Интеллектуальный счетчик электрической энергии

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к конструкции и функциональности счетчиков электрической энергии переменного тока одно- и трехфазных щитового исполнения и одно- и трехфазным счетчикам расщепленной архитектуры (SPLIT), и может быть использовано в качестве бытовых многофункциональных счетчиков электрической энергии. Заявлен счетчик электрической энергии, содержащий микропроцессор, имеющий в своем составе арифметическое устройство, память программ постоянную и перепрограммируемую, оперативную память данных и таймеры-счетчики общего назначения, соединенные с микропроцессором, блок измерения мощности, блок памяти для хранения результатов измерения, блок питания счетчика и часы реального времени, содержащие также модуль памяти объемом 512 байт с питанием от автономного источника. Блок измерения мощности содержит: первый канал измерения тока, второй и последующие каналы измерения тока, канал измерения напряжения, два канала вычисления среднеквадратичного значения, узел вычисления активной мощности, узел вычисления реактивной мощности, три узла контроля перехода сигналов через «арифметический 0», причем на выходе каналов измерения тока и напряжения находится узел вычисления коэффициента мощности (cos ϕ). Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, заключается в создании конструкции нового типа, позволяющей обеспечить увеличение надежности конструкции, уменьшить трудоемкость при сборке и монтаже на месте эксплуатации, увеличить функциональность устройства, увеличение степени защиты от несанкционированного доступа. 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Устройство относится к электронно-цифровой электроизмерительной технике, в частности, к устройствам контроля, учета и анализа производства или потребления электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях переменного тока, может быть использовано в различных отраслях экономики, науки и техники, на объектах электроэнергетики и у потребителей (пользователей) электрической энергии, в автоматизированных информационно-измерительных системах контроля и учета энергоресурсов, управления и распределения энергоресурсов, массового сбора данных и информации с различных оконечных устройств, включая счетчики, датчики, сенсоры и детекторы по видам энергоресурсов, движения, положения и совершаемых действий, а также иных интеллектуальных технических средств и их централизованной программной обработки.

Известно устройство учета электрической энергии [1], содержащее преобразователь электрической мощности в частоту импульсов, суммирующее устройство, индикатор, ключ, блок управления, блок сигнализации и блок контроля диспетчера. Блок управления содержит обнаружитель отклонения амплитуды напряжения поставляемой электрической энергии от требований ГОСТ, первый инвертор, элемент ИЛИ, обнаружитель отклонения частоты напряжения поставляемой электрической энергии от требований ГОСТ, второй инвертор, первый и второй сигнализаторы и первое и второе регистрирующие устройства. Блок сигнализации содержит спутниковый приемник, электронные часы, первый и второй элементы И, блок памяти и передающее устройство, блок контроля диспетчера содержит последовательно соединенные приемное устройство и индикатор.

К недостаткам этого устройства можно отнести измерение и фиксацию неполного набора качественных характеристик потребляемой электроэнергии, таких как полная мощность, реактивная мощность, Cos ϕ, коэффициент формы и уровень гармоник потребляемого тока. Отсутствует возможность использования линий питания как линия связи.

Известен счетчик электрической энергии [2], содержащий микропроцессор и соединенные с ним блок измерения мощности и блок памяти, блок питания счетчика и устройство отключения цепи нагрузки с приводом, управляемым от микропроцессора, отличающийся тем, что он снабжен подключенными к микропроцессору набором программируемых таймеров и часами реального времени с питанием от автономного источника, узлом контроля уровня напряжения, вход которого связан с блоком питания счетчика, а выход - с микропроцессором, и блоком защиты, включающим первичный преобразователь сигнала разности токов в подводящем и отводящем проводах электроснабжения и устройство управления защитным отключением, вход которого связан с выходом упомянутого первичного преобразователя, а выход подключен к микропроцессору.

К недостаткам этого устройства также можно отнести измерение и фиксацию неполного набора качественных характеристик потребляемой электроэнергии, таких как полная мощность, реактивная мощность, Cos ϕ, коэффициент формы и уровень гармоник потребляемого тока. А также необходимость применения дифференциального трансформатора, что усложняет и удорожает конструкцию прибора.

Наиболее близким по наличию конструктивных признаков к заявляемому изобретению является интеллектуальный счетчик электрической энергии статический [3], содержащий корпус, зажимную плату присоединений цепи сетевого источника электропитания и цепи нагрузки, измерительные элементы напряжения и тока, цифровой сигнальный микропроцессор, модуль тактирования опорных сигналов, модуль метрологической энергонезависимой памяти, модуль построения тактового сигнала, модуль первичных часов единого времени, автономным источник электропитания, дифференциальный трансформатор, модуль мониторинга состояния цепи переменного тока, модуль чувствительных элементов, модуль силового ключа дифференциальной защиты с полюсными контактами по числу фаз и нейтрали, сетевой выпрямитель, входы которого по числу фаз и нейтрали соединен с цепью сетевого источника электропитания, а выходы соединены с входами модуля стабилизатора величин опорных напряжений электропитания, первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы которого соединены с соответствующими шинами по уровням опорных напряжений электропитания элементов схемы устройства, вход-выход модуля стабилизатора величин опорных напряжений электропитания соединен с первым входом-выходом модуля микроконтроллера управления электропитанием и первоначального сброса, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом модуля резервного источника электропитания, выходы измерительных элементов напряжения и тока по числу фаз и нейтрали соединены соответственно с сигнальными входами модулей аналоговой обработки входных дифференциальных сигналов напряжения и тока, первые выходы которых соединены соответственно с первыми сигнальными входами модулей многоканальных аналогово-цифровых преобразователей, а вторые выходы соединены с первыми сигнальными входами модулей операционных усилителей аналоговых сигналов тока с программируемыми коэффициентами усиления и элементами обратной связи, вторые выходы которых соединены с вторыми сигнальными входам модулей многоканальных аналогово-цифровых преобразователей, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей цифровой обработки входных цифровых потоков, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей децимации цифровых сигналов, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей фазовой компенсации, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей цифровых фильтров, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей автоматической калибровки цифровых сигналов, выходы которых соединены соответственно с первым, третьим, пятым и седьмым сигнальными входами цифрового сигнального микропроцессора, второй, четвертый, шестой и восьмой управляющие входы-выходы шин адреса, данных и управления которого соединены с соответствующими управляющими входами-выходами модулей аналоговой обработки входных дифференциальных сигналов напряжения и тока, модулей операционных усилителей аналоговых сигналов тока с программируемыми коэффициентами усиления и элементами обратной связи, модулей, многоканальных аналогово-цифровых преобразователей, модулей цифровых фильтров и модулей автоматической калибровки цифровых сигналов, девятый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с входами-выходами модуля тактирования опорных сигналов, десятый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с первым входом-выходом модуля гальванической изоляции цифровых сигналов, второй, третий и четвертый входы-выходы которого соединены соответственно с входами-выходами модуля выходных периферийных интерфейсов, модуля выходных импульсных телеметрических сигналов и модуля выходных импульсных испытательных сигналов, одиннадцатый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с входом-выходом периферийного модуля метрологической энергонезависимой памяти, двенадцатый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с первым входом-выходом модуля построения тактового сигнала, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом модуля первичных часов единого времени, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом автономного источника электропитания, тринадцатый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с первым входом-выходом периферийного модуля гальванической изоляции цифровых сигналов периферийных интерфейсов и цифровых управляющих сигналов межпроцессорного взаимодействия, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ, второй вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом модуля построения тактового сигнала, третий вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с первым входом-выходом модуля синхронизации счетной логики, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом модуля задающего частотного генератора, второй вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом первичных часов единого времени, четвертый выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с входом модуля интерфейса электронного отсчетного устройства, выход которого соединен с входом модуля визуализации и отображения информации, пятый вход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с выходом модуля интерфейса управления, входы которого соединены с выходами сенсорной панели клавиатуры и сенсорной кнопки пользователя, шестой вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с первым входом-выходом модуля интерфейса энергонезависимых запоминающих устройств, второй, третий и четвертый входы-выходы которого соединены соответственно с модулем энергонезависимой памяти штатных и срочных событий, модулем энергонезависимой памяти автоматической самодиагностики технического состояния элементов схемы устройства и модулем энергонезависимой памяти коммуникационных соединений, седьмой управляющий вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с управляющим входом-выходом модуля силового ключа дифференциальной защиты с полюсными контактами по числу фаз и нейтрали, исполнительные элементы которого коммутируют цепь нагрузки, вход дифференциального трансформатора по числу фаз и нейтрали соединен соответственно с выходом со стороны цепи сетевого источника электропитания и выходом со стороны цепи нагрузки, выход дифференциального трансформатора соединен с сигнальным входом модуля оперативного мониторинга состояния цепи переменного тока, выход которого соединен с сигнальным входом модуля чувствительных элементов, выходы которого соединен с сигнальным входом модуля силового ключа дифференциальной защиты с полюсными контактами по числу фаз и нейтрали, восьмой вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с первым входом-выходом модуля интерфейса дополнительных функций, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой входы-выходы которого соединены соответственно с модулем датчиков штатных и срочных событий, модулем датчиков автоматической самодиагностики технического состояния элементов устройства, модулем датчиков температуры, давления, влажности, модулем датчиков внешнего воздействия, модулем датчиков вскрытия/вмешательства, модулем датчиков технологического расхода/хищения электрической энергии, девятый вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с первым входом-выходом периферийного модуля шлюза цифровых коммуникационных интерфейсов сетевого и прикладного уровней, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом модуля цифрового коммуникационного интерфейса нижнего уровня, второй, третий и четвертый входы-выходы которого соединены соответственно с модулями цифровых беспроводных технологий связи ближнего радиуса действия с низким энергопотреблением, третий вход-выход периферийного модуля шлюза цифровых коммуникационных интерфейсов сетевого и прикладного уровней соединен с первым входом-выходом первого модуля цифрового коммуникационного интерфейса верхнего уровня, второй, третий и четвертый входы-выходы которого соединены соответственно с модулями цифровых беспроводных технологий связи дальнего радиуса действия, четвертый вход-выход периферийного модуля шлюза цифровых коммуникационных интерфейсов сетевого и прикладного уровней соединен с первым входом-выходом второго модуля цифрового коммуникационного интерфейса верхнего уровня, второй и третий вход-выход которого соединены соответственно с модулями цифровой ближней бесконтактной связи и радиочастотной идентификации, десятый выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с входом модуля интерфейса индикации функционирования, выходы которого соединены соответственно с оптическими RGB-светодиодами индикации.

К недостаткам этого интеллектуального счетчика модно отнести:

1) Отсутствие устройства защиты персональных данных, обязательных к применению в современных счетчиках коммунальных услуг

2) Несмотря на значительный объем устройств выполненных на основе конечных автоматов с целью снижения вычислительной нагрузки на цифровой сигнальный процессор, таких как модули фазовой компенсации, цифровых фильтров (DF), содержащих высокочастотные фильтры (HPF), устраняющих постоянную составляющую из входных цифровых потоков параметрических сигналов напряжения и тока, базовые фильтры основной частоты (FF) и низкочастотные фильтры (LPF)

остальные монотонные вычисления, не требующие выполнения сложных алгоритмов с переходами такие как вычисление:

а) параметров напряжения (U) - мгновенные и среднеквадратичные (действующие) значения частоты, фазного (линейного) напряжения, симметричных составляющих напряжения, коэффициентов искажения синусоидальности напряжения и n-ной гармонической составляющей напряжения;

б) параметров тока (I) - мгновенные и среднеквадратичные (действующие) значения силы тока, симметричных составляющих силы тока, коэффициентов искажения синусоидальности силы тока и n-ной гармонической составляющей силы тока;

в) параметров углов фазового сдвига (φ) - углы фазового сдвига между напряжением и током основной частоты, между симметричными составляющими напряжений и токов, а также между n-ными гармоническими составляющими напряжения и тока;

г) параметров электрической энергии - мгновенные и среднеквадратичные (действующие) векторные значения активной, реактивной и полной энергии в двух направлениях (прием и отдача), а также энергии потерь;

д) параметров электрической мощности - мгновенные и среднеквадратичные (действующие) векторные значения активной, реактивной и полной мощности в двух направлениях (прием и отдача) активной мощности по обратной и нулевой последовательностям, активной и реактивной мощности n-ных гармонических составляющих; е) параметров качества электрической энергии - мгновенные и среднеквадратичные (действующие) значения отклонения частоты (Δf), отрицательного и положительного отклонения напряжения (δU(-), δU(+)) и тока (δI(-), δΙ(+)), кратковременных и длительных прерываний напряжения (ΔtΠΡ), провалов напряжения и длительность провалов напряжения (ΔtΠ), перенапряжения и длительность перенапряжений (ΔtПН); выполняются внутри цифрового сигнального процессора.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в:

а) повышении точности расчетов потребленной электрической энергии

б) снижении собственного потребления энергии до уровня менее 1 Вт

в) организации внутреннюю (локальную) информационную систему управления HAN (Home Arial Network)

г) защите персональных данных в хранении во внутренней памяти и при передаче данных как по линиям связи ближнего радиуса действия с низким энергопотреблением (WPAN, WLAN, LPWAN) включая, но не ограничиваясь BluetoothLE, ANT, ZigBee, PassiveWi-Fin LoRa, и с заданной типологией беспроводных типовых сетей, по линиям беспроводных технологий связи дальнего радиуса действия (WMAN, WWAN, LPWAN) включая, но не ограничиваясь, LoRa и GSM стандартов GPRS/EDGE/LTE/NBIoT, а также по линиям цифрового коммуникационного интерфейса верхнего уровня включая, но не ограничиваясь Ehternet 10/100/100

д) организации автономного Защищенного питания узлов контроля от несанкционированного доступа

е) введение блока осуществляющего селекцию типов нагрузок у потребителя и подсчет расхода энергии для каждого типа нагрузки

ж) организация возможности определения утечек или хищения на распределительных линиях питания от распределительной подстанции до пользователей путем вычисления падения напряжения на отдельных участках распределительной линии.

Указанный технический результат достигается тем, что:

1) в каналы для измерения тока последовательно с АЦП, представляющее из себя последовательно соединенные дифференциальный операционный усилитель с программируемым коэффициентом усиления, дельта-сигма модулятор, фильтр типа sinc4 введены следующие программируемые цифровые конечные автоматы: фильтр нижних частот с полосой пропускания 0-8 кГц, дециматор 4:1, первый масштабирующий (нормализующий) перемножитель, фильтр верхних частот для исключения постоянной составляющей в сигнале, с возможностью обхода, интегратор для обработки сигнала датчиков типа пояс Роговского с возможностью обхода и корректор фазы, также с возможностью обхода.

2) В счетчике имеется три канала измерения напряжения, имеющие те же узлы, как и каналы для измерения токов, кроме интегратора и датчика пояса Роговского

3) Вычисление среднеквадратичных значений выполняется с помощью программируемых цифровых конечных автоматов, содержащих блок возведения в квадрат, фильтр нижних частот, сумматор с поправочным коэффициентом смещения и блок извлечения квадратного корня

4) Вычисление активной мощности выполняется с помощью программируемого цифрового конечного автомата, содержащего умножитель данных канала тока на данные канала напряжения, с последующей фильтрацией в фильтре нижних частот и сумматор с поправочным коэффициентом канала мощности.

5) Вычисление активной мощности выполняется с помощью программируемого цифрового конечного автомата, содержащего узел сдвига сигнала тока на 90 электрических градусов, умножитель этого значения на сигнал напряжения, умножение на поправочный коэффициент суммирование с поправочным коэффициентом,

6) Также в виде конечных автоматов выполнены следующие узлы:

- Узлы контроля перехода сигналов через «0»,

- узел вычисления cos ϕ.

- программируемые узлы (набор цифровых компараторов) контроля пороговых напряжений, токов и потребляемой мощности.

7) Введен блок быстрого преобразования Фурье, для вычисления гармонических составляющих сигналов с фундаментальной частотой 50 или 60 Гц

8) Введен блок криптозащиты данных и система пассивной защиты памяти программ и оперативной памяти данных

9) В устройство введены: двух диапазонный PLC- модем и два радиомодема

10) Введены три компаратора защиты от вскрытия с автономным питанием

11) В микропроцессор введен блок, позволяющий пользователю, по гистограмме, потребляемой в течении суток мощности, провести селекцию отдельных групп приборов потребления, свет, холодильник, плита и т.д., возможно с помощью подсказок от потребителя, и построить графики по потребления мощности для каждой группы приборов потребления

12) Предусмотрена возможность передачи текущих данных по напряжению и токам потребления без округления с мантиссой не менее24 разрядов, для определения мест утечки электроэнергии по комплексным показаниям всех подключенных к линии распределения счетчиков.

13) Предусмотрена возможность автоматического аварийного отключения

На фигуре 1 изображен интеллектуальный счетчик, в состав которого входят: блок измерения мощности (2), получающий информацию от первичных датчиков тока (3) и датчиков напряжения (4) микроконтроллер (50) и соединенные с ним, блок памяти для хранения результатов измерения (75), блок питания счетчика (65) и часы реального времени (60, 61), содержащие также модуль памяти объемом 512 байт (62), с питанием от автономного источника (63), модемы блок (80), криптомодуль (70), блок индикации (72), блок клавиатуры (73), контакты защиты от вскрытия (71).

Микроконтроллер в свою очередь содержит: арифметическое устройство (51), память программ постоянную (52) и перепрограммируемую (53), оперативную память данных (54) и таймеры общего назначения (55), и узел селекцию отдельных групп приборов потребления (57).

Блок измерения мощности в свою очередь содержит: каналы измерения тока (11, 12, 13, 14) каналы измерения напряжения (15, 16, 17). Через коммутирующую матрицу к каналам измерения подключены: узлы вычисления среднеквадратичных значений напряжений и токов (20-25) узлы вычисления мощности полной, активной и реактивной (30 - 35) набор допусковых компараторов по каждой фазе (узлы порогового контроля) (40, 41, 42), узлы вычисления cos ϕ (43, 44, 45), блок быстрого преобразования Фурье (59).

Состав блока модемов: беспроводной модем ближней связи (81), беспроводной модем дальней связи (82), модем PLC1 (83), модем PLC2 (84), модем Ehternet 10/100/1000 (85), проводной модем (86), ИК модем (87)

На фигуре 2 изображен первый канал измерения тока, содержащий: программируемы дифференциальный операционный усилитель PGA (1), дельта-сигма модулятор ∑ - Δ(2), фильтр с функцией sinc4 (4), фильтр нижних частот LPF (4), дециматор 4:1 (5), перемножитель (6) на поправочный коэффициент AI GAIN (7), фильтр верхних частот HPF (8), корректор фазы PHASE СОМР (9), и два переключателя HLPdis и Phasedis.

На фигуре 3 изображен второй и последующие каналы измерения тока, содержащий: программируемы дифференциальный цифровой интегратор (1), дельта-сигма модулятор ∑ - Δ(2), фильтр с функцией sinc4 (4), фильтр нижних частот LPF (4), дециматор 4:1 (5), перемножитель (6) на поправочный коэффициент AI GAIN (7), фильтр верхних частот HPF (8), корректор фазы PHASE СОМР (9), и три переключателя HLPdis, Int-dis и Phasedis.

На фигуре 4 изображен канал измерения напряжения, содержащий: дельта-сигма модулятор ∑ - Δ(2), фильтр с функцией sinc4 (4), фильтр нижних частот LPF (4), дециматор 4:1 (5), перемножитель (6) на поправочный коэффициент AI GAIN (7), фильтр верхних частот HPF (8), корректор фазы PHASE СОМР (9), и два переключателя HLPdis, и Phasedis.

На фигуре 5 изображен канал вычисления среднеквадратичного значения содержащий: блок возведения в квадрат X² (1), фильтр нижних частот LPF (2), сумматор ∑ (3) с поправочным коэффициентом смещения (4) и блок извлечения квадратного корня SQR (5).

На фигуре 6 изображен узел вычисления активной мощности: содержащий умножитель данных канала тока на данные канала напряжения (1), фильтр нижних частот LPF (2), умножитель (3) на поправочный коээфициент APGAIN (4) и сумматор (5) с поправочным коэффициентом AWATT_OS (6) канала мощности

На фигуре 7 изображен узел вычисления реактивной мощности, содержащий схему сдвига сигнала тока на 90 электрических градусов π/2, умножитель (1) этого значения на сигнал напряжения, фильтр нижних частот LPF (2), умножение (3)на поправочный коэффициент (4) суммирование (5) с поправочным коэффициентом (6)..

Счетчик может работать в качестве прибора учета расхода потребляемой электроэнергии так полностью автономно, так и в составе автоматизированной системы учета коммунальных услуг.

К измеряемой линии электропитания счетчик подключается с помощью датчиков тока (3) к каналам измерения тока (11, 12, 13, 14) и делителей напряжения (44) к каналам измерения напряжения (15, 16, 17) см фиг 1, а основное питание счетчика обеспечивается при этом от встроенного блока питания 65. С целью повышения точности измерения и уменьшения потребляемой мощности, также высокой гибкости в части применения датчиков тока каждый канал измерения тока выполнен в виде программируемого конечного автомата. Это возможно в связи с монотонным (без каких-либо условных переходов) алгоритмом предварительной обработки сигналов по каналам измерения тока.

В счетчике применено два типа каналов измерения тока, первый тип для измерения тока в проводе «нейтрали» второй тип для измерения тока в фазных проводах. Канал первого типа (см. фиг 2) содержит последовательно соединенные программируемый дифференциальный операционный усилитель PGA (1), дельта-сигма модулятор ∑ - Δ(2), фильтр с функцией sinc4 (4), фильтр нижних частот LPF (4), дециматор 4:1 (5), перемножитель (6) на поправочный коэффициент AI GAIN (7), фильтр верхних частот HPF (8), корректор фазы PHASE СОМР (9), и два переключателя HLPdis и Phasedis.. Канал второго типа (см. фиг 3) отличается от первого отсутствием программируемого усилителя на входе и наличием отключаемого интегратора (1) для работы с датчиками тока типа «пояс Роговского».

Каналы измерения напряжения (см. фиг 4) содержат дельта-сигма модулятор ∑ - Δ(2), фильтр с функцией sinc4 (4), фильтр нижних частот LPF (4), дециматор 4:1 (5), перемножитель (6) на поправочный коэффициент AI GAIN (7), фильтр верхних частот HPF (8), корректор фазы PHASE СОМР (9), и два переключателя HLPdis, и Phasedis.

Далее отфильтрованные и нормализованные сигналы с частотой выборки 8kS и полосой до 1200 Гц, поступают на следующие вычислительные блоки, узлы вычисления среднеквадратичных значений напряжений и токов. (5а) (5b) (5с) узлы вычисления мощности полной, активной и реактивной (30-35) набор допусковых компараторов по каждой фазе (узлы порогового контроля) (40, 41, 42), узлы вычисления cos ϕ (43, 44, 45), блок быстрого преобразования Фурье (59).

Структурная схема блока вычисления среднеквадратичного значения показана на фигуре 5, и содержит: умножитель данных канала тока на данные канала напряжения (1), фильтр нижних частот LPF (2), умножитель (3) на поправочный коэффициент (4) и сумматор (5) с поправочным коэффициентом AWATT_OS (6) канала мощности

Структурная схема узла вычисления активной мощности показана на фигуре 6, и содержит умножитель данных канала тока на данные канала напряжения (1), фильтр нижних частот LPF (2), умножитель (3) на поправочный коэффициент (4) и сумматор (5) с поправочным коэффициентом (6) канала мощности

Структурная схема узла вычисления реактивной мощности, показана на фигуре 7, и содержит схему сдвига сигнала тока на 90 электрических градусов π/2, умножитель (1) этого значения на сигнал напряжения, фильтр нижних частот LPF (2), умножение (3) на поправочный коэффициент (4) суммирование (5) с поправочным коэффициентом (6),

Счетчик работает следующим образом (см. фиг 1): сигналы напряжения и тока с датчиков (3) и (4) поступают соответственно на каналы измерения тока (11-14) и напряжения (15-17) в которых дельта - сигма АЦП с частотой 32 кило-выборок осуществляют преобразование входного сигнала в цифровой поток, далее этот поток поступает на фильтры нижних частот в которых отсекаются все помехи с частотами более 2 кГц и в последствии производится децимация 4:1 для снижения скорости цифрового потока. Матисса сигнала на выходе дециматора равна 22 дв. разрядов, далее производится нормализация сигналов и, если соответствующий бит разрешения установлен, фильтром верхних частот убирается постоянная составляющая в сигнале с частотой среза 1,25 Гц. Тем самым полностью исключается ошибка вызванная температурным дрейфом напряжения смещения, что сильно упрощает построение первых каскадов АЦП. В каналах фазовых токов, по необходимости, включается цифровой интегратор с компенсацией постоянной составляющей вызванной систематической ошибкой округления результата для обеспечения возможности подключения датчика тока типа «пояс Роговского». Далее на выходе каждого блока производиться технологическая коррекция фазы обрабатываемых сигналов, полностью исключающая погрешности изготовления первичных датчиков тока и напряжения. На этом предварительная обработка сигналов по каналам токов и напряжения закончена. Результат появляется на выходе каждого канала с частотой 4 кГц в виде 28 разрядных чисел.

Коммутационная матрица позволяет соединить выходы каналов предварительной обработки токов и напряжений с последующими автоматами, выполняющими повторяющиеся однородные операции, такие как: вычисление среднеквадратичных значений токов и напряжений (20-25), вычисление активной полной и реактивной мощностей по каждой фазе (30-35) вычисление значений cos ϕ (43-45), также шины сигналов поступают на блоки программируемых допусковых компараторов, настроенных на контроль входных напряжений потребляемых токов и потребляемых мощностей, здесь же находится аппаратный блок вычисления входной частоты и блок быстрого преобразования Фурье (99) для оценки уровня гармонических составляющих потребляемого тока.

В результате всех вычислений поток данных может быть снижен до уровня 100-120 Гц. Причем накопление потребленной электроэнергии производится регистрах автомата вычисления активной энергии. Данные поступаю в микроконтроллер с частотой прерываний, задаваемых одним из таймеров (55) и используются в различных вычислительных алгоритмах определения параметров потребляемой энергии. Для этого в процессоре имеется: арифметическое устройство (51), память программ постоянную (52) и перепрограммируемую (53), оперативную память данных (54) и таймеры общего назначения (55), а также для хранение полученных результатов к микропроцессору присоединены: блок памяти для хранения результатов измерения (75), блок питания счетчика (65) и часы реального времени (61), содержащие также модуль памяти объемом 512 байт (62), с питанием от автономного источника (63). Результаты измерений периодически, в соответствии с алгоритмом определения потребленной электроэнергии записываются во внешнюю энергонезависимую память, также в эту память в область событий, связанных с отклонениями поставки и потребления от договорных обязательств, записываются произошедшие события и время их появления, а также время восстановления нормального режима потребления. И в случае пропадания питания, по сигналу контроля входной частоты наиболее значимые текущие данные записываются в память с автономным питанием.

В случае если пользователь или уполномоченный представитель проверяющей организации пожелают ознакомиться с данным по измерению потребляемой электроэнергии или с иными данными отображаемыми на встроенном дисплее счетчика (72), то он сможет это сделать с помощью клавиатуры (73).

Возможно чтение данных через встроенный ИК канал связи (87), при чем в большем объеме, чем со встроенного индикатора. С целью выполнения требований по защите персональных данных информация может быть считана только при наличии разрешения, путем предъявления пароля с проверкой доступа. Данные в этом канале кодируются с помощью криптомодуля (70),

В случае несанкционированного вскрытия корпуса счетчика срабатывают контакты защиты от вскрытия (71), и производиться соответствующая запись в модуль памяти (75) и защищенную область памяти (62).

В счетчике имеется возможность собирать информацию с близко расположенных счетчиков учета иных коммунальных услуг, таких как расход горячей и холодной воды, с помощью встроенных модемов беспроводной модем ближней связи (81) и модема PLC2 (84), при условии, что эти приборы оборудованы модемами с аналогичными функциями и имеют встроенное программное обеспечения позволяющее им передавать информацию в домашнюю локальную информационную сеть HAN (home areal network). Также если в домашней сети имеются датчики анализа воздушной среды или датчики защиты помещений или иные датчики позволяющее им передавать информацию в домашнюю локальную информационную сеть HAN (home areal network), то они также передают свою информацию в счетчик, который в этот момент является концентратором информационных потоков в локальной информационной сети HAN.

В случае, если счетчик является узлом (абонентом) выше стоящий автоматизированной системы сбора и учета коммунальных услуг, то он может передавать и принимать информацию из этой системы с помощью встроенных модемов беспроводной модем дальней связи (82), модема PLC1 (83), модем PLC2 (84), модема Ehternet 10/100/1000 (25) и/или проводной модем (26). Все информация при этом защищается с помощью криптомодуля (70).

В счетчике также имеется возможность, на основе анализа потребляемой в течении суток мощности, провести селекцию отдельных групп приборов потребления, свет, холодильник, плита и т.д., возможно с помощью подсказок от потребителя, и построить графики по потребления мощности для каждой группы приборов потребления.

Учитываю высокую точность предварительной обработки сигналов потребляемого тока и входного напряжения и возможность оперативной передачи этой информации в автоматизированную систему сбора данных о потреблении энергоресурсов с указанием времени измерения, в составе вычислительного сервера системы появляется возможность, путем анализа показаний индивидуальных приборов учета, а также и общедомовых приборов определить:

1) Факт несанкционированного отбора поставляемой электроэнергии (хищения), график времени этого отбора и иные доступные параметры этого явления

2) Путем вычисления падения напряжения на проводах распределительной линии питания вычислить участок линии на котором происходит несанкционированный отбор поставляемой электроэнергии

Также в счетчик предусмотрена возможность веерного отключения всех или отдельных потребителей электроэнергии, в случае возникновения чрезвычайных ситуаций (пожар, утечка газа и т.п.).

Предлагаемый интеллектуальный счетчик электрической энергии статический может быть осуществлен с использованием имеющейся элементной базы интегральных микросхем, микроконтроллеров и микропроцессоров, средств и каналов двунаправленных (синхронных) беспроводных технологий связи, существующего оборудования и известных материалов, а также с целью уменьшения габаритов и стоимости отдельные функциональные узлы счетчика, на современном технологическом уровне, могут быть реализованы в виде системы на кристалле (SoC).

При этом, в связи с уменьшением коммутационных помех, возрастет точность учета электроэнергии, особенно при малых уровнях ее потребления, а также появляется возможность дополнительной технологической защиты конечного изделия от несанкционированного доступа.

Предлагаемый интеллектуальный счетчик электрической энергии позволяет осуществить контроль качества поставляемой и потребляемой электроэнергии на соответствие требования ГОСТов.

Литература

1. Патент РФ «Способ учета электрической энергии и устройство для его осуществления», №RU 2503016 С1, МПК G01R 22/00, от 04.06.2012.

2. Патент РФ «Счетчик электрической энергии», №RU 2298192 С1, МПК G01R 11/00, от 25.10.2005.

3. Патент РФ «Интеллектуальный счетчик электрической энергии статический», №RU 2695451 С1, МПК G01R 22/00, от 14.09.2018.

1. Счетчик электрической энергии, содержащий микропроцессор, имеющий в своем составе арифметическое устройство, память программ постоянную и перепрограммируемую, оперативную память данных и таймеры-счетчики общего назначения, соединенные с микропроцессором, блок измерения мощности, блок памяти для хранения результатов измерения, блок питания счетчика и часы реального времени, содержащие также модуль памяти объемом 512 байт с питанием от автономного источника, отличающийся тем, что блок измерения мощности содержит:

первый канал измерения тока, в котором последовательно с АЦП, представляющим из себя последовательно соединенные дифференциальный операционный усилитель с программируемым коэффициентом усиления, дельта-сигма-модулятор, фильтр типа sinc4, введены фильтр нижних частот с полосой пропускания 0-8 кГц, дециматор 4:1, корректор коэффициента передачи на основе перемножителя, в котором вторым сомножителем является поправочный коэффициент передачи, фильтр верхних частот с коммутатором его обхода и корректор фазы сигнала,

второй и последующие каналы измерения тока, в котором последовательно с АЦП, представляющим из себя последовательно соединенные дельта-сигма-модулятор, фильтр типа sinc4, введены фильтр нижних частот с полосой пропускания 0-8 кГц, дециматор 4:1, корректор коэффициента передачи на основе перемножителя, в котором вторым сомножителем является поправочный коэффициент передачи, фильтр верхних частот с коммутатором его обхода и корректор фазы сигнала, интегратор между фильтром верхних частот и корректором фазы сигнала,

канал измерения напряжения, в котором последовательно с АЦП введены фильтр нижних частот с полосой пропускания 0-8 кГц, дециматор 4:1, корректор коэффициента передачи на основе перемножителя, в котором вторым сомножителем является поправочный коэффициент передачи, фильтр верхних частот,

два канала вычисления среднеквадратичного значения, содержащих последовательно соединенные блок возведения в квадрат, фильтр нижних частот, сумматор с поправочным коэффициентом смещения и блок извлечения квадратного корня,

узел вычисления активной мощности, содержащий последовательно соединенные умножитель данных канала тока на данные канала напряжения, фильтр нижних частот и сумматор с поправочным коэффициентом канала мощности,

узел вычисления реактивной мощности, содержащий последовательно соединенные узел сдвига сигнала тока на 90 электрических градусов, умножитель, осуществляющий умножение этого значения на сигнал напряжения и умножение на поправочный коэффициент,

три узла контроля перехода сигналов через «арифметический 0»,

причем на выходе каналов измерения тока и напряжения находится узел вычисления коэффициента мощности (cos ϕ).

2. Счетчик электрической энергии по п. 1, отличающийся тем, что в него на выходе каналов измерения тока дополнительно введен узел порогового контроля входного напряжения.

3. Счетчик электрической энергии по п. 2, отличающийся тем, что в него на выходе узла порогового контроля входного напряжения установлено бистабильное реле отключения входной сети.

4. Счетчик электрической энергии по п. 1, отличающийся тем, что в него на выходе каналов измерения тока дополнительно введен узел накопления значений тока с 50-кратной частотой отчета относительно частоты питающей сети и узел для вычисления значений гармоник тока потребления методом быстрого преобразования Фурье на интервале, кратном 1 с.

5. Счетчик электрической энергии по п. 1, отличающийся тем, что в него на выходе каналов измерения тока дополнительно введен узел порогового контроля входного тока, а также бистабильное реле отключения входной сети.

6. Счетчик электрической энергии по п. 4, отличающийся тем, что в него на выходе каналов измерения тока дополнительно введен узел допускового контроля тока потребления.

7. Счетчик электрической энергии по п. 1, отличающийся тем, что на выходе узла вычисления мощности (cos ϕ) и в случае отклонения его значения ниже уровня, указанного в токе потребления заданного порога, происходит фиксация этого события в фискальной памяти.

8. Счетчик электрической энергии по п. 1, отличающийся тем, что в состав дополнительно введен модем PLC (Power Line Communication).

9. Счетчик электрической энергии по п. 8, отличающийся тем, что в состав дополнительно введен модем радиоканала.

10. Счетчик электрической энергии по п. 8, отличающийся тем, что в состав дополнительно введен криптомодуль.

11. Счетчик электрической энергии по п. 8, отличающийся тем, что в состав счетчика по силовым линиям введен фильтр-пробка с частотой заграждения в районе 200-300 кГц, а модем имеет второй канал, позволяющий передавать и принимать данные во внутреннюю домовую силовую сеть - PHAN - Poweer Plome Freal Network в этом диапазоне.

12. Счетчик электрической энергии по п. 8, отличающийся тем, что введен модем радиоканала второго канала, позволяющий передавать и принимать данные во внутреннюю сеть HAN (Ноте Areal Network) и позволяющий собирать данные с иных счетчиков коммунальных услуг, находящихся в радиусе до 30-100 м.

13. Счетчик электрической энергии по п. 1, отличающийся тем, что в состав блока с автономным питанием введены три пороговых элемента, позволяющих зафиксировать факт и время несанкционированного нарушения электронных пломб, интегрированных в конструкцию счетчика.

14. Счетчик электрической энергии по п. 10, отличающийся тем, что прием-передача всех информационных пакетов, команд управления, оперативных и архивных данных и информации, хранящихся в энергонезависимой области памяти, с использованием модемов по п. 8 или 9 осуществляется в защищенном виде с использованием криптомодуля по п. 10 на концентратор, осуществляющий инкапсуляцию данных в формат двунаправленных цифровых каналов технологий связи и открытых стандартизированных протоколов информационного обмена во внешний информационно-вычислительный комплекс.