Liczniki energii elektrycznej odgrywają kluczową rolę przy rozliczeniach między dostawcą a odbiorcą energii elektrycznej. Potocznie mówi się często o dostawach prądu i rachunkach za prąd. Robią to nawet operatorzy energetyczni, powszechnie – media informacyjne. W rzeczywistości mierzona jest energia i faktury wystawiane są za pobór energii w określonych okresach rozliczeniowych, podawany w kilowatogodzinach [kWh]. W układach zasilania większej mocy dostawca i odbiorca rozliczają się również w zakresie energii biernej – jednostka miary warogodzina [var·h]. Dla prosumentów, producentów wykorzystujących OZE, którzy zarówno pobierają, jak i oddają energię do sieci elektroenergetycznej, stosuje się liczniki dwukierunkowe.

Dziś coraz częściej licznik energii elektrycznej jest niemal minikomputerem, który oprócz wskazania poboru energii wykonuje wiele innych pomiarów, czynności i zadań, o których jeszcze dwie dekady temu nikomu się nie śniło. Powróćmy jednak na razie do podstaw.
Powszechnie używaną jednostką miary energii elektrycznej czynnej w układzie SI jest dżul, lecz z powodów praktycznych za podstawową jednostkę wskazywaną przez liczniki montowane przy gospodarstwach domowych uznano kilowatogodzinę. Gdy w grę wchodzą znacznie większe ilości energii, liczniki wyskalowane muszą być w megawatogodzinach [MWh]. Niezależnie jednak od jednostek, w jakich wyskalowane są liczniki, wyróżnia się wśród nich dwa dominujące rodzaje – elektromechaniczne i elektroniczne, zwane też statycznymi lub cyfrowymi. Oba rodzaje są stosowane i funkcjonują w infrastrukturze, przy czym każdy oparty jest na mechanizmie liczącym przepływającą energię elektryczną w zupełnie inny sposób.

Rodzaje liczników i zasady ich działania

W 1883 roku berliński naukowiec – Herman Aron – urodzony w polskim obecnie Kępnie – opatentował pierwszy dokładny licznik energii elektrycznej, którego zasada działania była oparta na ruchu wahadła. Był on ojcem kolejnych pokoleń liczników mocy czynnej, które z czasem otrzymały miano indukcyjnych, zaś w Polsce są dziś najstarszym powszechnie stosowanym rodzajem licznika

Licznik indukcyjny
Licznik indukcyjny jest mechanizmem, w którym aluminiowa tarcza wprawiona jest w ruch obrotowy (obraca się wokół własnej osi) dzięki wytworzonemu przez dwie cewki wirowemu polu magnetycznemu. Przez jedną z cewek przepływa prąd proporcjonalny do natężenia prądu pobieranego przez konsumenta, zaś przez drugą prąd proporcjonalny do napięcia sieci. Cewki, dzięki swojemu rozlokowaniu, generują moment napędowy proporcjonalny do iloczynu chwilowej wartości prądu i napięcia, który jest równoważony przez moment hamujący, jaki powstaje w wyniku obrotu tarczy między biegunami magnesu trwałego. Moment hamujący jest tu proporcjonalny do prędkości obrotowej tarczy, ale należy pamiętać, że może zostać osłabiony wskutek uszkodzenia magnesu trwałego – na przykład poprzez oddziaływanie na niego zewnętrznym polem magnetycznym. Wówczas naliczanie energii elektrycznej będzie przekłamane. Liczniki indukcyjne liczą obroty tarczy – każdy obrót to określona ilość pobranej energii. Przy jednej taryfie całodobowej licznik indukcyjny ma jeden miernik podający informację o zużytych kWh (MWh), zaś w układzie dwutaryfowym (dzień/noc lub weekend/robocze dni), w liczniku pracują dwa mierniki – każdy oddzielnie dla każdej z taryf. Dla prawidłowego rozliczenia dostawca energii musi oczywiście mieć informację z obu mierników.

Licznik elektroniczny

Licznik elektroniczny opiera swoje działanie na specjalnych półprzewodnikowych układach scalonych (stąd druga nazwa dla tych liczników: półprzewodnikowe), generujących impulsy pod wpływem przepływającego prądu i przyłożonego napięcia. Impulsy te powstają w ilości proporcjonalnej do pobieranej energii elektrycznej i następnie ich ilość jest sumowana (liczona) przez licznik w określonej jednostce czasu. Dzięki temu, że licznik elektroniczny liczy gęsto generowane impulsy, a nie samą energię elektryczną, jest o wiele dokładniejszy od indukcyjnego, a dzięki procesorom i oprogramowaniu oferuje znacznie więcej funkcji. Jedna z nich jest wręcz przełomowa z punktu widzenia historii rozwoju tych urządzeń – liczniki elektroniczne komunikują się z osobami odpowiedzialnymi za ich kontrolowanie, z dostawcą energii elektrycznej oraz jej konsumentem. Co więcej – ta komunikacja nie jest jednostronna, lecz dwustronna. Między innymi dlatego liczniki elektroniczne otrzymały miano „inteligentnych”. Ich konstrukcja sprowadza się do układu wiążącego ze sobą mikrokontroler, przetworniki A/C oraz C/A, czujnik który mierzy prąd i napięcie, baterię – stanowiącą zapasowe zasilanie potrzebne licznikowi dla zapewnienia nieprzerwanego działania, wyświetlacz LCD i moduł do komunikacji bezprzewodowej – w Polsce bardzo często jest to komunikacja przy użyciu transmisji PLC (Power Line Communication), umożliwiającej przesył danych za pośrednictwem istniejącej linii sieci energetycznej, ale spotyka się też wykorzystanie tkich standardów jak (WiFi, Bluetooth, GSM i inne metody/standardy komunikacyjne).
Liczniki można podzielić też według innego kryterium, grupując je w dwóch kategoriach: liczniki jednofazowe i trójfazowe. Te pierwsze są najpowszechniejsze i liczą prąd w instalacji jednofazowej o napięciu 230 V, trójprzewodowej, podczas gdy druga grupa to liczniki montowane w instalacjach 3-fazowych o napięciu 400 V, pięcioprzewodowych. Te instalacje tworzone są z myślą o obsłudze urządzeń wysokoenergochłonnych, takich jak np. maszyny stosowane w warsztatach produkcyjnych (duże piły w warsztatach stolarskich itp.), lub zasilania rozwiązań takich jak ogrzewanie elektryczne. Każdy licznik ma oznakowanie z informacją, jaką instalację obsługuje.
Pozostała ostatnia klasyfikacja, według której można wyróżnić:

• liczniki bezpośrednie (zainstalowane w gospodarstwach domowych, w których zapotrzebowanie na moc i energię jest małe), których obwody prądowe włączone są bezpośrednio w obwód objęty pomiarem, a obwody napięciowe zasilane są napięciem obwodu objętego przez nie pomiarem,
• liczniki półpośrednie, których obwody prądowe zasilane są przez przekładniki prądowe zainstalowane w obwodzie objętym pomiarem, a obwody napięciowe zasilane są napięciem obwodu objętego pomiarem. Z reguły układy półpośrednie instalowane są przy zabezpieczeniu przedlicznikowym wyższym niż 63 A i przy zasilaniu napięciem 400 V.
• liczniki pośrednie, których obwody prądowe zasilane są przez przekładniki prądowe zainstalowane w obwodzie objętym pomiarem, a obwody napięciowe zasilane są przez przekładniki napięciowe. Stosowane są przy zasilaniu SN lub WN.

 

Co mogą najnowocześniejsze liczniki elektroniczne?

Możliwości liczników cyfrowych są dziś bardzo szerokie i pozwoliły całkowicie zmienić sposób ich wskazań. Dzięki funkcji odczytywania ich wskazń drogą radiową udało się uniknąć konieczności wizyt przedstawicieli dostawcy energii elektrycznej – to duże udogodnienie dla konsumentów. Ale to nie jedyna ich zaleta. W przypadku ewentualnej awarii, licznik elektroniczny natychmiast powiadamia o tym dostawcę, odciążając w tym konsumentów – dzięki temu reakcja dostawcy jest z reguły bardzo szybka i skuteczna.
Liczniki cyfrowe pozwalają na bieżąco kontrolować zużycie energii (niektóre mierzą czynną jak i bierną energię), a więc i monitorować koszty, przy czym są to koszty za realnie wykorzystaną energię, dzięki czemu zakłady energetyczne mogły zrezygnować ze zryczałtowanych rachunków. Co więcej – pozwalają na rozliczenia na zasadzie przedpłaty (system prepaid), czyli zakupy określonych porcji energii za pomocą kodów doładowujących. Dzięki realnemu wskazaniu zużycia energii i możliwości jego kontroli pozwalają uniknąć sytuacji wystąpienia zadłużenia, co świetnie sprawdza się w motelach, hostelach i domkach lub lokalach pod wynajem. Wyświetlacze LCD liczników elektronicznych prezentują obecnie cały szereg informacji, takich jak choćby całkowite zużycie energii wyrażone w kWh, koszt zużytej energii, bieżące zapotrzebowanie na energię, aktualny koszt pojedynczej kWh, liczbę jednostek pozostałych do zużycia po wykupieniu porcji energii poprzez system przedpłaty czy też parametry aktualnej taryfy.
Liczniki elektroniczne mają jednak pewną wadę, o której należy wspomnieć – same pobierają energię – za którą konsument musi zapłacić, jest to wyraźniej widoczne w układzie kaskadowym (licznik główny i znaczna liczba podliczników – np. w przypadku ogródków działkowych). To powoduje wzrost kosztów, jakkolwiek wiąże się z tym w większym stopniu wzrost emocji płatnika, niż ponoszonych przezeń kosztów. Wracając do kwestii komunikacji, należy zauważyć, że obecnie dostawcy energii otrzymują znacznie więcej informacji o zużyciu energii, niż miało to miejsce dwie, czy trzy dekady temu. Nowoczesne liczniki przekazują informacje o stanie licznika w regularnych odstępach czasowych, np. co 15 lub 30 minut, dzięki czemu dostawcy mogą wychwycić trendy i powtarzalne wahania w poborze prądu i na ich podstawie lepiej zarządzać siecią energetyczną, na przykład poprzez wysyłanie większej porcji energii tam, gdzie realne zapotrzebowanie na nią jest większe. Informacje od liczników, umożliwiające im prowadzenie lepszego monitoringu prądu, pozwalają na minimalizację strat handlowych i technicznych. Na poparcie warto przytoczyć oficjalne dane od grupy ENERGA, która w 2014 r., w okręgach, w których zainstalowała liczniki inteligentne, zaobserwowała zmniejszenie się różnicy bilansowej o około 10%. Oznacza to oszczędność milionów złotych, po części inwestowanych w dalsze unowocześnianie infrastruktury – z pożytkiem dla wszystkich.
Ważną cechą komunikacji z licznikami cyfrowymi, jest jej dwukierunkowość. Kierunek od konsumenta do dostawcy energii elektrycznej jest rzeczą oczywistą, lecz komunikacja dostawcy z licznikiem to dość nowa sprawa. To rozwiązanie jest bardzo przydatne, gdyż pozwala dostawcy energii zdalnie aktualizować oprogramowanie licznika oraz stawki cenowe i informacje dotyczące taryf. Co więcej – konsument też może wejść w komunikację z własnym licznikiem, otrzymując pakiety danych na temat zużytych kWh, bieżących kosztów, napięcia elektrycznego, zmierzonej mocy itp. Służą do tego indywidualne konta, na których – po zalogowaniu się – konsumenci sprawdzają aktualne zużycie energii, miesięczne lub roczne podsumowanie itp. Mogą tam nawet sprawdzić swoje zwyczaje dotyczące poboru energii w cyklu dobowym, przedstawiane choćby w postaci wykresu graficznego, oraz dokonać zmian w wyborze taryf, lub – jak zostało to wspomniane wcześniej – dokonać rozliczenia rzeczywistego poboru albo też dokonać przedpłaty i zapłacić z góry za kolejną ilość energii.

 

 

Przyszłość cyfrowych liczników energii elektrycznej – w jaką stronę zmierza ich rozwój?

Najlepszym fizycznym przykładem kierunku rozwoju statycznych (cyfrowych) liczników energii elektrycznej do rozliczeniowych pomiarów mocy i energii elektrycznej jest prezentowany na stronie www.pozyton.com.pl. w zakładce „Produkty” licznik LP-1. Jego karta katalogowa i instrukcja obsługi w zakładce „Dla projektantów” wyczerpująco opisują jego funkcjonalność oraz budowę. Opcjonalnie preferujemy i przewidujemy rozwój liczników tzw. małogabarytowych (na szynę TH-35), których odpowiednim fizycznym przykładem jest prezentowany na stronie www.pozyton.com.pl w zakładce „Produkty” licznik sEAB.
Istotnym elementem tych liczników są interfejsy komunikacyjne lokalnych sieci intranet, a także globalnych sieci np. internet, GSM z dedykowanym systemowym oprogramowaniem bazodanowym i analitycznym (w ofercie Pozytonu: SOLEN, SKADEN, SEL, SPEL.)
Nie zalecamy i przestrzegamy przed stosowaniem w technice pomiarowo-rozliczeniowej transmisji w technologii PLC!

Kody OBIS

Aby móc odczytać na ekranie licznika statycznego konkretne dane, należy zapoznać się z kodami i treścią, jaka do nich jest przypisana. Objaśnienie tych międzynarodowych kodów powinno zawsze znajdować się na obudowie licznika. Najważniejsze kody prezentują się następująco:

• 0.0.0 lub C.1.0 – Numer identyfikacyjny licznika
• 1.8.0 lub E lub 15.8.0 – Całkowite zużycie – suma pobranej energii czynnej
• 1.8.1 lub EA lub 15.8.1 – Zużycie w strefie pierwszej (gdy taryfa 2-strefowa)
• 1.8.2 lub EB lub 15.8.2 – Zużycie w strefie drugiej (gdy taryfa 2-strefowa)
• 1.8.3 lub EC lub 15.8.3 – Zużycie w strefie trzeciej (gdy taryfa 3-strefowa)
• 0.9.1 – Aktualny czas
• 0.9.2 – Aktualna data
• 0.2.2 – Grupa taryfowa
• 1.6.0 lub 16.0.0 lub 16.6.0 – Moc maksymalna (pobrana czynna) w aktualnym okresie obrachunkowym.

 

Przyszłość liczników energii elektrycznej

Na pewno rysuje się ona w pozytywnych barwach dla najnowszych generacji liczników cyfrowych, spełniających wymagania stawiane im przez Operatorów Systemów Dystrybucyjnych (OSD), gdyż zgodnie z dyrektywą unijną 2009/72/WE dotyczącą wspólnych zasad rynku wewnętrznego energii elektrycznej, 80% starych liczników ma być wymienione na liczniki elektroniczne. Dla Polski oznacza to, iż na jej terenie będzie zainstalowanych około 13-14 milionów liczników inteligentnych.
Zdecydowanie zauważalnym trendem wyznaczającym przyszły rozwój liczników inteligentnych, jest wzrost ilości danych, przekazywanych do dostawcy energii elektrycznej. Zawierają one m.in. ważne informacje, które można wykorzystywać do tworzenia trafnych prognoz lub statystyk w odniesieniu do pojedynczych odbiorców energii elektrycznej. Zdaniem GIODO liczniki cyfrowe stają się jednak zagrożeniem dla prywatności konsumentów. Za ich pośrednictwem dostawcy prądu mogą obserwować nawyki konsumentów, identyfikować urządzenia, jakie konsument ma w domu, tworzyć wręcz ich „profile energetyczne” i później te informacje sprzedać lub udostępnić na przykład dystrybutorom sprzętów AGD, RTV itp. Dlatego bardziej spodziewać się należy rozwiązań prawnych, polegających na tym, iż szczegółowe dane dotyczące zużycia energii przez konsumenta będą traktowane jak dane osobowe (podlegające ochronie), niż faktycznego ograniczania ilości danych, przekazywanych przez liczniki do dostawców energii.
Innym trendem jest stopniowa miniaturyzacja liczników cyfrowych, czyli zmniejszanie ich rozmiarów – cecha typowa dla wszystkich urządzeń bazujących na układach scalonych i technologiach półprzewodnikowych – przy jednoczesnym ich wzmacnianiu i uszczelnianiu – tak by mogły pracować w nieprzyjaznych środowiskach. Kolejną cechą rozwijaną przez producentów jest coraz łatwiejsza dwustronna komunikacja z licznikiem (poprzez sieci WiFi, protokół BlueTooth, GSM, sieci Ethernet, wykorzystanie transmisji PLC w wariancie DLMS lub OSGP), którą już dziś prowadzi się przy użyciu stosownych aplikacji instalowanych w tabletach lub smartfonach. W przyszłości należy spodziewać się gwałtownego rozwoju struktur IoT, czyli tzw. Internetu Rzeczy, w które liczniki energii elektrycznej na pewno zostaną włączone – wówczas przejdą one na kolejny poziom komunikacji: M2M, czyli Machine To Machine (wymiana danych między urządzeniami). Jak bardzo zmieni to życie nas, konsumentów energii elektrycznej, oraz jak wpłynie to na same liczniki – przyszłość pokaże.

Łukasz Lewczuk