Měření odběru energií a médií Monitorovací a diagnostické systémy v budovách
Michal Vopálenský, 2014
Obsah přednášky • • • • • • •
měření elektrického výkonu měření spotřeby elektrické energie vodoměry plynoměry měřiče spotřeby tepla monitorovací systémy v budovách dálkové řízení a odečty
Elektrický výkon I Okamžitý výkon – obecně funkce času: 𝑝 𝑡 =𝑢 𝑡 ∙𝑖 𝑡 Výkon stejnosměrného proudu (DC): 𝑃 = 𝑈 ∙ 𝐼 A I
U Z
V
Elektrický výkon II Rozvod silové elektřiny „válka o proud“ USA , konec 19. století
vs. Nikola Tesla (AC)
Thomas Alva Edison (DC)
Výhody střídavého proudu • snadná výroba točivými stroji • jednoduchá transformace napětí → možnost rozvodu vysokého napětí → pro přenesení stejného výkonu stačí nižší proud → snížení ztrát na odporech 𝑙 vedení (𝐼 2 𝑅), menší průřez vodičů (𝑅 = 𝜌 𝑆) • jednoduché generování točivého magnetického pole pro provoz elektrických strojů Dnes – naprostá většina silové elektřiny rozváděna jako střídavý harmonický (sinusový) proud při různém napětí → nutnost měřit výkon a práci harmonických proudů
Elektrický výkon III u(t)
i(t)
Z
Z – obecná zátěž: pokud není zátěž čistě odporová (obsahuje L, C), dochází k posunu fáze odebíraného proudu vůči napětí
𝒖 𝒕 = 𝑼𝒎 𝐬𝐢𝐧 𝝎𝒕 ; 𝝎 =
𝟐𝝅 𝑻
𝒊 𝒕 = 𝑰𝒎 𝐬𝐢𝐧(𝝎𝒕 − 𝝋) 𝒑 𝒕 =𝒖 𝒕 ∙𝒊 𝒕 = 𝑼𝒎 𝐬𝐢𝐧 𝝎𝒕 𝑰𝒎 𝐬𝐢𝐧(𝝎𝒕 − 𝝋)
Um Im
u(t) i(t) p(t)
𝟏 𝑷= 𝒑 𝒕 𝒅𝒕 [𝑾] 𝑻 𝑻 = střední hodnota okamžitého výkonu, tento výkon je využitelný pro konání užitečné práce = ČINNÝ VÝKON (active power)
Elektrický výkon IV Činný výkon harmonického proudu 𝒊 𝒕 = 𝑰𝒎 𝐬𝐢 𝐧 𝝎𝒕 − 𝝋 = 𝑰𝒎 𝐜𝐨𝐬(𝝋)𝐬𝐢 𝐧(𝝎𝒕) − 𝑰𝒎 𝐬𝐢𝐧(𝝋)𝐜𝐨𝐬 𝝎𝒕 → rozklad průběhu proudu na složku ve fázi s u(t) a složku posunutou o 90° 𝟏 𝑷= 𝑻
=
=
𝑼𝒎 𝑰𝒎 𝑻
𝑻
𝟏 𝒑 𝒕 𝒅𝒕 = 𝑻
𝑻
𝑼𝒎 𝐬𝐢𝐧 𝝎𝒕 𝑰𝒎 𝐬𝐢𝐧(𝝎𝒕 − 𝝋) 𝒅𝒕 𝟎
𝑻
𝑻
𝐜𝐨𝐬(𝛗)𝐬𝐢𝐧𝟐 𝝎𝒕 𝐝𝐭 − 𝟎
𝐬𝐢𝐧 𝝋 𝐬𝐢𝐧 𝝎𝒕 𝐜𝐨𝐬(𝝎𝒕) 𝒅𝒕 𝟎
𝑼𝒎 𝑰𝒎 𝑻 𝐜𝐨𝐬 𝝋 − 𝟎 = 𝑼 ∙ 𝑰 ∙ 𝐜𝐨𝐬𝝋 𝑻 𝟐
Efektivní hodnoty napětí / proudu
Účiník (λ) (power factor)
Připomenutí: Efektivní hodnota (RMS) = taková hodnota DC proudu (napětí), která za stejný čas vyvine na stejném odporu stejné teplo, jako střídavý průběh. 𝐼𝑅𝑀𝑆 = 𝐼 =
1 𝑇 𝑇
𝑖 2 𝑡 𝑑𝑡 ;
pro harm. průběh je 𝐼 = 𝐼𝑚 / 2
Elektrický výkon V Činný, jalový, zdánlivý a deformační výkon Harmonické průběhy: • činný výkon (active power) je přenášen pouze složkou proudu ve fázi s napětím, P = U.I.cos [W] • jalový výkon (reactive power) Q = U.I.sin [VAr] nebo [var] • výkon související se složkou proudu posunutou o 90° vůči napětí • periodické přelévání energie mezi zdrojem a spotřebičem v důsledku • nabíjení a vybíjení kondenzátorů • vytváření a zanikání magnetických polí induktorů (cívek) • součin ef. hodnot proudu a napětí – zdánlivý výkon (apparent power) S = U.I [VA]; 𝑺 = 𝑼𝑰 = 𝑷𝟐 + 𝑸𝟐 Periodické neharmonické průběhy: • mohou vznikat v důsledku nelineárních zátěží (zkreslení průběhu, podíl vyšších harmonických) – UPS, spínané zdroje, svítidla s předřadníkem… • 𝑺 = 𝑼𝑰 =
𝑷𝟐 + 𝑸𝟐 + 𝑫𝟐 ; D [VA]- deformační výkon, souvisí s vyššími harm.
Elektrický výkon VI Kompenzace účiníku Jalová složka proudu se nepodílí na činném výkonu, přesto musí téci obvodem
u(t)
Rw
i(t)
Z
• nutnost dimenzovat všechny prvky soustavy s uvážením jalového proudu • ztráty na odporech vedení (Rw) • snaha o vysoký účiník v přenosové soustavě
Odběratelé – povinnost udržovat cos > 0,95 • většina velkých zátěží induktivního charakteru • správné dimenzování motorů, omezení chodu naprázdno • kompenzátory účiníku v místě připojení k distribuční soustavě, baterie kondenzátorů, připojovány v závislosti na odebíraném jalovém výkonu • jalový výkon: přelévání mezi kompenzátorem a spotřebičem → jalová složka proudu neteče distribuční soustavou • kompenzace účiníku často spojena s filtrací harmonických složek (omezení deformačního výkonu)
http://www.emcos.cz/
Měření činného výkonu AC A
u(t)
i(t)
Z
V
- takto nelze měřit P, nezohledňuje cos - lze určit pouze S - pro změření P se vychází z definice → násobení u(t) . i(t) a výpočet střední hodnoty, resp. filtrace a získání DC složky
Elektromechanický wattmetr s elektrodynamickým ústrojím • proudová a napěťová cívka • výchylka úměrná P • dnes se používá zřídka Wattmetr s analogovou násobičkou Plně číslicový wattmetr
Obvody analogové násobičky Amplitudově – šířková modulace (TDM) (z přednášky předmětu A3B38SME)
Hallova sonda F = q(v x B) → elektrony odchylovány od přímé dráhy → vznik příčného Hallova napětí Vh = k.I.B. Hallova sonda jako násobička B generována měřeným proudem Im → B = c.Im → Vh
= k.c.I.Im
Hallova sonda jako převodník I/U - konstantně napájená sonda umístěna do magnetického pole vyvolaného průchodem měřeného proudu - používá se v klešťových ampérmetrech a ve vstupních obvodech wattmetrů www.nde-ed.org
Wattmetr s analogovou násobičkou
viz přednášky A2B38EMB
- i(t) a u(t) pronásobeny v reálném čase obvodem analogové násobičky (TDM, Hallova sonda) - výstup násobičky filtrován (získání střední hodnoty)
- úprava vstupních signálů: - U/U – napěťový dělič, transformátor napětí - I/U – (bočník), převodník s mag. senzorem (Hall, AMR), měřicí transformátor proudu
http://www.gmc.cz/pdf/ Analog_Basis_Vario.pdf
- magnetoelektrické ústrojí - podle použití 1 – 3 násobící systémy - umožňuje měření činného i jalového výkonu
Zapojení wattmetru do obvodu Měření činného výkonu v jedné fázi
při nízkém účiníku může proud i při malém činném výkonu dosahovat velkých hodnot
Měření činného výkonu v třífázové síti
- silový rozvod realizován třemi fázemi, navzájem posunutými o 120° - předpokládá se souměrná síť; zátěž je obecně nesouměrná - možnost měření dvěma wattmetry (Aronovo zapojení), v praxi však většinou měření všech proudů a napětí
Plně číslicový wattmetr
IO pro číslicové wattmetry / elektroměry
http://www.analog.com/
Číslicový wattmetr / elektroměr - příklad
http://www05.abb.com/
- možnost měření P, Q, S, RMS napětí i proudu atd., vše ve třech fázích - konektivita (RS485), impulsní výstup
Analogový elektroměr -
odběr činné energie = integrál čin. výkonu, 𝐴 𝑡 = 𝑡 𝑃𝑑𝜏 [kWh] 1 kWh = 1kW . 3600 s = 3,6 MJ v energetice důležitý též „odběr“ jalové energie – kVArh domácnosti: měření pouze činné spotřeby; podniky – povinnost udržovat vysoký účiník, jinak zpoplatněny kVArh
230V
-
princip podobný asynchr. motoru s klec. vinutím proud. cívka – několik závitů nap. cívka – mnoho závitů (mag. tok posunut o 90°) brzdicí moment úměrný rychlosti v jedno- i trojfázovém provedení
Spotřeba energie v ČR 2013
http://www.eru.cz
Spotřeba energie v ČR
http://www.eru.cz
Spotřeba energie v ČR
http://www.eru.cz
Regulace odběru energie - potřeba energie během dne značně proměnlivá - zdroje musí pokrýt i špičkový odběr - nejvýznamnější zdroje energie (TE, JE) obtížně (pomalu) regulovatelné Řešení špičkových odběrů: rychlé zdroje – zejm. vodní elektrárny
Vyrovnání spotřeby během dne = přesunutí velkých odběrů do časů mimo odběrovou špičku (domácnosti – bojler, akumulační vytápění atd.) - významné spotřebiče: zvláštní okruh, spínaní systémem HDO / RHDO (ovládá distributor) - vysoký tarif (VT) / nízký tarif (NT, dříve „noční proud“) – NT výrazně levnější; měření odběru v obou tarifech (viz obr. mech. elektroměru)
Hromadné dálkové ovládání (HDO) - komunikační datagram vysílán po silových vodičích - vysílače většinou v rozvodnách 110 kV / 22 kV - nízká frekvence ( stovky Hz, např. 216 Hz na většině území ČR), aby signál byl přenesen transformátory → pouze velmi jednoduchá komunikace Přijímač HDO
Přijímač HDO: - zvláštní zařízení v rozvaděči - součást nebo modul elektroměru V České republice signál HDO na vysoké úrovni spolehlivosti, pokrytí a využití, unikátní ve světovém měřítku
Vodoměr pro běžné průtoky
http://www.rekostav-zti.cz/vodomeryradiem.php
- často kontaktní impulsní výstup (např. 1 l/impuls) - max. průtok Qmax = jednotky m3/h - připojitelný modul s optickým čidlem a komunikačním rozhraním - RF modul (433 MHz, 866 MHz) - M-bus
Turbínkový a ultrazvukový vodoměr Woltmannova turbínka
http://www.sav-systems.com
- otáčky úměrné rychlosti proudění - provedení i s vertikální osou - do průtoků až 3000 m3 / h (Praha z Želivky – cca 12000 m3 / h)
Ultrazvukový vodoměr
- využívá rozdílné rychlosti šíření zvuku ve směru a proti směru proudění kapaliny - mnoho variant uspořádání - použitelný v širokém pásmu průtoků http://www.ultraflows.com
Indukční vodoměr - průtokoměr pro vodivá média (i pro pitnou vodu) - nosiče náboje (ionty) při pohybu v magnetickém poli odkláněny (F = q(v x B)) → vznik napětí v příčném směru - v praxi použití střídavého magnetování - poměrně přesné pro široký rozsah průtoků
www.elis.cz http://www.kapka-vodomery.cz
Plynoměry Membránový plynoměr
Rotačně pístový plynoměr
-
http://www.britannica.com
- běžný plynoměr v domácnostech - max. průtok 10 m3/h
velmi přesný široká nabídka rozsahů průtoky až 650 m3/h vysoké tlaky
www.lesker.com
Turbínový plynoměr - průtoky až 6500 m3/h - pracuje i s vysokými tlaky http://www.premagas.cz
www.airgas.co.za
Měření spotřeby tepla Absolutní (objektové) měření tepla - bytové domy - rozpočítání odběru v bytech, průmysl - měřič tepla (kalorimetr) u vstupu rozvodu - Q = c∙m∙ΔT, Q = tepelná energie [J] c = měrná tepelná kapacita [J·kg-1·K-1], cvoda = 4,18 kJ·kg-1·K-1 m = hmotnost [kg] ΔT = rozdíl teploty na vstupním a vratném potrubí
http://www.kvtopenarska.cz
- teplota vstupního a vratného média (Pt 100 / 1000, polovodičový teploměr) - průtokoměr (turbínkový, ultrazvukový, indukční) - vyhodnocovací výpočetní jednotka (vč. přepočtu hustoty dle teploty)
http://www.maddalena.it
Měření spotřeby tepla Poměrové „měření“ tepla – rozdělovače topných nákladů - absolutní kalorimetry nákladné - poměrové měření na jednotlivých otopných tělesech + rozpočítání nákladů (pouze indikační zařízení!) - není znám průtok, jen teplota tělesa a místnosti Odpařovací indikátory: - baňka umístěna na tělese, podle gradientu teplot tělesa a místnosti postupné odpařování kapaliny - nepřesná, nespolehlivá
Elektronické indikátory: - jednočidlová (měření pouze teploty tělesa) - dvoučidlová (měření teploty tělesa a místnosti) - dle informací výrobců poměrně přesné (?) www.kvtopenarska.cz
Monitorovací a diagnostické systémy - autonomní řízení budovy - teplota v místnostech, kotle, čističky, nucené větrání, rozsvěcení světel, zavírání oken v dešti, zavlažování… - detekce poruch - protékání vody, nízký tlak v otopné soustavě… - ukládání dat (datalogging) - dálkové odečty spotřeby - zabezpečení (elektronické zámky, alarmy, požární hlásiče, kamerové systémy) - vzdálené ovládání - internet, mobilní telefon, DCL, proprietární komunikace (elektronické zámky, otevírání vrat…) Komplexní systém, nejen pouze zapnutí/vypnutí
Inteligentní dům
http://www.seluxit.com
Návrh systému inteligentní budovy Co vše je třeba měřit a ovládat - zásada uměřenosti (monitorování se týká zejména řízení TZB (HVAC) z hlediska energií – řízení ohřevu vodu v případě více zdrojů – kolektory atd.) - výběr vhodných senzorů, přístrojů a akčních členů (často není možné použít jednu komunikační platformu)
Komunikační prostředky - drátový přenos (RS232, RS485, MBus, ModBus, silové vedení - PLC / DLC) - bezdrátový přenos (WMBus, ZigBee, WiFi, proprietární komunikace) - měřiče často opatřeny impulsním výstupem (kontaktní / rádiový / optický) Architektura komunikační sítě - jak vzájemná komunikace peer-to-peer, tak zasíťování - koncentrátory dat - řídicí systém (iPC, logický automat) - hlavní komunikační rozhraní Human-machine interface - vlastní program, internetová stránka, aplikace pro chytrý telefon + SMS, MMS, automatický hovor (alarmy)
Příklad inteligentního řízení domu
http://www.alimex.cz
Příklad inteligentního řízení
http://www.alimex.cz
Úskalí inteligentních systémů v budovách - špatná specifikace od zadavatele = špatná funkčnost - špatný výběr prvků – zbytečně složitá realizace - složitý návrh = větší riziko poruch = riziko nesprávné funkce = náročnější údržba - zvýšená závislost na elektřině (např. nucené větrání) - uživatel ručně zasahuje do systému - uživatel nepochopí ovládání systému - uživatel sám provádí „vylepšení“ instalace - návratnost investice? - bezpečnost poskytovaných dat (soukromí)?
Dálkové odečty přístrojů Dnešní stav: odečet prováděn manuálně nebo bezdrátovým přenosem do hand-held terminálu
Trend:„smart meters“ – chytré měřicí přístroje (zejm. elektroměry) = mnoho vzdáleně konfigurovatelných funkcí Systémy AMM (Advanced / Automated Metering Management): - smart meters tvoří komunikační síť v rámci domu - data koncentrována na elektroměru a poskytována dále - rozšířené možnosti komunikace, odečtů, řízení spotřeby Prostředky: - PLC (Power Line Communication) - DLC modemy (Distribution Line Carrier) - nosná frekv. až stovky kHz, v praxi 2 – 4 kbps - topologie a frekv. propustnost distribuční sítě (opakovače) - ? absence mezinárodních standardů ? - ? EMC, rušení, kybernetická bezpečnost ? - GPRS, optika se silovými rozvody (není natažena)
Děkuji za pozornost
