Способ учета электрической энергии и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к электрическим измерениям. Целью изобретения является автоматизация процесса изменения учета электрической энергии в соответствии с изменением тарифа за различные уровни ее потребления. Способ и устройство учета электрической энергии представляет собой новый подход к вопросу расчетного учета электроэнергии, заключающийся в разбиении всего диапазона изменения электрической мощности на поддиапазоны в соответствии со значениями тарифов для различных уровней мощности. В соответствии с установленными границами поддиапазонов задают интервалы времени, равные периоду следования импульсов, обратно пропорциональному мощности в нагрузке. В процессе учета сравнивают текущий период следования импульсов с заданными интервалами времени, после чего результат сравнения представляют число-импульсным кодом, который по окончании каждого периода суммируют с ранее выработанной последовательностью импульсов. Для реализации данного способа в известное устройство учета электрической энергии, основанное на преобразовании мощности в частоту импульсов с последующим суммированием этих импульсов, вводится ассоциативный генератор число-импульсного кода, второе суммирующее устройство и индикатор степени изменения тарифа. Изобретение позволяет производить учет электрической энергии с прогрессивным тарифом, что, в свою очередь, приводит к использованию потребителями энергосберегающих технологий, снижению общего расхода электрической энергии и более равномерному распределению ее по времени суток. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электрическим измерениям.

Известен многотарифный по времени суток способ учета электрической энергии, в котором по сигналу управления, подаваемому извне, последовательность информационных импульсов суммируется раздельно как в течение всего времени суток, так и в течение периодов времени предполагаемой пиковой нагрузки в электрической сети. Для этого в устройство для учета электрической энергии дополнительно вводятся блок определения начала и конца пикового периода времени потребления и устройство суммирования импульсов, поступающих за пиковое время периода потребления [1].

Известен способ, принятый в качестве прототипа, позволяющий определять превышение потребления электрической энергии и реализованный в устройстве. Согласно этому способу, помимо суммирования последовательности информационных импульсов, раздельно суммируют последовательность импульсов, образованных в результате превышения частоты следования информационных импульсов над частотой следования импульсов, соответствующей заданному уровню потребления электрической энергии, что реализуется в устройстве для учета электрической энергии введением источника образцового сигнала опорной частоты, схемы сравнения частот и дополнительного устройства суммирования импульсов [2].

Однако в данном способе процесс учета электроэнергии не зависит от тарифа за различные уровни ее потребления.

Целью изобретения является автоматизация процесса изменения учета электрической энергии в соответствии с изменением тарифа за различные уровни ее потребления.

Это достигается за счет того, что в способе учета электрической энергии, основанном на преобразовании сигнала, пропорционального мощности в нагрузке, в последовательность информационных импульсов с их последующим суммированием и сравнении временных параметров, характеризующих данную последовательность импульсов с идентичными параметрами образцового сигнала, диапазон изменения электрической мощности предварительно разбивают на поддиапазоны по числу установленных тарифов, в качестве временного параметра, характеризующего образцовый сигнал, берут интервал времени, соответствующий границам каждого поддиапазона, а в качестве временного параметра, характеризующего последовательность информационных импульсов берут интервалы времени, равные периоду следования импульсов, по окончании которых за время τ₀≅δτ_min результат сравнения временных параметров представляют последовательным число-импульсным кодом и суммируют его с ранее выработанной последовательностью импульсов, где δ- основная относительная погрешность учета электрической энергии; τ_min - значение периода следования информационных импульсов при максимальном уровне потребления электрической энергии.

Для этого в устройство для учета электрической энергии, содержащее преобразователь электрической мощности в частоту импульсов и суммирующее устройство, введены ассоциативный генератор число-импульсного кода, второе суммирующее устройство и индикатор, при этом вход генератора подключен к выходу преобразователя, информационный выход - к входу второго суммирующего устройства, а выход изменения тарифа - к входу индикатора.

Совокупность признаков предложенного способа обуславливает проявление в нем нового свойства, заключающегося в зависимости числа суммарных импульсов на единицу приращения учитываемой энергии от ее текущего значения и, следовательно, зависимости постоянной устройства учета электрической энергии от установленных тарифов за электроэнергию различного уровня.

На фиг. 1 представлена структурная схема примера реализации предлагаемого способа; на фиг.2 - схема ассоциативного генератора число-импульсного кода; на фиг.3 - эпюры напряжений, поясняющие принцип работы ассоциативного генератора число-импульсного кода.

Сущность способа учета электрической энергии заключаются в следующем.

В соответствии с установленными тарифами R_j за электрическую энергию, расходуемую нагрузкой различной мощности, весь диапазон изменения последней предварительно разбивают на поддиапазоны P_j, где j = 1,2,3,...,J.

В процессе учета электрической энергии, потребляемой нагрузкой, подключенной к электрической сети ток i и напряжение U преобразуют посредством преобразователя 1 электрической мощности в частоту импульсов, пропорциональную мощности P = i U в нагрузке. Указанное преобразование осуществляют, например, путем непосредственного перемножения сигналов, пропорциональных току и напряжению с последующим преобразованием сигнала произведения в частоту импульсов известными средствами.

При неизменных значениях тока и напряжения, соответствующих мощности потребления P_j, частоту импульсов на выходе преобразователя мощности можно представить в виде f_i = k P_j, где k = k_i k_U k_Pf; k_i и k_U - коэффициенты преобразования тока и напряжения во входные сигналы преобразователя мощности; k_Pf - коэффициент, учитывающий постоянную k_P перемножения и коэффициент преобразования k_f результата перемножения в частоту импульсов и равный k_Pf = k_P k_f. Очевидно, что период следования информационных импульсов с выхода преобразователя мощности при этом равен τ_j= 1/f_i и, следовательно, можно установить значения интервалов времени τ_j^* в соответствии с верхними границами поддиапазонов Р_j. Осуществляя в процессе учета электрической энергии сравнение текущих интервалов времени τ с установленными интервалами времени τ_j^* и тем самым определяя, какому диапазону j соответствует текущее значение потребляемой электрической энергии, по прошествии каждого интервала времени τ вырабатывают число импульсов m_j, которое суммируют с каждым импульсом, поступающим по окончании времени τ с выхода преобразователя мощности в частоту импульсов. Указанное суммирование осуществляют, например, по прошествии переднего фронта информационного импульса в течение времени τ₀≅δτ_min где δ - основная относительная погрешность учета электрической энергии; τ_min= τ_J - значение периода следования информационных импульсов с выхода преобразователя мощности. Такое суммирование обеспечивает отсчет результата учета электрической энергии при неизменном значении мощности в нагрузке и различном ее уровне со скважностью, близкой к двум.

Рассмотренные операции осуществляют посредством ассоциативного генератора 2 число-импульсного кода, на выходе которого суммарное количество импульсов, подсчитанное вторым суммирующим устройством 3, можно представить в виде N= f_jT= n_j , где k_S - коэффициент пересчета второго суммирующего устройства; n_j - число импульсов, пропорциональных израсходованной электроэнергии; Т - время учета.

В то же время известно, что если устройством учета электрической энергии выработано N импульсов, то значение израсходованной энергии равно W_j = P_jT. Поэтому можно записать P_jT=Cn_j, откуда "постоянная" учета электрической энергии равна C_j= P_jT и следовательно, зависит от значения мощности, потребляемой нагрузкой.

Таким образом, показания второго суммирующего устройства соответствуют виртуально (фиктивно) израсходованной электрической энергии и при условии, например, m_j = j, позволяют производить расчет за израсходованную электрическую энергию с прогрессивным тарифом, так как в этом cлучае имеет меcто прямая cвязь между уcтановленным тарифом R_j и "постоянной" учета С_j в виде R_j = r C_j,
где r - коэффициент, устанавливающий связь показаний счетного механизма второго суммирующего устройства, выраженного в денежных единицах, с постоянной учета.

Для контроля за степенью увеличения - уменьшения потребления электрической энергии производится индикация числа m_j индикатором 4, показания которого отображаются через интервалы времени, пропорциональные поступлению импульсов на второе суммирующее устройство, т.е. чем больше потребление электрической энергии, тем чаще происходит индикация m_j.

Учет фактического расхода электрической энергии производится подсчетом импульсов с преобразователя мощности первым суммирующим устройством 5, показания счетного механизма которого определяются обычным образом и соответствуют выражению n = P T/C, где С = const - постоянная учета при снятии показаний с первого суммирующего устройства.

Устройство, реализующее предлагаемый способ учета электрической энергии, функционирует следующим образом.

Входные величины, ток и напряжение поступают на измерительный преобразователь 1 электрической мощности в частоту импульсов, выполненный, например, на трансформаторах тока и напряжения, подключенных входами в измерительную цепь, а выходами - к входам аналогового перемножителя, соединенного выходом с входом преобразователя напряжения в частоту импульсов. Частота следования информационных импульсов, пропорциональная мощности в нагрузке, которая подключена через устройство учета электрической энергии в электрическую сеть, с выхода преобразователя поступает на вход ассоциативного генератора 2 число-импульсного кода на счетный вход триггера 6. В дальнейшем работу ассоциативного генератора рассматриваем на примере поступления на его вход двух следующих друг за другом информационных импульсов U_р - одного периода выходных импульсов триггера, частота которых, естественно, в два раза ниже частоты информационных импульсов. Последнюю принимаем постоянной, т.е. допускаем, что значения тока и напряжения в электрической сети в процессе работы устройства на интервале времени, равном 2 τ не изменяются. Указанное допущение справедливо, когда период импульсов на входе ассоциативного генератора меньше длительности переходных процессов в сети, что имеет место на практике при включении, например, нагревательных приборов, электрических машин и т.д.

В момент времени поступления первого информационного импульса U_p на неинвертирующем выходе Q триггера устанавливается сигнал лог."1", происходит запуск узла 7 установки ассоциативного генератора в исходное состояние, выполненного, например, на одновибраторе, который вырабатывает короткий импульс R, устанавливающий двоичные счетчики 8 и 9 в нулевое состояние. В течение времени, когда триггер находится в данном состоянии, сигналом Q разрешается генерация импульсов G генератором 10. Длительность импульсов выбирается много меньшей периода их следования, который задается равным, например, τ_J^*.

С поступлением импульсов G на счетчик 8 последний подсчитывает их количество, т.е. производит отсчет интервалов времени, кратных τ_J^*, в течение времени, равного периоду следования информационных импульсов. В результате этого определяется длительность текущего интервала времени τ, по окончании которого на выходе счетчика 8 устанавливается код, эквивалентный τ_j-1<τ<τ_j .

При переходе триггера в противоположное состояние генерация импульсов G прекращается, счетчик 8 сохраняет свое состояние, передним фронтом импульса на инвертирующем выходе триггера производится запуск, с небольшой задержкой, таймера 11. С выхода последнего сигнал Н длительностью τ₀ поступает на вход выбора модуля постоянного запоминающего устройства 12 и вход запуска генератора 13 тактовых импульсов, следующих с частотой F, много большей частоты импульсов, вырабатываемых генератором 10.

Генерируемые импульсы подсчитываются счетчиком 9, с выхода которого нарастающий двоичный код М поступает на адресный вход мультиплексора 14 и на его выходе вырабатывается последовательность импульсов, определяемая кодом адреса К и кодом данных L постоянного запоминающего устройства. Число импульсов, выработанных на выходе мультиплексора, соответствует коду, записанному в постоянном запоминающем устройстве по адресу, определяемому двоичным кодом на выходе счетчика 8.

Обеспечивая соответствие указанных кодов степени изменения тарифа за текущее значение электрической энергии значению текущего интервала времени τ и, следовательно, τ_j^* , на выходе мультиплексора будет выработана последовательность импульсов, равная m_j. Для прекращения генерации кодов по прошествии J-того импульса, двоичный счетчик 9 устанавливается в состояние прекращения счета по сигналу S, вырабатываемому на его J + 1 выходе. После этого ассоциативный генератор число-импульсного кода ожидает поступления очередного информационного импульса, индицируя степень увеличения тарифа посредством индикатора 4, подключенного к выходу счетчика, который подсчитывает количество импульсов m_j. Установка счетчика в исходное состояние также осуществляется по сигналу R.

Очевидно, что при условии τ>τ₁^*, записывая в постоянное запоминающее устройство по последнему адресу (J-тому адресу) один бит информации, на выходе мультиплексора также вырабатывается один импульс, что соответствует исходному значению тарифа при минимальном расходе энергии. В то же время для обеспечения учета с прогрессивным тарифом вида jR, где j = 1,2,3,...,J, по следующим убывающим на единицу адресам необходимо записать два, три, четыре и т.д. бит информации. Соответствие указанных импульсов уровню энергии обеспечивается заданием частоты генерации импульсов генератором 10 равной частоте информационных импульсов, имеющей место при электрической мощности в нагрузке сети, равной J кВт.

Полученные на выходе мультиплексора импульсы поступают на вход второго суммирующего устройства 3, отсчетное устройство которого изменяет показания в два, три, четыре и т.д. раза чаще, чем отсчетное устройство первого суммирующего устройства 5, на которое поступают импульсы непосредственно с выхода преобразователя электрической мощности.

Использование способа и устройства учета электрической энергии в быту позволяет дисциплинировать потребителя энергии с точки зрения ее рационального использования, что приводит к снижению общего расхода электроэнергии и более равномерному распределению ее по времени суток, а при снижении тарифа за малое потребление имеет место и социальный эффект.

Формула изобретения

1. Способ учета электрической энергии, основанный на преобразовании сигнала, пропорционального мощности в нагрузке в последовательность информационных импульсов с их последующим суммированием и сравнении временных параметров, характеризующих данную последовательность импульсов, с идентичными параметрами образцового сигнала, отличающийся тем, что диапазон изменения электрической мощности предварительно разбивают на поддиапазоны по числу установленных тарифов, в качестве временного параметра, характеризующего образцовый сигнал, берут интервал времени, соответствующий границам каждого поддиапазона, а в качестве временного параметра, характеризующего последовательность информационных импульсов берут интервалы времени, равные периоду следования импульсов, по окончании которых за время τ₀ ≅ σ τ_min результат сравнения временных параметров представляют последовательным число-импульсным кодом и суммируют его с ранее выработанной последовательностью импульсов, где δ - основная относительная погрешность учета электрической энергии, а τ_min - значение периода следования информационных импульсов при максимальном уровне потребления электрической энергии.

2. Устройство учета электрической энергии, содержащее преобразователь электрической мощности в частоту импульсов и первое суммирующее устройство, отличающееся тем, что в него введены ассоциативный генератор число-импульсного кода, второе суммирующее устройство и индикатор, при этом вход указанного генератора подключен к выходу преобразователя электрической мощности в частоту импульсов, информационный выход - к входу второго суммирующего устройства, а выход изменения тарифа - к входу индикатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3