и передавать показания от подключенных к ней приборов учета по зашифрованным каналам связи на сервер или компьютер, на котором установлено специальное ПО, позволяющее учитывать энергопотребление и администрировать работу счетчиков в удаленном режиме. Помимо этого, установка такой системы позволяет:

• оперативно анализировать и прогнозировать энергопотребление (выработку электроэнергии);
• определять технологические потери и расходы;
• выполнять анализ стоимостных показателей;
• управлять режимами энергопотребления в любой момент времени.

Автоматизированные системы контроля и учета электроэнергии востребованы там, где уже создана или находится на этапе внедрения территориально распределенная сеть потребителей электричества и где необходимо получать отчеты по каждому из них в отдельности.

Это могут быть частные домохозяйства, коттеджные поселки, дачные массивы, многоквартирные жилые дома, бизнес-центры и т. д.

Сегодня без АСКУЭ невозможно представить энергоэффективность промышленных предприятий, агропромышленных комплексов, транспортных и логистических компаний, железной дороги, аэропортов, объектов ЖКХ и социальной инфраструктуры.

Автоматизированный учет энергоресурсов гарантирует мгновенное получение максимально точных показаний об энергопотреблении каждого абонента, на территории которого установлен прибор учета. При этом исключены ошибки в расчетах, и потребители лишаются возможности вмешиваться в работу электросчетчика с целью корректирования показаний вручную (махинаций).

Также становится ненужным штат контролеров, которые с определенной периодичностью ходят по объектам и проверяют правильность подачи данных о количестве использованной энергии. Помимо этого, АСКУЭ способна оперативно выявить вышедший из строя прибор учета, проинформировать оператора о нарушении целостности корпуса счетчика и несанкционированном вскрытии пломбированной клеммной коробки.

Основной алгоритм организации автоматизированной системы учета электроэнергии выглядит так:

• в точках учета устанавливаются высокоточные электронные счетчики;
• обеспечивается передача цифровых сигналов в сумматоры, снабженные собственной внутренней памятью;
• создаются каналы связи, обеспечивающие передачу данных на следующий уровень;
• организовываются центры обработки информации, которые оборудованы современными компьютерами со специальным ПО.

            Большинство современных счетчиков оснащено интерфейсом для подключения к автоматизированным системам контроля и учета. Те модели, у которых такой функции нет, могут быть оборудованы оптическим портом. Это позволит снимать показания счетчика непосредственно на месте его установки. В таких случаях информация считывается в ПК.

            Для снятия показаний удаленно в системах АСКУЭ могут быть использованы как электронные, так и электромеханические счетчики. Приборы с маркировкой, где присутствует буква «Д», оснащены телеметрическим выходом, который обеспечивает передачу информации в систему дистанционного сбора и обработки данных.

            По оценкам экспертов, индукционные счетчики все же можно ввязать в современные системы АСКУЭ. Для этого импульсная последовательность преобразовывается в интерфейс RS-232. Такой адаптер легко программируется, неприхотлив в использовании и представляет собой несложную электронную схему. Однако на практике делать этого не стоит. Электромеханические счетчики уже отживают свой век, им на смену приходят электронные. Сегодня индукционные модели чаще используются как локальный прибор учета энергопотребления.

            В процессе разработки современных АСКУЭ практически повсеместно используются электронные счетчики. Они открыты для «цифры», проще включаются в конфигурации автоматизированных систем и обладают колоссальными сервисными возможностями.

Учету суждено поумнеть

Одним из элементов умных сетей электроснабжения Smart Grid на розничном рынке электроэнергии (РРЭ) являются системы интеллектуального учета Smart Metering. Они способствуют переходу от централизованной генерации к распределенной и передаче энергии за счет двунаправленной связи со счетчиками электроэнергии. Ключевыми признаками, которые демонстрируют наличие Smart Metering у электросчетчиков, являются:

1. Нововведения в меньшей степени касаются принципа измерений электроэнергии, а в большей степени затрагивают функционал прибора.
2. Наличие дополнительных функций. Как правило, это измерение мощности за короткие периоды, коэффициента мощности, отсчет дат и времени, измерение продолжительности провалов и отсутствия напряжения.
3. Приборы учета оснащены функцией самодиагностики и защищены от несанкционированного вмешательства в работу счетчика. В специальном журнале они фиксируют все события: вскрытие корпуса, воздействие сильного электромагнитного поля и другие манипуляции, воздействующие на информационные входы и выходы.
4. Возможность управлять нагрузкой и подавать команды на включение или выключение электроприборов.
5. Возможность интеграции измерений и учета всех энергоресурсов для поиска решений, которые позволят сократить сумму в счетах за электроэнергию.

«Эльстер Метроника» – это ведущая компания России, которая специализируется на производстве оборудования для автоматизированных систем учета электроэнергии и разработке программного обеспечения для АСКУЭ. Помимо этого предприятие предлагает комплексные решения «под ключ», созданные на базе новейших наработок.

25 марта текущего года приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (ФАТРИМ) одно из таких решений было утверждено в качестве средства измерения по типу ИС-1, в соответствии с ГОСТ Р 8.596-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения».

Речь идет об ИС АСКУЭ «Альфа Смарт Метроника». Система полностью соответствует требованиям действующего законодательства в области обеспечения обязательного функционала «умных» систем учета электрической энергии. Все нормированные метрологические характеристики измерительных каналов указаны в эксплуатационной документации на изделие.

Применение на РРЭ серийно выпускаемых АСКУЭ характеризуется рядом важных преимуществ:

1. Установка и использование системы не нуждается в дополнительных расходах, связанных с метрологической сертификацией.
2. Поверка измерительных каналов осуществляется в соответствии с утвержденной методикой и может быть проведена специалистами местного центра стандартизации и метрологии (ЦСМ).
3. Не нуждается в разработке и аттестации новой методики измерений.
4. В ходе эксплуатации АСКУЭ можно удалять и вводить новые измерительные каналы.

Система интеллектуального учета с централизованным управлением поддерживает распределенную функцию выполнения измерений, собирает и обрабатывает данные в автоматическом режиме. Наряду со «стандартным набором» в АСКУЭ могут быть установлены дополнительные элементы:

• измерительные трансформаторы тока (ТТ);
• измерительные трансформаторы напряжения (ТН).

АСКУЭ «Альфа Смарт Метроника» может быть использована для поквартирного учета энергопотребления в многоквартирных домах. Также ее можно устанавливать в распределительных сетях и на объектах генерации, действующих на розничном рынке электроэнергии.

Не по протоколу?

            Рынок технологии Smart Grid в мире активно развивается. В последние годы к внедрению инновационных решений приступило большинство индустриально развитых стран. Даже многие развивающиеся государства рассматривают возможность и оценивают перспективы реализации проектов, направленных на развитие «умных» сетей.

            Наиболее масштабные программы разработаны и уже внедряются в Соединенных Штатах, Канаде и ЕС. От них не отстают страны Азии – Китай, Япония и Южная Корея. Принято решение, предусматривающее реализацию аналогичных программ в энергетической сфере Индии, Мексики и Бразилии.

            Например, уже к началу будущего года Китай планирует оснастить интеллектуальными измерительными системами около 95% потребителей. Ожидается, что к 2020 г. в США уровень оснащенности смарт-счетчиками достигнет 50-60%. В среднесрочной перспективе 100%-ого оснащения могут достичь в США, Японии, Китае, Бразилии и в большинстве стран Европы.

            В структуру информационной сети Smart Grid входит множество узлов и технических элементов. Применительно к потребителям электроэнергии такими элементами являются электроприборы, «умные» счетчики, электротранспорт, системы аккумулирования энергии и объекты малой энергетики.

            Когда речь заходит о передаче и распределении энергии, к числу элементов информационной системы можно отнести блоки измерения фаз, объекты распределенной генерации, контроллеры для автоматизации и диспетчеризации оборудования подстанций, накопители энергии.

            В операционном домене компонентами информационной системы являются SCADA – системы диспетчеризации, автоматизированного управления динамическими процессами и сбора данных. В свою очередь, каждый из этих элементов может состоять из подсетей и собственных динамических систем. Все это значительно усложняет архитектуру сети, одним из основных компонентов которой является информационная безопасность.

            Согласно общепринятому подходу, ключевым элементом информационных систем Smart Grid является межсетевой протокол IP. Он выполняет простые, но очень важные функции: объединяет отдельные компоненты в единую сеть, обеспечивая доставку данных между любыми узлами сети через произвольное число промежуточных маршрутизаторов. Под узлом понимается любое устройство, подключаемое к сети Интернет.

            Основные преимущества использования IP-протоколов:

• Широкая распространённость технологии. IP-адрес – это неотъемлемая часть любой сети, даже той, что состоит из двух-трех компьютеров и создается на основе WiFi;
• Огромное количество уже разработанных отраслевых стандартов;
• Значительное число созданных соответствующих программ;
• Высокая масштабируемость решений, построенных на принципах IP. Эта особенность позволяет включать в ИС огромное количество компонентов. К тому же для создания благополучной производственной среды важно наличие системы баз данных, которые можно быстро и просто масштабировать по мере развития и связанных с этим изменений потребностей бизнеса.

Важную роль в формировании перспектив мирового рынка интеллектуального учета энергии играет унификация интерфейсов передачи данных: от счетчиков на местах к концентраторам, а в затем от концентраторов – к центрам обработки информации. В странах Европейского Союза активно используются интерфейсы с помощью GSM/GPRS каналов, PLC- и радиоканалов.

            На сегодняшний день одной из наиболее актуальных задач является повышение энергоэффективности отечественного топливно-энергетического комплекса и экономики страны в целом. Правительство Российской Федерации реализует политику, которая предусматривает комплексную модернизацию энергетической инфраструктуры. Неотъемлемой частью этого процесса является оснащение всех категорий потребителей современными эффективными решениями в сфере учета и «умного» управления энергопотреблением.

            В феврале 2019 года в одном из своих интервью совладелец компании «Современные Радиотехнологии» (бренд «СТРИЖ») Андрей Шипелов рассказал о готовности СРТ предоставить производителям интеллектуальных приборов учета электроэнергии свой протокол для передачи данных.

Речь идет о XNB – энергоэффективном LPWAN-протоколе дальнего радиуса действия. Он обеспечивает передачу данных на расстояние до 40 км даже в условиях сложной городской среды с минимальными затратами энергии. Особенностью этого протокола является высокая проникающая способность. Сигнал проникает даже сквозь толстые стены и в подвальные помещения, недоступные для GSM.

            По словам Андрея Шипелова, XNB-протокол является единственной технологией российского производства, которая не ориентируется на зарубежные стандарты, а работает по отечественным ГОСТам (ГОСТ Р 34.12-2015 «Информационная технология. Криптографическая защита информации. Блочные шифры»). Данные шифруются алгоритмами XTEA-256. Личный кабинет ««СТРИЖ.Cloud»» защищён двухфакторной аутентификацией 2FA.

            «Это уникальное решение, новый стандарт, который пока еще не получил широкого распространения. Но наша компания готова открыть его полностью для российского рынка», – сказал А. Шипелов. СРТ распространяет специальный комплект разработчика, с помощью которого любая компания-производитель может создать собственное устройство в технологии XNB. Помимо этого ведутся разработки XNB-чипа, который позволит сторонним устройствам работать по этому протоколу.

            Заместитель министра связи и массовых коммуникаций Российской Федерации Алексей Соколов обратился в Минэнерго с предложением использовать радиотехнологию LPWAN и протокол XNB для передачи данных с интеллектуальных приборов в системы «умного» учета электроэнергии. Однако в Министерстве энергетики эту инициативу не поддержали. Ответили, что не видят необходимости закреплять технологии передачи данных нормативными документами.

            В Минэнерго было принято решение создать стандарт – единый «прикладной протокол» передачи данных, который способен обеспечить взаимозаменяемость счетчиков, изготовленных разными производителями, а также совместимость электрооборудования в случае, если возникнет необходимость корректировки схем и технологий передачи информации. По мнению специалистов, к созданию единых протоколов для различных сред передачи данных можно приступать только после того, как будет разработан и принят прикладной протокол.

            На этапе разработки документа необходимо учитывать важность обеспечения информационной безопасности. Незаконный перехват данных и несанкционированное вмешательство в функционал системы управления интеллектуальными счетчиками может привести к серьезным сбоям в работе сети и оставить без электроэнергии целый город. Ведь DDoS-атаки с использованием «умных» приборов, которые выполняются одновременно с огромного количества компьютеров, фиксируются в РФ, начиная с 2016 года.

            В качестве альтернативы протоколу XNB председатель технического комитета «Кибер-физические системы» при Росстандарте Никита Уткин предлагает использовать:

• первый утвержденный в России национальный стандарт открытого протокола NB-Fi. Это протокол беспроводной передачи данных малого объема на больших расстояниях при минимальных затратах энергии;
• международный протокол NB-IoT, который используется сотовыми операторами для подключения умных устройств к сетям LTE;
• международный протокол LoRa, который работает на специализированных сетях узкополосной передачи данных для IoT;
• LTE-M – эта технология открывает новый этап в развитии мобильных  сетей. Она предназначена для подключения множества различных IoT-решений (например, смарт-счетчиков), которые расходуют минимум энергии, работают с небольшими скоростями передачи данных и передают небольшие объемы информации к обычным сетям сотовой связи. Технология характеризуется улучшенным качеством сигнала (по сравнению с LTE).

По оценкам экспертов из Vygon Consulting, на внедрение интеллектуальных систем учета в период 2022-2030 гг. может быть израсходовано от 40 до 60 млрд руб. ежегодно. В следующем десятилетии объем рынка «умных» счетчиков может достигнуть отметки в 65 млрд руб. в год. В процессе подсчета аналитики исходили из того, что ежегодно будет устанавливаться 9 млн приборов по цене 6–10 тыс. руб. каждый.

В рамках реализации программы цифровизации ПАО «Россети» планирует установить около 22 млн «умных» счетчиков. Наряду с надежностью, доступностью инфраструктуры и улучшением финансового состояния группы оператор электрических сетей России нацелен на инновационное развитие.

Например, инновации внедряются в систему учета электрической энергии. В рамках программы цифровизации «Россети» развивают интеллектуальные технологии учета. Генеральный директор компании Павел Левинский считает, что заказ на 22 млн «умных» электросчетчиков может задать вектор развития отечественной компонентной базы.

«Имея такой якорный заказ, можно разработать российский чип и создать компонентную базу под счетчики. При этом в техническом задании указывать не просто список требований, а уже перечислять конкретные требования, которые предъявляются к оборудованию российского производства. Таким образом будет внесен серьезный вклад в цифровую трансформацию и развитие отечественной индустрии инноваций», – говорит П. Левинский.

Сегодня рынок интеллектуальных счетчиков электрической энергии активно развивается. По оценкам экспертов, в среднесрочной перспективе он будет увеличиваться на 1-2% ежегодно. Рост будет происходить за счет ввода в эксплуатацию объектов жилой и коммерческой недвижимости, а также модернизации парка и внедрения АСКУЭ.