СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
ELECTRICITY METER

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к устройствам учета и контроля расхода электроэнергии.
Известен однофазный счетчик электроэнергии (патент на ПМ RU №114534 от 07.10.2011), содержащий источник питания, микроконтроллер со встроенными часами, модуль преобразования напряжения и тока, подающий сигналы микроконтроллеру, соединенному с жидкокристаллическим индикатором инфракрасным интерфейсом; энергонезависимую память, резервный источник питания и сенсорные кнопки управления, подключенные к микроконтроллеру, для просмотра показаний расхода электроэнергии.
Недостаток данного счетчика электроэнергии в том, что он предназначен для учета расхода электроэнергии одним абонентом.
Известны цифровые счетчики электроэнергии (http://www.compel.ru/lib/ne/2007/13/8-resheniya-dlya-schetchikov-energii-microchip/, http://www.chipinfo.ru/literature/chipnews/200002/18.html), в которых используют микросхемы измерения электроэнергии (МСР3905А, MCP3905L, МСР3906А, МСР3909), PIC-микроконтроллеры, контроллеры DCP dsPic; энергонезависимую память EEPROM, интерфейсные схемы для передачи данных в сеть или на сервер.
Недостаток описанных схем цифровых счетчиков электроэнергии в том, что в каждой схеме предполагается измерение электроэнергии, потребленной одним абонентом.
Известен цифровой счетчик электроэнергии (заявка CN №102539910 A от 13.01.2012), содержащий микроконтроллер, датчики напряжения и тока, подключенные к микроконтроллеру через усилитель и аналого-цифровой преобразователь, внешнюю память, жидкокристаллический дисплей и блок приема-передачи данных.
Недостаток данного счетчика электроэнергии в том, что он предназначен для учета электроэнергии, потребленной одним абонентом.
Известен счетчик электроэнергии (патент ПМ RU №104321 от 22.12.2010), содержащий подключенные к электрической сети блоки напряжения и тока, подсоединенные к входам измерительного блока, выходы которого подсоединены к микроконтроллеру с подсоединенными через порты ввода-вывода периферийными устройствами блоком индикации, часами реального времени, энергонезависимой памятью, блоком беспроводной связи, блоком кнопок управления, позволяющим построить локальную сеть связи между счетчиками электроэнергии, расположенными в пределах одного энергообъекта.
Известен аналогичный счетчик электроэнергии (патент ПМ CN №202041580 от 16.05.2011).
Недостаток данных счетчиков электроэнергии в том, что они регистрируют данные о расходе электроэнергии, поступающие от множества счетчиков электроэнергии, учитывающих расход электроэнергии энергоустановками.
Известно устройство учета электроэнергии, потребляемой из электрической сети (сетевой фидерный монитор BFM136) [http://www.satec-global.com/BFM136], состоящее из
- микроконтроллера с подключенными к нему источником питания, блоком индикации, блоком кнопок управления индикацией, энергонезависимой (Flash) памятью, блоком приема-передачи данных по стандартным информационным каналам;
- трех датчиков напряжения электрической сети;
- 36 датчиков тока, подключенных с помощью специальных внешних датчиков к линиям, соединяющим электрическую сеть с несколькими абонентами.
Недостаток данного устройства в том, что для измерения тока в линиях, соединяющих электрическую сеть с абонентами, используются специальные датчики, выполненные в виде внешних, по отношению к устройству, блоков. Кроме того, устройство рассчитано на подключение до 12 трехфазных абонентов или до 36 однофазных абонентов, что избыточно для применения устройства в жилых многоквартирных домах.
Техническая задача, решаемая изобретением - снижение стоимости учета потребления электрической энергии в однофазных электрических сетях многими абонентами.
Техническая задача решена в конструкции счетчика электрической энергии (СЭЭ), который имеет микроконтроллер с подключенными к нему источником питания, блоком индикации, блоком кнопок управления индикацией, энергонезависимой памятью, блоком приема-передачи данных по стандартным информационным каналам, датчиком напряжения электрической сети и несколькими датчиками тока, подключенными к линиям, соединяющим электрическую сеть с электрическими нагрузками нескольких абонентов, при этом счетчик электроэнергии имеет цифровой сигнальный процессор (ЦСП), соединенный цифровой интерфейсной шиной с микроконтроллером и содержащий блок нескольких измерителей расхода электроэнергии, блок нескольких аналогово-цифровых преобразователей (АЦП); при этом блок АЦП содержит один АЦП для измерения напряжения сети, соединенный с каждым измерителем расхода электроэнергии, и несколько АЦП для измерения тока, а каждый АЦП для измерения тока соединен с одним соответствующим ему измерителем расхода электроэнергии.
Для упрощения конструкции и снижения себестоимости СЭЭ ЦСП выполнен в виде одной микросхемы, при этом АЦП для измерения напряжения сети соединен одной внутренней цифровой шиной с каждым измерителем расхода электроэнергии, а каждый АЦП для измерения тока соединен с одним измерителем расхода электроэнергии одной внутренней цифровой шиной; при этом измерители расхода электроэнергии и соединения между АЦП и измерителями расхода электроэнергии могут быть реализованы программно; ЦСП выполнен на микропроцессоре с ядром ARM Cortex М.
ЦСП может иметь коммутатор, к входам которого подключены датчики тока, а выходы подключены к АЦП при количестве АЦП в ЦСП, меньшем количества датчиков тока.
Как ЦСП, так и микроконтроллер могут быть выполнены на микропроцессоре с ядром ARM Cortex М, при этом в микроконтроллере может быть реализован WEB Server.
Блок приема-передачи данных по стандартным информационным каналам может иметь WEB Server и может быть выполнен на микропроцессоре с ядром ARM Cortex М.
Технический эффект: снижение стоимости учета потребления электрической энергии в однофазных электрических сетях многими абонентами - обеспечивается следующей совокупностью отличительных признаков:
счетчик электроэнергии имеет цифровой сигнальный процессор (ЦСП), соединенный цифровой интерфейсной шиной с микроконтроллером и содержащий блок нескольких измерителей расхода электроэнергии, блок нескольких аналогово-цифровых преобразователей (АЦП); при этом блок АЦП содержит один АЦП для измерения напряжения сети, соединенный с каждым измерителем расхода электроэнергии, и несколько АЦП для измерения тока, а каждый АЦП для измерения тока соединен с одним соответствующим ему измерителем расхода электроэнергии.
ЦСП выполнен в виде одной микросхемы, при этом АЦП для измерения напряжения сети соединен одной внутренней цифровой шиной с каждым измерителем расхода электроэнергии, а каждый АЦП для измерения тока соединен с одним измерителем расхода электроэнергии одной внутренней цифровой шиной.
ЦСП может быть выполнен в виде одной микросхемы, при этом измерители расхода электроэнергии и соединения между АЦП и измерителями расхода электроэнергии реализованы программно.
ЦСП может быть выполнен на микропроцессоре с ядром ARM Cortex М и иметь коммутатор, к входам которого подключены датчики тока, а выходы подключены к АЦП при количестве АЦП в ЦСП, меньшем количества датчиков тока.
Микроконтроллер может быть выполнен на микропроцессоре с ядром ARM Cortex М, а также иметь WEB Server.
Блок приема-передачи данных по стандартным информационным каналам может иметь WEB Server и может быть выполнен на микропроцессоре с ядром ARM Cortex М.
Данная совокупность отличительных признаков устройства не обнаружена при проведении патентно-информационного поиска, следовательно, изобретение соответствует критерию "новизна".
Предлагаемое техническое решение не следует явно из уровня техники, следовательно, изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".
На фиг. 1 показана схема СЭЭ с включенной в нее схемой цифрового сигнального процессора (ЦСП).
На фиг. 2 показана схема СЭЭ с ЦСП выполненным в виде одной микросхемы и программно реализованными измерителями расхода электроэнергии.
На фиг. 3 - схема СЭЭ с коммутатором, встроенным в сигнальный процессор.
На фиг. 4 - схема СЭЭ с WEB Server, реализованного в микроконтроллере.
На фиг. 5 - схема СЭЭ с WEB Server, реализованного в блоке приема-передачи данных.
Счетчик электрической энергии (фиг. 1-5) состоит из микроконтроллера 1 с подключенными к нему источником питания 2, блоком 3 индикации, блоком 4 кнопок управления индикацией, энергонезависимой (например, Flash) памятью 5, блоком 6 приема-передачи данных по стандартным информационным каналам; блока 7 с датчиком 8.0 напряжения электрической сети и несколькими датчиками 8.1…8.n тока, подключенными к линиям 9, соединяющим электрическую сеть 10 с несколькими абонентами 11; цифрового сигнального процессора 12 (ЦСП), соединенного интерфейсной шиной 13 с микроконтроллером 1 и содержащего:
-- блок 14 нескольких измерителей 14.1…14.n расхода электроэнергии, подключенный интерфейсной шиной 13 к микроконтроллеру 1;
-- блок 16, включающий один аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 16.0 для измерения напряжения, соединенный цифровой шиной 17 (фиг. 1) или программно (фиг. 2) с измерителями 14.1…14.n расхода электроэнергии (фиг. 1), которые также могут быть реализованы программно (фиг. 2), и несколько АЦП 16.1…16.k, каждый из которых соединен внутренней цифровой шиной 18.1…18.n (фиг. 1) или программно (фиг. 2) с соответствующим измерителем 14.1…14.n блока 14; при этом k=n.
Для снижения себестоимости СЭЭ ЦСП 12 может быть выполнен в виде одной специализированной микросхемы.
При ЦСП 12, выполненном в виде одной специализированной микросхемы, количество k АЦП 16.1…16.k: в ЦСП 12 меньше количества n датчиков 8.1…8.n тока, при этом СЭЭ имеет встроенный в ЦСП коммутатор 19 (фиг. 3), к входам которого подключены датчики 8.1…8.n тока, а его выходы подключены к АЦП 16.1…16.k:.
Для снижения себестоимости путем унификации элементной базы каждый из блоков СЭЭ, а именно микроконтроллер 1, ЦСП 12 и блок 6, могут быть выполнены на микропроцессоре с ядром ARM Cortex М.
Для организации доступа к накопленной в СЭЭ информации через информационные каналы Интернет по стандартным протоколам HTTP блок 6 приема-передачи данных по стандартным информационным каналам выполнен на микропроцессоре с ядром ARM Cortex М и имеет WEB Server 21 (фиг. 5). WEB Server 20 может быть реализован на микроконтроллере 1 (фиг. 4).
Описание работы счетчика.
Напряжение электрической сети непрерывно измеряется с помощью датчика напряжения 8.0, одновременно выполняющего функции гальванической развязки и нормирующего преобразователя сигнала. Непрерывный (аналоговый) сигнал напряжения с периодичностью времени Δt (временной интервал дискретизации) преобразовывается АЦП 16.0 в цифровое значение мгновенного напряжения электрической сети. Мгновенное значение напряжения в цифровом виде по общей шине 17 подается на каждый из измерителей расхода электроэнергии 14.1-14.n (фиг. 1). Так как электрические нагрузки каждого абонента присоединены к одной однофазной электрической сети, напряжение в электрической сети одинаково для всех абонентов.
n
1
n
Ток в линиях, соединяющих электрические нагрузки каждого абонента 1…n с электрической сетью, непрерывно измеряется с помощью датчиков тока 8.1-8.n, каждый из датчиков тока одновременно выполняет функции гальванической развязки и нормирующего преобразователя сигнала. Каждый из непрерывных (аналоговых) сигналов тока с периодичностью времени Δt одновременно преобразовывается АЦП 16.1-16.k в цифровое значение мгновенного тока абонента n i. Мгновенные значение токов i…i в цифровом виде подаются на соответствующий измеритель расхода электроэнергии 14.1-14.n.
1
n
Мгновенные значения токов i…i и напряжения u определяются параллельно и единовременно.
Каждый из измерителей расхода электроэнергии 14.1-14.n, расположенный в ЦСП 12, по каждому каналу измерения (абоненту n) производит постоянный расчет потребленной электрической энергии по формуле
где
- потребленная электрическая энергия абонентом n за базовый интервал времени;
- мгновенное значение напряжения электрической сети;
- мгновенное значение тока в линии 9 абонента n;
Δt - временной интервал дискретизации (оцифровки) аналоговых значений;
- индекс;
N - количество измерений за базовый интервал времени.
Базовый интервал времени это период времени сохранения информации о расходе электроэнергии в памяти устройства. Базовым может быть, например, одно-, двух-, трех-, пятиминутные интервалы времени, в зависимости от условий применения счетчика.
Измерители расхода электроэнергии 14.1-14.n работают одновременно и параллельно (фиг. 1). Измерители расхода электроэнергии могут быть реализованы программно.
После расчета текущего значения  эти значения по шине 13 передаются в микроконтроллер 1, после чего измерители расхода электроэнергии повторяют цикл расчета следующего значения
Микроконтроллер 1, получив значение , определяет текущее время измерения, действующий тариф для данного измерения и сохраняет эту информацию в энергонезависимой Flash-памяти 5. Одновременно микроконтроллер 1 производит суммирование по каждому абоненту показаний расхода электроэнергии по каждому тарифу, эти значения хранятся в отдельных счетчиках (СТ) в оперативной памяти. В случае перерыва в электроснабжении СЭЭ значения СТ восстанавливаются при первом «холодном» старте микроконтроллера 1 по данным, сохраненным во Flash-памяти 5. Показания счетчиков СТ отображаются на блоке 3 индикации. Последовательность вывода информации на блок 3 индикации из СТ управляется с помощью блока 4 управления клавишами индикации. Микроконтроллер 1 через блок 6 приема-передачи данных по стандартным информационным каналам обеспечивает доступ внешних, по отношению к СЭЭ, цифровых устройств к информации, хранящейся во Flash-памяти 5, к информации в СТ и к диагностической информации устройства.
Источник питания 2 обеспечивает все блоки СЭЭ необходимым электропитанием и обеспечивает гальваническую развязку между внутренней электрической схемой СЭЭ и электрической сетью.
Для организации доступа к накопленной в СЭЭ информации через информационные каналы Интернет по стандартным протоколам HTTP в СЭЭ может быть реализован WEB Server. WEB Server 20 может быть реализован в микроконтроллере 1 (фиг. 4), в этом случае запрос, пришедший по информационному каналу, расшифровывается микроконтроллером 1, микроконтроллер 1 делает выборку запрошенной информации из Flash-памяти 5, формирует пакет запрошенных данных и обеспечивает доступ к сформированному пакету данных со стороны Интернета по протоколам HTTP.
WEB Server 21 может быть реализован в блоке 6 (фиг. 5), в этом случае запрос, пришедший по информационному каналу, расшифровывается в блоке 6, который делает выборку запрошенной информации из Flash-памяти 5, формирует пакет запрошенных данных и обеспечивает доступ к сформированному пакету данных со стороны Интернета по протоколам HTTP.