In het duister op zoek naar meetfouten

Door: Tom Hartman, Universiteit Twente

Wetenschappelijk onderzoek [1]-[5] heeft aangetoond dat er meetfouten kunnen ontstaan door niet-lineaire belastingen die veelvoudig voorkomen in huishoudelijke apparaten. Zo heeft onderzoek uit 2009 en 2010 laten zien dat meetfouten waren ontstaan door de snelheidsregelaars van ventilatoren, en omvormers voor zonnepanelen [1][2]. Vervolgonderzoek uit 2015 heeft laten zien dat deze meetfouten nog steeds ontstaan [3]. In deze studies werden voornamelijk lagere energiemetingen geconstateerd, ergo ‘in het voordeel van de consument’. Hierop volgend hebben rapporten van SC205/WG11 geleid tot verbetering in de standaard IEC 61000-4-19 waar alle meters na 2016 aan moeten voldoen. Verder onderzoek heeft echter laten zien dat zelfs eerder geproduceerde statische energiemeters, die voldoen aan deze verbeterde standaard, nog steeds foutieve metingen vertonen. Recent onderzoek uit 2019 heeft aangetoond dat er ook extreme meetfouten kunnen ontstaan in het nadeel van de consument [4].

Bijvoorbeeld in het geval van een gewone, standaard, snelheidsgeregelde waterpomp vielen de energie metingen uit naar meer dan 2600%. Dit wil zeggen dat een waterpomp op een lagere snelheid 30 Watt verbruikt, maar de gemeten consumptie meer dan 780 Watt was. Uit deze onderzoeken bleek dat de statische energie meters gevoelig lijken te zijn voor snelle en grote veranderingen in stroom [5].
Aangezien statische energiemeters door heel Europa worden ingezet, is het van groot belang om de werkelijke omvang van het probleem te bepalen. Om deze reden is dan ook een project samengesteld van universiteiten en nationale metrologie instituten over 5 Europese landen, namelijk, Tsjechië, Noorwegen, Nederland, Spanje en het Verenigd Koninkrijk. Binnen dit project werken wij aan een beter begrip wat betreft de oorzaak van de gemelde meetfouten, wat hopelijk leidt tot een oplossing. Het hoofddoel van dit project is het ontwikkelen van nieuwe standaarden voor het analyseren van de functionaliteit van de statische meters onder geïdentificeerde kritieke stroomgolven.

Op de Universiteit van Twente worden meerdere statische meters tegelijkertijd getest door de gemeten consumptie van de individuele meters uit te lezen met behulp van lichtgevoelige sensoren. Elke meter is namelijk voorzien van een Led die voor iedere gemeten kWh 500, 1000 of 2000 keer knippert. Dit zorgt voor een nauwkeurige en snellere meeting dan kan worden gedaan met aflezen van de display van de meters, wat vaak per kWh gebeurt. Een foto van een oudere opstelling is te zien in Figuur. 1, waar 10 meters simulaan getest konden worden. De huidige vernieuwde opstelling met een dertigtal meters is op dit moment nog onder constructie en bevat een aantal upgrades. Zo zijn de signalen direct bij de sensor digitaal gemaakt om storing op de lange kabels te voorkomen, is de opstelling veiliger gemaakt en zijn er ingebouwde meetpunten gecreëerd tussen alle statische energie meters. In elke versie van de opstelling wordt voor het individuele verbruik van de meters gecompenseerd. Ter bescherming van de fabrikant is gepresenteerde data in ons onderzoek niet een-op-een te vergelijken met de posities van de meters.

Zoals ook is aangegeven in een vorige blog, lopen standaarden vaak achter en zijn ze niet alomvattend. In [6] is dit ook aangekaart. De huidige test blijkt niet representatief te zijn voor de werkelijk ondervonden stroomvormen. In Figuur 2 zijn typische stroomvormen waarmee de meters getest worden. Dit wordt voornamelijk gedaan onder de aanname dat het systeem lineair en tijd invariant is. Dat zou in dit geval betekenen dat de resultaten die volgen uit het individueel aanbieden van sinusvormige signalen, identiek is aan de resultaten als al dezelfde sinusvormen tegelijkertijd werden aangeboden. Het tegelijk aanbieden resulteert over het algemeen in een impulsieve vorm.

 

Figuur 2: Typische stroom vormen zoals gedefinieerd in 61000-4-19 

In het kader van het onderzoek wordt er in ons lab vaak getest met consumentenelektronica. Wat ons inzicht gaf in het effect dat deze apparatuur heeft op de statische meter. Typische stroomvormen kan je zien in onderstaande figuren en zijn klaarblijkelijk ver van de test (61000-4-19) stroomvormen:

Op dit moment zijn de apparaten voornamelijk één voor één aangesloten, maar uit de praktische EMC ervaring is vaker gebleken dat individuele apparaten zich anders gaan gedragen naarmate ze blootgesteld worden aan andere apparaten. Voor het onderzoek is het dan ook van groot belang om de samenhang van verschillende apparaten in kaart te brengen. Op dit moment zijn wij dus ook geïnteresseerd in de combinatie van verschillende stroomvormen en of dit een simpele superpositie blijkt te zijn. Hiervoor is het interessant om verschillende apparaten aan en af te sluiten over verloop van tijd in verschillende combinaties, om uiteindelijk ook een realistisch volledig huishouden te kunnen emuleren. Het in- en uitschakelen van apparaten in verschillende combinaties is verstandig om te automatiseren. Wie tijdens zijn statistieklessen vroeger heeft opgelet, weet dat het combineren van 4 apparaten al gauw leidt tot 15 mogelijke testen – alle apparaten ‘uit’ niet meegerekend. Aangezien metingen voor een hogere nauwkeurigheid langer moeten duren, is het handig om ook metingen ‘s nachts te doen.

Een mogelijkheid om dit te automatiseren is het implementeren van een relaissysteem. Hiervoor is de meetsoftware, die de stroomvormen opslaat en de statische energiemeterconsumpties meet, gekoppeld aan een Arduino. Deze Arduino (Figuur. 3) heeft op dit moment 4 relais die aan de hand van de meetsoftware verschillende combinaties aan- en uitzet (in dit geval 15 = 2^4 -1). Hierdoor kunnen over het verloop van een nacht alle verschillende stroomcombinaties gemeten worden met de corresponderende gemeten energieconsumptie per statische energiemeter. Aan de hand van dit soort metingen akn een algoritme worden verbeterd dat de juiste kritieke stroomvormen detecteert. Hierbij is het van belang om de stroomgolven en de corresponderende statische energiemetingen op te slaan. Hierdoor zullen de kritieke stroomvormparameters gekwantificeerd kunnen worden aan de hand van de statische energiemeterfouten. Deze correlatie zou dan sterker onderbouwd kunnen worden tot een duidelijk verband.

Figuur 3: Arduino met relais.

Voor wie zich zorgen maakt over de eigen energierekening: veel meters geven een lagere waarde aan dan het daadwerkelijke verbruik. Als een energierekening (veel) hoger is dan voorheen zonder aanwijsbare reden, neem dan contact op met ons. We gaan het onderzoeken, en zullen overleggen met uw netbeheerder.

tom.hartman@utwente.nl

[1] J. Kirchhof and G. Klein, "EMV – Grenzwertlücke Wechselrichter stört Zähler," 24. Symposium Photovoltaische Solarenergy, Bad Staffelstein, 2009.
[2] J. Kirchhof, "Grenzwertlücke – Wechselrichter stört Elektrizitätszähler," EMV, Düsseldorf, 2010.

[3] F. Leferink, C. Keyer, and A. Melentjev, "Static Energy Meter Errors Caused by Conducted Electromagnetic Interference," IEEE Electromagn. Compat. Mag., vol. 4, pp. 49-55, 2016.
[4] B. ten Have, T. Hartman, N. Moonen, C. Keyer, and F. Leferink, "Faulty Readings of Static Energy Meters Caused by Conducted Electromagnetic Interference from a Water Pump," in International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ’19), 2019, no. 17, pp. 15-19.
[5] B. ten Have, T. Hartman, N. Moonen, and F. Leferink, "Misreadings of Static Energy Meters due to Conducted EMI caused by Fast Changing Current," in Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility & Signal Integrity (APEMC), 2019, pp. 445-448.
[6] B. ten Have, T. Hartman, N. Moonen and F. Leferink, "Why Frequency Domain Tests Like IEC 61000-4-19 Are Not Valid; a Call for Time Domain Testing," International Symposium on Electromagnetic Compatibility – EMC EUROPE, Barcelona, Spain, 2019, pp. 124-128.