Общее устройство и принцип действия цифровых счетчиков электрической энергии

Стремительное развитие микроэлектроники наметило качественный переворот в области создания промышленных и бытовых систем контроля, который, в первую очередь, связан с использованием встраиваемых систем управления на базе микроконтроллеров. Тенденция к подобному переходу обусловлена, с одной стороны, постоянным снижением цен на микроконтроллеры и расширением их ассортимента, и с другой, теми преимуществами, которыми цифровые системы управления обладают по сравнению с их существующими аналогами. Применительно к счетчикам электроэнергии (СЭ), очевидные преимущества, связанные с переходом на микроконтроллерное управление, можно обобщить следующим образом:

– в цифровых СЭ достижим практически любой класс точности, при условии выбора соответствующей элементной базы и алгоритмов обработки информации. Значительно повышает надежность устройства отсутствие трущихся механических частей;

– обработка информации в цифровом виде позволяет одновременно определять как активную, так и реактивную составляющие мощности, что является важным, например, при учете распределения энергии в трехфазных сетях;

– появляется возможность создания многотарифных счетчиков. При работе такого СЭ значение накопленной энергии записывается в накопительный буфер текущего тарифа. Выбор текущего тарифа осуществляется автоматически.

В цифровых СЭ несложно организовать внешний интерфейс, по которому можно считывать показания счетчиков, изменять тарифы, производить диагностику и управление. Такие счетчики могут быть организованы в единую сеть с централизованным доступом. Например, все СЭ в жилом доме объединяются по внешнему интерфейсу и через модем выходят на телефонную линию. Таким образом, связываясь по телефонной сети, можно программировать или считывать информацию с любого СЭ в доме.

Цифровой СЭ может осуществлять статистические исследования, например, вычислять среднюю мощность нагрузки и ее дисперсию, а также хранить информацию о накопленной энергии за произвольные промежутки времени. Например, в бытовом СЭ можно реализовать сохранение накопленной информации за год по каждому из предшествующих 11 месяцев и сделать просмотр этой информации доступным для пользователя.

Использование накопленной статистической информации для прогнозирования и управления распределением энергоресурсов может в значительной степени повысить эффективность работы энергосистемы в целом.

Применение цифровой базы делает возможным создание автоматизированной изолированной системы потребления, учета, распределения энергии и платежей. В такой системе может быть, например, предусмотрена предварительная оплата электроэнергии. Пользователь, в этом случае, заранее оплачивает определенное количество энергии. Информация об оплате либо непосредственно поступает на счетчик по внешнему интерфейсу, либо может быть записана на специальную электронную карточку, индивидуальную для каждого пользователя. Карточка программируется в пункте оплаты, после чего записанная информация считывается СЭ с помощью встроенного картридера. Если лимит купленной энергии будет исчерпан, а новая оплата не внесена, счетчик отключает пользователя от энергосети. Таким образом, в подобной системе исключается задолженность платежей за электроэнергию.

Цифровые СЭ могут выполняться в различных конструктивных исполнениях. Масса и объем цифровых СЭ значительно меньше электромеханических. Применение цифровых дисплеев позволяет значительно повысить удобство представления информации для пользователя.

Расчет энергии, потребленной за определенный промежуток времени любой нагрузкой, требует интегрирования текущих значений активных мощностей в течение всего времени измерения. В электромеханических СЭ это осуществляется механическим счетчиком. В цифровых СЭ необходимо реализовать постоянное суммирование вычисленной величины активной мощности за определенный промежуток времени. В общем случае, значение потребленной энергии выражается формулой:

 

 

где – значение мгновенной мощности в момент времени t; T – интервал времени измерения. При синусоидальных формах тока и напряжения в сети

 

,

 

где и – мгновенные значения, соответственно, напряжения и тока в сети; и – амплитудные значения напряжения и тока; и I – действующие значения напряжения и тока; – угол сдвига фаз между током и напряжением. Интегрирование по периоду дает значение активной потребляемой мощности , где S – полная мощность потребления в ваттах. Реактивная мощность определяется следующим выражением:

 

(ВАр) .

 

Для вычисления любых мощностей (P, Q, S) в цифровых счетчиках необходимо измерять любых два значения из четырех величин P, Q, S, φ. Это принципиально невозможно реализовать в электромеханических СЭ из-за их конструктивных возможностей.

На рис. 7.1…7.3 приведены типовые структурные схемы цифровых СЭ, позволяющих реализовать необходимые измерения.

На рис. 7.1 приведена структурная схема цифрового счетчика ватт-часов активной энергии типа СЭБ-2А.

 

Рис. 7.1. Структурная схема цифрового счетчика ватт-часов

активной энергии типа СЭБ-2А

 

Микропроцессор осуществляет все необходимые измерения, цифровую обработку и преобразования с помощью измерения мгновенных значений тока и напряжения в дискретные промежутки времени. Дискретизированные значения тока и напряжения в цепи, снимаемые с соответствующих датчиков, подаются на входы микропроцессора, обрабатываются для получения параметров P, Q, S, φ. Мощность определяется как

 

,

 

где N – количество отсчетов в одном периоде измеряемого сигнала; – частота дискретизации; – частота сети.

Точность измерения растет с увеличением частоты дискретизации, что, в свою очередь, ведет к усложнению программного обеспечения, поскольку обработка производится в реальном времени.

Технические характеристики счетчика СЭБ-2А:

– номинальное/максимальное значение силы тока – 5/50 А;

– номинальное значение напряжения – 220 В;

– установленный диапазон рабочих напряжений – от 0,9 до 1,1 U_ном;

– счетчик имеет импульсный (телеметрический) выход основного передающего устройства;

– постоянная счетчика:

· в режиме телеметрии (А) – 500 имп./кВт·ч;

· в режиме поверки (В) – 10000 имп./кВт·ч;

– чувствительность счетчика – 2,75 Вт для класса точности 1 и 5,5 Вт для класса точности 2;

– счетчик начинает нормально функционировать не позднее 5 с после приложения напряжения;

– импульсный выход счетчика при отсутствии тока в последовательной цепи и значения напряжения 253 В не создает более одного импульса;

– погрешность измерения активной энергии соответствует классу точности 1 или 2;

– в качестве датчика тока в счетчике используется токовый трансформатор;

– в качестве датчика напряжения в счетчике используется резистивный делитель.

Принцип работы счетчика. Сигналы с датчиков тока и напряжения поступают на входы АЦП микропроцессора и преобразуются в коды. Микропроцессор, перемножая цифровые коды, получает величину, пропорциональную мощности. Интегрирование мощности во времени дает информацию о величине энергии.

Микропроцессор управляет всеми узлами счетчика и реализует измерительные алгоритмы в соответствии со специализированной программой; периодически определяет тарифную зону, формирует импульсы телеметрии, ведет учет электроэнергии, времени и календаря; обрабатывает поступившие команды по интерфейсу и, при необходимости, формирует ответ.

Кроме данных об учтенной электроэнергии в памяти счетчика хранятся калибровочные коэффициенты, тарифное расписание, серийный номер, версия программного обеспечения счетчика. Калибровочные коэффициенты заносятся в память на предприятии-изготовителе. При отсутствии напряжения питания процессор переходит на питание от литиевой батареи с напряжением 3 В и емкостью 120 мА·ч. Процессор синхронизирован кварцевым резонатором, работающем на частоте 32,768 кГц. Блок питания вырабатывает два гальванически изолированных напряжения для питания микропроцессора и цепей интерфейса.

Упростить алгоритм обработки информации и снизить затраты на комплектацию позволяет структурная схема, представленная на рис. 7.2.

 

Рис. 7.2. Структурная схема счетчика ватт-часов активной энергии

переменного тока Меркурий-200»

 

В этой структуре микроконтроллер (МК) выполняет функцию счетчика импульсов, пропорциональную активной мощности, вывод информации на дисплей и ряд специальных функций (изменение тарифов, сохранение информации в аварийных режимах, вывод служебной информации на внешние устройства и пр.). По мере накопления импульсов, соответствующих ватт-часам, значение накопленной энергии выводится на дисплей и записывается во FLASH-память. Если произойдет сбой, временное исчезновение напряжения сети, информация о накопленной энергии сохраняется во FLASH-памяти. После восстановления питающего напряжения эта информация считывается микроконтроллером, выводится на индикатор и счет продолжается с этой величины.

В случае реализации многотарифного СЭ, устройство должно обеспечивать обмен информацией с внешними устройствами по последовательному интерфейсу. Он может использоваться для задания тарифов, инициализации и коррекции таймера реального времени, получения информации о накопленных значениях энергии и т. д. Кроме того, интерфейс может обеспечивать подключение группы распределенных в пространстве СЭ в сеть с возможностью доступа к каждому из них. Структурная схема такого устройства представлена на рис. 7.3.

 

Рис. 7.3. Структурная схема многотарифного счетчика

 

Алгоритм работы структуры следующий. Память энергонезависимого ОЗУ разбита на 13 банков, в каждом из которых хранится информация о накопленной энергии по четырем тарифам: общем, льготном, пиковом и штрафном. В первом банке накопления производятся с момента начала эксплуатации счетчика, следующие 12 банков соответствуют накоплениям за 11 предыдущих и за текущий месяц. Накопления за текущий месяц записываются в соответствующий банк, и таким образом имеется возможность определить, сколько было накоплено энергии за любой из 11 предшествующих месяцев. Перед началом эксплуатации счетчика на заводе-изготовителе обнуляют содержимое банков памяти, т.е. накопление начинается с нулевых значений.

Переключение тарифов осуществляется по временным критериям: для каждого дня недели определяется свое тарифное расписание, т.е. времена начала основного и льготного тарифов и от нуля до трех интервалов времени для пикового тарифа. До 16 произвольных дней в году могут быть определены как праздничные, в эти дни работает тарифное расписание для воскресенья.

В счетчике может быть установлен режим ограничения по мощности и по количеству израсходованной энергии за месяц. В этом режиме счетчик фиксирует количество энергии, израсходованной сверх лимита. При превышении установленного лимита энергии производится либо переход на накопление по штрафному тарифу, либо отключение пользователя от энергосети. Штрафной тариф также может быть установлен принудительно (по интерфейсу связи) в случае, например, задолженности по оплате.

Каждый раз при включении счетчика в сеть (после очередного пропадания напряжения) фиксируется время и дата этого момента для возможности последующего контроля. Также предусмотрена запись времени и даты несанкционированного снятия крышки устройства.

Через специальный разъем к счетчику можно подключить картридер для считывания информации с индивидуальной электронной карточки о количестве энергии, оплаченной потребителем.

Программирование счетчика осуществляется через интерфейс RS-485 посредством фиксированной системы команд. Команды делятся на следующие виды: индивидуальные (для взаимодействия с конкретным счетчиком) и общие (для программирования всех подключенных к интерфейсу счетчиков). Существуют команды для установки даты, времени, временных рамок тарифов, лимитов мощности, программированных праздничных дней, считывания информации из банков накопителей потребленной энергии и т.д. Предусмотрен ряд команд по тестированию и калибровке счетчика. Для индивидуального доступа каждый счетчик имеет адрес и пароль, который программируются по интерфейсу. Применение общих команд также осуществляется через программируемый пароль. Интерфейс RS-485 требует всего два провода (витую пару) для обмена информацией. Причем драйверы интерфейса позволяют подключить на одну витую пару до 256 счетчиков. Это позволяет объединить в единую сеть все счетчики, например, в одном подъезде жилого дома, и централизовано считывать из них информацию или программировать их. Обмен по интерфейсу может производиться на одной из 8 фиксированных скоростей: 75, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 бод; для выбора скорости обмена служит специальная команда.

Наличие режима нескольких тарифов позволяет выводить на индикацию дополнительную информацию о количестве потребления энергии по различным тарифам. Индикатор такого счетчика может быть достаточно сложен. Значение количества потребленной энергии выводится на восемь нижних разрядов (максимальное значение 99999.999 кВт·ч). Информация периодически изменяется, последовательно показывая содержимое накоплений по каждому из тарифов и сумму этих накоплений. Вначале эти данные выводятся за текущий месяц и затем с момента эксплуатации счетчика. Синхронно на символьном поле индикатора высвечивается знак того тарифа, к которому относятся текущие показания восьмиразрядного индикатора («0» – основной, «л» – льготный, «п» - пиковый, «ш» – штрафной, «+» – суммарный). На правом поле индикатора отображается текущая дата, день недели и сезонное время («летнее/зимнее»). Текущий тариф, по которому производятся накопления, отображается на тарифной зоне ЖКИ. При превышении установленных ограничений по мощности или по количеству потребленной за месяц энергии высвечивается, соответственно, «лимит мощности» или «лимит энергии».

Просмотр информации по предыдущим 11 месяцам производится при нажатии специально предусмотренной кнопки на корпусе счетчика. При каждом нажатии последовательно выводится информация о каждом тарифе соответствующего месяца, после чего происходит переход на предыдущий месяц, и процесс повторяется. Номер просматриваемого месяца и год отображаются на индикаторе даты. Если нажатия кнопки не происходит несколько секунд, счетчик возвращается в нормальный режим работы. При подключении картридера эта кнопка позволяет просмотреть количество энергии по каждому тарифу, имеющемуся в распоряжении у пользователя.

Электронные счетчики доказали свою эффективность при построении на их базе автоматизированных систем учета. Дальнейшее развитие электронных бытовых счетчиков и АСКУЭ можно прогнозировать в следующих направлениях:

- создание счетчиков с повышенной защитой от хищений, вплоть до отключения при обнаружении нештатных подсоединений;

- создание счетчиков с ограничением потребления в случае превышения заявленной мощности и других нарушений договорных обязательств;

- создание счетчиков, выполняющих функцию концентратора информации о потреблении других энергоносителей;

- создание АСКУЭ с использованием современных средств беспроводной связи;

- создание интегрированных автоматизированных систем учета энергоносителей бытовых потребителей (холодной и горячей воды, газа, тепла и электроэнергии).