Счетчик электроэнергии

СЧЕТЧЖ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Полезная модель относится к электронным микропроцессорным счетчикам электрической энергии.
Известно устройство (заявка ФРГ №3 414 520, ШШ G 01 R 21/133, публ. 85.10.24 №43), содержащее датчики тока и напряжения, переключатель сигналов тока и напряжения, усилитель, аналого-цифровой преобразователь САЦП) и микропроцессорный блок. Переключатель обеспечивает попеременную подачу сигналов датчиков тока Vi и напряжения Vu на вход усилителя, выход которого связан со входом АЩ1. Выходные сигналы АЦП, представляющие собой значения напряжений Vt и Vu в цифровой форме, раздельно обрабатываются микропроцессором. Недостаток устройства - небольшой динамический диапазон измеряемых сигналов. Для расширения динамического диапазона без ухудшения точности измерений требуется применение датчиков с линейной характеристикой, а также АЦП и микропроцессора с повышенной разрядностью.
Известно устройство (патент США № 4837 504, МКИ G 01 R 21/133, публ. 89 06 06 М т.ПОЗ), содержащее датчики тока и напряжения, ряд усилителей сигналов датчика тока для различных областей измерения, мультиплексор сигналов датчика напряжения и усилителей сигналов датчика тока, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорный блок. Мультиплексор обеспечивает попеременную подачу сигнала датчика напряжения Vu и сигнала усилителя Vi из выбранной области измерений на вход АЦП. Выходные сигналы АЦП обрабатываются микропроцессорным блоком с учетом интегральных
ШК G 01 R 21/133
параметров коррекции измеренной энергии, соответствующих различным диапазонам измерений. Указанные параметры хранятся в регистрах памяти устройства и определяются в процессе калибровки. Данное устройство взято нами за прототип. Недостатки устройства-прототипа:
13 отсутствие адаптации к расширению функциональных возможностей, например, для вьщачи информации о величинах мопщости, тока, напряжения;
2) отсутствие механизма компенсации фазовой погрешности, обусловленной наличием в схеме дополнительного инструментального фазового сдвига между сигналами тока и напряжения. Погрешность проявляется при появлении реактивности в характере нагрузки.
Задачей создания полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства, а также сохранение
точности измерений при изменении характера нагрузки.
решается Вышеуказанная задача с помощью отличительных признаков,
отраженных в формуле полезной модели, а именно: в энергонезависимое запоминающее устройство введен дополнительный регистр для хранения параметра коррекции постоянного инструментального фазового сдвига между током и напряжением, а в измерительный блок - элемент дискретного задания коэффициента усиления, подключенный к усилителю, при этом вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом усилителя.
На чертежах представлены: структурная схема счетчика (фиг.), распределение регистров энергонезависимого запоминающего устройства С8НЗУ) - фиг.2, графические материалы, поясняющие механизм образования фазовой погрешности Сфиг.З.. .8).
Счетчик содержитефиг. D датчики тока I и напряжения 2, другие входные устройства 3 (например, узел нормирования сигналов тарифных градаций), аналоговый мультиплексор 4, усилитель 5 с элементом 6 дискретного задания коэффициента усиления, аналого-цифровой преобразователь 7. Указанные элементы образуют измерительный блок. Кроме того, счетчик содержит микроЭВМ, в состав которой входят порты ввода 8,9 и вывода 10,11,12 цифровых сигналов, таймеры 13,14, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 15, постоянное запоминающее устройство СПЗЮ 16 для хранения программ, дисплей 17, адаптер 18 для связи с поверочной аппаратурой и центральный процессор (ЦП) 19. В состав счетчика входит также энергонезависимое запоминающее устройство 20 для хранения счетчика ватт-часов и калибровочных параметров, в том числе дополнительный регистр 21 для хранения параметра коррекции постоянного инструментального фазового сдвига между током и напряжением.
Информационные входы аналогого мультиплексора 4 соединены с выходами датчиков тока I и напряжения 2 и с выходами других устройств 3, управляющие входы соединены с выходами порта 10 вывода, а выход указанного мультиплексора подключен ко входу усилителя 5, задание коэффициента усиления которого осуществляется сигналами с выходов порта 10 вывода, соединенных с управляющими входами элемента 6 регулирования коэффициента усиления. Выход усилителя 5 соединен со входом АЩ 7, на вход запуска которого подается сигнал с одного из выходов порта 10 вывода, выходы АЦП 7 подключены ко входам порта 8 ввода. Выходы портов ввода и входы портов вывода, а также входы-выходы ОЗУ, ПЗУ, ЭНЗУ и входы
таймеров 13,14 соединены шиной адресов, данных и управления с центральным процессором 19, причем выходы портов 11,12 вывода связаны со входами дисплея 17, а входы порта 9 ввода предназначены для подключения внешних управляющих сигналов. Выход сигнала синхронизации ЦП 19 соединен со входом синхронизации таймера 13, выход которого соединен со входом прерываний ЦП 19 и входом синхронизации таймера 14. Выход таймера 14 подключен ко входу адаптера 18, выходы которого предназначены для связи с внешним поверочным оборудованием.
Электронные счетчики электроэнергии, как и дрзггие приборы, содержат компоненты с неидеальными параметрами, в частности, трансформаторы тока и напряжения, усилители, разделительные конденсаторы и т. д. Расброс параметров компонентов создает ошибки в измерениях. Компенсация этих ошибок возможна с помощью введения отдельных корректирующих коэффициентов или, как у прототипа, с помощью интегрального корректирующего параметра. При работе счетчика на активную нагрузку интегральный корректирующий параметр позволяет устранить влияние всех погрешностей, в том числе, и погрешность инструментального фазового сдвига между током и напряжением, но, если в нагрузке появляется реактивность, то возникает ошибка, обусловленная инструментальным фазовым сдвигом. Рассмотрим механизм появления такой ошибки.
Случай активной нагрузки.
На эпюре фиг.З показано временное расположение сигналов тока и напряжения на нагрузке, а на эпюре фиг.4 - временное расположение измеряемых сигналов. Активная мощность на нагрузке равна
Р„ и  I
a измеренное значение активной мощности равно
и  I  COS ip.
KSU Путем ввода К, равного можно добить где Таким вым сдвигом,
Случай нагрузки с индуктивным характером.
На эпюре фиг.5 показано временное расположение сигналов тока и напряжения на нагрузке, а на эпюре фиг.6 - временное расположение измеряемых сигналов. Активная мощность на нагрузке
равна
Р„ и  I  cos р;
а измеренное значение активной мощности равно
изи       т   где  - угол сдвига фазы между током и напряжением на
нагрузке. Вычисленное значение мощности будет равно в вычислительный процесс корректирующего коэффициента К  I / cos  ;  ся соотношения р  р  р ж к  выч н изм   р истинная мощность на нагрузке; ид - действующие значения напряжения и тока; изы измеренное значение мощности; cos tp - косинус угла инструментального фазового  сдвига; К - корректирующий коэффициент; Pgy - вычисленное значение активной мощности. образом, погрешность, вызванная инструментальным фазов случае активной нагрузки может быть ликвидирована.
Р  Р # к ; где К  I/cos с. ; вьга иж
Р  и ж I  (cos  COS  - sin f ж sin )/cos  ;
выч
откуда Pgy  Р - и  I  tg  sin f ;
очевидно, что в этом случае истинное значение моадости на нагрузке неравно вычисленному значению мощности, что приводит к возникновению погрешности.
Случай нагрузки с емкостным характером.
На эпюре $иг.7 показано временное расположение сигналов тока и напряжения на нагрузке, а на эпюре фиг.8 - временное расположение измеряемых сигналов. Активная мощность на нагрузке
равна
Р„ и  I  cos  ;
а измеренное значение активной мощности равно
РИЗМ      ° т   Вычисленное значение мощности будет равно
Д К  I/cos  ; РВЫЧ  J  I  COS  )/ COS  .
выч      cos if COS  + sin  sin }/ cos
РВЫЧ  PH      5 т
в этом случае истинное значение мощности на нагрузке также неравно вычисленному значению, что приводит к возникновению погрешности.
Механизм компенсации погрешности инструментального фазового сдвига сводится к реализации программируемой временной задержки между измеряемыми значениями тока и напряжения на величину фазового сдвига  . Практически это выглядит так: производятся выборки значений тока в течение I периода Т, затем вводится
временная задержка и по ее окончанию производятся в течение периода Т выборки значений напряжения. Параметр N , определявши
величину задержки, имеет размер одно- или двубайтного числа, хранится в дополнительном регистре ЭНЗУ и вычисляется автоматически при запуске режима калибровки. Шаг задержки h равен
h  360°/ N в угловых единицах
или Ь,„  Т / N в единицах времени; зад
где N - максимальное значение параметра N ;
Т - период измеряемого сигнала.
Например, для N  256 и Т  20 мс (при частоте сети 50 Гц)
зад     1,4
илиЬ,,„  20 / 256  0,078125 мс.
Величина задержки Т равна
а параметр N вычисляется в начале калибровки по определенному
алгоритму.
Алгоритм вычисления параметра N коррекции фазового сдвига
состоит из нескольких циклов итерационного приближения значения N
(число циклов не более N) к тому значению, при котором измеренная мощность
р.  I
становится максимальной. По достижению максимальной мощности
считается, что инструментальный фазовый сдвиг определен и значение параметра коррекции N записывается в дополнительный регистр ЭШУ
для последующего учета в процессе калибровки и нормальной работы.
Устройство работает следующим образом.
Процесс измерений имеет циклический характер. В начале каждого измерительного цикла включается в/ультиплексор 4 на прием
сигналов тока от датчика I, а на усилителе 5 при помопщ элемента 6 Сим может быть, в частности, мультиплексор) выставляется коэффициент усиления, соответствующий диапазону минимального тока. В течение полупериода измеряются сигналы этого диапазона и сравниваются с предельным выходным значением АЦП 7 (например, если АШ - 8-разрядный, то предельное значение равно 255 или FF Н). Если сигналы диапазона не достигают предельного значения, то номер этого диапазона фиксируется и начинаются измерения. В случае достижения сигналами тока предельного значения осуществляется переход на следующий диапазон измерения, т.е. усилителю 5 задается новый коэффициент усиления и вновь в течение полупериода происходит измерение тока и сравнение каждого измеренного значения с предельным значением и т.д. до диапазона максимального тока. Затем счетчик в течение периода производит выборки и запоминание значений тока выбранного диапазона, после чего в работу вступает подпрограмма задержки сигнала напряжения для компенсации постоянного инструментального фазового сдвига между током и напряжением. По окончанию задержки мультиплексор 4 включается на прием сигналов напряжения от датчика 2, а на усилителе 5 выставляется коэффициент передачи по напряжению Сон одинаков для всех диапазонов). В течение периода производится выборка и запоминание значений сигналов напряжения. Затем соответствующие значения тока и напряжения перемножаются, а результаты складываются. Полученная сум делится на число выборок и определяется мгновенная мощность за период.Определенное таким образом значение мгновенной мощности передается в сумматор ш щностей выбранного диапазона. Суммы значений мгновенных мощностей, собранные за определенное время, например, за I сек. в
сумматорах, умножаются на коэффициенты пропорциональности соответствующих диапазонов. Полученные произведения, во-первых, складываются в одну сумму, из которой определяется средняя мощность за I сек., а во-вторых, суммируются в накопителях энергии, потребленной в соответствующих диапазонах. Содержимое накопителей сравнивается с константами, характеризующими пороговый уровень соответствующих разрядов счетчика ватт-часов, и, если оно превышает пороговое значение, то производится инкремент разряда счетчика, а содержимое накопителя уменьшается на величину константы. Информация о средней мощности носит индикативный характер и может быть запрошена потребителем. Так же, как и средняя мощность, с помощью коэффициентов пропорциональности диапазонов могут быть определены другие индикативные параметры, например, средний ток. Коэффициенты пропорциональности каждого диапазона вычисляются автоматически после окончания калибровочных измерений.
Процесс калибровки.
Калибровка производится по каждому диапазону. Задают калибровочные значения тока, напряжения и временного интервала, за который проводится калибровка. С помощью внешних управляющих сигналов, подключаемых к порту 9 ввода, инициализируют режим калибровки. Сначала автоматически определяется величина инструментального фазового сдвига при коэффициенте пропорциональности выбранного диапазона KDi  I. Затем запускается внутренний таймер 14 счетчика на отсчет интервала времени калибровки и при том же KDi начинается измерение и суммирование в накопителе потребляемой энергии. По окончанию временного отсчета таймер 14 выдает сигнал остановки, причем сигналы запуска и
l-
остановки таймера могут быть выведены для подсоединения поверочной аппаратзфы. После остановки таймера 14 измерения прекращаются, содержимое накопителя, отражающее количество потребленной энергии, сравнивается с константой, одинаковой для всех диапазонов, и по формуле
Ei  CONST  KDi ; где
Ei - значение измеренной энергии в накопителе; CONST - константа (мера изменения содержимого
счетчика ватт-часов);
KDi - коэффициент пропорциональности калибруемого диапазона (начальное значение
методом итераций с заданным дробным шагом в сторону уменьшения или увеличения С в зависимости от результата сравнения) производится вычисление коэффициента пропорциональности выбранного диапазона. Результат вычисления записывается в дополнительный регистр 21 ЭНЗУ. Те же действия (за исключением определения инструментального фазового сдвига, но с его учетом) выполняют для других диапазонов, определяют и записывают в ЭНЗУ все коэффициенты KDi.