В условиях постоянно растущих тарифов на коммунальные услуги, экономия потребителями электрической энергии, воды, газа становится довольно актуальным вопросом.
Сейчас для каждого дома или квартиры установлены индивидуальные приборы учета – электросчетчики, счетчики расхода воды, для домов с газовым снабжением – счетчики газа, идет внедрение приборов учета тепла. Как правило, показания приборов учета снимаются потребителями только раз в месяц в день оплаты коммунальных платежей для расчетов со снабжающими организациями. Но для того, что бы понимать, как лучше экономить потребляемые ресурсы, необходимо вести постоянный мониторинг их расхода. Затем по полученным результатам можно произвести детальный анализ и разработать мероприятия по уменьшению потребления ресурсов.
Поэтому, давайте поговорим о создании «инструмента», который позволит получать подробную информацию о статистике расхода потребленной электроэнергии и параметрах питающей сети.
В настоящее время индукционные электросчетчики уходят в прошлое и для контроля потребленной электроэнергии, устанавливаются электронные электросчетчики. Кроме того, если в доме предусматривается организация автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ), электросчетчик имеет интерфейс передачи данных, например, RS485, Ethernet, CAN, PLC, GSM и т.д. Поэтому, для контроля расходуемой электроэнергии, идеальным вариантом было бы подключить к интерфейсу существующего электросчетчика систему сбора данных, которая будет регистрировать показания электросчетчика с выборкой данных за определенный период, складывать их в базу и по полученным результатам строить графики потребления электроэнергии.
К сожалению, при таком подходе возникает одна очень серьезная проблема. Дело в том, что электросчетчик, который установлен электроснабжающей организацией, является расчетным учетом электроэнергии. Клеммная крышка такого электросчетчика в обязательном порядке пломбируется, причем коммуникационный разъем интерфейса, как правило, тоже оказывается под пломбой. Но даже если интерфейс электросчетчика окажется и неопломбированным, то вряд ли представители Энергосбыта дадут разрешение на подключение к нему сторонних устройств. А в случае самовольного подключения можно попасть и под штрафные санкции.
Следовательно, наиболее приемлемым вариантом будет установить после расчетного еще один электросчетчик с интерфейсом передачи данных и снимать показания расхода электроэнергии с него через интерфейс RS485 (рис.1):
Рис. 1
Далее я расскажу о создании «домашней АСКУЭ» исходя из собственного опыта.
Для начала необходимо было определиться с выбором электросчетчика. После анализа имеющихся на рынке изделий, решил выбрать электросчетчик из линейки SDM производства компании Eastron Electronic Instruments с интерфейсом RS485 и протоколом связи Modbus RTU. В эту линейку входят электросчетчики SDM120, SDM220, SDM230 и SDM630 (рис.2)
Рис. 2
Электросчетчик SDM630 предназначен для работы в трехфазных сетях и применять его для «квартирного» однофазного учета смысла нет. SDM120 имеет компактные размеры (стандартный 17,5 мм модуль на DIN-рейку), однако его максимальный ток составляет 40 А. К тому же клеммы для подключения силовых цепей, как мне показалось, недостаточно надежны.
SDM220, SDM230 имеют фактически одинаковые параметры и обеспечивают измерение тока до 100 А. Отличие заключается в количестве регистров параметров (у SDM230 их больше) и электросчетчик SDM220 предназначен для работы в однофазной сети переменного тока 220 В, а SDM230, соответственно, для работы в однофазной сети переменного тока 230 В. К тому же у электросчетчика SDM230 более удобно расположены клеммы подключения силовых цепей – клеммы подключения фазного провода находятся сверху, а клеммы подключения нулевой шины и интерфейсный разъем RS485 расположены в нижней части устройства (рис.3).
Рис. 3
Поэтому, в силу указанных выше причин, а так же учитывая то, что согласно действующего ГОСТ29322-92 «Стандарты напряжений» номинальным напряжением в сети является значение 230В, был приобретен электросчетчик Eastron SDM230 Modbus RTU. Конечно, его не получится использовать в качестве расчетного учета электроэнергии, т.к. данный прибор не внесен в Государственный реестр средств измерений. А вот для создания «домашней АСКУЭ» он подойдет в самый раз.
Заказать электросчетчик SDM230 можно через Aliexpress, стоимость с доставкой составит приблизительно 30$. Будьте внимательны, делая заказ – компания Eastron Electronic Instruments является известным китайским производителем, в связи с чем на Aliexpress появилось довольно много копий (или говоря прямо – подделок) данного бренда. Поэтому, лучше всего заказывать электросчетчик непосредственно в магазине производителя – «Eastron Electronic World». Также обязательно укажите продавцу на наличие интерфейса RS485, т.к. существуют модификации электросчетчика SDM230 без RS485.
Из недостатков электросчетчика SDM230 необходимо отметить отсутствие внутренних часов реального времени, что не позволяет формировать расход потребленной электроэнергии по суткам, месяцам, тарифным зонам и т.д. непосредственно в самом электросчетчике. Но при необходимости все это можно реализовать на стороне сервера – устройства сбора и обработки данных, к которому будет подключен электросчетчик.
SDM230 позволяет по запросу передавать через интерфейс RS485 ModbusRTU 24 параметра питающей сети и потребленной электроэнергии. Перечень контролируемых параметров и адреса их регистров приведены в таблице на рис.4:
Рис. 4
Разумеется, можно вывести и контролировать все 24 параметра. Но для полноценного анализа достаточно ограничиться только основными параметрами:
напряжение сети (Line to neutral volts)
потребляемый ток (Current)
частота сети (Frequency)
полная мощность (Apparent power)
активная мощность (Active power)
потребленная активная энергия (Total active energy)
коэффициент мощности (Power factor)
Величину реактивной мощности можно «напрямую» не контролировать – для ее оценки будет вполне достаточно значения коэффициента мощности (cos φ).
Для сбора и обработки получаемых данных, электросчетчик был интегрирован в систему домашней автоматизации WebHomePi. В ее последней версии уже есть поддержка электросчетчика SDM230, поэтому дополнительных программных пакетов устанавливать не нужно. Из аппаратных средств вам понадобится микрокомпьтер Raspberry Pi любой из версий В+,2, 3, 3B+ и преобразователь интерфейса UART/RS485. Достаточно подключить SDM230 к шине RS485, скачать и скопировать готовый образ системы на SD карту и можно работать с электросчетчиком SDM230 через web-интерфейс.
Я не призываю вас использовать именно WebHomePi, поддержка протокола RS485 есть в различных системах домашней автоматизации, таких например, как OpenHAB, Home Assistant, MajorDoMo. Поэтому подключить электросчетчик SDM230 к любой из этих систем большого труда не составит.
Несколько слов об установке электросчетчика SDM230. Разместить его лучше всего рядом с расчетным электросчетчиком, например, на DIN-рейке совместно с автоматическими выключателями и УЗО в распределительном щите (рис.5).
Рис. 5
Разрыв фазного провода включается между клеммами L-in – генератор и L-out – нагрузка (см. рис.3). Разрыв шины N делать необязательно – достаточно просто подключить ее к любой из клемм N-in или N-out.
Итак, будем считать, что SDM230 подключен к силовой и интерфейсной цепи (RS485), и его показания выводятся на страницу web-интерфейса (рис.6). Но показания расхода активной энергии SDM230, естественно, не совпадают с показаниями расчетного электросчетчика. Поэтому, далее рассмотрим такой вопрос, как «синхронизация» показаний расчетного электросчетчика и показаний, получаемых от SDM230 и вводимых в программу визуализации и обработки данных.
Рис. 6
Электросчетчик SDM230 имеет класс точности 1 (единица), что соответствует требованиям, предъявляемым к расчетным приборам учета электроэнергии для бытового сектора. Но вне зависимости от того, какой из электросчетчиков реально более точный (расчетный или SDM230), за эталон мы обязаны принимать только показания расчетного электросчетчика, т.к. именно по нему производится расчет с электроснабжающей организацией. Следовательно, показания расчетного электросчетчика принимаются за «начальную точку отсчета» и такие же показания необходимо установить на SDM230. Но дело в том, что в электросчетчике SDM230 нет возможности установки произвольных показаний потребленной электроэнергии, что в нашем случае соответствующих показаниям расчетного электросчетчика. Впрочем, эта ситуация характерна практически для всех приборов учета.
Поэтому, проще всего пойти по следующему пути – снимать с SDM230 реальные показания и в программе обработки данных добавлять «дельту» (разницу) показаний между расчетным электросчетчиком и SDM230. Допустим, на расчетном электросчетчике показания 1000,55 кВт*ч, а на SDM230 – 0,55 кВт*ч. Следовательно, каждый раз получив с SDM230 значение потребленной энергии, для ввода корректных данных, программа должна добавлять к этому значению число 1000.
Однако когда таким образом вы «синхронизируете» показания обоих электросчетчиков с точностью даже до сотых долей кВт*ч, то через некоторое время начнется «рассинхронизация» данных, причем со временем она будет увеличиваться. Давайте проанализируем, почему это происходит.
Первый фактор такой «рассинхронизации» - это погрешность измерений электросчетчиков. Ведь если даже прибор метрологически поверен и его погрешность находится строго в допуске, то все равно погрешность существует. Погрешностью расчетного электросчетчика мы должны пренебречь, так как его показания, как было выше сказано, являются точкой отсчета, а погрешность электросчетчика SDM230 считать относительно расчетного, который приняли за эталон.
Второй фактор – это собственное потребление электроэнергии электросчетчиком SDM230. Да-да, не удивляйтесь, любой электронный счетчик тоже является потребителем электроэнергии для питания своей внутренней схемы. Разумеется, мощность эта небольшая, но расчетный электросчетчик в любом случае ее учитывает, что увеличивает «разбежку» показаний между расчетным электросчетчиком и SDM230.
В технической документации на SDM230 собственное потребление электросчетчика не указано. После обращения к производителю с просьбой предоставить данную информацию, был получен лаконичный ответ – «Less than 2W». Следовательно, максимальное значение расхода электроэнергии непосредственно самим электросчетчиком за месяц может достигать:
На основании рассмотренного выше, можно привести формулу «баланса мощности» для электросчетчиков. Обратите внимание, что разность показаний и погрешность электросчетчика SDM230 по отношению к расчетному может быть как положительной, так и отрицательной:
А расчетный = (А показания SDM230) +/- (А разность показаний) +/- (А погрешность SDM230 ) + (А потребление SDM230)
Если посмотреть на полученную формулу, то легко понять, что нет смысла отдельно рассчитывать значения погрешности и собственного потребления, достаточно знать их сумму – (А погрешность SDM230 + А потребление SDM230) и добавлять ее к конечному результату с учетом разницы показаний. Рассчитать эту сумму можно практическим методом, который позволит получить точный результат, но потребует определенного времени. Допустим, расчетный электросчетчик и SDM230 были синхронизированы на отметке 1000,55 кВт*ч без учета погрешности и собственного потребления SDM230. Говоря иначе, в программу была введена только разность начальных показаний электросчетчиков. Через месяц показания расчетного электросчетчика составили 1200,55 кВт*ч, а SDM230 - 1199,55 кВт*ч. Следовательно, на 200 кВт*ч значение суммы (А погрешность SDM230 + А потребление SDM230) составило 1 кВт*ч. Однако, учитывая, что объем потребления электроэнергии каждый месяц разный, это значение не является константой и будет постоянно «плавать».
Поэтому, исходя из полученного результата, более правильно рассчитать значение суммы (А погрешность SDM230 + А потребление SDM230) на один потребленный кВт*ч:
А (разность на 1 кВт*ч) = (1200,55 – 1199,55) / (1200,55 – 1000,55) = 0,005 кВт*ч
Говоря иначе, на каждый измеренный электросчетчиком SDM230 1 кВт*ч, необходимо дополнительно в программе обработки данных выполнять приращение 0,005 кВт*ч.
При соблюдении всех рассмотренных условий визуальные показания расчетного электросчетчика и показания, вводимые в программу обработки данных, должны быть абсолютно идентичны на протяжении всего периода совместной эксплуатации расчетного электросчетчика и SDM230.
Посмотрите демонстрационные видео работы электросчетчика SDM230:
Итак, мы рассмотрели, как создать простейшую «домашнюю АСКУЭ» на электросчетчике SDM230. Из собственного опыта с уверенностью могу утверждать, что это довольно полезная штука для вашего дома или квартиры. Например, вы сможете удаленно контролировать расход электроэнергии через локальную сеть или интернет. Также с ее помощью я просчитал реальное потребление электроэнергии абсолютно всеми домашними нагрузками, что в итоге повлияло и ускорило полный перевод освещения на светодиодное. Был выявлен довольно интересный эффект, связанный с коэффициентом мощности (cos φ), который в очередной раз подтверждает не пользу, а полную бесполезность, или даже вред различных устройств «экономии электроэнергии», предлагаемых недобросовестными продавцами доверчивым покупателям. Обо всем этом я постараюсь рассказать вам в следующих публикациях.
