УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УЧЁТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, ПОТРЕБЛЯЕМОЙ И РЕКУПЕРИРОВАННОЙ ТРАНСПОРТНЫМ СРЕДСТВОМ, И ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ИНФОРМАЦИОННОЙ СЕТЕЙ
DEVICE FOR AUTOMATIC ACCOUNTING OF VEHICLE CONSUMED AND RECUPERATED POWER, AND PARAMETERS OF ELECTRIC AND INFORMATION NETWORKS OPERATION

Изобретение относится к области учета потребляемой электроэнергии и предназначено для использования на транспортном средстве в составе измерительного комплекса автоматизированного учета электроэнергии и параметров работы транспортных средств. Такие комплексы автоматически в режиме реального времени осуществляют измерение, накопление и передачу на удаленный сервер единой системы мониторинга информации о значениях потребленной и рекуперированной электроэнергии, типе электрической сети, текущих значениях силы тока и напряжения, моментальных значениях потребленной и рекуперированной электроэнергии, расчетных энергетических параметрах и других параметрах, в электрических сетях постоянного и переменного тока, дополнительной информации о конфигурации информационной сети, с привязкой накопленной информации ко времени и измеренным значениям скорости и географическим координатам транспортного средства.
Измерительный комплекс предназначен для установки на пассажирских и багажных вагонах. Устройство может быть использовано на электровозах постоянного и переменного тока и других железнодорожных транспортных средствах; на подвижных единицах городского общественного транспорта: вагоны метро, трамваи и троллейбусы.
Наиболее близким аналогом данного изобретения является универсальный электронный счетчик для учета электрической энергии на электроподвижном составе постоянного и переменного тока, предназначенный для установки на электровозах (Патент на полезную модель №97829, МПК G01R 11/00 B60L 3/00, опубл. 20.09.2010 г.).
Указанная полезная модель представляет собой счетчик электроэнергии, состоящий из модуля первичной обработки информации (МПОИ), соединенный по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) с модулем вторичной обработки информации (МВОИ), который в свою очередь по интерфейсу подключен к модулям радиосвязи УКВ, сотовой связи GPRS и GPS/ГЛОНАСС. Питание счетчика осуществляется с помощью изолированного источника питания.
Сигналы от датчиков тока напряжения поступают в МПОИ, который преобразует их в соответствующие цифровые сигналы и передает по ВОЛС в МВОИ для дальнейшей обработки, архивации, регистрации, вывода на цифровой дисплей и передачи на стационарные устройства сбора данных.
С помощью модуля GPS/ГЛОНАСС определяется время и месторасположение транспортного средства, что позволяет производить учет электроэнергии с учетом временных и тарифных зон.
Для учета электроэнергии постоянного и переменного тока входные цепи МПОИ выполнены по дифференциальной схеме с применением усилителей с программируемым коэффициентом усиления. Счетчик имеет два различных алгоритма, по которым ведется учет электроэнергии. По каналу измерения тока счетчик подключается к измерительному трансформатору тока в случае работы с переменным током или к токовому шунту в случае работы с постоянным током. Шунт может быть установлен как в цепи заземления, так и под высоким потенциалом. По каналу напряжения счетчик подключается к делителю напряжения при работе с напряжением постоянного и переменного тока.
К недостаткам данного устройства относится:
- невозможность измерения потребленной и рекуперированной электроэнергии одновременно в цепях постоянного и переменного тока без изменения схемы подключения счетчика;
- отсутствие автоматического определения типа электрической сети;
- отсутствие возможности непосредственного подключения счетчика к цепи высокого напряжения;
- наличие дополнительной температурной погрешности измерения энергии в диапазоне рабочих температур счетчика (обуславливается отсутствием системы термостатирования МПОИ или всего счетчика в целом);
- не определено конструктивное исполнение счетчика, что является существенным для конечного результата измерений, определяемого классом точности счетчика.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка компактного автоматического устройства, позволяющего выполнять измерение и накопление электроэнергии одновременно (без изменения схемы подключения) в сетях постоянного и переменного тока номинальным значением напряжения 3000 В с классом точности 0,2S или 0,5S, используемой для собственных нужд, измерения скорости, высоты и географических координат вагона, определения диагностической информации о состоянии электрической и информационной сетей вагона и передачи этой информации на удаленный сервер по каналам сотовой связи GSM 800/1900.
Данная задача решается за счет того, что разработано устройство для автоматического учета электроэнергии, потребленной и рекуперированной транспортным средством, и параметров работы электрической и информационной сетей, содержащее двунаправленный счетчик электроэнергии, который по каналу напряжения непосредственно подключается к линии высокого напряжения, а по каналу тока с помощью измерительного токового шунта к электрической сети транспортного средства, содержащий измерительный модуль, снабженный детектором переходов через нуль, встроенную энергонезависимую память, управляющий вход которой подключен к процессору счетчика электроэнергии, взаимосвязанному с измерительным блоком, блок мобильной связи со встроенной энергонезависимой памятью, подключенной к процессору блока мобильной связи, связанному с процессором счетчика электроэнергии и информационной сети транспортного средства.
Блок мобильной связи имеет совмещенную GSM и GPS/ГЛОНАСС антенну.
Счетчик электроэнергии содержит систему термостатирования и размещен в едином, электрически изолированном, пыле- и влагозащищенном корпусе из негорючего пластика.
Блок мобильной связи и счетчик электроэнергии связаны между собой по интерфейсу CAN.
Структурная схема предлагаемой полезной модели измерительного комплекса автоматического учета электроэнергии и параметров работы электрической сети представлена на Рис. 1. Поставщик электроэнергии (1) через контактную электрическую сеть (2) подает электропитание в высоковольтную сеть (4) транспортного средства (2), питая потребители (3) транспортного средства (вагон, электровоз, троллейбус, трамвай и т.п.). Транспортное средство для учета электроэнергии оборудуется измерительным комплексом (6) в следующем составе: устройство для автоматического учета электроэнергии, потребляемой транспортным средством, содержащее счетчик (7) со встроенной энергонезависимой памятью, шунт (8), блок мобильной связи (9) со встроенной энергонезависимой памятью, процессором и совмещенной GSM и GPS/ГЛОНАСС антенной (15) и индикатор (10) (поставляется опционально, по требованию заказчика). Измерительный комплекс, используя устройство для автоматического учета электроэнергии, потребляемой транспортным средством, содержащее счетчик электроэнергии и блок мобильной связи, автоматически в режиме реального времени измеряет, обрабатывает, накапливает и передает информацию о значениях потребленной и рекуперированной электроэнергии, типе электрической сети, текущих значениях силы тока и напряжения, моментальных значениях потребленной и рекуперированной электроэнергии, расчетных энергетических параметрах и других параметрах электрической сети, скорости и географических координатах транспортного средства, дополнительную информацию о конфигурации информационной сети на удаленный сервер (12) единой системы мониторинга (13). В случае отсутствия покрытия мобильной связью зоны местонахождения транспортного средства (2), информация о потребленной электроэнергии накапливается во внутренней энергонезависимой памяти счетчика (7), информация о типе электрической сети, текущих значениях силы тока и напряжения, моментальных значениях потребленной и рекуперированной электроэнергии, расчетных энергетических параметрах и других параметрах электрической сети, скорости и географических координатах транспортного средства, дополнительная информация о конфигурации информационной сети обрабатывается процессором блока мобильной связи (9) и сохраняется во внутренней энергонезависимой памяти блока мобильной связи (9). При возобновлении зоны покрытия мобильной связи (наличие устойчивого сигнала мобильной сети) процессор блока мобильной связи (9) дает команду на передачу информации, накопленной в энергонезависимой памяти блока мобильной связи и счетчика электроэнергии, на удаленный сервер. Также эта информация может быть получена по запросу с удаленного сервера (12) единой системы мониторинга (13).
При необходимости визуального контроля и считывания оператором данных передаваемых измерительным комплексом, он может оборудоваться отдельным индикатором (10), подключаемым к счетчику (7) и блоку мобильной связи (9) через информационную сеть (14).
В устройстве для автоматического учета электроэнергии, потребленной и рекуперированной транспортным средством, и параметров работы электрической и информационной сетей используется счетчик электроэнергии, который также включает в себя гальванически развязанные измерительный модуль и процессор счетчика электроэнергии (модуль центрального процессора или микроконтроллера), обменивающиеся между собой цифровыми данными, и питающиеся от гальванически развязанного источника питания. Измерительный шунт так же может быть установлен в цепи заземления, так и под высоким потенциалом. В отличие от полезной модели, описанной в патенте №97829, МПК G01R 11/00 B60L 3/00, гальваническая развязка измерительного модуля и процессора осуществляется с помощью трансформатора с высоковольтной изоляцией. Измерительный модуль автоматически преобразует напряжение и ток на входе счетчика в поток цифровых данных и передает их в процессор. Определение типа электрической сети и выбор режима работы счетчика (постоянный или переменный ток) выполняется измерительным модулем автоматически с помощью детектора переходов через нуль, который измеряет период входного напряжения и делает вывод о типе сети, на основе которого изменяется алгоритм работы счетчика. При этом схема подключения счетчика при измерении потребленной и рекуперированной электроэнергии в сетях постоянного и переменного тока номинальным значением 3000 В остается неизменной. Данное техническое решение применяется на пассажирских и багажных вагонах для учета потребленной электроэнергии постоянного и переменного тока используемой для собственных нужд. Счетчик является двунаправленным и позволяет в случае необходимости учитывать энергию прямого и обратного направления, т.е. потребленную и рекуперированную (актуально для электровозов и другой техники оснащенной системой рекуперации электроэнергии).
Кроме того, измерительный ввод счетчика по напряжению непосредственно подключается в цепь высокого напряжения, что позволяет исключить погрешность измерения потребленной и рекуперированной энергии за счет изменения методики измерения. При таком подключении измерения тока и напряжения проходят в первичной высоковольтной обмотке, в отличие от принятого сейчас в большинстве случаев на электровозах метода измерения тока в первичной обмотке, а напряжения во вторичной обмотке высоковольтного трансформатора.
Измерительный модуль счетчика измеряет диагностические данные о типе электрической сети, текущие значения силы тока и напряжения, моментальные значения потребленной и рекуперированной электроэнергии и передает их в модуль центрального процессора для обработки и передачи. Центральный процессор счетчика связан со встроенной энергонезависимой памятью счетчика, что позволяет постоянно сохранять и накапливать данные о потребленной энергии постоянного и переменного тока. Диагностические данные о типе электрической сети, текущие значения силы тока и напряжения, моментальные значения потребленной и рекуперированной электроэнергии, расчетные энергетические параметры, а также данные о потребленной энергии по информационной сети передаются в процессор блока мобильной связи, где они обрабатываются, накапливаются и передаются по каналу сотовой связи GSM, GPRS на удаленный сервер. Блок мобильной связи на основании сигналов, получаемых по каналам сотовой связи GSM, GPRS и GPS/ГЛОНАСС приемника, осуществляет привязку полученных данных ко времени и измеренным значениям скорости и географическим координатам транспортного средства. В случае отсутствия покрытия мобильной связью зоны местонахождения транспортного средства и невозможности передачи данных на удаленный сервер диагностические данные о типе электрической сети, текущие значения силы тока и напряжения, моментальные значения потребленной и рекуперированной электроэнергии, расчетные энергетические параметры, дополнительная информация о конфигурации информационной сети с привязкой накопленной информации ко времени и измеренным значениям скорости и географическим координатам транспортного средства накапливаются в энергонезависимой памяти блока мобильной связи. Блок мобильной связи позволяет передавать информацию по командам запроса, поступающим по каналу сотовой GSM связи, с удаленного сервера. Измерительный комплекс автоматически в режиме реального времени измеряет, накапливает и при нахождении транспортного средства в зоне покрытия мобильной связи передает информацию на удаленный сервер. Реализация такого алгоритма работы обеспечивается центральным процессором счетчика и процессором блока мобильной связи с помощью согласованного протокола обмена по интерфейсу CAN 2.0 и каналу сотовой связи GSM, GPRS.
Особенностью счетчика в составе измерительного комплекса также является отсутствие дополнительной температурной погрешности в диапазоне рабочих температур от минус 50 до плюс 60°C благодаря конструктивному решению: измерительный модуль помещен во встроенный в счетчик термостат с системой автоматического подержания оптимальной рабочей температуры. Счетчик имеет компактный электрически изолированный, пыле- и влагозащищенный корпус, выполненный из негорючего пластика, в котором скомпонованы: измерительный модуль, модуль центрального процессора, подключены измерительные вводы тока и напряжения, соединители внешнего питания, поступающего от бортовой сети транспортного средства, и внешнего интерфейса.
Такое конструктивное решение позволяет располагать счетчик непосредственно у источника высокого напряжения, например, в неотапливаемых высоковольтных подвагонных ящиках или высоковольтной камере электровоза, и по интерфейсу передавать информацию в блок мобильной связи и для отображения на индикатор.
Примененные технические решения позволили реализовать измерение электроэнергии в цепях постоянного и переменного тока с классом точности 0,2S или 0,5S.
В счетчике электроэнергии обеспечивается поддержание постоянной рабочей температуры измерительного модуля счетчика и исключения дополнительной температурной погрешности измерений.
Использование детектора перехода через нуль обеспечивает автоматическое определение типа электрической сети, в которой работает счетчик (постоянный или переменный ток) и позволяет вести учет электроэнергии без изменения схемы подключения счетчика.
Использование двунаправленного счетчика электроэнергии и обеспечивает измерение энергии как потребленной, так и рекуперированной.
Использование единого, электрически изолированного, пыле- и влагозащищенного корпуса, выполненного из негорючего пластика, позволяет его устанавливать в необогреваемых помещениях непосредственно у источника высокого напряжения.