КОНТРОЛЛЕР МОНИТОРИНГА ВРЕЗОК

Полезная модель относится к области радиоэлектроники и может быть использована при организации автоматизированных систем контроля и учета электрической энергии.
Известен способ отпуска и учета электрической энергии в распределительных сетях 0,4 кВ с защитой от хищений (RU 2330294, МПК G01R 11/00, опубл. 27.07.2008), заключающийся в том, что потребителей электроэнергии подключают к подводящей электросети через контрольно-измерительные устройства, расположенные в точках непосредственного присоединения к распределительной сети 0.4 кВ. При этом контрольно-измерительные устройства состоят из счетчика электроэнергии, блока управления, разделительного высокочастотного фильтра, первого электросетевого модема, подключенного непосредственно к распределительной сети 0.4 кВ и второго электросетевого модема, подключенного к линии электроснабжения потребителя. Информацию о потреблении электроэнергии передают от счетчика через второй электросетевой модем по подводящим проводам линии электроснабжения потребителя, которую принимают через третий электросетевой модем.
Недостатком указанного способа является необходимость в установке дополнительных устройств в месте непосредственного подключения к распределительной сети 0,4 кВ, что приводит к дополнительным затратам на монтаж и дальнейшее обслуживание пункта учета.
Известен также способ учета электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищений (RU №2445636, МПК G01R 11/00, опубл. 20.03.2012), заключающийся в том, что потребителей электроэнергии подключают через экранированный разделительный трансформатор, расположенный в заземленном корпусе, к контрольно-измерительным устройствам, расположенным в точках непосредственного присоединения к распределительной сети 0,4 кВ, состоящим из счетчика электроэнергии, блока управления, разделительного высокочастотного фильтра, первого электросетевого модема, подключенного непосредственно к распределительной сети 0,4 кВ, второго электросетевого модема, подключенного к линии электроснабжения потребителя, и третьего электросетевого модема, на который принимают информацию о потреблении электроэнергии.
Недостатком данного способа является наличие большого количества дополнительных устройств, в частности громоздкого разделительного высокочастотного фильтра.
Общие признаки заявляемого контроллера с известным техническим решением - обмен данными между счетчиками потребителей и контрольно-измерительным устройством происходит с помощью радиосигналов.
Из уровня техники также известно устройство для сбора и передачи информации со счетчиков электроэнергии с выдачей этой информации в беспроводную сеть ZigBee (см. int.spb.ru/products/zb-askue.ru.html). Известное устройство содержит интерфейс RS485, числоимпульсные входы для подключения счетчиков электроэнергии, радиомодуль ZigBee со встроенным микроконтроллером, схемы питания.
Общие признаки заявляемого контроллера с устройством для сбора и передачи информации - оба устройства работают в стандарте ZigBee, для обеспечения чего имеют общие аппаратные части: антенну и вход питания.
Недостатками устройства является невозможность подключения к сетям общего пользования и выявления мест несанкционированного подключения.
Технической задачей настоящей полезной модели является создание устройства простой конструкции, обеспечивающей возможность подключения к проводным и беспроводным сетям общего пользования и выявления мест несанкционированного подключения.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящей полезной модели, заключается в создании устройства с минимальным набором элементов, позволяющего работать в стандартах Zigbee и GSM и реализовывать функцию выявления мест несанкционированного подключения.
Учитывая сложность выделения общих существенных признаков настоящей полезной модели и выявленных технических решений, формула полезной модели составлена без разделения на ограничительную и отличительную части.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, с достижением заявленного технического результата, решается тем, что контроллер мониторинга врезок включает подключенный к электрической распределительной сети 0,4 кВ блок питания, процессорную плату, радиомодуль стандарта ZigBee для связи со счетчиками электрической энергии потребителей, содержащими радиомодули стандарта ZigBee, и радиомодуль стандарта GSM для связи с сервером центра сбора информации.
Введение радиомодулей стандартов Zigbee и GSM и последовательности их соединения позволяет обеспечить высокоскоростную передачу от счетчиков потребителей в контроллер мониторинга врезок текущих значений параметров электрической сети - напряжение, ток, мощность, измеренных счетчиком, для дальнейшего анализа полученных данных в контроллере мониторинга врезок по встроенному алгоритму.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого полезная модель явным образом не следует для специалиста электроизмерительной техники, показал, что оно неизвестно, а с учетом возможности промышленного изготовления контроллера мониторинга врезок, можно сделать вывод о его соответствии критериям патентоспособности.
Предпочтительный вариант исполнения предлагаемого технического решения описывается далее на основе представленного чертежа, где показана блок-схема контроллера мониторинга врезок.
Контроллер 1 мониторинга врезок включает подключенный к электрической распределительной сети 0,4 кВ блок питания 2, процессорную плату 3, радиомодуль 4 стандарта ZigBee для связи со счетчиками 5, 6 электрической энергии потребителей, содержащих радиомодуль стандарта ZigBee, и радиомодуль 7 стандарта GSM для связи с сервером 8 центра сбора информации, содержащим встроенный или внешний радиомодуль 9 стандарта GSM с подключенной внешней антенной 10.
Распределительная сеть 0,4 кВ населенного пункта с частными домовладениями состоит из трансформаторной подстанции 11, балансного счетчика электрической энергии 12, включенного через измерительные трансформаторы тока 13, отходящего фидера 14 от трансформаторной подстанции, однофазных и/или трехфазных потребителей, подключенных через абонентские счетчики 5 и 6. Счетчики 5, 6 и 12 электрической энергии - это стандартные счетчики, содержащие встроенные или внешние радиомодули стандарта ZigBee с подключенными антеннами 15.
Контроллер мониторинга врезок обеспечивает:
1. Сбор со счетчиков электрической энергии, содержащих встроенный или внешний радиомодуль стандарта ZigBee, измеренной счетчиком информации о текущих на данный момент времени параметрах электрической сети: напряжение, ток, мощность активная, мощность реактивная.
1.1. Отправка контроллером широковещательного запроса по радиосети ZigBee к встроенным или внешним радиомодулям стандарта ZigBee на считывание радиомодулями со счетчиков и сохранение во встроенной памяти значений напряжения, тока, мощности активной, мощности реактивной.
1.2. Считывание и сохранение во встроенной памяти радиомодулей значений, указанных в п. 1.1.
1.3. Последовательная отправка контроллером адресных запросов по радиосети ZigBee к встроенным или внешним радиомодулям стандарта ZigBee на передачу сохраненных радиомодулями значений, указанных в п. 1.1.
2. Занесение в память контроллера значений сопротивлений проводов распределительной сети 0,4 кВ на основе известных значений о длинах участков, материалов, из которых изготовлен провод, сечений проводов.
3. Вычисление по встроенному алгоритму на основе накопленных значений сопротивлений участков электрической сети.
3.1. Перевод контроллера в режим вычисления сопротивлений.
3.2. Выполнение считывания значений параметров электрической сети: напряжение, ток, мощность активная, мощность реактивная по алгоритму в п. 1
3.3. Фиксация каким-либо радиомодулем изменения тока нагрузки, измеренного счетчиком.
3.4. Вычисление на основании данных, считанных до изменения тока нагрузки и после изменения тока нагрузки сопротивления участка цепи, сохранение результатов.
4. Вычисление по методу узловых потенциалов токов, которые должны протекать через каждый из абонентских счетчиков электрической энергии. Сравнение вычисленных значений токов со значениями токов, измеренными каждым счетчиком электрической энергии.
5. В случае превышения допустимого порога несовпадения значений в п. 4 принятие решения о передаче на сервер центра сбора информации номеров счетчиков абонентов, у которых предполагается несанкционированное подключение к электрической сети.
Для реализации контроллера мониторинга врезок используют следующие известные стандартные промышленные или заказные изделия.
В качестве счетчика электрической энергии можно использовать любой электронный счетчик, позволяющий считывать измеренные значения напряжения, тока, мощности через цифровой выход, к которому может быть подключен внешний радиомодуль стандарта ZigBee, либо счетчик, содержащий встроенный радиомодуль стандарта ZigBee.
В качестве измерительных трансформаторов тока можно использовать любые трансформаторы тока, выпускаемые промышленностью, для преобразования тока в электрической сети переменного тока напряжением 0,4 кВ.
В качестве процессорной платы можно использовать любую процессорную плату, выпускаемую промышленностью для применения в компьютерах промышленного исполнения и содержащую как минимум два порта ввода-вывода, совместимых с радиомодулем стандарта ZigBee и радомодулем стандарта GSM. Плата должна содержать микроконтроллер, который можно запрограммировать соответствующим образом для обеспечения работы устройства. Например, такой вариант процессорной платы - http://platforms.prosoft.ru/products/brands/advantech/349926/418831/1652/507334.html.
В качестве радиомодуля стандарта ZigBee можно применить любой выпускаемый промышленностью радиомодуль стандарта ZigBee, например http://rexense.ecvery.com/products/other-telecommunications-products/p2206771/stm32w-enhanced-ieee-802-15-4-module-100mw-smd-line-of-sight-up-to-3000m.html. Радиомодуль должен содержать микроконтроллер, который можно запрограммировать соответствующим образом для обеспечения работы устройства.
В качестве радиомодуля стандарта GSM можно применить любой выпускаемый промышленностью радиомодуль стандарта GSM, совместимый с процессорной платой, например http://www.irz.net/sites/default/files/documentation/MC52i-485Gl_Datasheet_RU.pdf.
Работа контроллера мониторинга врезок осуществляется следующим образом.
Контроллер мониторинга врезок подключают к отходящей трехфазной силовой сети, к которой подключены абонентские приборы учета энергоресурсов (например, однофазные и трехфазные счетчики электроэнергии в жилых домах, содержащие встроенные или внешние радиомодули стандарта ZigBee).
Важным условием является наличие счетчиков электроэнергии у всех абонентов данной трехфазной сети, а также балансного счетчика электрической энергии. Все радиомодули должны быть включены и запрограммированы на работу в одной сети ZigBee. При обмене данными между контроллером и радиомодулем, расстояние до которого превышает допустимое по условиям затухания радиосигнала в среде передачи данных, осуществляется ретрансляция сигналов промежуточными радиомодулями, находящимися в зоне распространения сигнала.
Контроллер отправляет широковещательный запрос по радиосети ZigBee ко всем встроенным или внешним радиомодулям стандарта ZigBee на считывание радиомодулями со счетчиков и сохранение во встроенной памяти значений напряжения, тока, мощности активной, мощности реактивной. Радиомодули, приняв запрос, считывают со счетчика по протоколу обмена данными указанные значения и сохраняют их во встроенной памяти. Далее контроллер последовательно отправляет адресные запросы по радиосети ZigBee к встроенным или внешним радиомодулям стандарта ZigBee на передачу сохраненных радиомодулями значений, напряжения, тока, мощности активной, мощности реактивной. Радиомодули, приняв запрос, передают в контроллер указанные значения, а контроллер сохраняет их во встроенной памяти.
Получив данные со всех счетчиков электрической энергии, контроллер вычисляет по методу узловых потенциалов значения токов, которые должны протекать через каждый из абонентских счетчиков электрической энергии. Далее происходит сравнение вычисленных значений токов со значениями токов, измеренными каждым счетчиком электрической энергии. В случае превышения допустимого порога несовпадения значений токов принимается решения о передаче на сервер центра сбора информации номеров счетчиков абонентов, у которых предполагается несанкционированное подключение к электрической сети.
Для работы в контроллер мониторинга врезок должны быть записаны начальные значения и параметры. По выбору могут быть записаны сопротивлений проводов распределительной сети 0,4 кВ на основе известных значений о длинах участков, материалов, из которых изготовлен провод, сечений проводов. В процессе работы контроллера в связи с изменениями внешних условий - нагрев проводов, изменение сопротивления в местах скруток и соединений и т.д. требуется уточнение внесенных ранее значений. Это может быть сделано автоматически в режиме вычисления сопротивлений. При работе в этом режиме радиомодуль счетчика производит периодическое чтение значений напряжения, тока, мощности активной, мощности реактивной, сохраняя считанные значения во встроенной памяти. В случае скачкообразного изменения тока нагрузки, измеренные параметры до изменений и после изменения передаются в контроллер мониторинга врезок, где происходит вычисление сопротивления участка цепи и сохранение во встроенной памяти.
Также в контроллер записываются следующие начальные параметры: число абонентов и их тип - однофазный или трехфазный, логические адреса и заводские номера счетчиков абонентов, питающихся от данной распределительной сети, порог срабатывания при сравнении вычисленных и измеренных значений токов, периодичность и расписание перехода в режим вычисления сопротивлений, параметры связи с сервером для передачи результатов работы - номеров счетчиков абонентов, у которых предполагается несанкционированное подключение к электрической сети.