Кража электрической энергии началась примерно с тех пор, как Томас Эдисон основал в 1878 году Edison Electric Light Company. В 1886 году Daily Yellowstone Journal опубликовал отчет о том, что «большое количество беспринципных лиц производит незаконное подключение к электросети и ворует электроэнергию Эдисон». Представительство компании ответило подключением дополнительных динамо-машин в систему с целью вывести из строя незаконно подключенное оборудование.
Проблема с воровством электроэнергии актуальна и до сих пор. Согласно данным недавнего исследования, глобальные потери от хищения электрической энергии в 2015 году составили примерно 89.3 миллиарда долларов США. При этом первое место заняла Индия (16,2 миллиарда долларов), второе Бразилия (10,5 миллиардов долларов), и на третьем месте Россия (5,1 миллиардов долларов).
Принятие новых умных сетей (Smart Grid) и умных счетчиков, а также внедрение новых технологий позволяет улучшить систему обнаружения хищения электроэнергии.
Общие способы воровства электроэнергии
Существует довольно большое количество способов воровства электрической энергии. Самым простым из них можно назвать подключение к линии электроснабжения до электрического счетчика или же его шунтирование. Более сложные схемы, как правило, направлены на снижения количества измеряемой электросчетчиком энергии путем внесения изменений в схемы его соединения или вмешательство в сам рабочий процесс электросчетчика.
К внешним изменениям можно отнести – замена местами подключения фаза – ноль, полное отсоединение нейтрального провода, обеспечения контура протекания тока через землю, а не через нейтраль, отсоединение одного из фазных проводов от электросчетчика.
Когда речь заходит о вмешательстве в работу самого электросчетчика, то здесь пальму первенства занимает мощный магнит. Это связано с тем, что электроизмерительные приборы для своей работы используют магнитные устройства, и внешние магнитные поля способны оказывать существенное влияние на точность измерения. Размещенный рядом со счетчиком мощный магнит может насытить магнитные сердечники датчиков и тем самым внести существенное негативное влияние на работу счетчика, вплоть до его полной остановки.
«Интеллектуальный» измерительный блок
За последнее десятилетие энергокомпании развернули компанию по замене старых электромеханических счетчиков новыми электронными, или как их называют «умными» счетчиками. Это способствует снижению краж электроэнергии.
«Интеллектуальный» электросчетчик включают в себя микроконтроллер и датчики измерения тока и напряжения, двунаправленные и беспроводные системы связи, функции создания отчетов и определения неисправностей, а также различные методы выявления хищения электроэнергии и предотвращения фальсификации результатов измерения.
На рисунке ниже показан наиболее распространенный метод измерения потребляемой мощности с помощью аналого-цифрового преобразователя АЦП работающего с микропроцессором и датчиков тока и напряжения:
Применение такой схемы сокращает энергопотребление самого счетчика практически к нулю, так как микроконтроллер практически все время пребывает в режиме малого потребления или спящем режиме и просыпается только в случае необходимости выполнения измерений, приема или передачи данных, или же в случае возникновения предупреждений.
Меры против несанкционированного доступа
Умный счетчик использует несколько методов для обнаружения и предотвращения несанкционированного доступа. Для предотвращения вмешательства в работу электросчетчика необходимо ограничить к нему доступ. При попытке несанкционированного доступа к корпусу прибора об этом должен извещаться микроконтроллер.
Для предотвращения кражи электричества путем обвода фазного провода мимо счетчика или замены местами проводов фазы и нейтрали, необходимо измерять ток на нейтральном проводе. Если существует разница между входящим и выходящим током – происходит утечка электроэнергии.
Для трехфазных симметричных сетей ток нулевого провода должен быть равен нулю. Слишком большой ток в нулевом проводе может говорить о несанкционированном подключении в какой-то фазе.
Защита от внешних магнитов
Внешние магниты способны оказывать очень негативное влияние на измерительные трансформаторы тока ТТ.
Трансформатор тока является одним из наиболее популярных устройств измерения тока в цепях переменного напряжения. Ниже показан его принцип работы:
Протекая через шину или провод, переменный ток создает магнитный поток в сердечнике трансформатора, который потом индуцирует переменный ток во вторичной обмотке. Если в первичной обмотке будет протекать ток нагрузки, то во вторичной обмотке протекает ток первичной, деленный на N (количество витков вторичной обмотки). Выходной ток трансформатора тока будет потенциально изолирован от напряжений и токов первичной цепи.
Если на прибор будет действовать сильное внешнее магнитное поле, то оно может привести к насыщению сердечника трансформатора тока и ввести ошибки в его работу. Проще говоря – вывести его из строя.
Есть несколько способов борьбы с таким явлением:
- Если трансформатор тока является встроенным в счетчик устройством, то необходимо добиться такого его расположения внутри устройства, чтобы ограничить доступ внешних магнитных полей. Если добиться такого расположения не представляется возможным, то необходимо предусмотреть его экранирование от внешних магнитных полей.
- Также возможен вариант с заменой трансформатора тока на катушку Роговского. Данная катушка не имеет металлического сердечника, и применение внешних магнитных полей никак не повлияет на точность ее измерения.
- Существует вариант с использованием измерительного шунта. В качестве шунта может быть использован резистор малого напряжения. Этот метод обеспечивает довольно точное измерение, однако это прямой метод измерения и нужно выполнять специальные защиты для системы управления.
- Помещение рядом с уязвимым элементом датчика магнитного поля. Когда значение магнитного поля превысит допустимое значение (несмотря на его полярность), датчик подаст сигнал в микроконтроллер о том, что магнитное поле превысило допустимое.
Защита источника питания
Силовой трансформатор для питания системы управления счетчика тоже является уязвимым к внешним магнитным полям, как и трансформатор тока. Успешная атака на блок питания может привести к полному отключению электросчетчика.
Если смарт счетчик потребляет мало мощности, то одним из вариантов обеспечения надежности питания является реализация drop-cap топологии, которая не требует наличия трансформатора. drop-cap источник использует емкостное сопротивление конденсатора для уменьшения напряжения.
На рисунке ниже показана схема питания drop-cap источника для трехфазного электронного счетчика:
Конструкция использует TPS54060 60В/0,5А понижающий регулятор с интегрированным на стороне высокого напряжения MOSFET транзистором. Использование трех фаз позволяет получить приемлемое значение пульсаций постоянного тока.
Входная цепь каждой фазы состоит из трех компонентов: входного конденсатор (для фазы 1 С39), который понижает напряжение сети благодаря своему емкостному сопротивлению, токоограничивающий резистор R92 и стабилитрон D17, который не пропускает напряжение на положительном цикле и разряжает конденсатор C39 на отрицательном цикле переменного тока. Значения С39 и R92 выбираются на основании требуемого значения выходного напряжения источника питания.
Напряжение трех фаз выпрямляется и заряжает конденсатор С102 и формирует напряжение постоянного тока для DC-DC преобразователя.
Устройство блока питания использующего конденсатор вместо трансформатора дешевле и требует меньших габаритов для размещения в счетчике. Тем не менее, существуют два серьезных ограничения, которые необходимо учитывать:
- Конденсатор должен выдерживать амплитудное напряжение переменного тока и величина пропускаемого тока должна быть пропорциональна емкости. Конденсатор должен иметь большое рабочее напряжение и большую емкость, а это довольно дорогостоящая комбинация. Поэтому такой способ питания применяют, как правило, к устройствам с очень низким энергопотреблением.
- При отсутствии трансформатора отсутствует потенциальная развязка между силовым напряжением и напряжением питания системы, что не совсем хорошо.
Если токи устройства довольно большие, то без трансформатора обойтись не удастся. Для такого варианта источника питания обязательно наличие экранирования и месторасположения в труднодоступных для вредителей местах. Иногда необходимо предусматривать резервные источники питания (батареи), чтобы обеспечить довольно длительную работу до обнаружения и устранения источника магнитного поля.
Разработки против воровства
Ниже приведена схема устройства, которое включает в себя много функций против воровства электроэнергии описанных ранее. Схема позволяет проектировщику выбирать, либо применить емкостной источник питания, либо источник питания с трансформатором.
Для источника питания с трансформатором необходимо предусмотреть установку датчика Холла возле трансформатора. Это необходимо для обнаружения попыток незаконного вмешательства в работу электросчетчика с помощью сильного магнита. Необходимо предусмотреть резервное питания, в случае если атака с магнитом закончится успехом.
Если резервный источник батарея, то необходимо минимизировать потребление энергии датчиком Холла.
Приведенная выше конструкция использует микроконтроллер MSP430F67791A, который включает в себя целый ряд режимов работы с низким энергопотреблением, несколько высокоточных сигма-дельта АЦП (∑Δ), а также несколько контактов для регистрации событий, например несанкционированные вскрытие корпуса. Данный контакт зафиксирует вскрытие даже в случае отключенного питания электросчетчика.
Данный счетчик будет продолжать считать значения предыдущего большего тока, а не того который протекает сейчас, в случае обнаружения сильного магнитного поля, которое приложено для вывода счетчика из строя.
Продолжение следует
Проблемы хищение электроэнергии наибольшие в Индии и Бразилии, но они также актуальны и для других стран. Например, в Канаде, согласно оценкам BC Hydro, потери составили около 3%, что составило примерно 850 ГВт-час. А этой энергии могло хватить для питания 77000 домов, и стоимость данной энергии составила порядка $ 100 млн.
По статистике самыми большими похитителями электроэнергии являются производители марихуаны. В попытке скрыться от правоохранительных органов они прокладывали длинные подземные кабельные линии, подключались напрямую к высоковольтным линиям и устанавливали силовые трансформаторы.
Указанные выше методы борьбы с хищением электроэнергии могут значительно сократить способы незаконного подключения к электросетям, однако игра в кошки – мышки продолжается.
