Interference problems and solutions for static (electronic) energy meters
Dutch version, down below.
Modern static (electronic) energy meters appear to be sensitive to electrical disturbances. We call this electromagnetic interference (EMI). If a device or system is not affected by this, we call it Electro-Magnetic Compatibility (EMC).
What is the cause of the interference sensitivity of static (electronic) energy meters?
1. Poor regulation
2. Bad design of the meters
3. Stupid design of the meters
1. Flawed Regulations
In the past, each country had its own laws for energy meters. In the 1970s, those rules were already aligned within the European Community (now the Union), which means that meters must meet the same requirements throughout the EU. In 2004 a new Directive on measuring instruments was adopted by the European Parliament and by the European Council. It contains a strange recital (preface), which was repeated in the later version, from 2014: The performance of measuring instruments is particularly sensitive to the environment, particular the electromagnetic environment. Immunity of measuring instruments to electromagnetic interference forms an integral part of this Directive and the immunity requirements of Council Directive 89/336/EEC of 3 May 1989 on the approximation of the laws of the Member States relating to electromagnetic compatibility should therefore not apply. In other words: measuring instruments can be sensitive to EMI, and therefore measuring instruments do not have to comply with the EMC Directive. Strange. Very strange.
Every device must comply with the EMC Directive, except measuring instruments. Several EMI measurement methods have therefore been included in the directive, but because EMI measurement methods require at least 5 years of development time, these methods are based on the state of the art in 2009. Now it is however already 2021. The real problem is that the generic EMC Directive says that you must not cause any interference, and that you must not be sensitive to interference (the so-called Essential Requirements), and that EMI measurement methods are (only) a tool to demonstrate this. The EMC Directive, applicable to almost all equipment except measuring instruments, requires the manufacturer to carry out an analysis and to consider the possible interference signals in the operating environment.
If the above text would not be in the Measuring Instruments Directive, then the energy meter manufacturers had the problem (for 1 euro, or 1 cent, see below) to solve. Now the Grid Operator can do little, because the (interference-sensitive) energy meters comply with the Measuring Instruments Directive. The national regulator, the Telecom Agency (part of the Ministry of Economic Affairs and Climate), cannot do anything either. And the consumer, well, neither.
More information:
Measuring Instruments Directive 2004: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/NL/ALL/?uri=CELEX%3A32004L0022
Measuring Instruments Directive 2014: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/NL/TXT/?uri=CELEX%3A32014L0032
EMC Directive 2014: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/NL/TXT/?uri=celex%3A32014L0030
Guide EMC Directive 2014: https://ec.europa.eu/docsroom/documents/33601
2. Poor design
An energy meter shall measure the voltage and current at the same moment, multiply and sum up during the time that power is being consumed. A simple voltage divider is used for the voltage. To measure the current we have to use a shunt (series) resistor, or a current transformer, or a Hall element, or a Rogowski coil. This converts the current into a voltage that can be measured by the static energy meter. The shunt resistor is really only suitable for single-phase meters. The current transformer and the Hall element are more expensive than the Rogowski coil. That is why we see a Rogowski coil in many meters. For proper use of a Rogowski coil, it must be followed by a passive integrator, and slightly smarter electronics. Unfortunately, this is ignored, and many power meters appear to be sensitive to EMI. What are we actually talking about? In the Netherlands we pay more than 35 euros per year for the rent of the meter. That is 550 euros for about 15 years of use. Those costs include replacement, and all administration. But the manufacturing cost of the meter is less than 50 euro, and slightly smarter electronics, or better yet, another current sensor might cost an euro more. But since grid operators have to buy the meters through large tenders, it is about the lowest price, and therefore not always the best energy meters.
In these articles can find more information about interference with energy meters:
https://research.utwente.nl/en/publications/static-energy-meter-errors-caused-by-conducted-electromagnetic-in
http://empir.npl.co.uk/meteremi/publications/
3. Stupid design
Every engineer who has paid attention during her or his training knows the orthogonality principle. That's a difficult word, but it means that if we multiply a voltage and current, we only get a value if the voltage and current have the same behavior. In slightly more technical language, if the voltage is perfectly sinusoidal (50 Hz), then only the basic sinusoid (fundamental) of the current is needed to calculate the power and energy. In other words: it doesn't matter whether modern electronics cause all kinds of dirty currents, because I only have to look at the fundamental (50 Hz) component of the current. This is easily achieved by means of a low-pass filter, which is placed in the meter between the current transformer, or Rogowski coil, and the electronics that register the voltage. Is that expensive: no, less than 1 eurocent, per meter, for a capacitor and a resistor.
This article explains the orthogonality principle for electrical energy meters:
https://research.utwente.nl/en/publications/electromagnetic-compatible-energy-measurements-using-the-orthogon
Do those involved know this? Yes. We have extensively informed the ministry, Telecom Agency, Netbeheer Nederland, ESMIG, CENELEC-TC13, etc., already in 2014, and also in the following years.
----------------- Nederlandse Versie ------------------------
Stoorproblemen en oplossingen voor statische (elektronische) energiemeters
Moderne statische (elektronische) energiemeters blijken gevoelig te zijn voor elektrische storingen. We noemen dat elektro-magnetische interferentie (EMI). Als een apparaat of systeem daar geen last van heeft noemen we het elektro-magnetische compatibiliteit (EMC).
Wat is de oorzaak van de stoorgevoeligheid van statische (elektronische) energiemeters?
1. Gebrekkige regelgeving
2. Slecht ontwerp van de meters
3. Dom ontwerp van de meters
1. Gebrekkige regelgeving
Vroeger had elk land zijn eigen wetten voor energiemeters. In de jaren 70 werden die regels al gelijk getrokken binnen de Europese Gemeenschap (nu Unie), waardoor meters in de gehele EU aan dezelfde eisen moeten voldoen. In 2004 is er een nieuwe Richtlijn door het Europees Parlement en de Europese Raad aangenomen betreffende meetinstrumenten. Daarin staat een vreemde overweging (voorwoord), die in de latere versie, van 2014, nog eens is herhaald: De prestaties van sommige meetinstrumenten zijn in sterke mate onderhevig aan de invloed van de omgeving, vooral de elektromagnetische omgeving. De ongevoeligheid van meetinstrumenten voor elektromagnetische storingen moet een integraal deel van deze richtlijn vormen en de voorschriften aangaande ongevoeligheid van Richtlijn 2004/108/EG van het Europees Parlement en de Raad van 15 december 2004 betreffende de onderlinge aanpassing van de wetgevingen van de lidstaten inzake elektromagnetische compatibiliteit, zijn derhalve niet van toepassing. Met andere woorden: meetinstrumenten kunnen gevoelig zijn voor EMI, en daarom hoeven meetinstrumenten niet aan de EMC Richtlijn te voldoen. Vreemd. Erg vreemd.
Elk apparaat moet aan de EMC Richtlijn voldoen, behalve meetinstrumenten. Ter vervanging zijn enkele EMI-meetmethodes in de Richtlijn opgenomen, maar omdat EMI-meetmethodes gemiddeld 5 jaar ontwikkelingstijd nodig hebben, gaan die uit van de stand van de techniek in 2009. Nu is het echter al 2021. Het echte probleem is dat de algemene EMC Richtlijn zegt dat je geen storingen mag veroorzaken, en niet stoorgevoelig mag zijn (de zogenaamde Essentiele Eisen), en dat EMI-meetmethoden (slechts) een hulpmiddel zijn om dit aan te tonen. De EMC Richtlijn, van toepassing op nagenoeg alle apparaten behalve meetinstrumenten, eist van de fabrikant dat deze een analyse moet uitvoeren en moet nadenken over de mogelijke stoorsignalen in de gebruiksomgeving.
Als de overweging niet in de meetinstrumenten Richtlijn staat dan hadden de energiemeter fabrikanten het probleem (voor 1 euro, of 1 cent, zie onder) moeten oplossen. Nu kan de Netbeheerder weinig doen, want de (stoorgevoelige) energiemeters voldoen aan de meetinstrumenten Richtlijn. De nationale toezichthouder, Agentschap Telecom (onderdeel van het Ministerie van Economische Zaken en Klimaat), kan ook niets doen. En de consument, tsja, die ook niet.
Meer informatie:
Meetinstrumenten Richtlijn 2004: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/NL/ALL/?uri=CELEX%3A32004L0022
Meetinstrumenten Richtlijn 2014: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/NL/TXT/?uri=CELEX%3A32014L0032
EMC Richtlijn 2014: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/NL/TXT/?uri=celex%3A32014L0030
Guide EMC Richtlijn 2014: https://ec.europa.eu/docsroom/documents/33601
2. Slecht ontwerp van de meters
Een energiemeter moet de spanning en stroom tegelijkertijd meten, deze vermenigvuldigen en optellen gedurende de tijd dat er stroom wordt afgenomen. Voor de spanning wordt een eenvoudige spanningsdeler gebruikt. Voor het meten van de stroom moeten we gebruik maken van een shunt (serie) weerstand, of van een stroomtransformator, of een Hall element, of van een Rogowski spoel. Hiermee wordt de stroom omgezet naar een spanning dat gemeten kan worden door de statische energiemeter. De shuntweerstand is eigenlijk alleen geschikt voor enkelfase meters. De stroomtransformator en het Hall element zijn duurder dan de Rogowski spoel. Daarom zien we in veel meters een Rogowski spoel. Voor een juist gebruik van een Rogowski spoel moet deze gevolgd worden door een passieve integrator, en iets slimmere elektronica. Maar jammer genoeg wordt dit genegeerd, en blijken veel energiemeters gevoelig te zijn voor EMI. Waar hebben we het eigenlijk over? In Nederland betalen we ruim 35 euro per jaar voor de huur van de meter. Dat is 550 euro voor zo’n 15 jaar gebruik. In die kosten zit vervanging, en alle administratie. Maar de fabricage kosten van de meter zijn minder dan 50 euro, en iets slimmere elektronica, of nog beter, een andere stroomsensor kosten misschien een euro meer. Maar aangezien Netbeheerders de meters via grote aanbestedingen moeten kopen gaat het om de laagste prijs, en daarom niet altijd de beste energiemeters.
In deze artikelen is meer informatie te vinden over stoorsignalen in het elektriciteitsnet, en storingen bij energiemeters:
https://research.utwente.nl/en/publications/static-energy-meter-errors-caused-by-conducted-electromagnetic-in
http://empir.npl.co.uk/meteremi/publications/
3. Dom ontwerp van de meters
Elke ingenieur die heeft opgelet tijdens haar of zijn opleiding kent het orthogonaliteitsprincipe. Dat is een moeilijk woord, maar het betekent dat als we een spanning en stroom vermenigvuldigen er alleen maar een waarde resulteert als de spanning en stroom gelijk gedrag hebben. In iets meer technische taal: als de spanning perfect sinusvormig is (50 Hz), dan is alleen maar de basis sinusvorm (fundamentele) van de stroom nodig om het vermogen en de energie te berekenen. Ofwel: het maakt niet uit of moderne elektronica allerlei vieze stromen veroorzaakt, want ik hoef alleen maar naar de fundamentele (50 Hz) component van de stroom te kijken. Dat is eenvoudig te realiseren door middel van een laagdoorlaat filter, die geplaatst wordt in de meter tussen de stroomtransformator, of Rogowski spoel, en de elektronica die de spanning registreert. Is dat duur: nee, minder dan 1 eurocent, per meter, voor een condensator en een weerstandje.
In dit artikel is het orthogonaliteitsprincipe voor elektrische energiemeters uitgelegd:
https://research.utwente.nl/en/publications/electromagnetic-compatible-energy-measurements-using-the-orthogon
Weten de betrokkenen dit? Ja. We hebben het ministerie, Agentschap Telecom, Netbeheer Nederland, ESMIG, CENELEC-TC13 etc. uitgebreid geïnformeerd, al in 2014, en ook in de jaren erna.