مدیریت مصرف برق چیست؟

مدیریت مصرف برق با افزایش قیمت انرژی و محدودیت های تولید آن، اهمیت بسیار زیادی پیدا کرده است. مدیریت مصرف برق را می توان به دو قسمت کلی تقسیم کرد. بخش اول مربوط به شرکت های تولید و توزیع کننده ی انرژی برق است. مدیریت مصرف در شبکه های الکتریکی به معنی ایجاد توازن در میزان تولید و مصرف است.

نیروگاه ها و شبکه های الکتریکی با افزایش بیش از حد تقاضا دچار اختلالات جدی خواهند شد. با افزایش تقاضا و عدم تولید انرژی کافی باید قسمتی از بار متصل شده به شبکه را حذف کرد. حذف بار یا لود شدینگ به معنی خاموش کردن مشترکین در شرایط بحرانی مانند ایام گرم سال است. جهت آشنایی بیشتر مقاله ی ژنراتور سنکرون را مطالعه نمایید. قطع برق یا اعمال خاموشی صدمات دیگری مانند تنش های بیش از حد در شبکه، خسارت به تولید کنندگان و نارضایتی مشترکین را در پی دارد. در نظر داشته باشید که عدم حذف بار یا Load Shedding می تواند باعث خاموشی شبکه ی سراسری یا Blackout شود.

بخش دوم مدیریت مصرف، مربوط به مشترکین می شود. در مقاله ی مشترک فشار ضعیف اتصال به شبکه ی توزیع فشار ضعیف را کامل شرح دادیم. مشترکین با مدیریت مصرف می توانند هزینه های برق را کاهش داده و از بروز خاموشی های گسترده جلوگیری کنند. مدیریت مصرف در بخش مشترکین می تواند با تحلیل کمیت ها، کنترل زمان مصرف و طراحی مجدد انجام شود. به عنوان مثال می توان با خازن گذاری از جریمه های مربوط به توان راکتیو جلوگیری کرد. لطفا مقالات بخش طراحی بانک خازنی را مطالعه کنید. با جابجایی زمان مصرف یا جلوگیری از مصرف همزمان تجهیزات نیز می توان تا حد زیادی دیماند را کاهش داد. طراحی مجدد نیز می تواند تلفات داخلی را کاهش دهد. جهت درک بهتر از مدیریت مصرف باید با لوازم اندازه گیری، تعرفه ها، دیماند و غیره بیشتر آشنا شویم.

تعرفه‌های برق و اندازه‌گیری

تعرفه ها و اندازه گیری در هر منطقه به شکل متفاوتی انجام می شود. تعرفه ها در سراسر دنیا با توجه به شرکت های توزیع کننده و مصرف کننده طرح ریزی می شوند. با توجه به تفاوت قوانین، هزینه ها و غیره نمی توان یک تعرفه ی ثابت برای تمام مشترکین در تمام بخش ها در نظر گرفت. در این راهنما بحثی در مورد تعرفه‌ی خاصی مطرح نشده و فقط مسائل کلی شرح داده خواهد شد.

برخی تعرفه‌ها جزئیات بسیار زیادی دارند اما در تمام آن‌ها آیتم‌های خاصی وجود دارد. از آیتم‌های مشترک در تمام تعرفه‌ها می‌توان به طرح‌های تشویقی برای مصرف کنند‌گان اشاره کرد. این طرح‌ها به منظور مدیریت مصرف برق و کاهش هزینه‌های تولید، انتقال و توزیع ارائه می‌شوند. کاهش تلفات و کاهش پیک دو روش کلی برای کاهش هزینه‌ها در تامین برق مشترکین است. کاهش تلفات در تولید، انتقال و توزیع انرژی الکتریکی به دو بخش اصلی تقسیم می شود:

• کاهش تلفات: اصولا کمترین تلفات در یک سیستم قدرت هنگامی رخ می‌دهد که تمام بخش‌های آن با ضریب توان یک کار کنند. به منظور افزایش ضریب توان از روش های مختلفی مانند خازن گذاری در شبکه یا الزام به خازن گذاری در تاسیسات مشترکین استفاده می شود.
• کاهش پیک دیماندها و تقاضا: در پی افزایش دیماند و تقاضاها در یک بازه‌ی کوتاه مدت، درصد بارگیری نیروگاه‌ها به شدت بالا می‌رود. در این حالت باید تعداد نیروگاه ها افزایش داده شده و یا میزان مصرف کنترل شود. افزایش تعداد نیروگاه ها یا افزایش تولید به سرمایه گذاری زیادی نیاز دارد.

کاهش تلفات در شبکه های انتقال و توزیع

نکته‌ی اول در خصوص کاهش تلفات یعنی کار کردن تمام سیستم با ضریب توان واحد در عمل محقق نمی‌شود. از طرفی برخی از ساختار تعرفه‌ها بر اساس دیماند kVA و برخی دیگر بر اساس kWH هستند. با در نظر گرفتن توان اکتیو یا kW مشخص می‌توان به حداقل توان ظاهری یا kVA دست پیدا کرد. این کار با تزریق خازن یا جبران سازی توان راکتیو انجام می شود. جبران سازی توان راکتیو باعث کاهش توان ظاهری به اندازه ی توان اکتیو مصرفی خواهد شد. شرکت های توزیع به منظور کاهش دریافت توان راکتیو از شبکه، جریمه هایی را محسوب می کنند. مقاله ی محاسبه ضریب توان از قبض برق را مطالعه کنید. در این شرایط مصرف کننده‌ها می توانند هزینه‌های صورت حساب برق را با ارتقاء ضریب توان بار یا جبران سازی توان راکتیو؛ کاهش دهند.

برخی از تعرفه ها بر اساس Kva یا توان ظاهری هستند. در این روش از دیماند kVA به منظور محاسبه‌ی تعرفه استفاده می‌شود. دیماند حداکثر؛ بر اساس میانگین دریافت kVA یا توان ظاهری در یک بازه‌ی زمانی ثابت است. این بازه ی زمانی به صورت دائم تکرار شده و دیماند؛ از حداکثر میانگین دریافت توان ظاهری kVA در هر دوره‌ی صورت حساب به دست می‌آید. بازه‌های زمانی محاسبه ی دیماند معمولا 10، 30 یا 60 دقیقه‌ای هستند. در نظر داشته باشید که حداکثر میانگین رخ داده، در محاسبه‌ی تعرفه لحاظ خواهد شد. این اصل در بخش روش اندازه‌گیری حداکثر دیماند kVA به صورت کامل شرح داده می‌شود.

کاهش پیک یا تقاضا

بخش دوم مدیریت مصرف برق؛ مربوط به کاهش پیک یا تقاضا است. پیک مصرف برق یا افزایش تقاضا را می توان به دریافت انرژی بالا از شبکه های الکتریکی در بازه های زمانی کوتاه تعریف کرد. پیک دارای الگوهای خاصی به شکل سالانه، ماهانه و روزانه است. به عنوان مثال شبکه ی الکتریکی ایران در ایام گرم با تقاضای بسیار زیادی مواجه می شود. از طرفی هر روز از این فصل گرم دارای پیک روزانه و شبانه خواهد بود. رخ دادن پیک در ایام سال یا ساعت خاصی از شبانه روز به منطقه ی جغرافیایی و انرژی های جایگزین بستگی دارد. مدیرت پیک توسط شرکت های توزیع باعث به وجود آمدن تعرفه‌های خاص شده‌است. قسمتی از این تعرفه ها با افزایش قیمت و قسمتی با کاهش قیمت طرح ریزی شده اند. تعرفه های مربوط به کاهش هزینه‌های انرژی را می توان به دو شکل پیاده کرد:

• ساعات خاصی در بازه‌ی روزانه یا 24 ساعته مانند ساعات کم باری
• زمان‌های خاصی در طول سال مانند فصل های غیر گرم و غیر سرد

به منظور کاهش هزینه های پیک در ساختمان ها می توان از برنامه ی زمان بندی استفاده کرد. ساده‌ترین مثال مربوط به ساختمان‌های مسکونی با آبگرمکن‌ها یا هیترهای ذخیره‌ای هستند. لوازم اندازه‌گیری این تاسیسات دارای دو بخش مختلف برای ثبت اطلاعات مصرف بوده و اصطلاحا دو تعرفه می‌باشند. معمولا یکی از تعرفه ها برای روز و دیگری برای شب در نظر گرفته می‌شود. این تعرفه‌ها با یک تایمر در ساعات خاصی تغییر می کنند. با یک کنتاکتور و تایمر تعرفه می‌توان مدار آبگرمکن یا هیترهای ذخیره سازی را در ساعاتی فعال کرد تا از انرژی ارزان‌تر استفاده کنند. قابل ذکر است که هیترها می‌توانند در هر بازه‌ای از روز خاموش و روشن شوند ولی تعرفه‌های آن‌ها به صورت عادی یا با هزینه ی بیشتر ثبت خواهد شد.

مشترکین صنعتی یا مسکونی در برخی از کشورها ممکن است دارای 3 یا 4 نرخ متفاوت در هر روز باشند. این تعرفه ها برای بازه‌های 24 ساعت در نظر گرفته شده و دارای قیمت متفاوتی هستند. تعرفه‌های صنعتی ممکن است در بازه‌های یک سال نیز تغییر کنند. در چنین طرح‌هایی نسبت هزینه ی هر kWH در بازه‌ی پیک و غیر پیک سال ممکن است تا 1 به 10 نیز برسد.

کنتور برق یا لوازم اندازه‌گیری

جهت اندازه گیری مصرف انرژی هر مشترکین از کنتور برق استفاده می شود. کنتور برق می تواند به صورت مستقیم و یا توسط ترانس های جریان و ولتاژ در مدار قرار بگیرد. کنتورهای فشار ضعیف به صورت مستقیم یا توسط ترانس جریان به شبکه متصل می شوند. در سطوح ولتاژی بالاتر مثلا فشار متوسط از PT و CT به صورت همزمان استفاده می شود. جهت بررسی بیشتر مقاله ی پست های فشار متوسط را مطالعه کنید. لوازم اندازه گیری یا کنتورهای برق را از نظر ساختمان می توان به مدل های الکترومکانیکی و الکترونیکی تقسیم کرد. هنگام اندازه‌گیری تعرفه‌های مختلف با تجهیزات الکترومکانیکی کلاسیک باید از کنتورهای با کیفیت بالا استفاده شود.

پیشرفت‌های اخیر در لوازم اندازه‌گیری الکترونیک و میکروپروسسورها باعث ساخت کنتورهای دیجیتال و پیشرفته شده است. این لوازم اندازه‌گیری مجهز به سیستم کنترل از راه دور به منظور تغییر بازه‌ی پیک در سال، قطع و وصل و غیره از طرف شرکت توزیع هستند. استفاده از کنتور قابل برنامه‌ریزی و کنترل از راه دور امروزه عملیاتی شده و اصول مورد بحث را به شکل قابل توجه‌ای ساده کرده است.

سیستم تنظیمی استفاده شده در کنتورهای دیجیتال Ripple control نام داشته و بر اساس سیگنال دهی توسط فرکانس صوتی کار می‌کند. سیگنال صوتی فوق که اغلب دارای فرکانس 175 هرتز است، در پست‌های مناسب به شکل رمز گذاری شده در شبکه‌ی LV تزریق می‌شود. دستگاه‌های تنظیم شده روی این سیگنال آن را دریافت کرده و با شناسایی کد، طبق برنامه‌ی جدید به کار خود ادامه می‌دهند. به این ترتیب تا 960 سیگنال کنترلی مجزا در دسترس است.

امروزه کنتورهای دیماندی دارای مودم بوده و می توانند اطلاعات خود را به مرکز کنترل مخابره کنند. این قابلیت باعث حذف نیروی انسانی جهت قرائت کنتورهای دیجیتال شده است. علاوه بر این می توان برنامه های زمانی بندی شده ی قطع و وصل یا کاهش بار را از طریق مودم به این کنتورها ارسال کرد. برنامه زمان بندی شده از طریق کنتاکت های موجود در کنتور یا ماژول های اضافی باعث قطع و وصل بریکر مشترک خواهند شد.

تعریف دیماند

در بسیاری از کشورها دیماند علاوه‌بر kWH به صورت kVA نیز محاسبه می‌شود. در این کشورها، بازه‌های صورت حساب نیز اغلب به صورت سه ماهه است. تعریف حداکثر دیماند ثبت شده توسط کنتور در واقع بیشترین میانگین kVA دریافتی در دوره‌ی صورت حساب است. به عنوان مثال در تصویر زیر منحنی معمولی دیماند به شکل kVA در بازه ی 2 ساعت آورده شده است. این بازه‌ی دو ساعته به بخش های کوچکتری مثلا  10 دقیقه‌ای تقسیم می‌شود. در این حالت کنتور میانگین مقدار kVA در هر بازه‌ی 10 دقیقه‌ای را اندازه‌گیری و ثبت خواهد کرد. همانطور که مشاهده می‌کنید در بازه‌ی چهارم، حداکثر دیماند این بازه ی 2 ساعته رخ داده است. در نظر داشته باشید که بازه ی محاسبه ی دیماند و صورت حساب با توجه به قوانین محلی و منطقه ای مشخص خواهد شد.

اندازه‌گیری حداکثر دیماند ظاهری

کنتور kVAh در موارد ضروری شبیه به کنتورهای kWh هستند ولی روابط زاویه‌ی ولتاژ و جریان در آن ها متفاوت است. در کنتورهای kVAh میزان مصرف به صورت کیلو ولت آمپر موثر در ساعت اندازه‌گیری می‌شود. علاوه بر این کنتور kVAh به جای تعدادی کانتر چرخشی با شمارنده‌های ده رقمی مانند کنتورهای معمولی kWh، دارای یک نشانگر چرخشی با عقربه های مختلف هستند. حرکت نشانگر به معنی اندازه‌گیری kVah بوده و این عمل باعث جابجایی نشانگر قرمز رنگ نیز از آن می‌شود.

در پایان بازه ی دیماند مثلا ده دقیقه، نشانگر تا انتهای صفحه مندرج حرکت کرده و به صورت الکتریکی به موقعیت صفر برمی‌گردد. این کار جهت آغاز زمان سنجی یک ده دقیقه‌ی دیگر است. دیمایندر در این حالت به گونه‌ای طراحی شده است که هرگز نمی‌تواند یک دور را کامل کند. نشانگر قرمز در آخرین موقعیت اندازه‌گیری شده توسط عقربه‌ی اصلی باقی می ماند. موقعیت نشانگر قرمز مربوط به تعداد kVAh یا کیلو ولت آمپر ساعت بوده که در ده دقیقه توسط بار دریافت شده است. ممکن است بجای نشانه گذاری صفحه‌ی اندازه گیری با kVAh  از واحد میانگین kVA نیز استفاده شود.

برای درک بهتر این موضوع به اطلاعات این بخش توجه کنید:

• تصور کنید که نشانگر قرمز به موقعیت 5 kVAh یا پنج کیلو ولت آمپر ساعت رسیده باشد.
• مشخص است که مقدار متفاوتی از kVA توان ظاهری در ده دقیقه یا 1/6 ساعت در مدار جاری شده است.
• حالا اگر 5 kVAh را بر تعداد ساعت تقسیم کنیم، میانگین kVA در این بازه به دست می آید.
• در این مثال میانگین kVA در این بازه برابر است با:

\[5 \times \frac{1}{{\frac{1}{6}}} = 5 \times 6 = 30\;kvA\]

هر نقطه در اطراف صفحه‌ی مدرج با مقدار به دست آمده علامت گذاری می شود.  یعنی رقم متوسط kVA  در هر نقطه‌ی مشخص روی دستگاه اندازه‌گیری 6 برابر kVAh است. موارد شرح داده شده برای هر زمان ریست دیگری نیز صادق است. در پایان هر دوره‌ی صورت حساب، نشانگر قرمز رنگ حداکثر میانگین رخ داده در آن بازه را نشان می‌دهد. نشانگر قرمز هنگام شروع هر دوره ریست یا صفر می شود. نشانگر مکانیکی شرح داده شده به سرعت در حال جایگزینی با لوازم اندازه‌گیری الکترونیک است. اصول اندازه‌گیری لوازم اندازه‌گیری الکترونیک بر اساس مواردی است که در این قسمت بررسی شد.