Счетчик электрической энергии

Счетчик электрической энергии

Реферат

Изобретение относится к электронно-измерительной технике, в частности к устройствам учета и контроля потребления электрической энергии в однофазных цепях переменного тока, преимущественно в бытовом секторе.

Уровень техники

Известен цифровой счетчик электроэнергии «Альфа» (AlR-AL) (см. описание к патенту №2131611), включающий датчики тока и напряжения, коммутатор сигналов упомянутых датчиков, аналого-цифровой преобразователь, цифровой однопроцессорный вычислитель, связанные с ним ПЗУ и энергонезависимое ОЗУ, и блок питания счетчика, орган ручного управления счетчиком и телеметрический приемопередатчик. К достоинствам указанного счетчика, выполненного на базе микропроцессора, можно отнести высокую точность подсчета расходуемой электроэнергии, возможность сохранения данных при отключении питания, возможность автоматизированного сбора данных. К недостаткам счетчика можно отнести отсутствие отключающего устройства, позволяющего ограничивать потребляемую мощность, а также отключать потребителя от сети в случаях аварийных ситуаций.

До настоящего времени для защиты потребителя электрической энергии в случаях перегрузок или других аварийных ситуаций в основном применяются защитные устройства, устанавливаемые дополнительно к электрическому счетчику, например пробки с плавкими вставками, тепловые реле, автоматы, размыкающие электрическую сеть при резком увеличении нагрузки. Повторное включение автоматов или замену пробок необходимо производить вручную. Кроме того, указанные устройства подвержены несанкционированному постороннему вмешательству со стороны человека, что снижает безопасность использования электрической энергии.

Известен электронный счетчик электрической энергии (см. патент №2050550, МПК: G01R 11/00, опубл. 1995.12.20), в котором предусмотрено защитное отключение потребителя от сети при перегрузках и коротких замыканиях за счет включения в состав счетчика наряду с измерительным блоком двух пороговых элементов, блока выдержки времени, элемента ИЛИ и автоматического выключателя. Однако счетчик не позволяет производить оперативное отключение потребителя от сети или ограничивать потребление электроэнергии в случаях неоплаты услуг электроснабжения.

Наиболее близким по наличию конструктивных признаков к заявляемому решением является счетчик электрической энергии (см. патент №2098835, МПК: G01R 11/00, опубл. 1997.12.10), содержащий микропроцессор, блок измерения потребляемой мощности, включающий датчики тока и напряжения, соединенные с перемножителем-преобразователем, выход которого подключен к микропроцессору, связанному с блоком памяти, и вакуумный выключатель с управляющим приводом, соединенным с микропроцессором, отключающий нагрузку потребителя от сети. Счетчик позволяет отслеживать платежи за электроэнергию посредством сравнения с данными по оплате, занесенными в память, и производить оперативное ограничение потребляемой мощности при задолженностях и неуплате. Недостатком счетчика является отсутствие контроля состояния цепи нагрузки и возможности ее защитного отключения при выявленных неполадках.

Итак, в уровне техники не было обнаружено счетчика электрической энергии, обеспечивающего, с одной стороны, оперативный учет и контроль потребляемой энергии и возможность отключения потребителя от сети в случае задолженности и, с другой стороны, обеспечивающего безопасность потребителя при использовании электричества и защиту его электрооборудования при кратковременных отключениях напряжения сети.

Раскрытие изобретения

Задачей заявляемого изобретения является разработка счетчика электрической энергии, решающего вышеназванные проблемы и характеризующегося повышенной надежностью и защищенностью.

Поставленная задача решена за счет того, что счетчик электрической энергии, 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, согласно заявляемому изобретению 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.

В отличие от прототипа в заявляемом счетчике введены новые блоки и узлы: набор программируемых таймеров, часы реального времени, узел контроля уровня напряжения и блок защиты.

Заявляемая совокупность существенных признаков является новой неизвестной из уровня техники и позволяет получить новый технический результат, а именно совмещение в одном устройстве функций учета и контроля использования электрической энергии с функциями защиты счетчика и нагрузки потребителя в процессе использования электроэнергии, в том числе возможность защиты моторного оборудования потребителя от перегорания при кратковременных отключениях напряжения сети.

Кроме того, счетчик характеризуется высокой степенью защищенности от внешних воздействий и постороннего вмешательства, что также повышает надежность его работы.

Предпочтительным является включение в состав счетчика модема для обеспечения двусторонней связи счетчика с внешним управляющим устройством. Связь может быть осуществлена по линии электроснабжения. С этой целью модем подключают с одной стороны к микропроцессору, а с другой - к линии электроснабжения.

Узел контроля уровня напряжения предназначен для осуществления постоянного контроля величины напряжения на входе микропроцессора и предупреждения последнего о достижении упомянутым напряжением какой-либо установленной пороговой величины. Узел может быть реализован в виде многоуровневого порогового элемента.

Блок защиты предназначен для отслеживания состояния сети потребителя, осуществляемого путем контроля сигнала разности токов в подводящем и отводящем проводах электроснабжения, при этом результаты отслеживания передаются на микропроцессор, который анализирует информацию в соответствии с заложенной программой и принимает в случае необходимости решение об отключении нагрузки потребителя от сети. В конкретном случае реализации блока первичный преобразователь сигнала разности токов в подводящем и отводящем проводах электроснабжения выполнен в виде дифференциального трансформатора (ДТр), первичные обмотки которого включены в сеть, а устройство управления защитным отключением включает чувствительный элемент, вход которого связан с вторичными обмотками дифференциального трансформатора, и функциональный преобразователь сигнала, снимаемого с чувствительного элемента, связанный с микропроцессором.

Блок измерения мощности в частном случае реализации может содержать датчик тока, датчик напряжения и перемножитель-преобразователь снимаемых с упомянутых датчиков сигналов, выход которого подключен к микропроцессору.

Привод устройства отключения может быть реализован в виде двух модулей: модуля включения и модуля отключения, выполненных по принципу «защелки», что позволяет решить проблему удержания контактов без потребления электроэнергии. В качестве автономного источника питания часов реального времени обычно используют гальванический элемент. Целесообразно в схему подключения часов реального времени (ЧРВ) включить узел контроля работоспособности гальванического элемента, устанавливаемый на выходе последнего и связанный с микропроцессором. Это позволит обеспечить защиту ЧРВ от возможных сбоев при снижении работоспособности гальванического элемента и своевременное предупреждение о необходимости его замены, что повышает надежность работы счетчика в целом.

В конкретном случае реализации предпочтительно оснастить счетчик дисплеем, подключенным к микропроцессору, что позволит наглядно представлять информацию о состоянии счетчика, неполадках и проч.

Краткое описание чертежей

На чертеже представлена структурная схема счетчика электрической энергии, на которой изображены следующие узлы и блоки:

1 - микропроцессор;

2 - блок измерения мощности;

3 - блок памяти;

4 - часы реального времени;

5 - гальванический элемент;

6 - набор программируемых таймеров;

7 - многоуровневый пороговый элемент;

8 - блок защиты;

9 - блок питания счетчика;

10 - устройство отключения (далее ключ);

11 - привод устройства отключения;

12 - датчик напряжения;

13 - датчик тока;

14 - перемножитель-преобразователь;

15 - дифференциальный трансформатор

16 - устройство управления защитным отключением;

17 - чувствительный элемент;

18 - функциональный преобразователь;

19 - модем;

20 - дисплей;

21 - узел контроля работоспособности гальванического элемента;

22 - модуль включения;

23 - модуль отключения;

24 - цепь нагрузки;

Осуществление изобретения

Счетчик электрической энергии содержит микропроцессор 1 и связанные с ним блок 2 измерения мощности, блок 3 памяти, часы 4 реального времени с питанием от гальванического элемента 5, набор программируемых таймеров 6, узел контроля уровня напряжения, выполненный в виде многоуровневого порогового элемента 7, блок 8 защиты, блок 9 питания счетчика и устройство 10 отключения с приводом 11. Устройство 10 предназначено для отключения цепи нагрузки потребителя от сети и может быть реализовано любым известным из уровня техники способом. Поэтому далее будем именовать его - ключ 10.

Блок 2 измерения потребляемой мощности включает датчик 12 напряжения и датчик 13 тока, выходы которых соединены с входами перемножителя-преобразователя 14, выход которого подключен к микропроцессору 1. Перемножитель-преобразователь 14 представляет собой электронный преобразователь, выполненный на базе полупроводникового устройства, предназначенный для перемножения двух аналоговых входных величин u(t) и i(t), их модуляции и т.д.

Блок 8 защиты включает дифференциальный трансформатор 15, являющийся первичным преобразователем сигнала разности токов в подводящем и отводящем проводах электроснабжения, и устройство управления защитным отключением 16, включающее чувствительный элемент 17 и функциональный преобразователь 18. Первичные обмотки ДТр 15 включены в сеть, а вторичные подключены к входу чувствительного элемента 17. Выход последнего соединен с входом функционального преобразователя 18, связанного с микропроцессором 1.

Счетчик также содержит включенный между линией электроснабжения и микропроцессором 1 модем 19, дисплей 20 для наглядного отражения информации, подключенный к выходу микропроцессора 1, и узел 21 контроля работоспособности гальванического элемента 5.

Привод 11 ключа 10 связан с микропроцессором 1 и включает два модуля: модуль включения 22 и модуль отключения 23, что позволяет осуществлять как отключение нагрузки потребителя от сети электроснабжения, так и подключение ее к сети. Модули 22 и 23 выполнены по принципу «защелки».

Микропроцессор 1 с набором программируемых таймеров 6 может быть реализован на микросхемах серии АТ89 фирмы «ATMEL» (см. сайт www.atmel.com), блок 3 памяти - на микросхемах АТ24 этой же фирмы. Возможности микропроцессора позволяют осуществлять как функции счетного устройства, так и функции согласования и управления работой всех узлов и блоков схемы. Выполнение указанных функций обеспечивается как аппаратным выполнением микропроцессора 1, так и программой, записанной в его ППЗУ. Возможности микропроцессора позволяют также записывать в его память необходимые для решения поставленных задач контрольные параметры, пороговые величины, которые могут извлекаться из памяти процессором для осуществления с ними различных операций.

Остальные узлы и блоки могут быть реализованы на следующих промышленно выпускаемых серийных элементах: часы 4 реального времени - на микросхемах серии DS13XX фирмы «Dallas Semiconductors» (см. сайт www.dbserv.maxim-ic.com); чувствительный элемент 17 и функциональный преобразователь 18 могут быть выполнены на микросхемах серии ANX2X фирмы «Anadigm» (см. сайт www.anadigm.com): блок 9 питания счетчика - на микросхемах серии ТОР2ХХ фирмы «Power Integrations» (см. сайт www.powerint.com), устройство 10 отключения и его привод 11 в виде реле с защелкой типа WJ3XX фирмы «Wanjia relay» (см. сайт www.wanjiarelay.com). Перемножитель-преобразователь 14 может быть реализован на микросхемах серии ADE77XX фирмы «Analog Devices» (см. сайт www.analog.com), на микросхемах ADM6XX этой же фирмы реализованы узел 7 контроля уровня напряжения и узел 21 контроля работоспособности гальванического элемента 5. В качестве датчика 13 тока и датчика 12 напряжения могут быть применены любые известные. Модем 19 был реализован на микросхемах серии 1446 фирмы «Ангстрем» (см. сайт www.angstrem.ru) и установлен дисплей 20 фирмы «МЭЛТ» (см. сайт www.melt.com.ru).

Счетчик работает следующим образом.

В нормальном рабочем состоянии ключ 10 включен и нагрузка 24 подключена к питающей электрической сети. Датчик напряжения 12 измеряет напряжение электрической сети, а датчик тока 13 определяет величину тока. Сигналы с датчиков подаются на вход перемножителя-преобразователя 14, который осуществляет их перемножение, преобразование и выдает на вход микропроцессора 1 сигнал, соответствующий величине потребляемой мощности.

Микропроцессор 1 в соответствии с заданной программой осуществляет обработку данных измерений, подсчет и регистрацию оперативных данных в памяти. Сохраненная информация из внутренней памяти процессора 1 периодически переписывается в блок 3 энергонезависимой памяти, предназначенной для длительного хранения информации. Данные учета электроэнергии выводятся на дисплей 20, а также могут передаваться удаленному контролирующему органу при подключении последнего по сети электроснабжения и через модем 19 к микропроцессору 1.

Одновременно с подсчетом расхода электрической энергии микропроцессор 1 осуществляет контроль уровня мощности. Для осуществления этой функции в ПЗУ микропроцессора 1 предварительно записываются пороговые значения превышения нагрузки. В реализованном счетчике установлено 8 пороговых уровней, соответствующих превышению мощности от 10% до 300%.

Соответственно каждому из упомянутых пороговых значений мощности в наборе программируемых таймеров 6 заданы интервалы времени, причем чем ниже пороговый уровень, тем больше соответствующий ему интервал времени, и наоборот, чем больше порог превышения нагрузки, тем меньше разрешенный интервал времени, отсчитываемый таймером. К примеру: 10% превышению нагрузки соответствует интервал ≈1 минуте; 20% превышению - интервал ≈0.5 минуты; и т.д.

При перегрузке 300% и выше интервал составляет не более 1 секунды.

Микропроцессор (далее - МП) 1 осуществляет постоянное сравнение получаемых с блока 2 данных измерений со значениями пороговых уровней, записанными в его памяти. В нормальном режиме работы величина потребляемой мощности не превышает установленных пороговых значений. В случае превышения нагрузкой какого-либо порогового уровня МП 1 запускает соответствующий таймер 6 с заданным интервалом времени. Если до конца периода, отсчитываемого таймером 6, превышение нагрузки не снимается, то по сигналу таймера об окончании отсчетного периода МП 1 выдает на привод 11 сигнал «отключения» нагрузки 24 от сети. Модуль 23 отключения переводит ключ 10 в положение «отключено». Потребитель отключен от сети электроснабжения. Таким образом, счетчик позволяет осуществить защиту сети потребителя от перегрузки.

Через некоторое время, установленное программой, микропроцессор 1 осуществляет подключение нагрузки 24 к питающему напряжению. При этом если перегрузка остается, микропроцессор 1 производит повторное отключение.

Все осуществляемые микропроцессором 1 операции, в том числе и отключение нагрузки фиксируются в памяти с указанием кода операции, времени и даты осуществления, которые определяются микропроцессором 1 по показаниям часов 4 реального времени. Благодаря наличию независимого автономного источника питания - гальванического элемента 5 показания часов 4 не зависят от наличия напряжения питания в сети и на других блоках счетчика.

При включении потребителя в сеть существует угроза перегорания моторного оборудования, если после отключения напряжения питания не прошло достаточно времени, необходимого для подготовки оборудования к новому включению. Указанный интервал времени условно назван «защитным периодом». Защитный период, исходя из анализа существующей в настоящее время бытовой техники и аппаратуры, был принят равным 5 минутам. В памяти микропроцессора 1 наряду с пороговыми значениями мощности предварительно запрограммировано время защитного периода. Перед формированием сигнала на включение нагрузки 24 в сеть МП 1 извлекает из блока 3 памяти время и дату последнего отключения нагрузки, сравнивает эти данные с текущими показаниями часов 4 реального времени, определяет период времени, прошедший с момента отключения нагрузки 24 от питающего напряжения, и сравнивает полученную величину с записанной в его памяти величиной защитного периода. Если с момента последнего отключения нагрузки прошло более пяти минут (защитный период), то МП 1 сразу выдает сигнал на модуль 22 привода 11, осуществляющего подключение нагрузки 24 к сети электроснабжения. Если результат сравнения меньше пятиминутного защитного периода, то МП 1 запускает таймер 6 на недостающую разницу времени, и сигнал на включение потребителя подает только по сигналу таймера 6, говорящему о прошествии 5 минут после последнего отключения напряжения.

Вышеуказанная последовательность действий осуществляется при каждом включении нагрузки 24 после любых отключений. Таким образом, счетчик обеспечивает защиту моторного оборудования потребителя и бытовых приборов от перегорания, возможного при кратковременном пропадании напряжения питания.

Счетчик имеет возможность ограничения потребляемой мощности в случаях неуплаты за пользование электрической энергией. По команде внешнего управляющего устройства, подаваемой по линиям электроснабжения через модем 19, микропроцессор 1 может временно отключить нагрузку 24 потребителя от сети, при этом МП 1 записывает в таймер 6 длительность отключения, которую последний отсчитывает.

Многоуровневый пороговый элемент 7 контролирует уровень напряжения питания на входе микропроцессора 1. При снижении напряжения ниже нормы (по достижении напряжением нижнего порогового уровня), например в случае пропадания напряжения в сети или же при неполадках в блоке 9 питания, на выходе элемента 7 появляется сигнал, поступающий на вход микропроцессора 1 и служащий для его заблаговременного оповещения о предстоящем пропадании напряжения. По сигналу элемента 7 микропроцессор 1 выдает сигнал на запоминание текущего состояния и приостановку деятельности своим внутренним системам и запускает таймер 6 на время контроля напряжения ≈5 сек, соответствующее так называемому «безопасному» периоду пропадания напряжения (или помехе). В это время МП не производит никаких операций по изменению или переадрессации данных, т.к. пропадание напряжения во время операции повлечет за собой потерю последних.

Если в течение отсчитываемого таймером 6 безопасного времени помехи происходит восстановление напряжения, то МП 1 восстанавливает работу всех систем. Если по истечении указанного времени напряжение не восстановилось, то по сигналу таймера 6 об окончании отсчета МП 1 формирует сигнал на отключение нагрузки 24 от сети и подает его на вход модуля 23 отключения.

В процессе работы счетчика блок 8 осуществляет постоянный контроль разности токов в подводящем и отводящем проводах сети. При отсутствии утечки тока геометрическая сумма токов в первичной обмотке дифференциального трансформатора (ДТр) 15 равна нулю, поэтому во вторичной обмотке ДТр 15 напряжения нет. При касании провода или коротком замыкании равенство токов в первичной обмотке ДТр нарушится, поскольку по фазному проводу помимо тока нагрузки будет проходить ток замыкания или утечки, и в его вторичной обмотке появится напряжение. Если оно равно или превышает напряжение срабатывания чувствительного элемента 17, то на выходе последнего появляется сигнал, который поступает на вход функционального преобразователя 18. Преобразователь 18 оценивает поступивший сигнал, усиливает его и преобразует в цифровую форму, воспринимаемую микропроцессором. Функциональный преобразователь 18 выполнен с возможностью интегральной и дифференциальной оценки величины разности токов. Интегральная составляющая позволяет оценивать плавное нарастание изменения показаний, что говорит о понижении изоляции в сети. Дифференциальная составляющая оценивает резкое увеличение значения разности токов, например, в случае касания провода человеком. МП 1 в соответствии с заложенной программой анализирует поступающий с преобразователя 18 сигнал, сравнивает его с предыдущими показаниями и максимально допустимым значением, также предварительно занесенным в его память. В случае резкого «скачка» или же при достижении максимально допустимого значения микропроцессор формирует управляющий сигнал «отключения» нагрузки.

Блок 8 выполняет функции известного электронного устройства защитного отключения (УЗО). Однако в отличие от последнего, где сигнал с чувствительного элемента подается непосредственно на выключатель, в заявляемом решении сигнал с чувствительного элемента 17 подается на МП 1, при этом предварительно обрабатывается функциональным преобразователем 18, позволяющим оценить характер неисправности. Кроме того, при пропадании «нуля» известное электронное УЗО не может распознать неполадку, т.к. само обесточено и не работает. В заявляемом решении в этом случае все равно произойдет отключение нагрузки потребителя от сети, т.к. появляется сигнал «пропадания напряжения» на выходе элемента 7, являющийся сигналом для МП 1 о необходимости отключения нагрузки. Таким образом блоки защиты и контроля 7 и 8 дополняют друг друга, обеспечивая отключение фазного провода от сети электроснабжения при любых неполадках, обеспечивая этим максимальную защиту потребителя от аварийных ситуаций.

Наличие программируемых таймеров и ЧРВ помогает анализировать время неполадки, осуществлять фильтрацию помех, обеспечивает возможность осуществления защиты моторного оборудования потребителя.

Счетчик предусматривает возможность оперативного изменения контрольных величин и пороговых значений, заносимых в память МП 1. Указанное изменение может быть произведено посредством доступа внешнего управляющего устройства к памяти МП, осуществляемого через модем 19 по линиям электрической связи, при этом исключен прямой доступ к микропроцессору 1, что обеспечивает надежность работы последнего.

Кроме того, в заявляемом счетчике электрической энергии закрыт прямой доступ к любым узлам и блокам, что обеспечивает высокую степень защищенности счетчика от несанкционированного вмешательства, следовательно, повышает его надежность.

Счетчик предназначен для использования в двухпроводных сетях переменного тока как самостоятельно, так и в составе автоматизированных систем учета и контроля потребления электроэнергии. Кроме того, конструкция счетчика предусматривает возможность осуществления многотарифного учета электроэнергии.

На основании вышесказанного можно сделать вывод, что заявляемый счетчик электрической энергии не только осуществляет учет и оперативный контроль за потреблением электроэнергии, но и обеспечивает высокую степень защиты потребителя в различных аварийных ситуациях: при перегрузке и коротком замыкании, утечке тока на землю, в случаях касания провода, ухудшении изоляции, а также обеспечивает защиту приборов и оборудования потребителя от пусковых перегрузок.

1. Счетчик электрической энергии, 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.

2. Счетчик по п.1, отличающийся тем, что он снабжен модемом, включенным между микропроцессором и линией электроснабжения.

3. Счетчик по п.1, отличающийся тем, что первичный преобразователь сигнала разности токов в подводящем и отводящем проводах электроснабжения выполнен в виде дифференциального трансформатора, первичные обмотки которого подключены к линии электроснабжения, а устройство управления защитным отключением включает чувствительный элемент, вход которого связан с вторичными обмотками дифференциального трансформатора, и функциональный преобразователь сигнала, снимаемого с чувствительного элемента, связанный с микропроцессором.

4. Счетчик по п.3, отличающийся тем, что функциональный преобразователь выполнен с возможностью интегральной и дифференциальной оценки величины разности токов.

5. Счетчик по п.1, отличающийся тем, что узел контроля уровня напряжения выполнен в виде многоуровневого порогового элемента.

6. Счетчик по п.1, отличающийся тем, что блок измерения мощности содержит датчик тока, датчик напряжения и перемножитель-преобразователь поступающих с упомянутых датчиков сигналов, выход которого подключен к микропроцессору.

7. Счетчик по п.1, отличающийся тем, что привод устройства отключения содержит модуль включения и модуль отключения, выполненные по принципу «защелки».

8. Счетчик по п.1, отличающийся тем, что автономный источник питания часов реального времени выполнен в виде гальванического элемента.

9. Счетчик по п.8, отличающийся тем, что он снабжен узлом контроля работоспособности гальванического элемента, установленным на выходе последнего и связанным с микропроцессором.

10. Счетчик по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дисплеем, подключенным к микропроцессору.