Мониторинг потребления электроэнергии

Простое устройство мониторинга энергопотребления

Сейчас все больше и больше людей интересуются темой мониторинга потребляемого электричества.
В некоторых случаях эти знания имеют очень большое значение (например, для вашего загородного дома выделили 8кВт мощности и вам необходимо понять, насколько близко вы находитесь к разрешенному пределу и т.п.).
Есть уже готовые изделия, одно из них уже было героем обзора на Хабре.
Но мы не из тех, кто ищет легких путей и сделаем вот такое устройство:

В руки попал вот такой датчик:

Остальные компоненты будем использовать наиболее доступные и приоритет будем отдавать тем, что уже имеются в наличии.

Замечание: поскольку схема не слишком сложная, я ее целиком приводить не буду, а расскажу только о некоторых особенностях.
Ссылки на все полезные материалы и библиотеки, которые использовались при создании этого приборчика расположены в конце статьи.
Датчик, фото которого приведено выше — неинвазивный датчик тока (до 100А). Выход датчика — токовый.
Напрямую к аналоговому входу ардуинки этот датчик подключать нельзя (точнее можно, но пользы это не принесет никакой).
Чтобы получать адекватые значения измеряемой величины нам необходимо добавить несколько элементов и подключить датчик по следующей схеме:

Обоснование схемы и расчет номиналов элементов приводится по следующей .
Таким образом, значение тока сможем измерить, но наша цель — измерить потребляемую мощность.
Воспользуемся известной формулой: P=U*I.
И вроде бы как все значения в правой части известны. Но значение напряжения, к сожалению, может колебаться в достаточно больших пределах и по-хорошему следует еще и его измерять для получения более точных результатов.
Учитывая это замечание, сразу можно сказать, что прибор не будет отличаться большой точностью и скорее будет являться некоторым индикатором с возможностью оценки измеряемых значений, но с погрешностью, зависящей еще и от величины напряжения. В случае, если у вас установлен стабилизатор питания — эта погрешность уменьшается.
С подключением датчика разобрались, теперь нужно разобраться с остальными комплектующими.
От моих первых шагов по освоению ардуинки остались микросхема ATmega168 и ЖК-дисплей 12х2 с поддержкой кириллицы — их и будем использовать.
На этапе прототипирования выяснилось, что ATmega168 есть, а вот кварца с парой конденсаторов к нему — нет. Но, как все знают, атмега может спокойно работать на частоте 8МГц с внутренним осциллятором.
Этот режим работы совершенно нормальный, но точность внутреннего осциллятора невысока. Для создаваемого устройства это не критично.
Чтобы включить этот режим работы МК, необходимо поправить фьюзы. Фьюзы можно изменить с помощью среды Arduino, но делается это только в момент прошивки бутлоадера.
Составляющие успешной прошивки:

  1. Ардуинка с прошитым скетчем Arduino ISP
  2. Ардуинка с DIP-панелькой для «подопытного» МК (или беспаечная макетка, где собрана ардуинка с минимальным «обвесом»)
  3. Несколько проводков для соединения ардуинок (или ардуинки и макетки)
  4. Правильная запись для «новой платы» в файле boards.txt

Описание варианта в boards.txtatmega168ic8mhz.name=ATmega168 (internal clock 8MHz)
atmega168ic8mhz.upload.protocol=stk500
atmega168ic8mhz.upload.maximum_size=14336
atmega168ic8mhz.upload.speed=19200
atmega168ic8mhz.upload.using=arduino:arduinoisp
atmega168ic8mhz.bootloader.low_fuses=0xe2
atmega168ic8mhz.bootloader.high_fuses=0xdd
atmega168ic8mhz.bootloader.extended_fuses=0x00
atmega168ic8mhz.bootloader.path=arduino:atmega
atmega168ic8mhz.bootloader.file=ATmegaBOOT_168_pro_8MHz.hex
atmega168ic8mhz.bootloader.unlock_bits=0x3F
atmega168ic8mhz.bootloader.lock_bits=0x0F
atmega168ic8mhz.build.mcu=atmega168
atmega168ic8mhz.build.f_cpu=8000000L
atmega168ic8mhz.build.core=arduino:arduino
atmega168ic8mhz.build.variant=arduino:standard
Внимание, если у вас МК уже с ардуиновским бутлоадером, то обновлять бутлоадер нужно с использованием кварцевого резонатора.
Прошивка прошла успешно, МК заработал на внутреннем осцилляторе.
Теперь надо было подумать, как подключить дисплей и кнопки.
Задачка совсем несложная и можно подключить так, как делается во всех примерах (см.ссылки ниже).
Дисплей подключаем в 4-х битном режиме (для экономии используемых цифровых пинов).
Один из выводов дисплея отвечает за контрастность. Захотелось иметь возможность регулировать контрастность из скетча. Сказано-сделано: подключаем этот вывод к свободному пину с ШИМ (дополнительно ставим электролитический конденсатор на 10мкФ — для сглаживания).
Поскольку планировалось использовать две кнопки, то самым простым решением было бы повесить каждую кнопку на свой цифровой пин и мониторить их состояние, но это как-то тривиально.
Решил задействовать для кнопок всего один пин (аналоговый).
Схема очень простая — кнопки включаются последовательно друг за другом, параллельно каждой кнопке — свой резистор. Последовательно этой конструкции — еще один резистор. Вся эта цепь включена между «землей» и «питанием». Таким образом получается делитель напряжения.
Нарисовал, как смог, извините.
Особенность схемы (и подобранных резисторов) такова, что позволяет отслеживать нажатие любой из кнопок и «бонусом» — факт нажатия двух кнопок сразу, чем мы и воспользуемся при написании скетча.
Сначала собрал прототип на беспаечной макетной плате:

Написал небольшой скетч, который опрашивал датчик, производил необходимые вычисления и выводил данные на дисплей — все заработало так, как ожидалось.
Единственной неожиданностью оказалось то, что датчик, который не подключен к проводу, ток в котором хотим измерить, дает ненулевые значения — имеется небольшая «постоянная составляющая» (обусловлена неидеальностью элементов между датчиком и аналоговым входом МК). Поэтому решено в скетч добавить простенький механизм «автокалибровки» для ее устранения.
Теперь можно переходить к реализации «в железе».
Печатную плату ради одного устройства делать, имхо, нецелесообразно — решил все сделать на печатной макетной плате навесным монтажом.
Для прибора был приобретен корпус. Выбор был сделан «на глазок» (определяющим был размер дисплея и то, что рядом с ним должно быть две кнопки).
Фото некоторых комплектующих, которые использовались в последующих итерациях:

Для собственного удобства решил сделать устройство из двух плат.
На верхней расположил дисплей, кнопки, разъемы и большую часть «рассыпухи», отсносящуюся к дисплею и датчику.
На нижней плате — микросхема atmega168 в панельке, конденсаторы (по питанию) и разъем для подключения программатора. Эта плата получилась почти пустая.
Для соединения плат решил использовать штыревые разъемы:

Безусловно, все составляющие можно было разместить и на одной плате (микроконтроллер разместить под дисплеем), но не хотелось делать более плотный монтаж, да и оставить «резерв на развитие» — не лишнее (даже если и не понадобится).
«Бутерброд» в сборе:

Видно, что платы имеют «хитрую» конфигурацию — это для того, чтобы не нарушать внутреннее «убранство» приобретенного корпуса. Выступы в корпусе хорошо фиксируют «бутерброд» внутри и не дают свободно болтаться в корпусе.
На этом этапе проекта пришлось сильно думать, как же теперь разметить отверстия под дисплей, кнопки и разъемы, причем сделать это так, чтобы не пришлось делать фальш-панель?
Помогли направляющие и то, что платы были сделаны с минимальным зазором — люфт почти нулевой.
Разметку необходимых отверстий производил изнутри и использовал подручные средства.
Начал с кнопок: взял зубную пасту и намазал «верхушки» толкателей — после этого аккуратно вставил «бутерброд» в корпус по направляющим и добился отпечатка на внутренней стороне корпуса.
Дальше просверлил по полученным меткам отверстия сверлом нужного диаметра. И снова примерил плату — бинго! Кнопки оказались на своих местах.
Аналогично «измазал» рамку дисплея (он еще под упаковочной пленкой был) и повторил манипуляции. Результат можно видеть ниже.
Последняя «примерка», все выглядит сносно:
Слабонервным не смотреть (обратная сторона платы)
Сначала не планировал делать разъем для подключения программатора: думал, что сделаю аппаратную часть, напишу всю программную начинку, прошью и все соберу в корпусе, но оказалось, что вывести разъем достаточно просто и это удобнее, чем разбирать устройство для каждой корректировки ПО.
Программирование устройства с помощью программатора на FT232RL:
Прибор в сборе (правда, софт еще не дописан):
Демонстрация работы прибора и его основных возможностей (тут уже «финальная» версия софта):

Прошу прощения за качество — очень неудобно одной рукой держать «камеру», а другой — подключать, нажимать, включать кондиционер и т.п.
Архив со скетчем и необходимой библиотекой доступен по .

Список покупок

Привожу ссылки, где приобретал комплектующие. Безусловно, можно найти дешевле.

  • ATmega 168 — 145 руб.
  • Датчик тока — 529 руб.
  • Разъем jack 3.5мм — 79 руб. (в наборе три, нужен только один)
  • Резисторы и конденсаторы — 189 руб. (из набора нужно далеко не все)
  • Штыревые разъемы — 319 руб. (опять же из набора нужно далеко не все)
  • Гнездо питания — 20 руб.
  • ЖК-дисплей 16х2 (англо-русский) — 650 руб.
  • Кнопка тактовая (h=13мм) — 19 руб. (2 шт.)
  • Корпус — 88 руб.
  • Макетная плата — 870 руб. (нужна не вся)

Получается больше 2.5 тыс.руб.
Немало, но если брать только нужные элементы (а не наборы) и приобретать в «правильных» местах — можно будет существенно сэкономить (правда, ждать придется дольше).
Дополнительно была использована макетная плата, набор соединительных проводов, программатор, ардуинка (в роли ISP-программатора) и т.п. Поскольку эти вещи были ранее и используются в этом «проекте» только временно — не включил их в стоимость созданного устройства.
Еще нужен блок питания на 5В (стабилизированный) — его тоже не включил в стоимость, поскольку нашел у себя в залежах и даже не представляю, от какого устройства он остался.
В результате: создан еще один девайс, который позволяет вполне адекватно оценить текущее потребление электроэнергии.
Точность прибора невысока, но при включении электропотребителей с известными характеристиками (чайник, духовой шкаф, кондиционер, светильники и т.п.) — значения, выводимые на дисплей, достаточно точно соответствуют заявленным производителем (погрешность примерно на уровне 5-10%).
Устройство отслеживает как максимальные, так и минимальные значения электропотребления (ожидаемо, что самое низкое потребление зафиксированно в ночные часы и у меня составило 0.58кВт — компьютеры, сетевое хранилище, холодильник, всяческие зарядки и несколько устройств в режиме ожидания).
Когда видишь цифры текущего потребления — это заставляет задуматься об эффективности использования электроэнергии и сразу хочется выяснить, за счет чего можно их уменьшить.

Полезные ссылки

  • Измерительные цепи
  • Подключение датчика тока к Ардуино (выбор элементов, основные формулы)
  • Скетч для измерения среднеквадратичного значения тока и мощности
  • Калькулятор фьюзов AVR
  • Arduino в роли ISP-программатора
  • Подключение LCD-дисплея к Ардуино
  • Спецификация на дисплей и кодовая таблица
  • Как сделать прямоугольное отверстие в корпусе

P.S. уже придумалось, что на «нижнюю» плату с МК следует добавить модуль беспроводной связи nrf24l01+ (и стабилизатор питания на 3.3В для него) и преобразовать созданное устройство в «беспроводной датчик с дисплеем».
P.P.S. об обнаруженных ошибках в тексте прошу сообщить с помощью личных сообщений.

Мониторинг энергопотребления предприятия: основные сценарии и инструменты

Мониторинг энергопотребления предприятия играет важную роль в обеспечении необходимого качества энергии и бесперебойной работы оборудования. В каких случаях необходим мониторинг энергопотребления и какие инструменты для этого используются? По мнению специалистов компании – производителя измерительных приборов Fluke Corporation, существует несколько основных сценариев, при которых мониторинг энергопотребления особенно важен. Благодаря измерению ключевых параметров тока на критически важном оборудовании, можно составить правильное расписание техобслуживания и своевременно предупредить поломки, а не тратить средства и терять репутацию из-за незапланированных простоев.

Энергоэффективность

Часто компании не могут быть уверены в отсутствии перерасхода энергии. Обычно расход энергии измеряется в одной точке на входе в энергосистему предприятия. При этом потери энергии на основных и вторичных потребителях могут оставаться незамеченными, если не производится регулярный мониторинг энергопотребления.

Проблема неэффективного расходования электроэнергии актуальна для всех отраслей: от тяжелой промышленности до сферы общественного питания. Например, по расчетам специалистов компании eTactica, снижение затрат на энергию на 10% в ритейле может увеличить чистую прибыль на 16%.

Бóльшая часть электроэнергии в супермаркетах приходится на морозильные камеры, холодильную технику и освещение

Чтобы составить точную картину расходования энергии, необходимо провести мониторинг энергопотребления самого мощного оборудования, вторичных потребителей и сопоставить с общим объемом использованной электроэнергии. Почти наверняка найдутся потери энергии из-за неэффективного или неисправного оборудования, неучтенных нагрузок, неудачного рабочего расписания с запуском самого мощного оборудования в часы пикового потребления.

Точный учет энергопотребления

Мониторинг энергопотребления также необходим при использовании дополнительных электросчетчиков. Они могут быть неправильно подключены или настроены.

Нарушение правил установки счетчиков приводит к выставлению ошибочных счетов за электроэнергию

Проверка с использованием ручных регистраторов потребления энергии позволит избежать неточностей в расчете использованной энергии на каждом счетчике и выставить правильные счета.

Энергосбережение — еще один сценарий, требующий точной оценки итоговых показателей расходования электроэнергии после установки новых осветительных приборов, кондиционеров, как и любого другого оборудования. Замеры нагрузки до модернизации и после неё могут подтвердить факт энергосбережения и позволят получить налоговые льготы в отношении энергоэффективного оборудования или, напротив, покажут отсутствие энергосбережения.

Оценка энергоэффективности нового установленного оборудования

Во время проведения энергоаудита не всегда возможна проверка энергоэффективности оборудования экспериментальными методами в лаборатории, поэтому иногда замеры производятся непосредственно на предприятии.

Добавление нагрузки и поиск неисправностей

Перед добавлением новой нагрузки в электроустановку очень важно знать текущее энергопотребление, иначе может произойти перегрузка распределительного оборудования и источников электрической энергии. Это угроза не только надежности, но и безопасности, включая риски пожара или поражения током. Новую нагрузку можно добавлять, только если текущее потребление измерено, причем не только в моменте, но и в течение длительного времени (обычно 30 дней).

Мониторинг энергопотребления может существенно сократить время обнаружения причин разных неисправностей энергооборудования. Например, часто трудно «поймать» момент срабатывания автоматического выключателя, особенно если это происходит в нерабочее время. Очевидные причины, вроде запуска мощного электродвигателя, не обязательно верные. Ответить на вопрос, когда именно происходит отключение, поможет использование регистратора, поставленного на запись на стороне нагрузки выключателя.

Переносные регистраторы

Для мониторинга энергопотребления непосредственно на элементах оборудования и распределительных щитах применяются переносные регистраторы энергии. Например, трехфазные регистраторы потребляемой мощности: регистратор общего назначения Fluke 1736 или Fluke 1738 с расширенными аналитическими функциями.

Трехфазный регистратор энергии Fluke 1736

Регистраторы имеют четыре гибких датчика тока для удобной установки на проводники (три фазы и нейтраль). Они записывают скачки напряжения и тока, перенапряжение, броски тока намагничивания, гармоники, отмечая точное время этих событий. Данные можно просматривать непосредственно на экране регистратора, отправлять на мобильное приложение Fluke Connect, которое позволяет изучить информацию без необходимости лишний раз приближаться к высоковольтному оборудованию. Через Wi-Fi информацию можно загружать в аналитическое программное обеспечение Fluke Energy Analyze Plus, которое отображает данные в виде наглядных графиков и автоматически создает подробные отчеты, содержащие полные данные, включая координаты GPS.

Программное обеспечение Fluke Energy Analyze Plus

Устройства питаются непосредственно от проводников и могут длительное время вести мониторинг более 500 параметров тока — внутренняя память рассчитана на 10 сеансов по два месяца. Регистраторы энергии Fluke 1736 и Fluke 1738 — это современные максимально автоматизированные приборы. Для их использования достаточно правильно установить датчики, не перепутав фазы и проверяемые нагрузки, а также убедиться, что запись данных включена.

Текущие потребности и будущее мониторинга энергопотребления

Регистраторы позволяют составить подробную картину распределения нагрузок в энергосистеме предприятия. В будущем, возможно, все задачи по контролю параметров тока и расходу энергии возьмут на себя умные системы, такие как технология NILM, разработанная специалистами немецкого Института Фраунгофера IMS.

Технологию NILM представили в январе 2017 г., продажи планируется начать летом текущего года. NILM использует всего один «умный» электрический счетчик. Он способен различать нагрузки по характерным рисункам потребления энергии, показывая потребление каждого прибора, например двигателя, кондиционера и т. д. Благодаря этому не требуется установка нескольких счетчиков, а общая экономия энергии может составить более 12%. Пока технология NILM ориентирована на использование в домохозяйствах, офисах и на малом производстве. Переносные регистраторы имеют более высокую точность и все еще остаются основным профессиональным инструментом мониторинга энергопотребления.

Технология NILM позволяет установить энергопотребление разных типов оборудования с помощью одного «умного» счетчика

Глобальный рынок систем управления энергией в 2016 г. достиг объема $16,5 млрд, а к 2022 г. вырастет до $55,82 млрд, по прогнозу Orbis. Технологии мониторинга энергопотребления являются важной частью этого рынка и ключевым фактором повышения энергоэффективности предприятий.

Если вам нужна профессиональная консультация по мониторингу энергопотребления и энергоэффективности, просто отправьте нам сообщение!

Дистанционный контроль потребляемой энергии в загородном доме

Чтобы оценить эффективность работы воздушного теплового насоса в построенном мной загородном доме, и рассчитать его реальный СОР нам необходимы данные о температуре внутри и снаружи, а также почасовое потребление электроэнергии. Как оказалось, на рынке нет простых и доступных решений для этой простейшей операции.
Но я немного подумал и с помощью обычного автомобильного реле за 30 рублей получил дистанционный контроль энергопотребления в любой точке земного шара, где есть доступ в интернет.
Итак, приступим к реализации!
2. Для технического учета электроэнергии в домовом щитке у меня установлен компактный электросчетчик ABB C11. А для расчетов с энергетической компанией используется отдельный опломбированный двухтарифный счетчик установленный на фасаде здания. В настоящий момент C11 измеряет энергопотребление всего дома, но в перспективе я планирую выделить его только на учет потребления воздушного теплового насоса.
Нам нужно решить простейшую задачу — получить данные об энергопотреблении привязанные ко времени. Можно вручную ежедневно переписывать показания с экрана, но разумеется это не самый удобный способ.
Альтернативным вариантом можно рассмотреть установку отдельного гигантского электросчетчика Меркурий 200 с интерфейсом RS485 для передачи данных на компьютер, или ему подобного. Проблема такого решения заключается в том, что вам понадобится сам электросчетчик (занимающий солидный объем щитка и который невозможно прикрыть штатной крышкой т.к. экран смещен относительно штатных отверстий на DIN-рейке), адаптер RS485 — USB и самое главное — круглосуточно включенный компьютер, на котором должен быть запущен софт ведущий учет в реальном времени. Согласитесь, схема очень сложная и неудобная в реализации.
Компактным, но более сложным технически, является сборка собственного мини-компьютера на базе Arduino и Raspberry Pi, и написание программы для него. Вариант подходящий исключительно для фаната и совершенно не подходящий для рядового пользователя.
Серийные бытовые устройства для нашей задачи на рынке отсутствует. Российские компании могут предложить отдельные логгеры из состава систем АСКУЭ, но с совершенно не адекватной стоимостью т.к. придётся собирать полноценный комплекс для мониторинга. Китайцы предлагают беспроводные измерительные устройства (например, Mieo HA104) на основе трансформаторов тока. По такому же принципу должен заработать перспективный стартап Neurio, но ни одного реального устройства они пока не выпустили. Китайское устройство удобно для монтажа простым пользователем (нет необходимости физического подключения к силовой линии), но это же является недостатком. Устройство фиксирует протекающий ток, но не измеряет реальное напряжение в линии (вы задаете его предварительно) и следовательно при отклонении напряжения в сети от заданного будет изменяться точность измерений.
При этом мы знаем, что практически у всех электрических счетчиков электроэнергии есть простейший импульный выход. Принцип его работы такой же, как и у мигающего светодиода на корпусе (кстати, забыл сказать что существуют устройства из Великобритании с оптическим датчиком, который вешается поверх светодиода на счетчике). На счетчике же указывается, что, например 100 импульсов = 1 квтч.
Итак, наша задача использовать существующий импульный выход электросчетчика
3. У меня ранее уже была установлена система дистанционного контроля температуры/влажности, датчики движения и открытия, которая в том числе позволяет контролировать сторонние устройства, такие как умные розетки и выключатели Belkin WeMo, камеры DropCam и термостат Nest. Я уже подробно писал о том, как они устроены.
4. В составе системы имеется беспроводной датчик открытия двери с мощной литиевой батареей CR2545 и контактами под внешний термодатчик D18b20. Помимо измерения температуры и влажности, этот датчик позволяет фиксировать открытие/закрытие двери или окна с помощью подносимого к нему постоянного магнита. Все данные об открытии/закрытии моментально по радиоканалу передаются на базу (фото 3), откуда через интернет попадают в облачный сервис доступный из любой точки земного шара. Уже догадались, что я задумал?
5. Верно! Мы будем самостоятельно генерировавть электромагнитное поле с помощью 5-вольтового источника постоянного тока и автомобильного реле, которое будет активироваться импульсным выходом нашего электросчетчика. Разбираем реле и удаляем контактную пластину. После этого подносим сердечник вплотную к транзистору реагирующему на возникающее электромагнитное поле (фото 4, левый нижний угол).
Готово! Мы «обманули» систему и теперь получаем подробный посекундный лог импульсов, которые система воспринимает как сигналы открытия/закрытия двери и вся эта информация в реальном времени пишется в облако.
6. Веб-интерфейс облачного сервиса мониторинга. Самый нижний Reed Sensor протоколирует потребленную электроэнергию. Особое внимание обратите на напряжение на батарее — данные с датчика на базу по радиоканалу передаются по мере фиксации импульсов (а не каждые 5 минут, как в случае с обычными температурными датчиками). В таком режиме система работает уже две недели и мы не видим явного разряда батареи.
7. А теперь внимание на графики. Как мы помним 100 импульсов = 1 квтч, следовательно 1 импульс = 10 ватт = 1 открытие двери. Смотрим на синий график (красный показывает интервал между открытиями/импульсами и нам не нужен) и умножаем цифры на 10. Возьмем сегодняшний день, 15 декабря 2014 года. В период с 9 до 10 утра было зафиксировано 150 импульсов, что составляет 1,5 квтч потребленной электроэнергии. Сервис пожизненно хранит все данные с начала использования, и кроме этого позволяет экспортировать их в формат CSV для дальнейшей обработки. Я планирую совместить на одном графике температуру внутри, снаружи и количество потребляемой электроэнергии. Это позволит наглядно увидеть преимущество воздушного теплового насоса перед классическими электронагревателями. Тем интереснее будет разглядывать пилообразные графики работы инверторного компрессора, а заодно понаблюдать за продолжительностью циклов разморозки испарителя.
8. Синей изоленты не было, извините 🙂 Прототип устройства в работе. Надо аккуратно собрать и спрятать под крышку электрического щитка. Можно доработать подключив к постоянному питанию, хотя я предполагаю что батареи в таком режиме вполне может хватить на год работы.
Всё гениальное просто!
Более подробную информацию про беспроводные метки смотрите на официальном сайте — http://wirelesstag.net