Прибор контроля потребления электрической энергии в сети низкого напряжения
DEVICE FOR MONITORING CONSUMPTION OF ELECTRICAL ENERGY IN LOW VOLTAGE NETWORK

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к приборам учета и контроля расхода электроэнергии, способных работать в составе автоматизированной системы по контролю потребления электроэнергии в сети.
Известен счетчик электрической энергии и утечки в сети, содержащий датчик тока, выходы которого соединены с первым перемножителем тока на напряжение, который, в свою очередь, соединен с первым преобразователем тока в частоту импульсов, второй перемножитель тока на напряжение, второй преобразователь тока в частоту импульсов, трансформатор тока с двумя первичными обмотками, одна из которых соединена с фазным проводником измерительной сети, другая - с нулевым проводником и одной вторичной обмоткой, на которой сигнал пропорционален разности токов первичных обмоток. Выходы трансформатора тока соединены со вторым перемножителем тока на напряжение, который, в свою очередь, соединен со вторым преобразователем тока в частоту импульсов. Кроме измерения потребленной электрической энергии счетчик способен определять наличие утечек тока в контролируемой сети за счет применения трансформатора с двумя первичными обмотками (патент RU 2529779, МПК G01R 11/24 (2006.01).
Недостатки данного счетчика электроэнергии состоят в отсутствии возможности работать в составе автоматизированной системы по контролю потребления электроэнергии в сети, так как данный счетчик может работать только автономно, и в отсутствии возможности определения дополнительных параметров, в частности, коэффициента мощности нагрузки, а также выгрузки статистических данных, таких, как динамика изменения утечки электрической энергии.
Известно устройство определения напряжения и мощности каждой фазы в сети среднего напряжения, содержащее модуль получения, предназначенный для получения фазоров относительно напряжения проводов в электрической сети среднего напряжения, напряжения проводов в электрической сети низкого напряжения, и силы тока, проходящей в проводах электрической сети среднего напряжения. Альтернативно, для напряжения среднего напряжения можно получать только угол фазора. Модуль получения также содержит средство для вычисления трех фазоров напряжения в электрической сети среднего напряжения, выводимых исходя из фазоров напряжения электрической сети низкого напряжения. Модуль получения, таким образом, содержит средство для приема сигнала, представляющего каждую величину тока, по меньшей мере, для одного провода, и предпочтительно для каждого из трех проводов. Эти сигналы преимущественно фильтруются и дискретизируются до определения фазоров в подходящем средстве. Предпочтительно, устройство содержит датчики для измерения соответствующих величин тока в электрической сети и для предоставления их на модуль получения. Дополнительно устройство содержит модуль для реконструирования и подбора пары, чтобы выбирать пару трех фазоров токов и напряжения для проводов электрической сети среднего напряжения. Данное устройство способно работать и определять напряжение и мощность, используя традиционные измерительные приборы с получением достаточной точности измерений, при этом определяются все необходимые параметры электрической энергии, что позволяется использовать устройство для мониторинга электрической сети среднего напряжения (патент RU 2635849, МПК G01R 19/00 (2006.01), G01R 25/00 (2006.01), G01R 21/00 (2006.01)).
Недостатками описанного устройства являются отсутствие возможности работы в составе автоматизированной системы и ограниченная применяемость, так как для измерения параметров электрической мощности необходимо использование модулей одновременно на стороне среднего и низкого напряжения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является счетчик электрической энергии, выполненный на основе микроконтроллера с подключенными к нему источником питания, блоком индикации, блоком кнопок управления индикацией, энергонезависимой памятью, блоком приема-передачи данных, датчиком напряжения и несколькими датчиками тока. Счетчик дополнительно снабжен цифровым сигнальным процессором, соединенным цифровой интерфейсной шиной с микроконтроллером и содержащим блок нескольких измерителей расхода электроэнергии, блок нескольких аналогово-цифровых преобразователей. Отличительной способностью данного счетчика является его способность одновременно обеспечивать учет потребляемой электрической энергии многими абонентами (патент RU 2643923, МПК G01R 21/133 (2006.01), G01R 22/06 (2006.01), G01R 21/06 (2006.01)).
Недостатками данного счетчика являются подключение датчиков тока непосредственно в разрыв проводов питающей линии; отсутствие возможности определения коэффициента мощности и, следовательно, величины потребляемой реактивной электрической энергии; невозможность использования одного и того же счетчика как в однофазных, так и в трехфазных сетях переменного тока.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании прибора контроля потребления электрической энергии в сети низкого напряжения, способного измерять токи и напряжения в месте его установки без необходимости разрыва проводов питающей линии с дальнейшим определением электрической мощности и коэффициента мощности и расчетом потребленной электроэнергии с возможностью работать в составе автоматизированной системы по контролю за потреблением электроэнергии с единым центром обработки информации, а также с возможностью работать как в однофазных, так и в трехфазных сетях.
Решение данной технической проблемы достигается тем, что в приборе контроля потребления электрической энергии в сети низкого напряжения, содержащем аналого-цифровой преобразователь, датчики тока и напряжения, микроконтроллер, связанный с источником питания, согласно изобретению каждый датчик тока выполнен в виде дифференциального трансформатора тока с разъемным сердечником, а каждый датчик напряжения выполнен в виде резистивного делителя напряжения. При этом прибор снабжен устройством обработки входного сигнала тока, в качестве которого использовано электронное устройство, преобразующее двухполярный синусоидальный токовый аналоговый сигнал датчиков тока в однополярный синусоидальный сигнал напряжения, подключенное к датчикам тока и введенному устройству вычисления сдвига фаз между током и напряжением, и устройством обработки входного сигнала напряжения, преобразующим двухполярный синусоидальный аналоговый сигнал напряжения с датчиков напряжения в однополярный синусоидальный сигнал напряжения, подключенным к датчикам напряжения и названному устройству вычисления сдвига фаз между током и напряжением. Устройство обработки входного сигнала тока, устройство обработки входного сигнала напряжения, устройство вычисления сдвига фаз между током и напряжением, введенные узел контроля времени и тактового сигнала, узел определения дополнительных параметров, обеспечивающий обработку сигналов с внешних датчиков и узел связи с центральным обрабатывающим компьютером подключены к монокристальному микроконтроллеру, являющемуся центральным вычислительным устройством и одновременно аналого-цифровым преобразователем, а в качестве источника питания использован источник питания постоянного тока на напряжение 5 вольт со встроенным аккумулятором и схемой подзарядки, работающей при подключении устройства к сети.
Измерение тока и напряжения в месте его установки без необходимости разрыва проводов питающей линии с дальнейшим определением электрической мощности и коэффициента мощности и расчетом потребленной электроэнергии обусловлены выполнением датчика тока на основе дифференциального трансформатора тока с разъемным сердечником, что позволяет устанавливать его без разрыва проводов линии, и выполнения датчика напряжения в виде резистивного делителя напряжения, подключаемого к существующим контактным площадкам и также не предполагающего разрыва питающих проводов.
Обеспечение возможности работы прибора в составе автоматизированной системы по контролю за потреблением электроэнергии с единым центром обработки информации, причем количество приборов, одновременно обрабатываемых системой, не ограничено, обусловлено введением в состав прибора узла связи с центральным обрабатывающим компьютером, не входящим в состав прибора. Таким образом, управление всеми приборами, установленными в электрической сети низкого напряжения, происходит из единого центра обработки информации.
Обеспечение возможности работы прибора как в однофазных, так и в трехфазных сетях обусловлено тем, что прибор выполнен на основе монокристального микроконтроллера, являющегося центральным вычислительным устройством, и может быть запрограммирован, в том числе удаленно, на работу как в однофазных, так и в трехфазных сетях. Различными в этом случае будут число обрабатываемых датчиков тока и напряжения: для трехфазных сетей требуется обрабатывать сигналы с трех датчиков тока и трех датчиков напряжения, а для однофазных сетей требуется обрабатывать сигналы с двух датчиков тока и одного датчика напряжения.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображена его функциональная схема.
Прибор контроля потребления электрической энергии в сети низкого напряжения содержит ряд встроенных датчиков и узлов, а именно, датчики 1 тока, каждый из которых выполнен в виде дифференциального трансформатора тока с разъемным сердечником, датчики 2 напряжения, каждый из которых выполнен в виде резистивного делителя напряжения, устройство 3 обработки входного сигнала тока, в качестве которого использовано электронное устройство, преобразующее двухполярный синусоидальный токовый аналоговый сигнал датчиков тока в однополярный синусоидальный сигнал напряжения, устройство 4 обработки входного сигнала напряжения, преобразующее двухполярный синусоидальный аналоговый сигнал напряжения с датчиков напряжения в однополярный синусоидальный сигнал напряжения, устройство 5 вычисления сдвига фаз между током и напряжением, источник питания 6 постоянного тока на напряжение 5 вольт со встроенным аккумулятором и схемой подзарядки, работающей при подключении устройства к сети, являющийся узлом резервного питания, узел 7 контроля времени и тактового сигнала, узел 8 определения дополнительных параметров, обеспечивающий обработку сигналов с внешних датчиков, узел 9 связи с центральным обрабатывающим компьютером, монокристальный микроконтроллер 10, являющийся центральным вычислительным устройством и одновременно являющийся аналого-цифровым преобразователем.
Монокристальный микроконтроллер 10 связан с источником питания 6 постоянного тока. Устройство 3 обработки входного сигнала тока подключено к датчикам 1 тока и устройству 5 вычисления сдвига фаз между током и напряжением. Устройство 4 обработки входного сигнала напряжения подключено к датчикам 2 напряжения и устройству 5 вычисления сдвига фаз между током и напряжением. Устройство 3 обработки входного сигнала тока, устройство 4 обработки входного сигнала напряжения, устройство 5 вычисления сдвига фаз между током и напряжением, узел 7 контроля времени и тактового сигнала, узел 8 определения дополнительных параметров, узел 9 связи с центральным обрабатывающим компьютером подключены к монокристальному микроконтроллеру 10.
Выходом датчика тока, выполненного в виде дифференциального трансформатора тока с разъемным сердечником, является аналоговый сигнал. Дифференциальный трансформатор тока имеет коэффициент трансформации 1:1000.
Датчик напряжения, выполненный в виде резистивного делителя напряжения, имеет коэффициент деления 1:1000.
В качестве устройства 3 обработки входного сигнала тока использовано электронное устройство, преобразующее двухполярный синусоидальный токовый аналоговый сигнал с датчиков тока, в однополярный синусоидальный высокостабильный сигнал напряжения, имеющий размах от +1 Вольта до +4 Вольт в нормальном режиме работы прибора.
Устройство 4 обработки входного сигнала напряжения, преобразующее двухполярный синусоидальный аналоговый сигнал напряжения с датчиков напряжения в однополярный синусоидальный сигнал напряжения функционирует аналогично устройству 3 обработки входного сигнала тока, с той разницей, что в качестве входного сигнала принимает двухполярный синусоидальный аналоговый сигнал напряжения с датчиков напряжения.
Устройство 5 вычисления сдвига фаз между током и напряжением представляет собой электронное устройство с двумя входами и одним выходом. На пару входов устройство поочередно принимает мгновенные значения сигналов тока и напряжения одноименной фазы в течение одного периода сигналов. Затем устройство проводит математические вычисления и на выход в цифровом виде передает данные, содержащие код анализируемой фазы (А, В, С); время замера; результат замера - сдвиг фаз между током и напряжением и электрических градусах - значение от 0 до 90.
Узел резервного питания представляет собой высокостабильный по напряжению источник питания 6 постоянного тока на напряжение 5 вольт. Данный узел снабжен встроенным аккумулятором, который подзаряжается, когда прибор подключен к сети, и способен работать до 72 часов автономно. Причем подзарядка аккумулятора на время проведения измерений отключается с целью получения актуальных значений параметров электрической энергии, что обуславливает отсутствие влияния потребляемой прибором мощности на результат измерения.
Узел 7 контроля времени и тактового сигнала представляет собой электронное устройство, обеспечивающее схему высокостабильным тактовым синхронным сигналом для выполнения синхронизированных по времени арифметических и других операций. Также в данном узле реализованы часы реального времени для обеспечения возможности передачи временных меток производимых измерений, причем часы реального времени имеют возможность синхронизации с центральным обрабатывающим компьютером.
Узел 8 определения дополнительных параметров представляет собой электронное устройство, обеспечивающее обработку сигналов с различных внешних датчиков, в частности, температуры, влажности, и передачу значений проводимых ими измерений в монокристальный микроконтроллер 10, являющийся центральным вычислительным устройством.
Узел 9 связи с центральным обрабатывающим компьютером представляет собой электронное устройство, на котором реализуется обеспечение беспроводной связи между центральным обрабатывающим компьютером и монокристальным микроконтроллером 10, являющимся центральным вычислительным устройством, посредством различных протоколов, например, GSM или GPRS.
Монокристальный микроконтроллер 10, являющийся центральным вычислительным устройством и одновременно являющийся аналого-цифровым преобразователем, предназначен для управления всеми подключенными к нему устройствами и произведения всех необходимые вычисления.
Прибор контроля потребления электрической энергии в сети низкого напряжения работает следующими образом. Датчики 1 тока, установленные непосредственно на провода линии электропередачи таким образом, чтобы контролируемый провод проходил внутри разъемного сердечника, преобразуют ток промышленной частоты и изменяющейся во времени величины, протекающий в линии, в ток промышленной частоты, уменьшенный по величине в 1000 раз и гальванически не связанный с первичной цепью линии электропередачи. Устройство 3 обработки входного сигнала тока преобразует полученный токовый аналоговый сигнал с датчиков 1 тока в сигнал напряжения, имеющий заранее известные параметры. Датчики 2 напряжения, включенные между зажимами разных фаз контролируемой сети, преобразуют напряжение промышленной частоты и изменяющейся во времени величины, действующее в сети, в напряжение промышленной частоты, уменьшенное в 1000 раз и гальванически связанное с первичной цепью линии электропередачи. Устройство 4 обработки входного сигнала напряжения преобразует полученный аналоговый сигнал напряжения с датчиков 2 напряжения в сигнал напряжения, имеющий заранее известные параметры. Устройства 3 и 4 имеют две тройки аналоговых выходов и передают данные о величинах тока и напряжения по каждой фазе питающей сети одновременно на устройство 5 вычисления сдвига фаз между током и напряжением и на монокристальный микроконтроллер 10. Устройство 5 вычисления сдвига фаз между током и напряжением принимает сигналы с устройств 3 и 4 и, в свою очередь, производит математические вычисления для определения угла сдвига между током и напряжением поочередно для каждой фазы питающей сети. Затем полученные результаты переводятся в цифровой вид и передаются на монокристальный микроконтроллер 10. Узел резервного питания, представляющий собой источник питания 6 постоянного тока на напряжение 5 вольт, состоит из блока питания постоянного тока, который может включаться как на фазное, так и на линейное напряжение и преобразует напряжение в первичной сети контролируемой линии в высокостабильное напряжение 5 вольт постоянного тока на выходе. Узел 6 резервного питания включает аккумулятор, который обеспечивает электропитание всех узлов и устройств прибора при перерывах в электроснабжении, а также при выполнении измерений для исключения влияния потребляемой прибором электрической энергии на результаты измерений. Узел 7 контроля времени и тактового сигнала представляет собой стабильный источник тактового сигнала, который при подаче питания начинает подавать тактовый сигнал напрямую на монокристальный микроконтроллер 10 и часы реального времени узла 7, имеющие цифровой выход и передающие данные о текущем времени на монокристальный микроконтроллер 10. Узел 8 определения дополнительных параметров обеспечивает подключение внешних датчиков и в цифровом виде передает на центральное вычислительное устройство 10 информацию о показаниях различных подключенных датчиков в соответствии с заданным алгоритмом. Узел 9 связи с центральным обрабатывающим компьютером реализует два канала связи: беспроводной цифровой с центральным обрабатывающим компьютером и проводной цифровой с монокристальным микроконтроллером 10, являющимся центральным вычислительным устройством. Узел 9 принимает команды от центрального обрабатывающего компьютера (не показан) и передает их на монокристальный микроконтроллер 10, являющийся центральным вычислительным устройством, а также передает данные с монокристального микроконтроллера 10, являющегося центральным вычислительным устройством, на обрабатывающий компьютер. Монокристальный микроконтроллер 10, являющийся центральным вычислительным устройством, принимает на своих входы, имеющие аналого-цифровые преобразователи, сигналы с устройств 3 и 4 обработки входных сигналов тока и напряжения, производит аналогово-цифровое преобразование и записывает во внутреннюю память мгновенные значения тока и напряжения в сети. Также монокристальный микроконтроллер 10, являющийся центральным вычислительным устройством, записывает поступающую в цифровом виде информацию с устройства 5 вычисления сдвига фаз между током и напряжением и соотносит ее с измеренным значениями тока и напряжения. Таким образом, для каждого периода напряжения питающей сети определяются мгновенные значения напряжения и тока каждого потребителя и коэффициент мощности нагрузки. Кроме того, микроконтроллер 10, являющийся центральным вычислительным устройством, производит математические вычисления для определения действующих значений тока и напряжения, а также для определения потребляемой активной и реактивной мощности, сопротивления подключенной нагрузки и определения показателей качества электрической энергии. Для передачи информации монокристальный микроконтроллер 10, являющийся центральным вычислительным устройством, формирует пакет данных, который содержит всю запрашиваемую центральным обрабатывающим компьютером информацию. Возможность удаленного программирования прибора позволяет производить гибкую настройку отправляемых пакетов данных, за счет чего производится первичная настройка прибора для работы в однофазных или трехфазных сетях или для обеспечения опроса различного числа дополнительных внешних датчиков.
Прибор контроля потребления электрической энергии в сети низкого напряжения проводит измерения значений тока и напряжения в контролируемом узле с частотой 1000 измерений в секунду и на основе получаемых данных определяет все параметры сети в точке установки прибора, а именно:
- потребляемая в данный момент мощность;
- коэффициент мощности подключенной нагрузки;
- сдвиг фазы тока относительно напряжения;
- сопротивление подключенной нагрузки;
- коэффициент несинусоидальности;
- коэффициент несимметрии.
Прибор контроля потребления электрической энергии в сети низкого напряжения может работать в составе автоматизированной системы контроля сети, причем количество приборов, одновременно обрабатываемых системой, не ограничено. Совместная работа приборов достигается единым протоколом обмена информации между описываемым прибором и блоком обработки информации, который получает и обрабатывает информацию поочередно со всех приборов, установленных в сети. Для получения статистических данных и использования прибора в качестве расчетного прибора учета предусмотрено сохранение архивной информации во внутренней памяти прибора, которая является частью центрального вычислительного устройства - монокристального микроконтроллера 10, что позволяет проанализировать динамику всех определяемых прибором параметров.
Таким образом, применение данного прибора позволит контролировать потребление электрической энергии в электрической сети за счет получения полной информации о всех параметрах сети в точке установки прибора и возможности удаленно объединить работу множества таких приборов в одной или разных сетях.
В представляемом приборе решены недостатки, присущие прибору, выбранному в качестве прототипа, а именно: предлагаемый прибор может быть подключен к сети без разрыва питающих проводов; предлагаемый прибор позволяет непосредственно определять коэффициент мощности с помощью устройства вычисления сдвига фаз между током и напряжением, а также определять потребляемую реактивную энергию на основании производимых математических вычислений, выполненных с помощью монокристального микроконтроллера, являющимся центральным вычислительным устройством; а также данный прибор может применяться без изменений как в однофазной, как и в трехфазной сети переменного тока низкого напряжения до 1000 В.