Цифровой счетчик раздельного измерения энергии основной гармоники и энергии гармонических составляющих

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения активной электрической энергии основной гармоники (ОГ) и энергии гармонических составляющих (гармоник) приемника в цепях переменного тока.
Известны системы для учета расхода электроэнергии / см. Рожков Е. Электронные счетчики электроэнергии бытового и промышленного назначения // ЭЛЕКТРОНИКА; Наука, Технология, Бизнес. - 1998. - №1. Общими признаками с заявляемой полезной моделью является счетчик электрической энергии, имеющий вход по току, напряжению и выход, масштабирующие преобразователи в виде трансформаторов тока и напряжения. Недостатком такого решения является либо низкая точность, либо большие вес и габариты датчика тока и датчика напряжения при измерении в цепях больших напряжений 10 Кв и более.
Другим аналогом предложенной полезной модели является цифровой счетчик электрической энергии [Аганичев А., Панфилов Д., Плавич М. Цифровые счетчики электрической энергии // Chip news. - 2000. - №2].
Общими признаками с заявляемой полезной моделью является цифровой счетчик электрической энергии, имеющий вход по сигналам пропорциональным току, напряжению и цифровой выход, масштабирующие преобразователи в виде трансформаторов тока и напряжения, входы которых соединены соответственно последовательно и параллельно сопротивлению нагрузки, а их выходы через АЦП подключены к соответствующим цифровым входам счетчика электрической энергии. [Аганичев А., Панфилов Д., Плавич М. Цифровые счетчики электрической энергии // Chip news. - 2000. - №2].
Недостатком такого устройства является высокая чувствительность к импульсным помехам, большие габариты трансформаторов тока и напряжения при измерении в цепях больших напряжений в производственных условиях эксплуатации.
Также аналогом предложенной полезной модели является измеритель расхода электроэнергии переменного тока (Патент RU 69259, МПК G01R 11/00, B60L 3/00, опубликован 10.12.2007).
Общими признаками с заявляемой полезной моделью является счетчик электрической энергии переменного тока, имеющий вход по току, напряжению и выход, датчик тока.
Недостатком такого решения является низкая точность, непригодность для измерения в цепях напряжений 10 Кв и более.
Более близким по техническому решению является система учета расхода электроэнергии, содержащая счетчик электрической энергии переменного тока, имеющий вход по току, напряжению и цифровой выход, медиаконвертор, неэлектропроводную среду передачи дискретного сигнала, контроллер, трансформатор тока с первичной и вторичной обмотками, первичная обмотка трансформатора тока включена последовательно с сопротивлением нагрузки, а вторичная обмотка подключена к токовому входу счетчика электрической энергии, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности, расширения диапазона допустимых напряжений дополнительно содержит трансформатор с двумя обмотками, включенными последовательно друг за другом, при этом их не связанные друг с другом концы подключены к клеммам нагрузки, так что обмотка с меньшим числом витков подключена параллельно входу по напряжению счетчика электрической энергии и одним концом связана с высоковольтной клеммой сопротивления нагрузки, которая через первичную обмотку трансформатора тока соединена с источником электрической энергии, выход счетчика электрической энергии через последовательную цепь из первого медиаконвертора, неэлектропроводной среды передачи сигнала и второго медиаконвертора подключен к контроллеру. (Патент RU 2510029 МПК G01R 11/16, опубликован 20.03.2014.)
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются счетчик электрической энергии переменного тока, имеющий вход по току, напряжению и цифровой выход, трансформатор тока с первичной и вторичными обмотками.
Недостатком такого решения является невозможность раздельного измерения энергии высших гармоник и энергии гармонических составляющих при наличии гармоник в питающем напряжении.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании цифрового счетчика раздельного измерения энергии основной гармоники и энергии гармонических составляющих.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение эффективности использования поставляемой и потребляемой электроэнергии за счет рационального использования электроэнергии. Это достигается раздельным измерением энергии основной гармоники и энергии гармоник.
Технический результат достигается тем, что цифровой счетчик раздельного измерения энергии основной гармоники и энергии гармонических составляющих содержащий масштабный аналоговый преобразователь (АП) тока и напряжения приемника электрической энергии, счетчик суммарной энергии основной гармоники и энергии гармонических составляющих, осуществляющий интегрирование мгновенной электрической мощности по времени, согласно полезной модели дополнительно содержит два фильтра нижних частот, пропускающих основную гармонику напряжений, пропорциональных соответственно напряжению и току приемника электрической энергии, два аналого-цифровых преобразователя (АЦП) тока и напряжения приемника электрической энергии, счетчик энергии основной гармоники, осуществляющий интегрирование по времени электрической мощности основной гармоники приемника и цифровой сумматор; при этом выход масштабного аналогового преобразователя (АП) тока и напряжения приемника электрической энергии соединен со входом фильтра нижних частот, пропускающего основную гармонику напряжения, пропорционального току приемника, а также со входом другого фильтра нижних частот, который пропускает основную гармонику напряжения, пропорционального напряжению приемника; выходы фильтров соединены с входами аналого-цифровых преобразователей (АЦП), пропускающих основную гармонику напряжений в цифровой форме, пропорциональных, соответственно напряжению и току приемника; выходы указанных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) соединены со входами счетчика энергии основной гармоники, осуществляющего интегрирование мгновенной мощности основной гармоники по времени, а выход счетчика энергии основной гармоники подключен к одному из входов цифрового сумматора, ко второму входу которого подключен выход счетчика суммарной энергии основной гармоники и энергии гармонических составляющих; выход цифрового сумматора соединен со входом цифрового регистрирующего устройства, который регистрирует величину и знак энергии гармонических составляющих, а для повышения точности измерения дополнительно содержит блок измерения длительности периода основной гармоники питающего напряжения, который делит период на N равных промежутков и задает тактовые сигналы, которые поступают на входы аналого-цифровых преобразователей (АЦП), а вход соединен с выходом фильтра нижних частот, пропускающего основную гармонику напряжения, пропорционального напряжению приемника.
Сущность измерения заключается в следующем.
Раздельное измерение обеспечивается посредством измерения суммарной энергии основной гармоники и энергии гармоник и отдельно энергии основной гармоники. Энергия высших гармоник измеряется как разность суммарной энергии и энергии основной гармоники. В зависимости от направления потока энергии гармоник результат может быть как положительный, так и отрицательный. Положительный результат означает что энергия гармоник имеет направление на вход счетчика от питающей сети, а отрицательный результат, что энергия поступает в питающую сеть со стороны выхода счетчика приемника. Это позволяет уточнить количество потребленной энергии, которая подлежит оплате, и определить за чей счет будут осуществляться организационные и технические мероприятия по снижению уровня гармоник в питающей сети.
Весьма важным резервом повышения эффективности использования энергии является повышение ее качества, в частности приближение формы напряжения питающей сети к синусоидальной, то есть устранение высших гармоник.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Цифровой счетчик электрической энергии, содержащий масштабный аналоговый преобразователь (АП) тока и напряжения приемника электрической энергии, счетчик суммарной энергии основной гармоники и энергии гармонических составляющих, при этом осуществляющий интегрирование мгновенной электрической мощности по времени.
Отличительными признаками заявляемой полезной модели является то, что он дополнительно содержит два фильтра нижних частот, пропускающих основную гармонику напряжений, пропорциональных соответственно напряжению и току приемника, два аналого-цифровых преобразователя (АЦП) указанных напряжений, счетчик энергии основной гармоники, осуществляющий интегрирование по времени электрической мощности основной гармоники приемника и цифровой сумматор; при этом выход масштабного аналогового преобразователя (АП) тока и напряжения приемника электрической энергии соединен со входом фильтра нижних частот, пропускающего основную гармонику напряжения, пропорционального току приемника, а также со входом другого фильтра нижних частот, который пропускает основную гармонику напряжения, пропорционального напряжению приемника; выходы фильтров соединены с входами аналого-цифровых преобразователей (АЦП), пропускающих основную гармонику напряжений в цифровой форме, пропорциональных соответственно напряжению и току приемника; выходы указанных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) соединены со входами счетчика энергии основной гармоники, осуществляющего интегрирование мгновенной мощности основной гармоники по времени, а выход счетчика энергии основной гармоники подключен к одному из входов цифрового сумматора, ко второму входу которого подключен выход счетчика суммарной энергии основной гармоники и энергии гармонических составляющих; выход цифрового сумматора соединен со входом цифрового регистрирующего устройства, который регистрирует величину и знак энергии гармонических составляющих.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
Цифровой счетчик раздельного измерения энергии основной гармоники и энергии гармонических составляющих представлен на фигуре 1.
Устройство на фигуре 1 содержит:
1 - масштабный аналоговый преобразователь тока и напряжения приемника электрической энергии (АП),
2 - счетчик суммарной энергии основной гармоники и энергии гармонических составляющих,
3, 4 - фильтры нижних частот,
5 - блок измерения длительности периода основной гармоники,
6, 7 - аналого-цифровые преобразователи тока и напряжения приемника электрической энергии (АЦП),
8 - счетчик энергии основной гармоники,
9 - устройство сравнения.
Цифровой счетчик раздельного измерения энергии основной гармоники и энергии гармонических составляющих работает следующим образом (фиг. 1).
Устройство на фигуре 1 содержит: 1 - масштабный аналоговый преобразователь тока и напряжения приемника электрической энергии (АП), выход которого соединен с входом счетчика суммарной энергии основной гармоники и энергии гармонических составляющих 2, и также с входами фильтров нижних частот 3 и 4; выходы фильтров нижних частот соединены с входами аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 6 и 7 соответственно; также выход фильтра нижних частот 3 соединен с входом блока измерения длительности периода основной гармоники 5; выход блока 5 соединен с входами аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 6 и 7; выходы аналога-цифровых преобразователей (АЦП) 6 и 7 соединены с входом счетчика энергии основной гармоники 8; выход счетчика энергии основной гармоники 8 и выход счетчика полной энергии 2 соединены с входом устройства сравнения 9.
Принцип действия предложенного устройства по фигуре 1 следующий.
По определению активная мощность Р это среднее за период значение мгновенной мощности
здесь Т - период основной гармоники тока;  - мгновенная мощность.
В цифровом счетчике, производится цифровое интегрирование мгновенной мощности по времени.
Определим суммарную энергию, которая фиксируется традиционным счетчиком:
где i - ток нагрузки счетчика;
- напряжение нагрузки счетчика;
- соответственно ток ОГ и токи ВГ сети, поступающие на вход счетчика;
- токи гармоник приемника, направления которых противоположны току нагрузки;
- соответственно напряжение ОГ и гармоник, их направления и величина одинаковы на входе и выходе счетчика.
Учитывая, что среднее за период значение произведения мгновенных значений синусоид различной частоты равно нулю, получаем:
1
где W, W - соответственно суммарная энергия и энергия основной гармоники, потребляемая приемником;
ВГС
W - энергия гармоник, поступившая в приемник из питающей сети;
ВГН
W - энергия гармоник, переданная нелинейным приемником в питающую сеть.
1
ВГ
1
ВГ
Блок 1 масштабный аналоговый преобразователь тока и напряжения приемника электрической энергии (АП) вырабатывает измерительную информацию в виде напряжений  и , пропорциональных соответственно напряжению и току приемника. Для измерения энергии основной гармоники необходимо выделить первые гармоники напряжений  и . Уровни напряжений  и  находятся в пределах динамического диапазона аналого-цифрового преобразователя. Это позволяет использовать для выделения основной гармоники активные электронные фильтры нижних частот, которые без ослабления пропускают основную гармонику и ослабляет практически до нуля гармонические составляющие. Счетчик суммарной энергии основной гармоники и энергии гармонических составляющих 2 измеряет суммарную энергию основной и гармонических составляющих приемника. Блоки 3 и 4 - фильтры нижних частот, пропускающие первые гармоники  и . Блок 5 измеряет длительность периода основной гармоники питающего напряжения и вырабатывает тактовые импульсы, управляющие работой цифровых устройств счетчика, а именно, блоков 6, 7, 8, 9. Блоки 6 и 7 вырабатывают в цифровой форме напряжения, пропорциональные соответственно первым гармоникам напряжения и тока приемника. Счетчик энергии основной гармоники 8 измеряет мощность основной гармоники приемника. Его особенностью является то, что по сравнению с традиционным цифровым счетчиком на его вход поступают сигналы в цифровой форме с малым шагом выборки. Шаг выборки определяется частотой высших гармоник, которая вносит реальный вклад в энергию ВГ. Блок 9 - устройство сравнения, определяющее абсолютную величину и знак разности W-W=W, где W - суммарная энергия; W - энергия первой гармоники; W - энергия гармонических составляющих.
1
ВГ
Сигналы (W, W, и W по каналам связи поступают в диспетчерский пункт, где происходит их дальнейшая обработка для принятия административных и технических мер.
Таким образом, авторами показана необходимость раздельного измерения энергии основной и высших гармоник. Измерение энергии высших гармоник и решение юридических вопросов, связанных с оплатой за эту энергию, должно побудить как электроснабжающие организации, так потребителей принимать технические и организационные меры по снижению уровня высших гармоник в сети, что должно привести к повышению эффективности использования электроэнергии. Измерение энергии высших гармоник явится
стимулом к принятию организационных и технических мероприятий по снижению уровня высших гармоник питающей сети.