ЦИФРОВОЙ СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ С ДИСТАНЦИОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Полезная модель относится к электронно-измерительной технике, в частности к устройствам учета и контроля потребления электрической энергии в однофазных цепях переменного тока, преимущественно в бытовом секторе.
Известен цифровой счетчик электроэнергии (RU №2298192, 2007 г.), включающий микропроцессор и связанные с ним блок измерения мощности, блок памяти, часы реального времени с питанием от гальванического элемента, набор программируемых таймеров, узел контроля уровня напряжения, выполненный в виде многоуровневого порогового элемента, блок питания счетчика и устройство отключения нагрузки с приводом. Блок измерения потребляемой мощности включает в себя датчик напряжения и датчик тока, выходы которых соединены с входами перемножителя-преобразователя, выход которого подключен к микропроцессору. Счетчик содержит два, выполненных по принципу «защелки», модуля для включения/отключения нагрузки потребителя и дисплей для наглядного отражения информации и может быть использован в составе автоматизированных систем учета и контроля потребления электроэнергии - доступ внешнего управляющего устройства к памяти микропроцессора осуществляется по линиям электрической связи через модем, включенный между линией электроснабжения и микропроцессором.
В нем также предусмотрены защита сети потребителя от перегрузки и возможность ограничения потребляемой мощности при неплатежах за пользование электроэнергией, закрыт прямой доступ к его узлам и блокам, однако отсутствуют меры по автоматизированной защите аппаратных и программных средств счетчика от несанкционированного доступа путем отключения энергопитания. Другим достаточно серьезным недостатком такого счетчика является отсутствие в нем необходимых технических средств для организации электронных платежей, в т.ч. так называемой электронной карточки потребителя.
Эти недостатки частично устранены в известном электронном счетчике электрической энергии (RU №130086, 2013 г.), содержащем микроконтроллер и связанные с ним модуль преобразования, жидкокристаллический индикатор, реле управления нагрузкой, электронную пломбу, энергонезависимую память, инфракрасный интерфейс и интерфейс связи, основной датчик тока, дополнительный датчик тока, основной источник питания и резервный источник питания. Такой счетчик, по сравнению с предыдущим аналогом, более функционален - он обеспечивает возможность осуществления электронных платежей (посредством Smart-карт) и содержит соответствующее устройство для чтения Smart-карты. Однако, как и в предыдущем аналоге, счетчику присущи сниженные возможности интегрирования в уже существующие разнообразные автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ) из-за отсутствия средств беспроводной связи. К тому же контактный обмен данными, осуществляемый с помощью устройства считывания Smart-карт снижает надежность счетчика и достоверность считываемых данных, а также создает неудобства в пользовании.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является цифровой счетчик электрической энергии (RU №117013, 2012 г.), содержащий микропроцессор, систему измерения потребляемой электроэнергии по прямой и обратной цепям, включающую датчики тока по прямой и обратной цепям, подключенные к прямой и обратной цепям общей сети напряжения, выходы которых подключены к входам соответственно блока измерения мощности по прямой цепи и блока измерения мощности по обратной цепи, на выходы которых соответственно подключены первый программируемый счетчик и второй программируемый счетчик, подключенные к микропроцессору. К входам блока измерения мощности по прямой цепи и блока измерения мощности по обратной цепи, а также и к входу связанного с микропроцессором устройство контроля напряжения сети по верхнему и нижнему допустимым пределам подключен выход датчика напряжения сети. Счетчик снабжен пороговым устройством защиты сети от короткого замыкания и от перегрузки, датчиками несанкционированного доступа к элементам и узлам счетчика, блоком памяти, жидкокристаллическим индикатором, устройством управления нагрузкой, программируемыми часами реального времени, магниточувствительным бесконтактным устройством, основным и резервными блоками питания, адаптером последовательного интерфейса RS-485, используемого для обмена данными с АСКУЭ, и устройством обмена данными между счетчиком и АСКУЭ в виде снабженного адаптером и держателем идентификатора iButton, предназначенного для контактного съема данных с счетчика при организации электронных платежей.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- ограниченные возможности счетчика по интегрированию в уже существующие АСКУЭ, так как в нем не предусмотрена возможность беспроводной связи;
- сниженная надежность счетчика и достоверность обмена данными, а также неудобства в эксплуатации, обусловленные использованием идентификатора iButton и отсутствием возможности дистанционного считывание данных при организации электронных платежей, так как съем данных в прототипе может быть осуществлен только контактным способом.
Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, состоит в расширении возможностей интегрирования в АСКУЭ путем обеспечения дополнительных видов связи «счетчик - АСКУЭ», и в повышении достоверности информации при обмене «счетчик - АСКУЭ», а также удобства эксплуатации счетчика за счет обеспечения возможности бесконтактного, дистанционного съема информации с счетчика и организации электронных платежей.
Технический результат достигается тем, что цифровой счетчик электрической энергии, выполненный с возможностью обеспечения обмена данными с автоматизированной системой коммерческого учета электроэнергии, защиты от несанкционированного доступа к его элементам и узлам, защиты сети от короткого замыкания и от перегрузки, и с возможностью организации платежей за энергопотребление, содержащий микропроцессор, программируемые часы реального времени, блок памяти, устройство управления нагрузкой, систему измерения и контроля потребляемой электроэнергии, включающую в себя первый и второй программируемые счетчики, датчики тока по прямой цепи и обратной цепи, сигнал с которых подается на первые входы блоков измерения мощности по прямой и обратной цепям, выходы которых подключены соответственно к входам первого и второго программируемых счетчиков; жидкокристаллический индикатор, датчик напряжения сети, подключенный ко вторым входам блоков измерения мощности и к входу устройства контроля напряжения, последовательный проводной связной интерфейс RS-485, в отличие от аналогов выполнен с возможностью обеспечения беспроводной связи с автоматизированной системой коммерческого учета электроэнергии посредством встроенных в него с подключением к микропроцессору беспроводных связных интерфейсов в виде: работающего по стандарту ZigBee/IEEE 802.15.4 радиоканала с антенной и PLC-модема, работающего по протоколу Data link или Free MODBUS; а также с возможностью программирования часов реального времени, обеспечения организации платежей за энергопотребление, управления функциями по внештатному отключению нагрузки и последующему ее подключению, просмотру архива и обмену данными посредством выносного пульта управления, имеющего радиоканал, аналогичный упомянутому интерфейсному радиоканалу.
Дополнительные отличия состоят в том, что в частных случаях исполнения радиоканалы реализованы на микросхемах СС2530
Состав встроенных в предлагаемом счетчике интерфейсов связи -беспроводных в виде радиоканала и PLC-модема и проводного RS-485 - обеспечивает расширенный диапазон интегрирования счетчика в АСКУЭ (практически во все существующие и вновь создаваемые АСКУЭ), причем с использованием одновременно не менее двух интерфейсов связи, что способствует повышению надежности связи и достоверности передаваемых данных. При этом обмен данными между счетчиком и АСКУЭ может производиться по двум интерфейсам связи в различных вариантах: по радиоканалу + PLC-модему или радиоканалу + RS-485 или PLC-модему + RS-485. Такой подход позволяет существенно расширить возможности интеграции счетчика в АСКУЭ, повысит надежность сети обмена данными и, соответственно, достоверность учетных данных.
Выполнение организации платежей за энергопотребление с расширенными, в отличие от прототипа, возможностями посредством пульта управления (ПУ), который служит не только для организации электронных платежей за энергопотребление, но и используется для выполнения ряда задач по дистанционной настройке счетчика и обмену данными в системе «счетчик - АСКУЭ», способствует улучшению эксплуатационных характеристик счетчика, исключает вероятность влияния человеческого фактора на процесс учета энергопотребления и платежей.
К тому же, поскольку при организации платежей в память ПУ копируется вся текущая информация по энергопотреблению, которая имеется в памяти счетчика, пульт может быть использован и как дополнительный интерфейс связи «счетчик - АСКУЭ», например, при сбоях в тех интерфейсах связи,
которые встроены в счетчик, и/или в тех случаях, когда использование встроенных интерфейсов связи невозможно или нецелесообразно, например, когда расстояние от счетчика до АСКУЭ больше радиуса действия радиоканала или PLC-модема.
Использование выносного ПУ способствует повышению удобства эксплуатации счетчика за счет обеспечения бесконтактного, дистанционного съема информации с счетчика и организации электронных платежей.
На представленных чертежах: на фиг. 1 дана структурная схема предлагаемого счетчика; на фиг. 2 - пример общего вида ПУ.
Предлагаемый цифровой счетчик электрической энергии содержит микропроцессор 1, систему измерения и контроля потребляемой электроэнергии, включающую в себя подключенные к микропроцессору первый программируемый счетчик 2 и второй программируемые счетчики 3, датчик тока по прямой цепи 4 и датчик тока по обратной цепи 5, сигнал с которых подается на первые входы блока 6 измерения мощности по прямой и блока 7 измерения мощности по обратной цепям, выходы которых подключены, соответственно, к входам первого программируемого счетчика 2 и второго программируемого счетчика 3. Выход блока 6 измерения мощности по прямой цепи подключен к элементу индикации 8 и является поверочным выходом 9 счетчика. Датчик напряжения сети 10 подключен ко вторым входам блоков измерения мощности 6 и 7 и к входу связанного с микропроцессором 1 устройства контроля напряжения 11. Система питания счетчика содержит основной блок питания 12, резервный источник питания 13 (например, гальванический элемент), зарядное устройство 14 и устройство развязки питания 15. Счетчик содержит программируемые часы реального времени 16, пороговое устройство 17 защиты сети от короткого замыкания и от перегрузки, систему защиты счетчика от несанкционированного доступа, включающую в себя датчики несанкционированного доступа 18 и магниточувствительное бесконтактное устройство 19. а также связанные с микропроцессором 1: устройство управления нагрузкой 20, блок памяти 21,
адаптер 22 последовательного связного интерфейса RS-485, вход/выход которого предназначены для подключения к линии связи АСКУЭ; жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) 23, устройство звуковой сигнализации 24. Для обеспечения беспроводной связи в нем предусмотрены: работающий по стандарту ZigBee/IEEE 802.15.4 радиоканал 25 с антенной 26, вход/выход которого подключен к микропроцессору 1, и PLC-модем 27, работающий по протоколу Data link или Free MODBUS, первый вход/выход которого подключен к микропроцессору 1, а второй вход/выход через устройство согласования 28 подключен к сети обмена данными с АСКУЭ.
ПУ 29 счетчика в приведенном примере (фиг. 2) содержит микроконтроллер 30 и подключенные к нему радиоканал 31 с антенной (аналогичный радиоканалу 25), набор сенсорных кнопок 33, многоцветные светодиодные индикаторы 34 и снабжен автономным элементом питания 35, к которому подключены все компоненты пульта.
В набор сенсорных кнопок входит:
- кнопка 36 «часы/архив», предназначенная для выбора режима установки часов реального времени или режима просмотра архива счетчика,
- кнопка 37 «+» для увеличение значения содержимого выбранной позиции,
- кнопка 38 «-» для уменьшение значения содержимого выбранной позиции,
- кнопка 39 «Откл.» для отключения нагрузки от сети,
- кнопка 40 «Подкл.» для подключения нагрузки к сети,
- кнопка 41 «Чтение данных», предназначенная для считывания данных из счетчика в ПУ,
- кнопка 42 «Запись данных», предназначена для записи данных из ПУ в счетчик,
- кнопка 43 «Запись данных», предназначенная для записи данных из ПУ в АСКУЭ,
- кнопка 44 «Чтение данных», предназначенная для считывания данных из АСКУЭ в ПУ.
Двухцветный светодиод «откл./подкл. нагрузки» 45 при отключенной нагрузке - зеленый, а при подключенной нагрузке - красный.
Двухцветный светодиод 46 обмена данными ПУ с счетчиком при обмене данными - мигает красным, а при корректном завершение обмена - зеленым.
Двухцветный светодиод 47 обмена данными ПУ с АСКУЭ - при обмене данными мигает красным, а при корректном завершение обмена - зеленым.
Микропроцессор 1 с подключенными к нему блоком памяти 21, первым программируемым счетчиком 2 и вторым программируемым счетчиком 3, программируемыми часами реального времени 16, адаптером последовательного интерфейса 22 может быть реализован на микроконтроллере ATmega164PV-10AU фирмы Atmel (www.) к параллельным портам, которого подключены: информационные и управляющие выводы ЖКИ 23, управляющие входы устройства управления нагрузкой 20, выходы датчиков несанкционированного доступа 18 к элементам и узлам счетчика, выход магниточувствительного бесконтактного устройства 19.
Остальные устройства, блоки и функциональные узлы реализованы на следующих элементах: PLC-модем 27 на микросхеме ST7580 ST, подключенной к микроконтроллеру счетчика по UART порту; радиоканал 25 с использованием схемы СС2530 компании Texas Instruments, поддерживающей стандарты ZigBee/IEEE 802.15.4, подключенной к микроконтроллеру счетчика по UART порту, магниточувствительное бесконтактное устройство 19 - на магниторезистивном датчике MRSS29D (www.eltech.spb.ru), устройство управления нагрузкой 20 на твердотельном реле - на HD8044ZD3 (http://www.sensor-moscow.ru/rele_tv.html), адаптер последовательного интерфейса RS-485 22 - на схеме max232 (http://www.spt.ru/victor/max.htm), ЖКИ 23 - на индикаторе WH0802A-AGG-CT или на индикаторе фирмы «МЭЛТ» (сайт ) Микроконтроллер 30 и радиоканал 31 ПУ реализованы с использованием схемы СС2530 компании Texas Instruments, к которой подключены набор сенсорных кнопок 33, многоцветные светодиоды 34.
Принцип работы счетчика
После установки и подключения счетчика к сети он находится в исходном состоянии и не ведет учет электроэнергии, т.е. устройство управления нагрузкой 20 отключает нагрузку от электрической сети, а счетчик находится в режиме ожидания начальной установки часов реального времени 16, посредством трех кнопок 36, 37 и 38 расположенных на ПУ 29: кнопка 36 «часы/архив» - выбор режима установки часов и выбор позиции, вторая кнопка 37 «+» - установка значения числа в выбранной позиции вверх и третья кнопка 38 «-» установка значения числа в выбранной позиции вниз. После установки времени и даты, посредством удержания первой кнопки 36 «часы/архив» не менее 5 сек. производится перевод счетчика в рабочий режим учета, в дальнейшем кнопка 36 «часы/архив» используется для входа в режим просмотра архива, и вторая кнопка 37 «+» и третья кнопка 38 «-» в этом режиме позволяют просматривать архив вверх и вниз соответственно.
При переводе счетчика в режим счета электроэнергии необходимо записать в счетчик служебную информацию с ПУ 29 посредством нажатии кнопки 42 «Запись данных счетчика». При этом в блок памяти 21 записывается номер счетчика, номер ПУ 29 и другие необходимые данные, которые зависят от способа организации платежей на АСКУЭ (тариф, кредит и т.п.). В процессе записи данных из ПУ 29 в счетчик на пульте начинает мигать красный светодиод 46, а при корректном завершении процесса записи этот светодиод 46 загорается зеленым цветом в течении 2 сек. Таким образом производится привязка ПУ к конкретному счетчику. Дальнейшие все процедуры с счетчиком можно производить только с использованием данного ПУ.
Для подключения потребителя к сети необходимо нажать кнопку 40 «Подкл. нагрузки» и держать нажатой в течении не менее 5 секунд в целях
безопасности. В процесс выполнение этой команды светодиод 45 горит зеленным цветом, а после подключения нагрузки - красным цветом. После подключения потребителя счетчик ведет учет электроэнергии, а элемент индикации 8 начинает мигать, что является признаком работы счетчика в режиме учета энергопотребления.
Датчик напряжения 10 измеряет напряжение сети, а датчик тока по прямой цепи 4 и датчик тока по обратной цепи 5 определяют значения токов по прямой цепи и по обратной цепи соответственно. Сигналы с датчиков тока 4 и 5, а также с датчика напряжения 10 подаются на входы блоков измерения мощности 6 по прямой цепи и 7 по обратной цепи, которые осуществляют преобразование мощности в число импульсов (4000 импульсов соответствует одному кВт). Эти импульсы поступают на входы первого и второго программируемых счетчиков 2 и 3, настроенных на режим работы «сравнения» и подключенных к микропроцессору 1. Счетчики 2 и 3 содержат вспомогательные регистры и базовые двоичные счетчики. Программируемый счетчик 2 или 3, у которого первым произошло сравнение содержимого вспомогательного регистра и содержимого базового счетчика, формирует сигнал запрос прерывания, по которому микропроцессор 1 обрабатывает данные, сохраняет их в блоке памяти 21, отображает на ЖКИ 23, после чего сбрасывает в «0» содержимое обоих базовых счетчиков. Такой способ учета электроэнергии позволяет исключить вероятность хищения электроэнергии путем перефазировки и заземления нейтральной линии.
Датчики 18 несанкционированного доступа осуществляют контроль и выдачу сигнала несанкционированного доступа при снятии крышек счетчика и/или колодки, а магниточувствительное бесконтактное устройство 19 - при наличии внешнего магнитного воздействия на счетчик. По этим сигналам микропроцессор 1 фиксирует в блоке 21 памяти время и дату несанкционированного доступа, сохраняет в памяти показания счетчика и формирует сигнал отключения нагрузки для устройства управление нагрузкой 20, т.е. отключает потребителя от сети, а также по интерфейсу связи передает информацию о несанкционированном доступе на диспетчерский пункт АСКУЭ. В этом случае для повторного подключения нагрузки к сети потребителю необходимо произвести следующие действия:
1. Скопировать содержимого блока памяти 21 счетчика в микроконтроллер 30 ПУ. Считывание информации из памяти счетчика производится посредством ПУ при нажатии кнопки 41 «Чтение данных» на ПУ. После окончания считывания данных на пульте дистанционного управление загорается светодиод 46 зеленого цвета, что говорит об окончании процесса считывания информации с счетчика в микроконтроллер 30 ПУ.
2. Перенести ПУ 29 в пункт оплаты платежей за электроэнергию, где установлена АСКУЭ, разработанная с учетом функциональных возможностей предлагаемого счетчика и адаптированной по форматам хранения информации к обслуживанию предлагаемого счетчика.
3. Посредством ПУ произвести считывание информации из памяти микроконтроллера 30 ПУ в АСКУЭ посредством нажатия кнопки 43 на ПУ «Запись данных». На экране дисплея АСКУЭ автоматически отображаются данные абонента, и красным цветом будет отображена информация о несанкционированном доступе к элементам и узлам счетчика (дата, время, показания счетчика).
4. Произвести оплату за энергопотребление с учетом штрафных санкций за несанкционированный подступ, в соответствии с соглашением на поставку электроэнергии. После чего АСКУЭ производит запись в микроконтроллер 30 ПУ кода оплаты, количества оплаченной электроэнергии и кода разрешения повторного подключения потребителя к сети.
5. Потребитель по возвращению в дом производит запись данных с ПУ в счетчик, посредством кнопки 42 на ПУ, микропроцессор 1 проверяет наличие соответствующих разрешительных кодов повторного подключения и дает команду на подключение нагрузки к сети, при этом производится сравнение количества оплаченной и текущей электроэнергии. Определяется остаток
неоплаченной электроэнергии, этот остаток сохраняется в блоке памяти 21, как начальное значение для ведения учета и отображается на ЖКИ 23.
Потребитель от сети может быть автоматически отключен и при коротком замыкании в цепи нагрузки, а также при превышении установленного лимита энергопотребления данным абонентом. Обратное подключение в этих случаях производится посредством нажатии кнопки 40 «Подкл.» на ПУ в течение 5 секунд.
Использование устройства управления нагрузкой 20 в совокупности с дистанционным управлением счетчиком по радиоканалу 25 позволяет организовать режим энергопотребления и электронные платежи абонентом, а также способствует улучшению эксплуатационных характеристик счетчика, исключает вероятность недобросовестного влияния человеческого фактора на процесс учета энергопотребления и платежей.
В связи с тем, что, как общеизвестно, все интерфейсы связи имеют те или иные какие - либо свои недостатки (подвержены помехам, сбоям и т.п.), обмен данными по двум интерфейсам связи, в отличие от прототипа, предусмотренный в предлагаемом счетчике, по запросу АСКУЭ дает возможность сравнить на приемном пункте АСКУЭ данные, полученные по разным интерфейсам связи, и, при несовпадении этих данных, производить повторный опрос счетчика. Такой прием не только существенно расширяет возможности интеграции счетчика в АСКУЭ, но и способствует повышению достоверности учетных данных.
Изготовление предлагаемого счетчика не требует значительных капитальных финансовых вложений. Его производство может быть налажено на имеющихся производственных площадях с использованием универсального оборудования и широко известных и общедоступных комплектующих изделий. При этом на существующем в настоящее время рынке сбыта устройств учета и контроля потребления электрической энергии имеется большой спрос на цифровые счетчики с достигаемыми при реализации полезной модели характеристиками.