Měření odběru energií a médií Monitorovací a diagnostické systémy v budovách

Transkript

1 Měření odběru energií a médií Monitorovací a diagnostické systémy v budovách Michal Vopálenský, 2014

2 Obsah přednášky měření elektrického výkonu měření spotřeby elektrické energie vodoměry plynoměry měřiče spotřeby tepla monitorovací systémy v budovách dálkové řízení a odečty

3 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

4 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 vedení (I 2 R), menší průřez vodičů (R = ρ l 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

5 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 = U m sin ωt ; ω = 2π T i t = I m sin (ωt φ) U m I m p t = u t i t = U m sin ωt I m sin (ωt φ) u(t) i(t) p(t) P = 1 p t dt [W] T T = střední hodnota okamžitého výkonu, tento výkon je využitelný pro konání užitečné práce = ČINNÝ VÝKON (active power)

6 Elektrický výkon IV Činný výkon harmonického proudu i t = I m si n ωt φ = I m cos(φ)si n(ωt) I m sin(φ)cos ωt rozklad průběhu proudu na složku ve fázi s u(t) a složku posunutou o 90 P = 1 T T p t dt = 1 T 0 T U m sin ωt I m sin (ωt φ) dt = U mi m T = U mi m T 0 T cos φ T 2 0 Efektivní hodnoty napětí / proudu cos(φ)sin 2 ωt dt = U I cosφ Účiník (λ) (power factor) 0 T sin φ sin ωt cos(ωt) dt Připomenutí: Efektivní hodnota (RMS) = taková hodnota DC proudu (napětí), která za stejný čas vyvine na stejném odporu stejné teplo, jako střídavý průběh. I RMS = I = 1 T T i 2 t dt; pro harm. průběh je I = I m / 2

7 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 = P 2 + Q 2 Periodické neharmonické průběhy: mohou vznikat v důsledku nelineárních zátěží (zkreslení průběhu, podíl vyšších harmonických) UPS, spínané zdroje, svítidla s předřadníkem S = UI = P 2 + Q 2 + D 2 ; D [VA]- deformační výkon, souvisí s vyššími harm.

8 Elektrický výkon VI Kompenzace účiníku Jalová složka proudu se nepodílí na činném výkonu, přesto musí téci obvodem u(t) R w i(t) Z nutnost dimenzovat všechny prvky soustavy s uvážením jalového proudu ztráty na odporech vedení (R w ) 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)

9 Měření činného výkonu AC u(t) A 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

10 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 V h = k.i.b. Hallova sonda jako násobička B generována měřeným proudem I m B = c.i m V h = k.c.i.i m 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

11 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 Analog_Basis_Vario.pdf - magnetoelektrické ústrojí - podle použití 1 3 násobící systémy - umožňuje měření činného i jalového výkonu

12 Zapojení wattmetru do obvodu Měření činného výkonu v jedné fázi při nízkém účiníku může proud i při malém činném výkonu dosahovat velkých hodnot

13 Měření činného výkonu v třífázové síti - silový rozvod realizován třemi fázemi, navzájem posunutými o předpokládá se souměrná síť; zátěž je obecně nesouměrná - možnost měření dvěma wattmetry (Aronovo zapojení), v praxi však většinou měření všech proudů a napětí

14 Plně číslicový wattmetr

15 IO pro číslicové wattmetry / elektroměry

16 Číslicový wattmetr / elektroměr - příklad - možnost měření P, Q, S, RMS napětí i proudu atd., vše ve třech fázích - konektivita (RS485), impulsní výstup

17 Analogový elektroměr - odběr činné energie = integrál čin. výkonu, A t = Pdτ [kwh] t - 1 kwh = 1kW 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

18 Spotřeba energie v ČR

19 Spotřeba energie v ČR

20 Spotřeba energie v ČR

21 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)

22 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: - zvláštní zařízení v rozvaděči - součást nebo modul elektroměru V České republice signál HDO na vysoké úrovni spolehlivosti, pokrytí a využití, unikátní ve světovém měřítku Přijímač HDO

23 Vodoměr pro běžné průtoky - často kontaktní impulsní výstup (např. 1 l/impuls) - max. průtok Q max = jednotky m 3 /h - připojitelný modul s optickým čidlem a komunikačním rozhraním - RF modul (433 MHz, 866 MHz) - M-bus

24 Turbínkový a ultrazvukový vodoměr Woltmannova turbínka Ultrazvukový vodoměr - otáčky úměrné rychlosti proudění - provedení i s vertikální osou - do průtoků až 3000 m 3 / h (Praha z Želivky cca m 3 / h) - využívá rozdílné rychlosti šíření zvuku ve směru a proti směru proudění kapaliny - mnoho variant uspořádání - použitelný v širokém pásmu průtoků

25 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

26 Plynoměry Membránový plynoměr Rotačně pístový plynoměr - velmi přesný - široká nabídka rozsahů - průtoky až 650 m 3 /h - vysoké tlaky - běžný plynoměr v domácnostech - max. průtok 10 m 3 /h Turbínový plynoměr - průtoky až 6500 m 3 /h - pracuje i s vysokými tlaky

27 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 ], c voda = 4,18 kj kg-1 K-1 m = hmotnost [kg] ΔT = rozdíl teploty na vstupním a vratném potrubí - teplota vstupního a vratného média (Pt 100 / 1000, polovodičový teploměr) - průtokoměr (turbínkový, ultrazvukový, indukční) - vyhodnocovací výpočetní jednotka (vč. přepočtu hustoty dle teploty)

28 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 (?)

29 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

30 Inteligentní dům

31 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)

32 Příklad inteligentního řízení domu

33 Příklad inteligentního řízení

34 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)?

35 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)

36 Děkuji za pozornost