УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЧЕТА РАСХОДА ЭНЕРГИИ ПОДВИЖНЫМ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТОМ

Устройство относится к измерительной технике и предназначено для коммерческого учета электроэнергии на подвижном электротранспорте, в том числе для измерения расхода электроэнергии в фиксированных точках времени и на участках транспортного пути.
В настоящее время расчет с поставщиками за электроэнергию, потребленную электротранспортом, осуществляют по показаниям счетчиков электрической энергии, установленных на тяговых подстанциях.
Одновременно с учетом электроэнергии на тяговых подстанциях организован технический учет на электроподвижном составе для внутриведомственного учета, нормирования расхода электроэнергии, контроля эффективности режимов ведения транспорта и других целей.
С появлением коммерческого электротранспорта и различных поставщиков энергии на тягу электротранспорта возникает необходимость в коммерческом учете электроэнергии непосредственно на транспортном средстве. При этом расчет расхода электроэнергии на определенных интервалах движения и в фиксированных моментах времени должен производиться с привязкой к определенным точкам транспортного пути, являющимся точками раздела принадлежности тяговой сети к тем или иным поставщикам электроэнергии.
Определяющим фактором при коммерческих расчетах является гарантированная погрешность, которую должно обеспечить устройство учета расхода электроэнергии. Погрешность должна быть отражена в технических документах на это устройство и подтверждена испытаниями при сертификации устройства как средства измерения, и при приемосдаточных испытаниях после его изготовления.
Погрешность устройства учета расхода электроэнергии имеет две компоненты: основную и дополнительную. Основная погрешность относится к измерению расхода электроэнергии непосредственно счетчиком электроэнергии и проверяется прямыми измерениями. Дополнительная погрешность связана с привязкой измеряемого значения расхода электроэнергии к моментам времени и координатам транспортного пути. Она должна быть рассчитана на основе измерения дополнительных однозначно определяемых параметров устройства, связанных с погрешностью. К таким параметрам, например, относятся точность хода часов реального времени, задержка между регистрацией точного времени или координат транспортного средства и моментом фиксации результата измерения расхода электроэнергии и других параметров устройства в зависимости от его состава и алгоритма работы.
ǀǀ
Известен счетчик электроэнергии ЕМ4Т (сайт lem.com/em4tii), содержащий датчики тока и напряжения, аналого-цифровые преобразователи, микропроцессор со встроенным часами реального времени, энергонезависимую память, индикатор и интерфейсный модуль, к которому могут быть подключены GSM модем и GPS приемник. Особенностью счетчика является периодическое с интервалом в одну минуту чтение данных о расходе электроэнергии, координатах транспортного средства и передачи этих данных через GSM канал связи. Считанные за 60 дней данные хранятся в энергонезависимой памяти и в случае потери связи могут быть считаны при ее восстановлении. Основная погрешность измерения счетчика соответствует классу 0,5. Дополнительная погрешность описываемого устройства, возникающая при учете расхода энергии в моменты времени и координат транспортного пути, связана со следующими факторами:
- отсутствием однозначной связи между моментами прохождения транспортом координат точек раздела принадлежности тяговой сети и моментам передачи данных о значении расхода электроэнергии;
- возможным непредсказуемым сбоем GPS приемника и потерей данных в канале связи и в энергонезависимой памяти о координатах точки раздела принадлежности тяговой сети;
- точностью хода часов реального времени (более 1,7 секунды в сутки), что не соответствует допустимой для счетчиков, применяемых в России (0,5 секунд в сутки) и вызвано тем, что часы реального времени выполнены в виде аппаратно-программно части микропроцессора и требуют частого вмешательства в калибровку частоты резонатора.
Недостатком данного счетчика электроэнергии является непредсказуемость дополнительной погрешности измерения расхода электроэнергии в определенных точках транспортного пути и недопустимая точность хода часов реального времени, что препятствует его использованию для коммерческих расчетов.
Известна система коммерческого учета электроэнергии, потребляемой тяговым подвижным составом (патент на изобретение №2427916 «Система коммерческого учета электроэнергии, потребляемой тяговым подвижным составом», 19.04.2010, Кузнецов А.В. и др., опубликован 27.08.2011, бюл.24). Согласно изобретению на электроподвижном составе введены устройство сбора и передачи данных, к которому подключены блок задания электронного номера единицы подвижного состава и счетчика электроэнергии, модем, блок фиксации времени проезда источника реперного сигнала и приемник сигналов системы единого времени, соединенный со счетчиком электроэнергии и устройством сбора и передачи данных. При этом вдоль железнодорожного пути с заданными координатами размещены источники реперного сигнала, каждый из которых состоит из устройства передачи данных, к которому подключены блок задания номера реперного сигнала и модем, устройство передачи данных через блок сопряжения подключено к сети передачи данных, к которой через соответствующие блоки сопряжения подключены дорожный центр учета расхода электроэнергии на тягу поездов и центр учета потребленной электроэнергии в локомотивном депо, при этом дорожный центр учета расхода электроэнергии на тягу поездов состоит из контроллера управления, устройства сбора и передачи данных, к которому подключены приемник сигналов системы единого времени, блок долговременной памяти, блок опроса источников реперного сигнала, соединенного с модемом, блоком сопряжения, приемником сигналов системы единого времени, подключенного к контроллеру управления, выходы которого соединены с входами управления соответственно блока расчета общего потребления электроэнергии электроподвижным составом на железной дороге, блока расчета почасового потребления электроэнергии на тягу, блока расчета потребления электроэнергии на тягу по поставщикам с разными тарифами, блока расчета потерь в тяговой сети по межподстанционным зонам и по железной дороге, блока расчета общего потребления электроэнергии электроподвижным составом на смежной железной дороге, блока долговременной памяти и блока вывода информации, выходы устройства сбора и передачи данных подключены к информационным входам соответственно блока расчета общего потребления электроэнергии электроподвижным составом на железной дороге, блока расчета почасового потребления электроэнергии на тягу, блока расчета потребления электроэнергии на тягу по поставщикам с разными тарифами, блока расчета потерь в тяговой сети по межподстанционным зонам и по железной дороге, блока расчета общего потребления электроэнергии электроподвижным составом на смежной железной дороге, блока долговременной памяти и блока вывода информации, центр учета потребленной электроэнергии в локомотивном депо состоит из блока опроса источников реперного сигнала, к которому подключены блок сопряжения, модем, блок расчета потребленной электроэнергии электроподвижным составом приписки к данному локомотивному депо, блок расчета потребленной электроэнергии по видам электроподвижных составов, блок вывода информации, блок долговременной памяти, и приемник сигналов системы единого времени.
Предлагаемая система учета электроэнергии на подвижном составе имеет недостаток, состоящий в том, что привязка измеренных значений расхода электроэнергии к координатам точек транспортного пути и к меткам времени производится путем синхронной регистрации времени GPS приемниками, размещенными в транспортном средстве и других, отдаленных частях системы.
Возможный случайный сбой хотя бы одного из GPS приемников приводит к не восстанавливаемым потерям данных и дополнительной погрешности, которая не может быть однозначно определена, чтобы служить основанием для коммерческих расчетов.
Кроме того, блоки системы, от которых зависит измерение расхода электроэнергии, разнесены в пространстве, например, расчет и хранение значений израсходованной электроэнергии, привязанных ко времени и координатам транспортного пути производятся в центре учета расхода электроэнергии, а измерение текущих значений расхода электроэнергии производится на подвижном транспорте, что существенно затрудняет сертификацию системы в целом как измерительного устройства для коммерческих целей.
Известны однотипные по составу устройства для учета электрической энергии на электроподвижном составе постоянного и переменного тока (патент на изобретение № 2605142, опубликованный 20.12.2016 в бюл.№35, патент на полезную модель №188125, опубликованный 23.03.2019 в бюл.№10, патент на полезную модель № 189087, опубликованный 13.05.2019 в бюл.№14).
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство, описанное в патенте № 2605142 «Устройство для автоматического учёта электроэнергии, потребляемой и рекуперированной транспортным средством, и параметров работы электрической и информационной сетей», 24.06.2015, Тихонов Д. А. и др., опубликован 20.12.2016, бюл.№35). Устройство, содержащее двунаправленный счетчик электроэнергии, который по каналу напряжения непосредственно подключается к линии высокого напряжения, а по каналу тока с помощью измерительного токового шунта к электрической сети транспортного средства, включающий в себя измерительный модуль, снабженный детектором переходов через нуль, встроенную энергонезависимую память, управляющий вход которой подключен к процессору счетчика электроэнергии, обменивающемуся цифровыми данными с измерительным модулем, блок мобильной связи со встроенной энергонезависимой памятью, подключенной к процессору блока мобильной связи, связанному с процессором счетчика электроэнергии и информационной сети транспортного средства. При этом блок мобильной связи имеет совмещенную GSM и GPS/ГЛОНАСС антенну.
Недостатком прототипа является то, что в зависимости от погодных и других экранирующих факторов возникают случайные сбои приемника GPS/ГЛОНАСС, являющегося источником данных о времени и координатах транспортного средства. Это приводит к непредсказуемой дополнительной погрешности в измерении расхода электроэнергии, привязанной к моментам времени и координатам транспортного пути, вследствие чего невозможно однозначно определить дополнительную погрешность устройства и применять его для коммерческих расчетов.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства для учета расхода энергии подвижным электротранспортом в определенные моменты времени и в точках транспортного пути с гарантированной дополнительной погрешностью, допустимой для коммерческих расчетов.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемое устройство для коммерческого учета электроэнергии на подвижном электротранспорте, содержащее датчики тока и напряжения, двунаправленный счетчик электроэнергии и блок мобильной связи, включающий в себя GSM модем и GPS приемник с антеннами, а двунаправленный счетчик электроэнергии содержит датчик напряжения, измерительный модуль, процессор, энергонезависимую память, индикатор, блок интерфейса, часы реального времени, шину внутреннего интерфейса, соединяющую процессор и  энергонезависимую память, блок мобильной связи соединен с блоком интерфейса через шину внешнего магистрального интерфейса, вход датчика напряжения подключен к тяговой сети, а выход к измерительному модулю, соединенному с процессором, другой вход которого подключен к датчику тока, включенного в шину тяговой сети транспортного средства, дополнительно введено следующее. Устройство дополнительно содержит считыватель пассивных высокочастотных (RFID) меток, с дополнительной антенной, размещаемый либо в корпусе счетчика, либо в корпусе дополнительной антенны, и дополнительно содержит пассивные RFID метки, размещенные в соответствующих точках транспортного пути.  В считыватель RFID меток и GPS приемник дополнительно введены блоки сравнения текущих считываемых данных с хранимыми кодами RFID меток и координатами точек транспортного пути, соответственно. Это позволяет независимо от качества связи GPS приемника определить момент нахождения транспортного средства в определенной точке транспортного пути с предсказуемой погрешностью, достаточной для коммерческого учета электроэнергии. В устройство дополнительно введен блок преобразования последовательного интерфейса в интерфейс USB, подключенный к шине внешнего последовательного интерфейса и размещенный внутри транспортного средства. Это позволяет получить достоверную информацию о коммерческих данных, измеренных счетчиком в случае их потери из-за сбоев при передаче через GSM канал связи.  Часы реального времени в устройстве выполнены в виде отдельного блока, подключенного к шине внутреннего интерфейса и имеют гарантированную точность хода с погрешностью достаточной для коммерческих целей.
Структурная схема полезной модели представлена на фиг. 1, взаимное размещение узлов устройства на транспортном средстве представлено на фиг. 2.
Устройство содержит датчик напряжения (1), выход которого подключен к одному из входов измерительного модуля (2), соединенному с процессором (3), имеющему информационный выход (4), подключенный к блоку интерфейса (5) и шину внутреннего интерфейса (6), к которой подключены энергонезависимая память (7) и часы реального времени с гарантированной точностью хода (8). Индикатор (9) для отображения измеренных величин подключен к процессору (3).  К блоку интерфейса (5) через шину внешнего интерфейса (10) подключены считыватель пассивных RFID меток (11) с другой антенной (12), преобразователь последовательного интерфейса в интерфейс USB (13) и блок мобильной связи (14) .
GSM модем (15) с антенной (16) и GPS приемник (17)  с антенной (18),  которые входят в блок мобильной связи (14), непосредственно подключены к шине внешнего интерфейса (10). Блоки сравнения текущих данных с хранимыми кодами меток и координат точек транспортного пути размещены в считыватель пассивных RFID меток (11) и GPS приемник (17), соответственно (на фигуре 1 не показаны).
Выход датчика тока (19) подключен к другому входу измерительного модуля (2), а сам датчик включен в шину тяговой сети (20), к которой подключен вход датчика напряжения (1).
Датчик напряжения (1), измерительный модуль (2), процессор (3) с информационным выходом (4) интерфейсный блок (5) с шиной внутреннего интерфейса (6), энергонезависимая память (7)  и индикатор (9) размещены в счетчике электроэнергии (21). Счетчик электроэнергии (21),  блок мобильной связи (14) и датчик тока (19) размещены в едином, электрически изолированном, пыле- и влагозащищенном корпусе из негорючего пластика (22). RFID метки (23), расположенные вдоль транспортного пути, связаны по радиоканалу со считывателем пассивных RFID меток (11).
Устройство работает следующим образом. Постоянное или переменное напряжение тяговой сети при помощи датчиков тока и напряжения преобразуются в пропорциональные измерительные напряжения, которые пропорциональны току и напряжению в тяговой сети. Измерительный модуль преобразуют измерительные напряжения в цифровые сигналы, которые обрабатываются процессором.
Процессор производит вычисление реальных значений тока и напряжения в тяговой сети, мощности нагрузки, значений израсходованной прямой и рекуперативной энергии и транслирует их последовательно на индикатор. По запросу центральной станции измеренные значения с датой и временем измерения передаются дистанционно через GSM модем или считываются оператором непосредственно со счетчика электроэнергии через порт USB.
Текущие значения даты и времени с дискретностью одна секунда поступают в процессор счетчика. Если текущие дата и время совпадает с началом суток, месяца или года, измеренное на эти моменты значение израсходованной прямой и рекуперативной энергии записывается, соответственно в отдельные блоки (журналы) энергонезависимой памяти вместе датой и временем. Каждые полчаса реального времени значения усредненной прямой и рекуперированной мощности вместе с датой и временем измерения записываются и сохраняются в отдельном журнале энергонезависимой памяти.
GPS приемник хранит в своей энергонезависимой памяти координаты точек транспортного пути, соответствующие точкам раздела поставщиков энергии в тяговую сеть. Координаты точек раздела могут записываться и проверяться дистанционно по GSM каналу связи и имеют свой код. GPS приемник сравнивает текущие координаты транспортного средства с хранимыми координатами точек раздела и при их совпадении передает по шине внешнего интерфейса соответствующий код точки в процессор счетчика электроэнергии.
При получении кода точки процессор фиксирует текущие значения даты, времени, израсходованной прямой и рекуперативной энергии и записывает их в отдельный журнал энергонезависимой памяти.
Параллельно считыватель RFID меток производит сканирование RFID меток, расположенных вдоль транспортного пути в точках раздела поставщиков энергии.  В RFID метки и считыватель предварительно записаны коды, отличные от кодов координат точек раздела поставщиков энергии, записанных в GPS приемник. Считыватель сравнивает код обнаруженной RFID метки с хранимыми кодами и при совпадении одного из хранимых кодов со считанным передает по шине внешнего интерфейса соответствующий код метки в процессор счетчика электроэнергии.
При получении кода метки процессор фиксирует текущие значения даты, времени, израсходованной прямой и рекуперативной энергии и записывает их в журнал энергонезависимой памяти, где хранятся данные, полученные от GPS приемника. Записи, хранящиеся в журналах энергонезависимой памяти, по мере заполнения памяти циклически обновляются. Данные из журналов энергонезависимой памяти периодически считываются через GSM канал связи техническими средствами центрального расчетного узла, а в случае потери данных, оператором через USB порт в транспортном парке или депо.
Часы реального времени в устройстве выполнены в виде отдельной микросхемы, в качестве которой может быть использована микросхема типа PCF2129 или другая, изготовитель которых, например, фирма "NXP" гарантирует точность хода часов в нормальных условиях менее 0,5 секунд в сутки, которая достаточна для коммерческих расчетов за электроэнергию и не требует регулировки точности хода, применяемой для часов реального времени, реализуемых традиционно с помощью программно-аппаратных средств процессора счетчика. Данные о текущей дате и времени передаются через шину внутреннего интерфейса в счетчик. Такое решение позволяет иметь гарантированную дополнительную погрешность при измерениях расхода энергии в заданные моменты времени и в заданных точках транспортного пути.
Питание часов реального времени осуществляется от резервного источника питания. Центральный узел расчетов при необходимости может через GSM канал связи проверить и установить точную дату и время часов в устройстве по имеющимся сигналам точного времени, например, получаемых GPS приемником от спутников, если разница во времени делает дополнительную погрешность выше допустимой.
r
L
Основным средством регистрации момента прохождения транспортным средством точек раздела поставщиков энергии служит считыватель RFID меток. Как следует из фигуры 2, при фиксированном расстоянии между центром антенны и центром метки дополнительная погрешность измерения расхода электроэнергии в точке транспортного пути, зависит от радиуса  диаграммы направленности антенны и расстояния  от точки пантографа транспортного средства до центра антенны.
L+r
r
Условием, практического отсутствия дополнительной погрешности измерения при применении считывателя RFID меток является условие, когда расстояние центра RFID метки от точки раздела равно . Параметры: точность хода часов и радиус диаграммы антенны  являются измеряемыми величинами и могут быть оговорены в технических документах на устройство.
L
L
Дополнительная погрешность при отклонении величины  от идеальной может быть рассчитана по формуле, определяющей дополнительную погрешность измерения на единицу отклонения величины  от идеальной при фиксированном диапазоне скоростей движения транспортного средства. Таким образом, дополнительная погрешность измерения расхода электроэнергии транспортным средством может быть однозначно определена и параметры устройства, от которых она зависит, записаны в технических документах на устройство.
Регистрация времени прохождения транспортным средством фиксированной точки транспортного пути с помощью GPS приемника является дублирующей, повышающей метрологическую достоверность в измерениях в случаях непредвиденного отказа считывателя RFID меток. Совместный отказ обоих средств регистрации момента прохождения транспортным средством маловероятен.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет:
- обеспечивать сохранность данных в случае сбоев в канале GSM связи;
- обеспечивает независимость результатов измерений от сбоев GPS приемника;
-обеспечить однозначность в определении дополнительной погрешности измерения расхода электроэнергии на участке транспортного пути.
Тем самым, предлагаемая полезная модель решает задачу создания устройства для учета расхода энергии подвижным электротранспортом в определенные моменты времени и в точках транспортного пути с гарантированной дополнительной погрешностью, допустимой для коммерческих расчетов.
С целью экспериментальной проверки предлагаемого решения макет устройства был установлен на трамвае Горэлектротранса г. Санкт- Петербурга. Проверенная погрешность измерения расхода электроэнергии счетчиком составила ±0,2%. Дополнительная погрешность измерения расхода электроэнергии от точности хода часов составила порядка 0,014%. Дополнительная погрешность, возникшая от точности установки RFID метки составила 0,003% на каждый сантиметр при установке меток отличной от идеальной. При использовании GPS приемника для измерения расхода электроэнергии в точке транспортного пути максимальная дополнительная погрешность составила 0,3%. Это дает основание сертифицировать предлагаемое устройство по классу 0,5 с указанием точности измерения в технической документации и использовать его для коммерческих расчетов за израсходованную электроэнергию на участках транспортного пути и в заданные моменты времени.