Технологии учета электроэнергии в России сегодня

Контроль потребления электроэнергии — прямой путь к повышению качества распределения ресурсов внутри электрической сети. В России выделяют два вида учета — технический и коммерческий.

И первый, и второй вид базируются на схожих системах, но коммерческая сфера жестче регулируется со стороны государства. Так, с 1 января 2024 года был отменен мораторий на штрафы за отсутствие «умных» счетчиков на электроэнергию в многоквартирных домах. Теперь управляющие компании и сетевые организации рискуют понести убытки, если продолжат игнорировать курс на модернизацию.

Чтобы понимать, в каком направлении движется современная электроэнергетика, нужно поэтапно рассмотреть эволюцию систем учета.

Счетчик — ключевой элемент системы учета

Уже упомянутые выше счетчики — это первый уровень обработки и сбора данных. Многие специалисты называют его самым важным, поскольку от точности, надежности и гибкости счетчиков напрямую зависят все дальнейшие расчеты.

 Каждый регион устанавливает свои тарифы, которые меняются в течение дня. Так, самая большая нагрузка на сеть возникает с 7:00 до 10:00 и с 17:00 до 21:00 — в это время люди собираются на работу или, наоборот, приходят домой и занимаются бытовыми делами. Поэтому в указанные пиковые периоды электричество самое дорогое. Самое дешевое оно ночью, когда все спят, и потребление снижается до минимума — с 23:00 до 7:00. Поэтому счетчики делят на три основных вида по временному интервалу учета:

• Однотарифные — и днем, и ночью они считают потребление по единому тарифу. Платить за электричество придется больше, но и стоят такие устройства дешевле остальных.
• Двухтарифные — средние по стоимости счетчики, которые делят сутки на дневной и ночной периоды. Стоят заметно дороже, но позволяют экономить на счетах за электроэнергию.
• Трехтарифные — счетчики, учитывающие не только день и ночь, но и пики потребления с полупиками. Самые дорогие модели, но они гарантируют минимально возможные тарифы.

Покупка и установка многотарифного прибора оправдана только в тех случаях, когда вы пользуетесь энергоемкой техникой (бойлерами, стиральными машинами, кондиционерами, обогревателями и т. д.) в основном в ночное время, снижая потребление в пиках. Иначе устройство будет окупаться слишком долго.

Классификация счетчиков по принципу действия

По принципу действия и конструктивному исполнению выделяют четыре вида счетчиков:

• индукционные;
• электронные;
• гибридные;
• умные.

Умные счетчики — это по сути те же электронные, но с добавлением «умных» функций (отправка данных по Wi-Fi, поддержка приложений, хранение статистики в «облаке», анализ данных и т. д.). Но рассмотрим каждый вариант по порядку.

Индукционные электросчетчики

Постепенно уходящие в прошлое коммерческие индукционные счетчики все еще актуальны в техническом учете. Их принцип действия основан на взаимодействии магнитных полей.

Существуют однофазные и трехфазные индукционные счетчики — последние устроены чуть сложнее, но базируются на тех же принципах. Такие приборы до сих пор применяются в мастерских, на дачах, в гаражах. Все благодаря явным преимуществам:

• минимальная цена;
• простая и понятная конструкция без электронных компонентов;
• срок эксплуатации — до 50 и более лет;
• невосприимчивость к скачкам напряжения в сети.

Почему же они почти перестали использоваться? Индукционные счетчики обладают низким классом точности, могут завышать или занижать потребление в зависимости от состояния сети, легко «скручиваются», тратят электричество на потери в катушках и т. д.

Электронные электросчетчики

Актуальные устройства, пришедшие на смену индукционным. Они одновременно хорошо себя показывают как в бытовых условиях, так и на промышленных предприятиях, где потребление электричества достигает огромных значений.

Преимущества электронных счетчиков:

• высокий класс точности;
• наличие многотарифного метода учета;
• борьба с «кражей» электричества на микропроцессорном уровне;
• наличие памяти устройства для длительного хранения;
• поддержка дистанционных и иных «умных» функций;
• один прибор на активную и реактивную мощность;
• возможность интеграции в единую систему учета.

Из минусов по сравнению с индукционными выделим высокую цену, затрудненный ремонт, не такой длительный срок службы, сложные механизмы защиты от скачков напряжения и высоковольтных импульсов.

Гибридные электросчетчики

Применяются крайне редко из-за сложного устройства.

Сегодня от описанного выше понятия «гибрида» практически ушли, поэтому в специальной литературе за гибридный электросчетчик принимается электронный, поддерживающий альтернативную коммуникацию. Например, передача данных в подобных моделях может осуществляться как по ЛЭП (PLC), так и по радиоканалу (RF) — в зависимости от того, какой из видов коммуникации в конкретный момент времени обеспечивает более точную информацию.

Виды современных систем учета электроэнергии

Счетчики — это базовые «кирпичики», из которых состоит более сложная структура, называемая системой учета электроэнергии.

Говоря проще, это счетчики и вычислительные мощности, объединенные в одну сеть для точного учета сразу во всей энергетической системе. Какие преимущества получает территориальная сетевая организация (ТСО):

1. Снижение издержек за счет:

• повышения качества учета;
• снижения электрических потерь;
• предотвращения поломок приборов учета;
• снижения аварийности.

2. Рост выручки за счет:

• увеличения количества заявок на подключение благодаря вводу уровня максимально разрешенной мощности;
• увеличения полезного отпуска;
• прироста электросетевого хозяйства.

Конечная цель интеллектуального учета — рациональное использование каждого киловатт-часа энергии. Без потерь, аварий, простоев. Для ее достижения разработано два варианта систем учета, которые схожи по своему содержанию, но отличаются по масштабам, области применения и другим факторам — АСКУЭ и ИСУ.

Автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ)

АСКУЭ — система электрического учета, позволяющая автоматизировать сбор данных по потреблению электрической энергии и выставлению счетов. Функции, которые она выполняет:

• круглосуточный автоматизированный контроль за потреблением в режиме реального времени;
• учет многочисленных тарифов;
• отправка сигналов о поломках и аварийных ситуациях, касающихся устройств учета, сбоях в системе;
• предоставление различных цифровых данных по запросам оперативно-диспетчерского персонала с выводом на экран;
• сбор информации в базе данных, ее надежное хранение в течение заданного периода;
• управление временной системой, ее корректировка.

АСКУЭ построена на трех уровнях. Первый был рассмотрен ранее — это цифровые счетчики с возможностью передачи данных. Второй уровень — коммуникации. Это модемы, мультиплексоры, RF-модули и другие устройства, обеспечивающие передачу информации от счетчиков. Сегодня в России применяются следующие коммуникационные каналы:

• RS-485 — интерфейс приемопередатчиков и витой пары;
• GSM/GPRS — сотовая беспроводная связь;
• LoRaWAN — протокол WAN с низким энергопотреблением;
• PLC — технология передачи по силовым электросетям (по ЛЭП);
• Ethernet — самый распространенный в мире протокол обмена данными в компьютерных сетях;
• ZigBee — система беспроводной передачи информации с большого количества компактно расположенных устройств опроса. 

Третий уровень — персональные компьютеры и другие цифровые машины с установленным на них специализированным программным обеспечением. ПО помогает персоналу постоянно отслеживать состояние АСКУЭ, запрашивать информацию из базы, следить за надежностью, тарифами и т. д. Благодаря введению АСКУЭ необходимость в ручном сборе данных полностью отпадает.

Отметим, что помимо АСКУЭ на предприятиях России встречается ЛОСОД — локальное оборудование сбора и обработки данных. Основа такой системы — приборы учета количества ресурсов. Между АСКУЭ и ЛОСОД есть принципиальное отличие: во втором случае потребитель не может просматривать данные по потреблению электрической энергии в режиме online, так как локальное оборудование попросту не располагает необходимым для этого ПО.

Интеллектуальная система учета энергоресурсов (ИСУ)

ИСУ — система, используемая для оптимизации управления энергоресурсами. Это более широкое понятие, чем АСКУЭ, оно закреплено в законодательных актах РФ. К примеру, все счетчики, устанавливаемые в многоквартирных домах после 1 января 2022 года, должны отвечать требованиям ИСУ.

Все функции, которые выполняет АСКУЭ, характерны и для ИСУ. При этом интеллектуальная система дает ряд уникальных возможностей:

• онлайн-мониторинг потерь электроэнергии в коммерческом выражении;
• сбор данных от систем учета электроэнергии предприятий, входящих в ЕЭС России;
• оперативный контроль балансов в энергосистеме;
• своевременное обнаружение источников потерь электроэнергии с их последующим устранением;
• выявление неисправных элементов во всей цепочке сбора и передачи данных — от трансформаторов тока и счетчиков до кабелей и каналов связи.

ИСУ — это программно-аппаратная «надстройка» АСКУЭ (АИИС КУЭ). То есть, для построения интеллектуальной систему учета наличие на предприятии АСКУЭ — обязательное и самое главное условие. Роль программного компонента при этом выполняет ПО ИСУ — специализированный аналитический комплекс, помогающий отслеживать состояние энергосистемы в реальном времени. Аппаратные компоненты, используемые в комплексе ИСУ — это различные УСПД (устройства сбора и передачи данных) и контроллеры. Они повышают точность, надежность и своевременность входных сигналов для ПО.

Принято выделять три вида ИСУ:

• системы учета электроэнергии, отвечающие техническим требованиям оптового рынка;
• системы учета электроэнергии для субъектов розничного рынка;
• КСУЭР — комплексные системы управления энергоресурсами промышленных предприятий и объектов жилищно-коммунального хозяйства.

В перспективе все варианты ИСУ могут взаимодействовать друг с другом и объединяться в более сложные системы. Конечная структура — Smart Grid, или «умные сети». Их созданием сейчас активно занимаются в Китае, США, Японии и Европе.

Отличия между АСКУЭ и ИСУ

Подытожив вышесказанное, обозначим разницу между АСКУЭ и ИСУ:

1. Область применения и функциональность. АСКУЭ создана для автоматизации коммерческого учета — это ее главная и, по большому счету, единственная функция. ИСУ предлагает другой уровень функциональности, не ограничивающийся только учетом. Так, благодаря ИСУ возможны мониторинг состояния энергетической системы в режиме реального времени и оперативное реагирование на спрос.
2. Затраты на внедрение. Внедрить в компании АСКУЭ дешевле, так как она является лишь составляющей ИСУ. Построить интеллектуальную систему сложнее, но в дальнейшем это окупится за счет повышения эффективности распределения энергии.
3. Гибкость и масштабируемость. ИСУ — более гибкая и практически безгранично масштабируемая система. Благодаря ИСУ возможны интеграции между различными субъектами энергетической системы. АСКУЭ — локальное решение в рамках одной замкнутой системы. Масштабировать ее на несколько принципиально разных предприятий не получится.

Впервые понятие ИСУ появилось в законодательстве России в 2018 году — тогда Госдума приняла Федеральный закон № 522-ФЗ, вносящий ряд изменений в ФЗ №35 «Об электроэнергетике». Если сравнивать с другими странами, то РФ пока отстает. Например, в США Закон об энергетической независимости и безопасности (EISA) вступил в силу еще в 2007 году — именно там были впервые затронуты интеллектуальные системы учета. Но потенциал у отечественной энергетики огромный.

Путь к Smart Grid или ИЭС ААС

Smart Grid — это зарубежный термин, характеризующий идеализированную интеллектуальную систему учета, когда вся энергосистема страны (или отдельного региона) объединена в единый информационный комплекс. В России используется аналог понятия — ИЭС ААС (интеллектуальная электроэнергетическая система с активно-адаптивной сетью). Суть у них одинаковая.

База Smart Grid — это исключительно «умные» электронные счетчики. Индукционные электромеханические приборы, используемые в традиционных сетях, здесь применения не найдут. Также в Smart Grid полностью автоматизировано управление потоками электроэнергии, а потребители могут выступать в качестве просьюмеров. Это предельно надежная, «прозрачная» и самовосстанавливающаяся сеть.

Наибольшее внимание к Smart Grid проявляют Китай и США — на эти две страны суммарно приходятся 30% всех научных публикаций в данной сфере (для сравнения, доля России – 1,3%). Такой интерес обусловлен рядом ожидаемых эффектов от внедрения «умного» учета на разных уровнях:

• государство — снижение потребления электроэнергии на 20%;
• генерирующие предприятия — снижение объема новых мощностей на 20%;
• сети — существенное снижение потерь (до 50%), снижение операционных расходов за счет сокращения штата и объемов работ по техническому обслуживанию (до 10%);
• сбытовые организации — снижение количества обращений от потребителей на 30%, улучшение оборачиваемости задолженностей на 30%.

Что касается потребителей, Smart Grid предлагает им наивысшее качество энергоснабжения. Также благодаря «умным» сетям конечный пользователь услуги имеет на руках всю необходимую информацию для управления своими тарифами. 

Российский кейс по внедрению Smart Grid

Уфа стала первым российским городом, где в 2021 году успешно завершилась модернизация энергосистемы по модели Smart Grid. Что было сделано в рамках проекта:

• обновлено 513 энергообъектов;
• проложено 96,5 км новых кабельных линий;
• открыт Центр управления сетями (ЦУС).

Модернизация заняла почти 8 лет, в ней участвовали компании Siemens и АО «БЭСК». Каких результатов удалось достичь:

• перебои в энергоснабжении сократились до нескольких минут;
• решена проблема с несанкционированными подключениями к сети — теперь они выявляются мгновенно и автоматически;
• снижены потери электроэнергии в энергосистеме города с 16-17% до 8-9%;
• снижены выбросы углекислого газа в атмосферу на 550 тыс. тонн в год.

От перехода на Smart Grid выиграли все — и бизнес, и потребители, и экология. Важно, что теперь энергетическая система Уфы приспособлена для адаптации к будущим новшествам, так как решения Smart Grid очень гибкие. А развивается сфера крайне активно.

Уфа стала первой, но сегодня технология распространилась дальше. Если посмотреть на проекты из базы «Энерджинет» Национальной технологической инициативы, то прямо сейчас Smart Grid внедряется в двух регионах — республике Крым и Калининградской области. В дорожной карте Совета при Президенте РФ по модернизации экономики и инновационному развитию на 2030 год запланирована комплексная реализация пилотного проекта Smart City 3.0 на масштабе малого города — это новый этап, приходящий на смену опыту в Уфе. Его основное отличие от первой и второй версий — учет творческих инициатив граждан. Жители будут сами решать, на какие технологии «умных» сетей стоит сделать упор — в каждом городе по-своему.   

Перспектива и технологии будущего

Какие направления сегодня вызывают особый интерес у специалистов, работающих над улучшением систем учета электроэнергии:

1. Искусственный интеллект (ИИ). Самообучающееся ПО поможет выявить слабые места энергосистемы, перераспределить нагрузку и прогнозировать сбои. Так, немецкий стартап Frequenz предлагает операционную систему Microgrid на базе ИИ, предназначенную для точного прогнозирования нагрузок. Другая австралийская компания Solstice AI занимается повышением эффективности солнечных панелей.
2. Сетевая безопасность. Цифровизация — это не только удобство, но и повышенные риски. Поэтому отдельный пласт технологий направлен на повышение сетевой безопасности системы. Прорывов здесь много уже сегодня. Например, компания Swan Foresight предлагает модуль защиты от кибератак, разработанный специально под нужды Smart Grid, а Reliable Energy Analytics — программное обеспечение для аутентификации электрических сетей.
3. Концентрация внимания на микросетях. Речь идет о небольших по объемам электрических сетях, ограничивающихся одним домом или населенным пунктом. Так, стартап из США Mavericks продвигает полностью автоматизированные «умные» дома, питающиеся от солнечных панелей. Их не нужно подключать к единой энергосистеме — это автономная замкнутая среда. Другая компания Elektrifi Technologies масштабирует такое решение на сельскую местность. Подобная микросеть гарантирует, что удаленная деревня не останется без энергии при стихийных и иных бедствиях.

Это лишь небольшая часть технологий будущего, развивающихся прямо сейчас. Помимо них есть блокчейн, облачная аналитика, интеграция электромобилей и передовых возобновляемых источников энергии. Все они призваны вывести учет ресурсов на принципиально новый уровень.

Заключение

Современная система учета электроэнергии — это автоматизированная, «умная» и надежная структура, построенная на базе цифровых технологий. Она минимизирует участие человека в процессе, сокращает потери, высвобождая тем самым новые ресурсы для развития. Также такая система всегда открыта к модернизации. В энергетике России подобные технологии только набирают обороты. Но именно здесь благодаря разнообразию объектов генерации и типов потребителей есть «простор для творчества».