УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
POWER CONSUMPTION CONTROL UNIT

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано как на промышленных предприятиях, так и в административных зданиях для контроля за потреблением электроэнергии (ЭЭ) с целью ее экономии.
Электроэнергия W, потребляемая приемником, определяется по формуле:
где Р - активная мощность электроприемника;
t - время, на которое электроприемник подключен к сети;
U, I - действующие значения напряжения и тока;
φ - угол между векторами тока и напряжения, зависящий от характера нагрузки.
Количество потребленной ЭЭ измеряется в кВт·час. По значению потребленной ЭЭ можно определить ее стоимость С, зная действующий тариф Т на электроэнергию:
Очевидно, что значения U, cosφ, Т и t (на момент снятия показания счетчика ЭЭ) постоянны, т.е. и значение W, и значение С будут зависеть только от потребляемого тока I:
1
2
где К, К - постоянные коэффициенты, определяемые из (1) и (2).
Пусть заданы верхние границы по количеству потребляемой ЭЭ, а значит, и по количеству финансов для ее оплаты. Тогда необходимо соответствующими устройствами постоянно измерять количество потребленной ЭЭ за определенный фиксированный отрезок времени (например, за один месяц) и сравнивать его с заданным лимитированным значением, чтобы его не превысить.
Известны аналогичные устройства, позволяющие выполнять указанные операции, например, устройства для учета и контроля потребления электроэнергии [1, 2], однако, эти устройства имеют очень сложные технические решения.
Автоматическое устройство учета расхода электроэнергии [3] имеет ограничения по времени работы: учет расхода ЭЭ осуществляется только при предварительной оплате соответствующего количества ЭЭ. При отсутствии предварительной оплаты устройство вообще отключает потребители от сети. Кроме того, данное устройство также имеет сложное техническое решение.
В устройстве, реализующем «Способ измерения расхода электроэнергии, потребляемой от электрической сети, и электронный счетчик электроэнергии» [4], происходит измерение и сравнение единиц электроэнергии, что не всегда просто и удобно. Кроме того, и это устройство имеет довольно сложное техническое решение.
пр
л
л
пр
Намного проще определить предельно допустимое (максимальное) значение тока I, при котором текущие значения W и С не превысят свои лимитированные значения W и С за фиксированный отрезок времени. Из формулы (3) можно получить выражение для I.
п
пр
п
пр
п
пр
п
пр
Далее необходимо автоматически измерять текущее значение только потребляемого тока I и сравнивать его с заданным (вычисленным) предельным значением тока I. Если I<I, то, значит, количество потребленной ЭЭ не превысит заданного лимита. Если I≥I, то, очевидно, появляется вероятность того, что количество потребленной ЭЭ и ее стоимость превысят заданные лимиты. В этом случае необходимо отключить какие-то менее важные группы потребителей ЭЭ, чтобы вновь выполнялось условие I<I.
Именно так работает устройство контроля за потреблением электроэнергии [5].
Недостатком данного устройства является то, что при его срабатывании отключение некоторых потребителей электроэнергии и их обратное подключение осуществляется только вручную дежурным оператором, обслуживающим данное промышленное предприятие или административное здание. При этом возможны пропуски человеком времени отключения-включения потребителей.
В качестве прототипа взято устройство для контроля потребления ЭЭ [6], которое включает в себя блок автоматического отключения потребителей. Данный блок по сигналу с порогового устройства автоматически по соответствующему алгоритму производит отключение тех или иных групп потребителей.
Недостатком прототипа является то, что повторное включение потребителей электроэнергии осуществляется опять же дежурным персоналом, т.е. вручную. Это приводит к тому, что целые группы электропотребителей могут остаться обесточенными при несвоевременном их включении в сеть.
Целью изобретения является:
- автоматизация процесса контроля потребления электроэнергии, заключающееся только в автоматическом отключении и включении потребителей электроэнергии, что не будет приводить к перерасходу ЭЭ и повысит эффективность работы устройства в целом;
- внедрение в схемотехническое решение устройства узлов цифровой и программной обработки сигналов, что упростит процесс по дальнейшей модернизации устройства, даст возможность его гибкой настройки и наращивания дополнительных функций, а также позволит относительно легко внедрять данное устройство в различные автоматические системы контроля и учета электроэнергии, которые получают все большее распространение.
Поставленная цель достигается тем, что в состав устройства контроля потребления электроэнергии, наряду с трансформатором тока, выпрямительным устройством, задатчиком уровней напряжений, переключателем режимов работы, блоком автоматического отключения потребителей, автоматическими выключателями и индикатором, дополнительно введены блок автоматического включения потребителей и управляющее устройство, которое способно обеспечивать работу устройства в автоматическом режиме.
Принцип действия устройства контроля потребления электроэнергии поясняется фиг.1, на которой представлена его электрическая структурная схема, а на фиг.2, 3 представлены кривые (эпюры) изменения значений текущих напряжений во времени, поясняющие алгоритм работы управляющего устройства.
1
2
n
1
2
N
1
2
n
Устройство содержит токовый трансформатор (ТТ) 1, выпрямительное устройство (ВУ) 2, управляющее устройство (УУ) 3, задатчик уровней напряжений (ЗУН) 4, переключатель режимов работы (ПРР) 5, индикатор (И) 6, блок автоматического отключения потребителей (БАОП) 7, блок автоматического включения потребителей (БАВП) 8 и автоматические выключатели (АВ) S, S,.., S 9 (по числу электрических линий, по которым питаются различные группы потребителей электроэнергии). На схеме также показаны N различных групп потребителей ЭЭ 10 (в виде резисторов П, П,.., П). Каждая группа потребителей подключаются к электросети 11 с помощью соответствующего автоматического выключателя S, S,.., S. Группы потребителей могут отключатся-включатся и с помощью ручных автоматов, которые на схеме не показаны.
3
np
л
л
1
2
n
Вторичная обмотка трансформатора тока 1 (на схеме не показана) связана со входом выпрямительного устройства 2, выход которого подключен к первому входу управляющего устройства 3. Второй вход управляющего устройства связан с выходом задатчика уровней напряжений 4, с которого подаются заданные значения уровней постоянного напряжения = U, соответствующие заданным значениям предельного тока I, который, как было показано выше, пропорционален лимитированному значению W, или С. Выход управляющего устройства связан со входом переключателя режимов работы 5, первый выход которого подключен ко входу индикатора 6, а второй выход связан со входами блока автоматического отключения потребителей 7 и блока автоматического включения потребителей 8. Первые N выходов БАОП и БАВП связаны с соответствующими отключающими (включающими) входами автоматических выключателей S, S,.., S 9. Кроме того, второй вход БАВП связан с (N+1) выходом БАОП.
Устройство работает следующим образом.
3
np
До начала работы на устройстве устанавливается лимит потребления ЭЭ. При этом на задатчике уровней напряжений 4 фиксируется соответствующее этому лимиту постоянное напряжение = U, пропорциональное значению предельного тока I, получаемого из (4).
Вначале рассмотрим ручной режим работы. Для этого в переключателе режимов работы 5 необходимо выбрать нужный режим. При этом сигналы с управляющего устройства будут попадать только на вход индикатора.
N
т
Т
Т
З
Далее при подключении хотя бы одного любого потребителя 10 к сетевому фазному напряжению 11 (включается соответствующий автоматический выключатель S) по цепи начинает протекать переменный ток I. Во вторичной обмотке трансформатора тока 1 наводится пропорциональное этому току текущее переменное напряжение ~u, которое прикладывается ко входу выпрямительного устройства 2 и там выпрямляется. Выпрямленное постоянное напряжение = U будет также пропорционально протекающему в цепи току I. Управляющее устройство 3 представляет собой микроконтроллер, способный регистрировать аналоговые сигналы и производить их обработку, в данном случае сравнение двух постоянных напряжений: = U и заданного напряжения на выходе задатчика уровней напряжений = U.
Т
З
Если U<U, то на выходе управляющего устройства сигнал не возникнет и индикатор 6 не сработает. Это означает, что количество потребляемой ЭЭ не будет превышать лимитированного значения, пусть, по стоимости Сл.
2
3
n
Т
Т
З
При последовательном подключении выключателями S, S,, S других потребителей 10 значение текущего тока будет увеличиваться, а значит, будет увеличиваться и постоянное напряжение = U на выходе выпрямительного устройства. Если = U будет оставаться меньше U, то, аналогично, количество потребляемой ЭЭ не будет превышать соответствующего лимитированного значения.
Т
З
Если же при подключении потребителей напряжение = U станет равным или больше заданного значения напряжения = U, то управляющее устройство 3 сработает и на его выходе появится электрический сигнал, который проявится, например, свечением светодиода или (и) включением звукового сигнала в индикаторе 6. Данная ситуация означает, что при таком значении текущего тока в цепи потребление ЭЭ станет больше установленного лимита.
Т
З
В этом случае лицо, контролирующее потребление ЭЭ, должно принять решение: или отключить часть второстепенных потребителей ЭЭ до выполнения соотношения U<U, чтобы сэкономить деньги, или не отключать потребители, заведомо зная, что будет перерасход ЭЭ.
Рассмотрим автоматический режим работы. Для этого в переключателе режимов работы 5 необходимо выбрать соответствующий режим. При этом сигналы с управляющего устройства будут попадать не только на вход индикатора, но и на входы блока автоматического отключения потребителей и блока автоматического включения потребителей.
Т
Аналогично выпрямленное напряжение = U также будет пропорционально протекающему в цепи току I. В УУ значение напряжения переводится в цифровой код, удобный для считывания и дальнейшей обработки. Если напряжение на входе УУ, пропорциональное току потребления, не превысит заданного предельного значения, то управляющее устройство не сработает, что будет видно по индикатору 6.
При превышении текущим значением заданного значения на выходе УУ формируется управляющий сигнал, который поступает на вход БАОП. С первого из N выходов БАОП сигнал поступает на один из автоматических выключателей 9 и происходит отключение первой группы потребителей. С (N+1) выхода БАОП сигнал поступает на второй вход БАВП, передавая информацию об отключенной группе.
При снижении потребления ЭЭ ниже определенного уровня с выхода управляющего устройства через ПРР поступает сигнал на вход БАВП. С первого из N выходов БАВП сигнал поступает на автоматический выключатель отключенной группы потребителей и включает ее. Значение порогового напряжения для включения группы электропотребителей определяется с помощью программно заданного алгоритма сразу же после ее отключения, хранится в памяти УУ и удаляется из памяти УУ после включения данной группы. Оперирование значениями порогов включения для нескольких отключенных групп осуществляется также согласно программно заданного алгоритма работы управляющего устройства, что будет рассмотрено ниже.
Рассмотрим случай, когда по прошествии некоторого времени напряжение на входе УУ может снова превысить заданное значение, даже если одна или несколько групп потребителей уже были ранее отключены. Это может быть связанно с включением дополнительных электроприборов, принадлежащих к другим группам потребителей. Тогда на выходе УУ снова формируется сигнал, поступающий на БАОП. В результате будет отключена очередная группа потребителей для не превышения заданного уровня потребления электроэнергии. С (N+1) выхода БАОП информация об отключении очередной группы поступит на БАВП. Алгоритм отключения различных групп потребителей определяется их значимостью: сначала отключаются менее важные потребители.
При снижении электропотребления в контролируемой сети происходит включение отключенных ранее групп потребителей описанным выше способом. Включение производится в порядке, обратном порядку отключения.
Рассмотрим алгоритм работы УУ. Он определяется программой, записанной в управляющем устройстве, являющимся универсальным программируемым микроконтроллером, и поясняется фиг.2 и 3.
Т
З
Т
З
Управляющее устройство непрерывно сравнивает текущее значение = U, пропорциональное потреблению ЭЭ, с заданным значением = U, характеризующим предельный уровень электропотребления, при котором не происходит превышение заданного лимита потребления ЭЭ за определенный промежуток времени. Пока = U остается меньше = U на выходах УУ не образуется управляющих сигналов.
Т
З
М1
Откл1
В момент превышения напряжением = U заданного значения = U УУ фиксирует максимальное значение превышения порога и запоминает его как U (фиг.2). Затем на выходе УУ формируется сигнал к БАОП на отключение одной группы второстепенных потребителей. После отключения группы потребителей напряжение на входе УУ заметно снижается. УУ фиксирует (запоминает) величину этого напряжения как U. Затем программа автоматически рассчитывает порог включения этой же группы по формуле:
Вкл1
Т
З
Умышленное занижение порога включения первой группы потребителей U необходимо для того, чтобы при обратном включении группы текущее значение = U не превысило = U, что привело бы к постоянному включению (отключению) потребителей этой группы.
Вкл1
М1
З
Т
З
В формуле (5) U определяется разницей напряжений (U-U), которая характеризует значение перегрузки. Эта величина перегрузки представляет собой пиковое превышение = U над = U, на которое реагирует управляющее устройство.
Т
З
Вкл1
Т
Вкл1
З
Т
Вкл1
Вкл1
Т
З
С этого момента текущее значение напряжения = U будет сравниваться не только с заданным значением напряжения = U, но и с напряжением включения первой группы потребителей U. Другими словами = U окажется заключенным между U и = U При снижении = U ниже U на выходе УУ вырабатывается сигнал к БАВП на включение этой отключенной группы потребителей. После этого значение порога включения первой группы потребителей U обнуляется, а УУ возвращается в режим сравнения текущего значения напряжения = U только с = U.
Т
З
М2
Откл2
Если текущее значение = U после отключения первой группы потребителей снова превысит = U то УУ зафиксирует и запомнит это значение текущего напряжения как U (фиг.3). Произойдет повторное срабатывание БАОП и отключение второй группы потребителей. Аналогичным образом, сразу после отключения второй группы потребителей, происходит запоминание текущего значение напряжения в качестве U. Затем производится расчет порога включения второй группы потребителей по аналогичной формуле:
Вкл1
Вкл2
З
Это значение заносится в память УУ. Значение U так же остается в памяти, но исключается из процедуры сравнения напряжений. Теперь текущее значение напряжения заключено между U и = U и сравнивается исключительно с этими двумя значениями.
Т
Вкл2
Вкл2
Вкл1
Т
З
Bкл1
Когда текущее значение = U, пропорциональное току потребления, снизится ниже порога U, то УУ выдает сигнал на БАВП, после чего включается последняя (в нашем случае - вторая) отключенная группа потребителей. Значение U обнуляется и исключается из алгоритма сравнения напряжений. При этом значение U возвращается в процедуру сравнения напряжений, что дает возможность продолжить контроль за первой отключенной группой электропотребителей. Если же = U будет возрастать и снова превысит = U, тогда, по аналогии, будет отключена и вторая группа электропотребителей, а также будет рассчитан порог включения следующей (третьей) группы. Значения напряжений включения U, рассчитываются для каждой отключенной i-й группы и сохраняются в памяти:
Эти значения участвуют в процедуре оценки значений текущего напряжения и обнуляются после включения соответствующей группы, описанным выше способом.
Вкл1
З
После того как уровень потребления снизится ниже порога U, и все группы потребителей будут снова включены, УУ возвращается в режим сравнения текущего значения напряжения только с исходным заданным значением = U, введенным с ЗУН 4.
Вкл i
Откл i
Таким образом, согласно (7) напряжение, соответствующее порогу включения какой-либо группы U, всегда меньше значения напряжения U на некоторую величину Δ. Значение этой величины определяется как разность между пиковым значением напряжения в момент превышения заданного порога и значением самого порогового напряжения:
Откл i
З
Это позволяет избежать ситуации частого (вплоть до зацикливания) включения-отключения групп потребителей. Если бы порог включения соответствовал значению U, то малейшее снижение текущего напряжения привело бы к включению очередной группы. При этом нагрузка могла сразу же превысить заданное значение = U, что привело бы к новому отключению и т.д. Другими словами случайные перепады в сети, либо незначительное снижение энергопотребления приводили бы к не оправдано частому срабатыванию устройства на отключение-включение, что могло стать причиной выхода из строя некоторых электропотребителей.
Вкл i
Откл i
i
Благодаря тому, что U всегда меньше U. на величину Δ, вышеописанную проблему удается успешно разрешить.
Таким образом, предложенное устройство полностью исключает влияние человеческого фактора на процесс отключения-включения электропотребителей, что позволит существенно экономить электроэнергию.
Источники информации
1. Устройство для учета и контроля потребления энергии. Авторское свидетельство СССР №1538134, 1990.
2. Устройство для учета и контроля потребления электроэнергии. Патент РФ №2035820, 1995.
3. Автоматическое устройство учета расхода электроэнергии. Патент РФ №2231889, 2004.
4. Способ измерения расхода электроэнергии, потребляемой от электрической сети, и электронный счетчик электроэнергии. Патент РФ №2139547, 1999.
5. Устройство контроля за потреблением электроэнергии. Патент РФ №92197, 2010.
6. Устройство для контроля потребления электроэнергии. Патент РФ №2402023, 2010 (прототип).