Brevet FR2509042A1 — publié le 19830107

i La présente invention concerne un procédé pour la mesure de la consom- mation d'énergie et de puissance, notamment la mesure de la consommation d'éner- gie et de puissance électrique. On produit de l'énergie et notamment de l'électricité, selon de nombreux procédés différents, chaque procédé comprenant une structure de prix différente qui lui est propre Le prix de l'électricité se décompose en deux composants principaux: les frais annuels invariables et les frais variables Les frais invariables comprennent, entre autres, le coût d'investissement des installa- tions de production et les frais d'exploitation invariables Les frais inva- riables dépendent, dans une grande mesure, de la capacité de production, c'est- à-dire de la puissance Ils peuvent être exprimés, par exemple, en unités FIM (= Finnmarks)/k W, a Les frais variables comprennent, par exemple, le prix du combustible et les divers frais d'exploitation Les frais variables sont propor- tionnels à l'énergie produite Ils sont exprimés en unités FIM/M Wh. La courbe P de la figure 1 représente la distribution annuelle dans le temps de la demande de puissance électrique, la zone restant à l'intérieur de la courbe représentant la demande annuelle d'énergie L'électricité est produite, de manière optimale, selon les modes de production A, B, C, etc pour que les frais annuels globaux soient aussi faibles que possible. Supposons que, selon le mode de production A les frais invariables sont a (FIM/k W, a), les frais variables sont A (FIM/M Wh), l'énergie produite est de WA (M Wh), et la capacité en puissance est de Pa (k W), ainsi que selon le mode de production B, les frais invariables sont b (FIM/k W, a), les frais variables sont B (FIM/M Wh), l'énergie produite, WB (W Mh), et la capacité en puissance est de Bb (k W), etc. Dans ce cas, les frais annuels globaux de production d'électricité peu- vent être représentés par la formule: Pa a + WA A + Pb b + Wb B ( 1) Pour que le producteur d'électricité puisse vendre de l'électricité à des acheteurs en gros avec autant de précision que possible en fonction des frais et en fonction du principe de production, le tarif de ventes doit se con- former à la formule ( 1) majorée des ventes de distribution, des frais, etc. Toutefois, cela est impossible dans la pratique parce qu'il existe quantité de modes de production différents Le tarif serait trop compliqué Dans la pratique, on essaye de suivre le principe-de production grâce à un tarif selon lequel la puissance est divisée en deux composants: la puissance de base et la puissance de crête (figure 2) Ainsi, le tarif présente la forme suivante: Pe e + We E + Pf F + WF * WF ( 2) En outre, on applique des charges de base indépendantes de la puissance. Les charges relatives à la puissance sont en outre variables par degrés enfonc- tion de l'importance de l'achat de puissance, et les charges relatives àil'éner- gie dépendent de l'heure du jour. L'acheteur, lui-même, peut de manière optimale diviser son achat d'élec- tricité en puissance de base (E) et puissance de crête (F). La structure du tarif est telle que l'on tente de-guider la consomma- tion dans un sens tendant à diviser la charge sous le rapport du temps, c'est-à- dire que la durée de la consommation de crête, illustrée par la formule WE + EF T Pe + Pf ( 3) soit aussi élevée que possible. En outre, les compagnies de production de puissance vendent de l'élec- tricité à de grands consommateurs ainsi qu'à des petits Eux aussi ont comme but le-principe de couvrir-les frais Dans ce cas, le tarif idéal serait un tarif de vente par minute qui suit la structure de leur propre achat ( 2) majorée par la distribution, les ventes, les frais, etc Avec la technologie actuelle, la mesure de la consommation d'électricité deviendrait, toutefois, trop coûteuse par rapport à la quantité d'électricité vendue. Les compagnies de production d'électricité vendent de l'électricité à de grands consommateurs selon un tarif (figure 3), qui prend la forme suivante Pg g + Wg G ( 4) On applique en outre des charges invariables indépendantes de la puissance. Cette forme de tarif donne un résultat satisfaisant si la durée de consommation de crête T = ( 5) Pg est la même que celle admise lors de la préparation du tarif En pratique, elle peut, toutefois, en être différente, de sorte que certains consommateurs peuvent obtenir des avantages aux dépens d'autres consommateurs, ce qui se traduit par une diminution des revenus des compagnies de production d'électricité. L'électricité est vendue aux petits consommateursselon un tarif (figure 3) , qui se présente sous la forme WG G ( 6) On applique en outre des charges annuelles invariables. A l'heure actuelle, la mesure de la consommation d'électricité est trop onéreuse par rapport à la quantité d'électricité vendue aux petits consomma- teurs Le tarif correspond aux frais tant que la durée de la consommation de crête T reste la même que celle admise lors de la préparation du tarif En pra- tique, toutefois, la durée de consommation change tout le temps, par exemple par suite de l'introduction de nouveaux appareils de consommation, ce qui se fait de plus en plus pour réaliser des économies d'énergie Cela se traduit par des ris- ques économiques en ce qui concerne les compagnies de production d'électricité ainsi que des avantages obtenus par certains consommateurs aux dépens d'autres consommateurs Cette forme de tarif ne fournit pas non plus un motif d'éga- lisation de la consommation par rapport au temps, ce qui serait très important du point de vue de l'économie d'énergie du pays entier. Toutes les formes de tarif mentionnées ci-dessus peuvent entraîner un prix d'énergie différent entre le jour et la nuit, ce qui est destiné à réduire la variation journalière de la consommation globale annuelle. Il est bien connu de mesurer l'électricité vendue en gros, l'appareil de mesure de la consommation (M Wh-mètre) étant lu toutes les heures à l'aide d'un appareil dit printométre (figure 4) Dans ce cas, grâce à ce matériel et par un traitement ADP, on obtient la consommation et sa distribution dans le temps, les puissances par heure, et éventuellement d'autres informations supplé- mentaires nécessaires (et également peu nécessaires) La puissance est divisée en une puissance de base et une puissance de crête par un traitement ADP Le procédé de mesure est le meilleur possible mais il est également très coûteux. Le coût en est d'environ 50 000 FIM/a par point de mesure. La mesure et la sortie par printomètre nécessitent, par exemple, des moyens de mesure de consommation, des moyens de mesure du temps, des registres à mémoire au nombre égale au nombre de périodes de mesure (en pratique, des dizaines de milliers) ainsi qu'un traitement ADP. On obtient ainsi,en outre, des informations constituées par une-courbe de charge (figure 4), une courbe de stabilité (par un traitement ADP), ainsi que l'énergie d'un point de mesure et la somme des énergies de plusieurs points de mesure (par un traitement ADP). Outre le coût très élevé, un autre inconvénient de l'utilisation d'un printomètre est qu'il nécessite une surveillance et un entretien constants. La mesure de la consommation d'électricité par les grands consommateurs (formule ( 4)) s'effectue, d'une part, par une mesure cumulative de l'énergie consommée et, d'autre part, par la mesure du maximum d'énergie consommée pen- dant un intervalle de lecture sur une certaine période de temps (par exemple , 30 ou 60 minutes) Pour cette dernière mesure, un mouvement d'horlogerie remet à zéro l'appareil d'indication d'énergie à des intervalles correspondant à la période de temps indiquée ci-dessus L'aiguille indicatrice pousse une deuxième aiguille devant elle, cette deuxième aiguille n'étant pas remise à zéro mais restant en place pour indiquer le maximum d'énergie consommée pour la période-de temps concernée pendant l'intervalle des lectures La moyenne de puissance consommée pendant la période de temps concernée est obtenue en divi- sant l'énergie indiquée par l'aiguille par la durée de la mesure. Le maximum est relevé, par exemple, une fois par mois et l'appareil de mesure du maximum est remis à zéro Pour que les crêtes occasionnelles de puissance consommées par le consommateur n'aient pas un effet déraisonnable sur le prix de l'électricité, on adopte, comme base de facturation, la moyenne des deux mois présentant les crêtes de puissance les plus grandes Un second môuve- ment d'horlogerie séparé mesurant le temps réel ou un dispositif à commande à distance peut transférer la mesure d'énergie d'un compteur à un autre si le prix de l'énergie est différent entre le jour et la nuit Les frais de ce mode de mesure sont d'environ 1 500 FIM/a. La mesure de l'énergie maximale et sasortie nécessitent, par exemple, des moyens de mesure d'énergie, des moyens de mesure du temps, un ou plusieurs registres selon que l'énergie est liée au temps, et des moyens d'indication de l'énergie maximale pendant une certaine période de temps. Les informations obtenues dans ce cas sont la puissance de crête pendant l'intervalle de lecture ainsi que l'énergie, les énergies provenant de divers points de mesure pouvant être totalisées par voie arithmétique Toutefois, la mise en oeuvre de ce procédé ne permet d'obtenir ni une courbe de charge ni une courbe de distribution cumulative En outre, les puissances de crête au niveau des divers points de mesure ne peuvent pas être totalisées (au niveau des divers points de mesure, les crêtes peuvent se produire à des instants différents, de sorte que la crête commune des points de mesure ne représente pas la somme des 25090-42 crêtes des divers points) En outre, les appareils de mesure doivent être lus, par exemple, tous les mois et ils nécessitent un certain entretien Les frais de mesure sont d'environ 1 500 FIM/an. En ce qui concerne les petits consommateurs, l'énergie consommée est mesurée seule à l'aide d'un k Wh-mètre Cette mesure peut, en outre, comprendre une horloge de commande liée au temps réel ou un dispositif de commande à dis- tance si les prix de l'énergie sont différents entre la nuit et le jour Ordi- nairement, l'appareil de mesure est lu une fois par an et les frais de mesure sont d'environ 150 FIM/a. Ce système nécessite entre autres, un dispositif de mesure et un ou plusieurs registres. Les informations obtenues sont l'énergie consommée, et les énergies des diverses mesures peuvent être additionnées. Toutefois, la mise en oeuvre de ce procédé ne permet de déterminer ni la courbe de charge, ni la courbe de distribution cumulative, ni la puissance de crête. La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients de la technologie de l'art antérieur et de fournir un procédé plus simple, d'un type entièrement nouveau, permettant de mesurer la consommation d'énergie et la puissance. L'invention se base sur la notion que la puissance devant être mesurée est divisée à l'avance en degrés depuissance, un registre de mesure d'énergie étant affecté à chacun de ces degrés, chaque registre mesurant et enregistrant en alternance une valeur prédéterminée de consommation d'énergie, après quoi la mesure est transférée au registre suivant Une fois un cycle prédéterminé de mesure terminé, la mesure est transférée au premier registre pour commencer un nouveau cycle de mesure De la sorte, les lectures des divers registres, après un nombre désiré de cycles de mesure, donnent une approximation de la courbe de distribution cumulative de puissance. Plus précisément, le procédé conforme à l'invention se caractérise en ce que: la puissance à mesurer est divisée à l'avance en au moins deux degrés de puissance, de sorte que leur somme est de préférence une approximation de la puissance de crête attendue, un registre de mesure d'énergie est affecté à chaque degré de puissan- ce, pendant un cycle de mesure prédéterminé, il est permis à chaque re- gistre, selon une séquence prédéterminée, d'effectuer en alternance la mesure et l'enregistrement d'une consommation prédéterminée d'énergie, et une fois celle-ci atteinte, la mesure est transférée au registre suivant dans l'ordre et une fois le cycle de mesure prédéterminé terminé, la mesure est transférée du registre, qui était le dernier dans l'ordre de mesure, au premier registre afin de commencer un nouveau cycle de mesure, les lectures des divers. registres, au bout d'un nombre désiré de cycles de mesure, fournissant une approximation de la courbe de distribution cumulative-de puissance pendant la période d'observation. Grâce à l'invention, on peut obtenir des avantages importants Ainsi, grâce à l'invention, on peut obtenir la courbe de distribution cumulative et l'énergie consommée par des moyens simples En outre, les consommations d'éner- gie des diverses mesures peuvent être additionnées pour en obtenir la somme. On va décrire l'invention en référence aux figures 6 à 8, qui sont des illustrations duprincipe du procédé de mesure conforme à l'invention. La puissance à mesurer est divisée d'avance en degrésde puissance pro- grammés Pl Pn (figure 6) Le nombre de degrés peut être n'importe quel nom- bre raisonnable du point de vue de la précision de mesure (au moins 2) En ce qui concerne le mécanisme de mesure, il faut prévoir autant de registres qu'il y a de degrés de puissance Outre le dispositif de mesure, il faut prévoir un dispositif de mesure du temps qui remet le procédé de mesure au début après un cycle de mesure programmé (la durée du cycle peut être réglable de manière continue, par exemple 10 mn à 2 heures}. La mesure s'effectue comme suit: au début du cycle de mesure, l'appa- reil de-mesure passe de l'énergie au registre 1 (Rl) jusqu'à ce qu'une quantité programmée d'énergie y a été accumulée (par exemple, 1 k Wh, 10 k Wh, 100 k Wh, ou 1 000 k Wh) Après quoi, le comptage est transféré automatiquement au regis- tre 2, et à d'autres registres jusqu'à ce que l'appareil de mesure du temps ra- mène le cycle de mesure au départ La mesure commence alors pour le registre 1 et se poursuit comme décrit ci-dessus. L'exemple suivant est une illustration de-la mesure Exemple 1 Supposons que la puissance de crête consommée par le consommateur est de 100 k W Supposons en outre qu'une mesure de puissance à 5 degrés donne des informations suffisantes On utilise un appareil de mesure comprenant 5 regis- tres et dans lequel la mesure est transférée d'un registre à un autre après chaque quantité de 10 k Wh. Du fait que la grandeur du degré de puissance est de 100 k W/5 = 20 k W et que la mesure est transférée d'un registre à un autre après 10 k Wh, une durée du cycle de mesure de 30 minutes est réglée dans l'appareil ( 0, 5 h x 20 k W = k Wh). Supposons que la puissance consommée par le consommateur intéressé varie pendant les divers cycles de mesure comme suit: Cycle Temps écoulé Puissance Energie 1 0,5 h 30 k W 15 k Wh 2 1 h 50 k W 25 k Wh 3 1,5 h 100 k W 50 k Wh 4 2 h 110 k W 55 k Wh 2,5 h 70 k W 35 k Wh 6 3 h 60 k W 30 k Wh Les énergies (k Wh) mesurées au niveau des divers registres pendant le cycle sont comme suit: Cycle Reg 1 Reg 2 Reg 3 Reg 4 Reg 5 1 10 5 2 10 10 5 3 10 10 10 10 10 4 10 10 10 10 15 10 10 10 5 - 6 10 10 10 Somme 60 55 45 25 25 La lecture des énergies accumulées dansles registres fournit des infor- mations selon la figure 7 pour cette période de 3 heures. Il ressort de la figure 7 que, sur la base des lectures de mesure d'éner- gie des divers registres seulement, il est possible de réaliser une courbe de distribution cumulative Ce n'est que pour la partie de crête de la courbe qu'il faut faire une estimation, parce qu'on ne connait pas la crête effective Cet inconvénient peut en outre, être éliminé si l'appareil de mesure comporte une indication de crête. Selon le procédé conforme à l'invention, il suffit de disposer d'un dispositif de mesure, d'un dispositif de mesure du temps, 2 N registres ainsi que, si nécessaire d'un dispositif permettant de mesurer l'énergie maximale pen- dant une certaine période de temps. Dans les tableaux suivants 1 et 2, on donne une comparaison entre le procédé de l'invention et-ceux de l'art antérieur Tableau 1: matériel et coût Printomètre Mesure de crête Mesure de k Wh k Wh Dispositif de mesure Dispositif de mesure du temps NO de registres Traitement de données Indication de crête Coût de la mesure Oui Oui >à 10000 ADP Non néces- saire 000 FIM/a Oui Oui Oui 1 à 2 Manuel Oui 1500 FIM/a -20 Oui Non Oui -1 à 2 2 à 10 Manuel Manuel Non Si néces- saire FIM/a 200 FIM/a (avec me- sure de crête Tableau 2: Informations obtenues Printomètre Mesure de crête Mesure de Invention k Wh k Wh Courbe de charge ADP Non Non Non Somme des courbes de charge ADP Non Non Non Courbe distr cum ADP Non Non Manuelle. Crête de puissance AD Pou manuel Oui Non Si néces. Somme des crêtes de puissance ADP Non Non Approchée Consommation d'énergie ADP Oui Oui Oui Somme des consommations d'énergie Manuellement Manuellement Manuelle Manuelle. Intervalle entre lec- tures 1 h 1 mois 1 an 1 n Invention Lorsqu'on compare les courbes de la figure 8, on constate que, grâce au procédé conforme à l'invention, on obtient un tarif qui est simple mais qui suit de près les coûts On constate également que, en choisissant correctement les degrés de puissance des divers registres, on peut obtenir un tarif corres- pondant au coût à l'aide simplement d'un simple tarif d'énergie - Exemple 2 Si les coûts globaux de la production d'énergie, y compris tous les frais d'investissement, de la matière première,du raffinage, des pertes et d'exploitation, ainsi que les taxes et bénéfices sont comme suit Mode de production A: 0,15 FIM/k Wh Mode de production B: 0,20 FIM/k Wh Mode de production C: 0,25 FIM/k Wh Mode de production D: 0,50 FIM/k Wh le tarif est simplement comme suit: Energie du registre 1: 0,15 FIM/k Wh Energie du registre 2: 0,20 FIM/k Wh Energie du registre 3: 0,25 FIM/k Wh Energie du registre 4: 0,50 FIM/k Wh. A partir des lectures des divers registres de son compteur, le consommateur voit combien il doit payer, exactement de la même manière que pour un compteur k Wh classique. Dans le cadre de l'invention, on peut concevoir en outre des solutions qui diffèrent de celles décrites ci-dessus: Le compteur peut être mécanique ou électronique ou une combinaison de ces deux. Le nombre de registres peut être au moins deux et au maximum le nom- bre que nécessite la précision de mesure Un résultat très précis peut être obtenu à l'aide de 10 registres, en pratique un nombre suffisant est de 3 à registres. Les degrés de puissance peuvent être réalisés en ajustant soit la quantité d'énergie nécessaire à un changement de registre, soit la durée du cy- cle de mesure sur le dispositif de mesure du temps, ou les deux. Les degrés de puissance des registres peuvent être de la même hauteur ou de hauteurs différentes. Le compteur peut comprendre une indication de crête ou non. Chaque registre peut informer (ou non) le consommateur de quel regis- tre du compteur est en train de mesurer de l'énergie à un moment donné Ce qui permet au consommateur de couper, automatiquement ou manuellement, la consomma- tion inutile lorsque le compteur compte de l'énergie coûteuse En d'autres termes, le tarif guide la consommation dans un sens correct pour réaliser une économie d'énergie. On peut brancher sur le compteur un mouvement d'horlogerie doté d'un programme journalier et/ou hebdomadaire et/ou annuel ou un dispositif de comman- de à distance permettant de court-circuiter les commandes internes de mesure du compteur pour que le compteur mesure de l'énergie, pendant une partie du temps, par un registre ou certains registres seulement Dans ce cas, le tarif peut comprendre de l'énergie à des prix différents pour des degrés de puissance différents, par exemple: le jour et la nuit, les jours de la semaine et les weekends, l'été et l'hiver, pendant les crêtes journalières, pendant les crêtes annuelles, et pendant des périodes d'arrêt. Selon le même principe, le compteur peut mesurer en outre des éner- gies autres que l'énergie électrique, par exemple l'énergie thermique, les écoulements d'eau et d'autres matières. il REVENDICATIONS 1 Procédé de mesure de la consommation d'énergie et de puissance, no- tamment la mesure de la consommation de l'énergie et de la puissance électriques, caractérisé en ce que: la puissance (P) devant être mesurée est divisée d'avance en au moins deux degrés de puissance (Pi, P 2, Pn) de sorte que leur somme constitue de préférence une approximation de la puissance de crête (P max) attendue, un registre de mesure d'énergie (RI, R 2, Rn) affecté à chaque de- gré de puissance (Pi, P 2,, Pn), pendant un cycle de mesure prédéterminée, chaque registre (par exem- ple RI) a pour rôle d'effectuer, selon une séquence prédéterminée et en alter- nance, la mesure et l'enregistrement d'une consommation prédéterminée d'énergie, après quoi, la mesure est transférée au registre suivant dans l'ordre (par exemple R 2) et une fois le cycle de mesure prédéterminée tenniné, la mesure est transférée du registre (par exemple R 4) qui était le dernier dans l'ordre de mesure, au premier registre afin de commencer un nouveau cycle de mesure, la lecture des divers registres (RI, R 2,, Rn) , après un nombre désiré de cycles de mesure, fournissant une approximation de la courbe de distribution cumula- tive de puissance pendant la période d'observation. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on prévoit des degrés de puissance (Pi, P 2, Pn) de même grandeur, en comparaison les uns des autres. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on prévoit des degrés de puissance (Pi, P 2,, Pn) de grandeurs différentes, en compa- raison les uns des autres. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de registres (Ri, R 2, Rn) utilisé est compris entre 2 et 20, de préférence entre 3 et 5. 5 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on obtient les degrés de puissance en ajustant la valeur prédéterminée d'enregistrement d'énergie des registres (Ri, R 2, Rn). 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise un appareil de mesure du temps pour commencer et terminer les cycles de mesure. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on obtient les degrés de puissance en ajustant la durée du cycle de mesure du dispositif de mesure du temps.