Уже давно показания счетчиков расхода электроэнергии актуальны как для личных взаимоотношений граждан, так и для взаимоотношений граждан и государства, а также для взаимоотношений различных государств. Как же все начиналось в данной области?
С изобретением динамо-машины (Аньош Йедлик в 1861 г., Вернер фон Сименс в 1867 г.) появилась возможность вырабатывать электроэнергию в больших количествах. Первой областью массового применения электричества стало освещение. Когда такой новый продукт, как электроэнергия, начали продавать, возникла необходимость определения его цены. Однако было неясно, в каких единицах следует вести учет, и какие принципы измерения были бы наиболее удобными.
Первым электросчетчиком стал счетчик часов работы лампы Сэмюэла Гардинера (США), запатентованный в 1872 г. Он измерял время, в течение которого электроэнергия подавалась в точку нагрузки, при этом все лампы, подключенные к этому счетчику, контролировались одним выключателем.
С появлением электрической лампочки Эдисона стало практиковаться разветвление цепей освещения, и такой счетчик вышел из употребления. Томас Алва Эдисон, который внедрил первые распределительные осветительные электросети постоянного тока, утверждал, что электричество нужно продавать, как газ (в те времена также широко используемый в целях освещения).
Электрический счетчик Эдисона, запатентованный в 1881 г., действовал на основе электрохимического эффекта электротока. В электролитическую ячейку данного счетчика в начале расчетного периода помещалась точно взвешенная пластинка меди. Ток, проходящий через электролит, вызывал осаждение меди. В конце расчетного периода медную пластинку взвешивали снова, и разница в весе отображала количество электричества, которое прошло сквозь нее.
Этот счетчик был калиброван таким образом, что счета можно было выставлять в кубических футах газа. Такие счетчики продолжали использовать до конца XIX в. Однако у них был серьезный недостаток — считывание показаний представляло сложность для энергоснабжающей компании и было совершенно невозможным для потребителя. Позднее Эдисон добавил счетный механизм для удобства считывания показаний счетчика.
В Германии производились такие электролитические счетчики, как водородный счетчик Siemens Shuckert и ртутный счетчик Schott&Gen, Jena. Электролитические счетчики могли измерять только ампер-часы и не годились при колебаниях напряжения. Еще одним из возможных принципов конструкции счетчиков было создание некоторого движения (колебания или вращения), пропорционального подаваемой энергии, которое, в свою очередь, могло бы осуществлять пуск счетного механизма для отображения показаний счетчика.
Принцип работы маятникового счетчика был описан Уильямом Эдуардом Эйртоном и Джоном Перри (1881 г., США). А в 1884 г., не зная об их изобретении, Германн Арон (Германия) сконструировал свой маятниковый счетчик. В составе более совершенной модели этого счетчика имелось два маятника с катушками на каждом, подключенными к источнику напряжения. Под маятниками помещались две токовые катушки с противоположными намотками.
Благодаря взаимодействию катушек один из маятников двигался медленнее, а другой быстрее, чем без электрической нагрузки. Эта разность хода передавалась счетному механизму счетчика. Каждую минуту маятники менялась ролями — для того, чтобы компенсировать разницу в исходной частоте колебаний. В этот же момент запускался часовой механизм. Маятниковый счетчик позволял измерять ампер-часы или ватт-часы, но его можно было использовать исключительно для сетей постоянного тока.
Такие счетчики были дорогостоящими, потому что содержали два часовых механизма, и их постепенно вытеснили моторные счетчики. В таких счетчиках вращающий момент пропорционален нагрузке и уравновешивается противодействующим моментом. Таким образом, частота вращения ротора пропорциональна нагрузке, тогда как моменты находятся в равновесии.
В 1889 г. Элиху Томсон (США) разработал для General Electric свой самопишущий ваттметр. Это был двигатель с якорем без металлического сердечника, который запускался от электрического напряжения, проходящего через катушку и резистор с помощью коллектора. Статор приводился в движение электротоком, и поэтому вращающий момент был пропорционален произведению напряжения и силы тока.
Тормозной момент обеспечивался постоянным электромагнитом, который воздействовал на алюминиевый диск, прикрепленный к якорю. Такой счетчик использовался преимущественно для постоянного тока. Большим недостатком моторных электросчетчиков являлась необходимость наличия коллектора. Во времена, когда распределение электрической энергии только начиналось, было еще неясно, какие системы окажутся эффективней — системы постоянного или переменного тока.
Однако вскоре выявился один важный недостаток систем постоянного тока — напряжение нельзя было изменить, а, следовательно, было невозможно создавать более крупные системы. В 1884 г. француз Люсьен Голар и англичанин Джон Диксон Гиббс изобрели так называемый вторичный генератор — предшественник современного трансформатора. На практике трансформатор разработали и получили патент для компании Ganz (Будапешт) в 1885 г. трое венгерских инженеров — Карой Циперовски, Отто Титус Блати и Микса Дери. В том же году Джордж Уэстингхауз купил патент Голара и Гиббса, а работавший у Уэстингхауза инженер Уильям Стэнли (по настоянию коего и был приобретен данный патент) усовершенствовал конструкцию вторичного генератора.
Кроме того, Уэстингхауз приобрел патенты американца хорватского происхождения Никола Теслы на использование переменного тока. Благодаря этому появилась возможность применения электрических систем переменного тока. Начиная с XX в. они постепенно сменили системы постоянного тока. Для организации учета электроэнергии потребовалось решить новую задачу — задачу измерения электроэнергии переменного тока. В 1885 г. итальянец Галилео Феррарис открыл, что два не совпадающих по фазе поля переменного тока могут заставить вращаться сплошной ротор — такой, как диск или цилиндр.
В 1888 г. независимо от него Никола Тесла также обнаружил вращающееся электрическое поле. В том же году Оливер Блэкберн Шелленбергер также открыл эффект вращающихся полей и разработал счетчик количества электричества для переменного тока. Противодействующий момент создавался винтовым механизмом. В таком счетчике отсутствовал фактор напряжения (что не позволяло учитывать коэффициент мощности), поэтому он не подходил для работы с электродвигателями. Все эти открытия послужили основой для создания как индукционных двигателей, так и индукционных счетчиков.
В 1889 г. один из вышеупомянутых разработчиков трансформатора — Отто Титус Блати — запатентовал как в Германии, так и в США свой электрический счетчик для переменных токов. Как описывается в патенте, этот счетчик, по существу, состоит из металлического вращающегося тела — такого, как диск или цилиндр, — на который действуют два магнитных поля, сдвинутые по фазе друг относительно друга. Это смещение фаз является результатом того, что одно поле создается главным током, в то время как другое образуется за счет катушки с большой самоиндукцией, шунтирующей те точки цепи, между которыми измеряется потребляемая энергия.
Однако магнитные поля не пересекаются в теле вращения, как в хорошо известном механизме Феррариса, а проходят сквозь разные его части независимо друг от друга. С таким устройством Блати удалось достичь внутреннего смещения фаз почти ровно на 90°, поэтому счетчик отображал ватт-часы более или менее корректно. В счетчике использовался тормозной электромагнит для обеспечения широкого диапазона измерений, а также был предусмотрен
циклометрический регистр.
В том же году компания Ganz приступила к производству счетчиков. Первые счетчики крепились на деревянной основе, делали 240 оборотов в минуту и весили 23 кг. К 1914 г. вес устройства снизился до 2,6 кг.
В 1894 г. вышеупомянутый Шелленбергер разработал для компании Westinghouse счетчик ватт-часов индукционного типа. В этом счетчике катушки тока и напряжения располагались на противоположных сторонах диска, и два постоянных магнита замедляли движение этого диска. Этот счетчик тоже был большим и тяжелым (18,6 кг). У него был барабанный счетный механизм.
В 1899 г. Людвиг Гутманн, работая на фирму Sangamo, разработал счетчик ватт-часов активной энергии переменного тока типа «A». Ротор устройства состоял из цилиндра со спиральной прорезью, расположенного в полях катушек напряжения и тока. Диск, прикрепленный ко дну цилиндра, использовался для торможения с помощью постоянного магнита.
Регулировка коэффициента мощности предусмотрена не была. В последующие годы было осуществлено много усовершенствований счетчиков расхода электроэнергии — уменьшение веса и габаритов, расширение диапазона нагрузки, компенсация изменения коэффициента нагрузки, напряжения и температуры, устранение трения путем замены подпятников шарикоподшипниками, а затем двойными камнями и магнитными подшипниками, а также продление срока стабильной работы за счет улучшения качественных характеристик тормозных электромагнитов и удаления масла из опоры и счетного механизма.
К началу ХХI в. были разработаны трехфазные индукционные счетчики, использующие две или три системы измерения, установленные на одном, двух или трех дисках. Индукционные счетчики, известные также как счетчики Феррариса, и счетчики, основанные на принципах счетчика Блати, все еще производятся в больших количествах и выполняют основную работу по учету энергии — благодаря их низкой стоимости и отличным показателям надежности. Но вернемся назад.
По мере распространения электричества к началу XX в. быстро появилась концепция многотарифного электросчетчика с локальным или дистанционным управлением, а также счетчика максимальной нагрузки, счетчика предварительно оплаченной электроэнергии и «Максиграфа». Первая система контроля пульсаций была запатентована в 1899 г. французом Сезаром Рене Лубери, и ее совершенствовали во многих компаниях — Compagnie des Compteurs (позднее Schlumberger), Siemens, AEG, Landis&Gyr, Zellweger, Sauter, Brown Boveri.
В 1934 г. компания Landis&Gyr разработала счетчик «Тривектор», измеряющий активную и реактивную энергию и потребляемую мощность. Электронные же технологии не находили применения в области учета электроэнергии до тех пор, пока в 70-х гг. XX в. не появились первые аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Новая технология дала новый толчок к развитию электрических счетчиков. Сначала были разработаны точные стационарные счетчики, главным образом использующие принцип времяимпульсного умножения. Применялись и ячейки Холла — в основном для коммерческих и квартирных электросчетчиков.
В 80-х гг. были разработаны гибридные счетчики, состоящие из индукционных счетчиков и электронных тарифных единиц. Эта технология использовалась относительно недолго.
В 60- х гг. проявилась идея считывания показаний счетчиков на расстоянии. Первоначально использовалась дистанционная импульсная передача, но постепенно вместо нее стали использовать различные протоколы и средства передачи данных. В настоящее время счетчики с развитыми функциональными возможностями основываются на новейших электронных технологиях с применением цифровой обработки сигналов, причем большинство функций предусматривается встроенным ПО.
Нужно сказать, что достаточно рано была осознана необходимость в тесном сотрудничестве между производителями электроэнергии и энергоснабжающими компаниями. Первый стандарт измерения расхода электроэнергии — Code C12 ANSI (Американский национальный институт стандартов) — был разработан еще в 1910 г. В предисловии к данному документу сказано: «При том, что этот стандарт, естественно, основывается на научно-технических принципах, мы всегда осознавали большую важность коммерческой стороны измерений».
Первый известный стандарт измерения Международной электротехнической комиссии (МЭК), издание 43, датируется 1931 г. Высокий стандарт точности — это отличительная характеристика, которую установила и продолжает сохранять измерительная индустрия. Уже в 1914 г. в проспектах описывались счетчики с 1,5-процентной точностью при диапазоне измерений силы тока от 10% (минимальная) до 100% (максимальная). Стандарт МЭК 43:1931 устанавливает класс точности 2.0. Такой уровень точности до сих пор считается удовлетворительным для большинства счетчиков, находящихся сегодня в коммунально-бытовом применении, даже для стационарных счетчиков. И кое-что о сегодняшних достижениях.
Счетчик EuroAlpha был разработан специалистами компании Elster Electricity (США), тогда еще входившей в состав международного концерна ABB. Концерн АВВ собрал крупнейших мировых потребителей счетчиков электроэнергии, которые и определили самые важные с их точки зрения черты нового поколения электронных счетчиков. В итоге были учтены все специальные требования сегодняшних потребителей. Так была получена новая совершенная модель — многофункциональный счетчик Alpha. А счетчик ЕвроAlpha — это тот же счетчик Alpha американского стандарта ANSI, но размещенный в корпусе, выполненном по европейским (МЭК) стандартам.
Кроме того, этот прибор полностью соответствует всем российским ГОСТ. Основная идея, реализованная при создании данного счетчика, — это аналого-цифровой метод измерений. Специально разработанный сигнальный процессор осуществляет выборку сигналов токов и напряжений по каждой фазе с большой частотой, что обеспечивает высокую точность измерений. Все дальнейшие вычисления и преобразования осуществляются быстродействующим микроконтроллером, который управляет отображением информации на дисплее счетчика, обменом данными через оптический порт и цифровые интерфейсы.
Счетчик EuroAlpha не имеет движущихся частей. Существует возможность значительного расширения функций за счет установки дополнительных электронных плат. Режим самодиагностики и регистрации событий вмешательства в работу счетчика обеспечивает надежность и достоверность получаемых данных. Традиционная надежность и избыточность функциональных возможностей, заложенная при разработке счетчиков такого рода, позволила много лет производить один и тот же счетчик без изменения конструкции, внутренних компонентов и программного обеспечения. По этому же пути пошли и разработчики счетчика Alpha А1800, который пришел на смену EuroAlpha.
Все возрастающие требования к измерениям, которые могут предъявить заказчики (учет параметров сети, учет потерь, использование нескольких цифровых интерфейсов), уже заложены в конструкцию и могут быть легко использованы в будущем. Счетчик Alpha новых версий А2 и А3 до сих пор производится в США, технология же EuroAlpha разошлась по всему миру. Этот счетчик под именем AIN (Alpha International) производится на заводах группы Elster в различных частях света, в том числе и в России.
Производство счетчика EuroAlpha в Москве было начато в 1997 г. Первая партия счетчиков была установлена на перетоки Нижновэнерго. После переповерки эти счетчики надежно работают до сих пор. Первые цифровые автоматизированные системы учета АСКУЭ начали массово создаваться с использованием счетчиков EuroAlpha. Сначала информация считывалась по интерфейсу «токовая петля», затем перешла на более помехозащищенный и удобный для построения систем интерфейс RS-485.
«Эльстер Метроника» — ведущее предприятие России и Европы в области производства оборудования для автоматизированных систем учета электроэнергии. Это российское предприятие входит в группу Elster, которая объединяет крупнейших в мире производителей приборов и систем учета электроэнергии, тепла, воды и газа. В «Метронике» такими системами стали "АльфаМет" и "Альфа СМАРТ", к 2000 г. было разработано ПО АСКУЭ "Альфа ЦЕНТР", работающее с СУБД Oracle. В системе "Альфа ЦЕНТР" было задействовано 3000 счетчиков EuroAlpha, установленных на 14 электростанциях и 158 подстанциях. Собирая данные со счетчиков по коммутируемым цифровым линиям без УСПД практически без доработок, система функционирует и по сей день.
Сегодня на тяговых подстанциях железных дорог России установлено более 30.000 счетчиков Alpha и EuroAlpha. В 2004 г. 6000 счетчиков EuroAlpha было установлено на 150 подстанциях напряжением 330 кВ и выше единой национальной электрической сети ФСК ЕЭС, что обеспечило эффективную работу оптового рынка электроэнергии России. Российские счетчики EuroAlpha поставляются в Россию, Украину, Казахстан, Беларусь, Армению, Грузию, Узбекистан, страны Балтии, Монголию, многие страны Восточной и Западной Европы, Средней Азии и Северной Африки. Помимо системы ФСК ЕЭС, они работают на предприятиях Росэнергоатома и Газпрома, ими оснащены РЖД, "Сургутнефтегаз", "Лукойл", "РусАл", заводы BMW, Ford, Coca-Cola.
Успех счетчиков Alpha и EuroAlpha в России оказал колоссальное влияние на развитие российского счетчикостроения. Успех был обеспечен уникальными техническими характеристиками этих счетчиков, сочетанием их высокой точности, надежности и огромных возможностей по части эффективности использования. Установка таких счетчиков позволяла предприятиям экономить средства при оплате электроэнергии, а энергосистемам — надежно контролировать перетоки электроэнергии.
Микропроцессорные счетчики стали инструментом, позволяющим организовать работу оптового рынка электроэнергии, начать внедрение энергосберегающих технологий на предприятиях. Информация, собранная со счетчиков, дает возможность проанализировать работу предприятия и выбрать наиболее выгодный режим энергоснабжения технологических цехов, производств и прочих подразделений.
Это достигается за счет повышения точности учета, построения автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ) и получения точной и достоверной информации об энергопотреблении, перехода на расчет за потребленную электроэнергию по дифференцированным тарифам, выравнивания графика нагрузки предприятия и снижения потребляемой мощности в часы пиковых нагрузок, выхода на оптовый рынок электроэнергии. Счетчики EuroAlpha предназначены для работы на перетоках, генерации, высоковольтных подстанциях, в распределительных сетях и на промышленных предприятиях.
Они служат для измерения активной и реактивной энергии и мощности в двух направлениях с классом точности 0,2S и 0,5S, учета электроэнергии по 4 тарифным зонам, фиксации максимальной мощности нагрузки на расчетном интервале времени, записи и хранения данных графика нагрузки в памяти счетчика, передачи результатов измерения по цифровым и импульсным каналам связи и работы в составе систем АСКУЭ, а также для измерения (вычисления) и отображения параметров сети и автоматического контроля нагрузки с возможностью ее отключения или сигнализации.
Сергей ЗОЛОТОВ
