СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ДВУХПРОВОДНЫХ СЕТЯХ С ЗАЩИТОЙ ОТ ХИЩЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR ELECTRIC POWER MEASUREMENT IN TWO-CONDUCTOR NETWORKS WITH ANTITHEFT PROTECTION AND MEASUREMENT DEVICE

Предлагаемые способ и устройство относятся к электроизмерительной технике и могут быть использованы для измерения электрической энергии в цепях переменного тока для целей коммерческого учета и обнаружения факта и вида хищения электроэнергии.
До настоящего времени основным средством измерения электрической энергии у однофазных потребителей являются индукционные счетчики, содержащие преобразователь мощности во вращательное движение подвижной системы и счетчик числа оборотов, причем цепи тока и напряжения преобразователя включены последовательно с прямым (фазным) проводом и параллельно цепи нагрузки. Эти счетчики чувствительны к направлению мощности и при отсутствии стопора обладают свойством реверсивности. Показание таких счетчиков можно уменьшить, заставив диск вращаться в другую сторону (Седов П.Г. Счетчики электрической энергии. - М.-Л.: ГЭИ, 1933).
Известно также большое количество счетчиков электрической энергии статической системы, содержащих преобразователи тока и напряжения, преобразователи мощности в частоту импульсного сигнала и счетчик импульсов с отсчетным устройством. Преобразователь тока нагрузки этих счетчиков включен на ток одного, как правило, прямого (фазного) провода нагрузки, а преобразователь мощности в частоту импульсного сигнала работоспособен только для одного направления мощности нагрузки (авт. свид. СССР №1129526, G01R 11/00, 1984).
Недостатком этого способа и устройств, его реализующих, является низкая защищенность результата измерения. Поскольку для построения нереверсивных электронных счетчиков электрической энергии используют однополярное преобразование мощности в частоту импульсного электрического сигнала, то при изменении направления тока это преобразование прекращается, в индукционных счетчиках при этом изменяется направление вращательного движения. У потребителя энергии имеется возможность создать такие режимы работы счетчика подключением индукционных закороток, чтобы приостановить накопление показаний измеренной энергии или даже уменьшить это показание.
У индивидуальных домовладельцев в большом ходу так называемые «отмотчики», изменяющие направление счета. Кроме того, в трехфазных цепях с заземленной нейтралью имеется возможность использовать искусственно или естественно заземленные предметы в качестве обратного провода. В этом случае серийно выпускаемый счетчик эту часть однофазной нагрузки не учитывает.
Известны также способ и устройство измерения электрической энергии в двух проводных сетях (патент РФ №2077062, G01R 22/00, 2002), в которых формируют сигнал мгновенной мощности тока фазного провода, формируют сигнал мгновенной мощности тока нулевого провода, определяют модуль разности этих сигналов, определяют модуль суммы этих сигналов, формируют сигнал мощности нагрузки в виде суммы модулей разности мгновенных мощностей указанных токов, полученный сигнал преобразуют в частоту импульсов и подают на индикацию.
Недостатком данных способа и устройства является слабая защита результата измерения от хищения электроэнергии, так как они не предусматривают возможности установления вида хищения, примененного недобросовестным потребителем, и не защищают от такого распространенного среди индивидуальных застройщиков вида хищения, как подключение нагрузки между счетчиком и вводом в строение.
Известны также способы и устройства измерения электрической энергии в двух проводных сетях с защитой от хищения (авт. свид. СССР №1580259; патенты РФ №№2087918, 2212673, 2280256; патент Германии №2227846 и другие).
Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищения и устройство для его осуществления» (патент РФ №2280256, G01R 11/24, 2005), которые и выбраны в качестве базовых объектов.
Указанные способ и устройство основаны на формировании сигналов мгновенной мощности токов нулевого провода и токов фазового провода, замеренных до и после ввода в строение питающей линии, математической обработке этих сигналов, сравнении величин полученных сигналов, причем для вычисления потребленной электроэнергии выбирают наибольшую из них, а по соотношению величин всех полученных сигналов судят о виде хищения.
Базовые технические решения обеспечивают дальнейшее совершенствование защиты результата измерения потребляемой электроэнергии от недобросовестного потребителя, обеспечивают измерение потребляемой электроэнергии в полном объеме, а также позволяют контролирующим организациям выявлять наличие и вид хищения.
пр
с
з
Однако на пункте контроля известных технических решений одно и то же значение промежуточной частоты ω может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах: ω и ω, т.е.
пр
с
г
пр
г
з
ω=ω-ω и ω=ω-ω,
г
где ω - частота гетеродина.
с
з
пр
г
Следовательно, если частоту настройки ω принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота ω которого разнесена от основного канала приема на удвоенное значение промежуточной частоты 2ω и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты ω гетеродина (фиг.5).
пр
Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования К, что и по основному каналу приема, поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость приемника.
Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (канал прямого прохождения, комбинационные и интермодуляционные каналы) каналы приема.
пр
п
пр
Если несущая частота помехи равна промежуточной частоте ω, то образуется канал прямого прохождения (ω=ω). Для данной помехи элементы приемника выполняют функцию простых передаточных звеньев.
1
2
п1
п
п
Если два или более мощных сигнала, например, на частотах ω и ω, одновременно попадают в полосу частот Δω, расположенную «слева» от полосы пропускания Δω приемника, то они на нелинейных элементах образуют множество ложных сигналов (интермодуляционных помех), некоторые из которых попадают в полосу пропускания Δω приемника (фиг.6).
3
4
п2
п
п
Если два или более мощных сигнала, например, на частотах ω и ω, одновременно попадают в полосу частот Δω, расположенную «справа» от полосы пропускания Δω приемника, то они на нелинейных элементах также образуют множество ложных сигналов (интермодуляционных помех), некоторые из которых попадают в полосу пропускания Δω приемника (фиг.7).
В общем случае интермодуляционные частоты определяются выражениями:
1
2
mn
3
4
mn
m·ω±n·ω=ω, m·ω±n·ω=ω.
пр
Использование высокоизбирательных кварцевых фильтров на промежуточной частоте ω, улучшая избирательность по соседним каналам, способно помочь в подавлении помехи от одного мощного внеполосного сигнала, но бессильно помочь в подавлении интермодуляционных помех.
Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, приводит к снижению помехоустойчивости и достоверности передачи информации о потребляемой электроэнергии, наличии, виде и времени ее хищения.
Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности передачи информации о потребляемой электроэнергии, наличии, виде и времени ее хищения путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам.
п1
п
п2
п
Поставленная задача решается тем, что способ измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищения, заключающийся в соответствии с ближайшим аналогом, в формировании сигналов мгновенной мощности токов фазного и нулевого проводов, математической обработки этих сигналов и сравнении результатов обработки, по которым судят о факте хищения и о количестве потребленной энергии, при этом формируют сигнал мгновенной мощности тока фазного провода, измеренного до ввода в строение, сравнивают величины полученных сигналов, выбирают наибольшую из них и используют для вычисления потребленной электроэнергии, а по состоянию величин всех полученных значений мгновенных мощностей судят о виде хищения, формируют модулирующий код, содержащий код потребителя, количество потребленной электроэнергии, вид и время хищения, манипулируют по фазе гармоническое колебание в соответствии с модулирующим кодом, усиливают по мощности сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией, излучают его в эфир, на пункте контроля осуществляют поиск сигналов в заданном диапазоне частот путем перестройки частоты гетеродина, преобразуют по частоте принимаемый сигнал с использованием частоты гетеродина, выделяют первое напряжение промежуточной частоты, удваивают его фазу, измеряют ширину спектра принимаемого сигнала на основной и удвоенной промежуточной частоте, сравнивают их между собой и в случае значительного отличия устанавливают факт обнаружения сложного сигнала с фазовой манипуляцией, перемножают обнаруженный сложный сигнал с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте с опорным напряжением промежуточной частоты, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, регистрируют его и одновременно перемножают с принимаемым сложным сигналом с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют гармоническое колебание и используют его в качестве опорного напряжения, отличается от ближайшего аналога тем, что полезный сигнал, принимаемый по основному каналу, преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина, сдвинутого по фазе на 90°, выделяют второе напряжение промежуточной частоты, сдвигают его по фазе на 90°, суммируют с первым напряжением промежуточной частоты, полученное первое суммарное напряжение перемножают с принимаемым полезным сигналом, выделяют гармоническое напряжение на частоте гетеродина, детектируют его и используют продетектированное напряжение для разрешения дальнейшей обработки принимаемого полезного сигнала, ложный сигнал (помеху), принимаемый по зеркальному каналу, преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина и напряжения гетеродина, сдвинутого по фазе на 90°, выделяют третье и четвертое напряжения промежуточной частоты соответственно, четвертое напряжение промежуточной частоты сдвигают по фазе на 90° и суммируют с третьим напряжением промежуточной частоты, компенсируя его, ложный сигнал (помеху), принимаемый по первому комбинационному каналу, преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина и напряжения гетеродина, сдвинутого по фазе на 90°, выделяют пятое и шестое напряжения промежуточной частоты соответственно, шестое напряжение промежуточной частоты сдвигают по фазе на 90° и суммируют с пятым напряжением промежуточной частоты, компенсируя его, ложный сигнал (помеху), принимаемый по второму комбинационному каналу, преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина и напряжения гетеродина, сдвинутого по фазе на 90°, выделяют седьмое и восьмое напряжения промежуточной частоты, восьмое напряжение сдвигают по фазе на 90° и суммируют с седьмым напряжением промежуточной частоты, полученное второе суммарное напряжение перемножают с принимаемым ложным сигналом (помехой), образуют гармоническое напряжение на второй гармонике частоты гетеродина, которое на попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра, подавляя тем самым ложный сигнал (помеху), принимаемый по второму комбинационному каналу, выделяют ложный сигнал (помеху), принимаемый по каналу прямого прохождения, инвертируют его по фазе на 180° и суммируют с принимаемым ложным сигналом (помехой), компенсируя его, выделяют два или более ложных сигналов (помех), попадающих в полосу частот Δω, расположенную «слева» от полосы пропускания Δω приемника и попадание в которую способно привести к образованию интермодуляционных помех, инвертируют их по фазе на 180° и суммируют с принимаемыми ложными сигналами (помехами), компенсируя их, выделяют два или более ложных сигналов (помех), попадающих в полосу частот Δω, расположенную «справа» от полосы пропускания Δω приемника и попадание в которую способно привести к образованию интермодуляционных помех, инвертируют их по фазе на 180° и суммируют с принимаемыми ложными сигналами (помехами), компенсируя их.
Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищений, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, датчик тока нулевого провода, выход которого подключен к первому входу первого перемножителя, датчик тока фазного провода, выход которого подключен к первому входу второго перемножителя, дополнительный датчик тока фазного провода, включенный в фазный провод до ввода двухпроводной питающей сети в строение, дополнительный перемножитель и пункт контроля, при этом вторые входы первого и второго перемножителей соединены с выходом датчика напряжения нагрузки, выходы перемножителей соединены с соответствующими входами блока математической обработки сигналов датчиков, первый выход которого соединен с индикатором результата измерений, выход дополнительного датчика тока фазного провода соединен с первым входом дополнительного перемножителя, второй вход которого подключен к выходу датчика напряжения нагрузки, выход дополнительного перемножителя соединен с соответствующим входом блока математической обработки сигналов датчиков, второй выход которого подключен к входу блока дополнительной передачи информации, пункт контроля состоит из последовательно включенных приемной антенны и усилителя высокой частоты, последовательно включенных блока поиска, гетеродина, первого смесителя и первого усилителя промежуточной частоты, последовательно включенных удвоителя фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом первого анализатора спектра, порогового блока, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, первого ключа, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, первого узкополосного фильтра, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого ключа, фильтра нижних частот и блока регистрации, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено вторым и третьим узкополосными фильтрами, тремя фазоинверторами, четырьмя сумматорами, двумя фазовращателями на 90°, вторым смесителем, вторым усилителем промежуточной частоты, третьим перемножителем, амплитудным детектором и вторым ключом, причем к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены второй узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, первый полосовой фильтр, второй фазоинвертор, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, второй полосовой фильтр, третий фазоинвертор, третий сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, второй смеситель, второй вход которого через первый фазовращатель на 90° соединен с вторым выходом гетеродина, второй усилитель промежуточной частоты, второй фазовращатель на 90°, четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора, третий узкополосный фильтр, амплитудный детектор и второй ключ, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, а выход подключен к входам первого анализатора спектра и удвоителя фазы и к второму входу первого ключа, второй вход первого смесителя соединен с выходом третьего сумматора.
Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1 и 2. Структурная схема пункта контроля представлена на фиг.3. Временные диаграммы, поясняющие работу пункта контроля, изображены на фиг.4. Частотные диаграммы, поясняющие принцип образования дополнительных каналов приема, представлены на фиг.5, 6 и 7. Виды хищения электроэнергии иллюстрируются таблицей.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит датчик 1 тока фазного провода, датчик 2 тока нулевого провода, датчик 3 тока фазного провода, включенного в фазный провод до ввода в строение, датчик 4 напряжения нагрузки, включенный параллельно нагрузке 5. Датчик 3 устанавливают на воздушной линии так, чтобы его можно было видеть с улицы. Выходы датчиков 1, 2, 3 соединены с первыми входами перемножителей 6, 7, 8, на вторые входы которых заведен сигнал с выхода датчика 4 напряжения. Выходы перемножителей 6, 7, 8 соединены с соответствующими входами блока 9 математической обработки, выходы которого соединены с индикатором 10 и блоком 11 дистанционной передачи информации.
При этом блок 11 дистанционной передачи информации выполнен в виде последовательно подключенных к второму выходу блока 9 математической обработки формирователя 12 модулирующего кода, фазового манипулятора 14, второй вход которого соединен с выходом генератора 13 высокой частоты, усилителя 15 мощности и передающей антенны 16.
Пункт контроля содержит последовательно включенные приемную антенну 17, усилитель 18 высокой частоты, второй узкополосный фильтр 37, первый фазоинвертор 38, первый сумматор 39, второй вход которого соединен с выходом усилителя 18 высокой частоты, первый полосовой фильтр 40, второй фазоинвертор 41, второй сумматор 42, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора 39, второй полосовой фильтр 43, третий фазоинвертор 44, третий сумматор 45, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, первый смеситель 19, второй вход которого через гетеродин 21 соединен с выходом блока 20 поиска, первый усилитель 22 промежуточной частоты, четвертый сумматор 50, третий перемножитель 51, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора 45, третий узкополосный фильтр 51, амплитудный детектор 53, второй ключ 54, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора 50, удвоитель 25 фазы, второй анализатор 26 спектра, блок 27 сравнения, второй вход которого через первый анализатор 24 спектра соединен с выходом второго ключа 54, пороговый блок 28, второй вход которого через линию 29 задержки соединен с его выходом, первый ключ 30, второй вход которого соединен с выходом второго ключа 54, первый перемножитель 32, второй вход которого соединен с выходом фильтра 37 нижних частот, первый узкополосный фильтр 34, второй перемножитель 33, второй вход которого соединен с выходом первого ключа 30, фильтр 35 нижних частот и блок 36 регистрации. К выходу третьего сумматора 45 последовательно подключены второй смеситель 47, второй вход через первый фазовращатель 46 на 90° соединен с вторым выходом гетеродина 21, второй усилитель 48 промежуточной частоты и второй фазовращатель 49 на 90°, выход которого соединен с вторым входом четвертого сумматора 50.
Анализаторы 24 и 26 спектра, удвоитель 25 фазы, блок 27 сравнения, пороговый блок 28 и линия 29 задержки образуют обнаружитель (селектор) 23 фазоманипулированного (ФМн) сигнала.
Перемножители 32 и 33, узкополосный фильтр 34 и фильтр 35 нижних частот образуют демодулятор 31 ФМн-сигнала.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.
Датчики 1, 2, 3 токов формируют сигналы, пропорциональные току нулевого провода и токам в фазном проводе до ввода в строение и после ввода в строение. Из этих сигналов, а также из выходного сигнала датчика 4 напряжения с помощью перемножителей 6, 7, 8 формируются сигналы мгновенной мощности токов нулевого провода и фазного провода, замеренного в разных местах. Блок 9 математической обработки, который может быть спроектирован на базе любого микропроцессора, сигналы от перемножителей 6, 7, 8 переводит в цифровой код, анализирует значения мгновенных мощностей, выбирает перемножитель, от которого поступает в данный момент наибольший по модулю сигнал, проводит суммирование сигналов от выбранного перемножителя для определения количества потребленной электроэнергии. Одновременно блок 9 математической обработки проводит анализ соотношений величин сигналов от перемножителей 6, 7, 8 и в соответствии с той или иной комбинационной величины этих сигналов выводит на соответствующий выход сигнал о том или ином виде хищения. Сигналы о потребленной электроэнергии, а также сигналы о виде хищения и времени фиксации факта хищения поступают на индикатор 10, который высвечивает названную информацию, а также на блок 11 дистанционной передачи информации.
Различные схемы хищений приведены на фиг.2. Комбинации сигналов на входе блока 9 математической обработки, соответствующие видам хищения, приведены в таблице.
Позиция 1 таблицы соответствует случаю, когда хищения отсутствуют, токи в фазном и нулевом проводах соответствуют норме, сигналы от всех датчиков равны.
н1
н1
Позиция 2 таблицы соответствует случаю, когда идет хищение электроэнергии за счет скрытого подключения R между вводом в строение и счетчиком. При этом ток протекает по цепи: фазный провод, датчик 3, R, датчик 1, нагрузка 5, датчик 2, нулевой провод. При этом через датчик 3 протекает больший по величине ток, чем через датчики 1 и 2. Поэтому блок 9 математической обработки для подсчета потребленной энергии выбирает канал датчика 3 с перемножителем 6, а также на соответствующем выходе выставлен код упомянутого вида хищения.
н2
Позиция 3 таблицы соответствует случаю, когда имеет место хищение путем заземления нагрузки (подключение R, фиг.2), либо появился ток утечки на землю более 25 мА в результате неисправности электропроводки. Можно показать аналогично предыдущему случаю, что через датчик 3 протекает ток большей величины, чем через датчики 1 и 2. Для подсчета потребленной электроэнергии используется сигнал канала датчика 3. Комбинация величин сигналов датчиков 1, 2, 3 будет другая и индикация об этом виде хищения или неисправности появится на другом выходе блока 9 математической обработки.
н3
Позиция 4 таблицы соответствует случаю, когда имеет место хищение электроэнергии со сменой фаз до счетчика и заземление нагрузки подключением R (фиг.2). Теперь большую величину будут иметь токи в цепи датчиков 2 и 3, которая будет использована блоком 9 математической обработки для подсчета потребленной электроэнергии, а комбинация величин сигналов датчиков 1, 2, 3 активизирует соответствующий выход блока 9 математической обработки.
н4
Позиция 5 таблицы соответствует случаю, когда подключенные электроприборы неисправны и имеет место ток утечки (условно R, фиг.2). Для учета потребленной мощности используется сигнал датчика 1 или 3, индикация вида хищения на соответствующем выходе блока 9 математической обработки.
Позиция 6 таблицы соответствует случаю, когда имеет место шунтирование, обрыв, короткое замыкание подводящих проводов от датчика 3. Теперь сигнал от датчика 3 меньше по величине сигналов датчиков 1 и 2. Такая комбинация сигналов датчиков вызывает сигнал на соответствующем выходе блока 9 математической обработки, для учета потребленной энергии используется сигнал датчиков 1 или 2.
Кроме того, при использовании устройства типа «отмотчик» количество «смотанной» электроэнергии автоматически учитывается как потребленное, так как суммирование происходит по модулю мгновенной мощности и не зависит от направления тока.
Таким образом, все наиболее распространенные виды хищения не только учитывается счетчиком, но и определяются по видам. Количество потребленной электроэнергии и вид хищения, а также время хищения высвечиваются на индикаторе 10.
С помощью блока 11 дистанционной передачи информации имеется возможность считывать вышеназванные данные независимо от желания потребителя и не входя в помещение. Формирователь 12 формирует модулирующий код M(t) (фиг.4,б), содержащий код потребителя, количество потребленной электроэнергии, вид и время хищения. Данный модулирующий код поступает на первый вход фазового манипулятора 14, на второй вход которого подается гармоническое колебание с выхода генератора 13 высокой частоты (фиг.4,а)
c
c
c
с
C
U(t)=υ·Cos((ωt+φ), 0≤t≤T,
c
с
с
C
где υ, ω, φ, Т - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания,
На выходе фазового манипулятора 14 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.4,в)
1
c
c
к
с
C
U(t)=υ·Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤Т,
к
к
3
3
э
где φ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем φ(t)=const при k·τ<t<(k+l)·τ и может изменяться скачком при t=k·τ, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, …, N-1);
э
C
C
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т(Т=N·τ), N=g+l+m+n;
g - количество элементарных посылок, которые отображают код потребителя;
l - количество элементарных посылок, которые отображают количество потребленной энергии;
m - количество элементарных посылок, которые отображают код хищения;
n - количество элементарны посылок, которые отображают время хищения,
который после усиления в усилителе 15 мощности излучается передающей антенной 16 в эфир.
П
На пункте контроля поиск ФМн-сигналов в заданном диапазоне частот Df осуществляется с помощью блока 20 поиска, который периодически с периодом Т по пилообразному закону изменяет частоту гетеродина 21
Г
г
г
г
П
2
U(t)=υ·Cos(ωt+πγt+φ), 0≤t≤T,
r
г
г
где υ, ω, φ - амплитуда, начальная частота и начальная фаза напряжения гетеродина;
П
γ=D·f/T - скорость перестройки частоты гетеродина.
1
Принимаемый сложный ФМн-сигнал U(t) (фиг.4,в) с выхода приемной антенны 17 через усилитель 18 высокой частоты и сумматоры 39, 42, 45, у которых работает только одно плечо, поступает на первые входы смесителей 19 и 47, на вторые входы которых подаются напряжения гетеродина 21:
Г
г
г
г
2
U(t)=υ·Cos(ωt+πγt+φ),
Г
г
г
г
П
'
2
U (t)=υ·Cos(ωt+πγt+φ+90°), 0≤t≤T.
На выходе смесителей 19 и 47 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 22 и 48 выделяются первое и второе напряжения промежуточной (разностной) частоты:
ПР1
пр1
пр
к
пр1
2
U(t)=υ·Cos[ωt+φ(t)-πγt+φ],
ПР2
пр1
пр
к
пр1
C
2
U(t)=υ·Cos[ωt+φ(t)-πγt+φ-90°], 0≤t≤T,
np1
c
г
где υ=1/2·υ·υ;
пр
с
г
ω=ω-ω - промежуточная частота;
пр1
с
г
ω=φ-φ,
которые представляют собой сложные сигналы с комбинированной фазовой манипуляцией и линейной частотной модуляцией (ФМн - ЛЧМ).
ПР2
Напряжение U(t) с выхода усилителя 48 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 49 на 90°, на выходе которого образуется напряжение
ПР2э
пр1
пр
к
пр1
2
U'(t)=υ·Cos[ωt+φ(t)-πγt+φ-90°+90°]=
пр1
пр
к
пр
C
2
=υ·Cos[ωt+φ(t)-πγt+φ], 0≤t≤T,
ПР1
ПР2
Напряжения U(t) и U'(t) поступают на два входа сумматора 50, на выходе которого образуется первое суммарное напряжение
Σ1
Σ1
пр
к
пр1
C
2
U(t)=υ·Cos[ωt+φ(t)-πγt+φ], 0≤t≤T,
Σ1
пр1
где υ=2υ.
1
Это напряжение подается на второй вход перемножителя 51, на первый вход которого поступает принимаемый сигнал U(t). На выходе перемножителя 51 образуется гармоническое напряжение
2
2
г
г
C
U(t)=υ·Cos(ωt+φ), 0≤t≤T,
2
c
Σ1
где υ=1/2*υ·υ.
H1
г
н1
г
2
Σ1
Так как частота настройки ω узкополосного фильтра 52 выбрана равной начальной частоте ω гетеродина 21 (ω=ω), то напряжение U(t) выделяется узкополосным фильтром 52, детектируется амплитудным детектором 53 и поступает на управляющий вход ключа 54, открывая его. В исходном состоянии ключи 30 и 54 всегда закрыты. При этом первое суммарное напряжение U(t) с выхода сумматора 50 через открытый ключ 54 поступает на вход обнаружителя (селектора) 23, который состоит из анализаторов 24 и 26 спектра, удвоителя 25 фазы, блока 27 сравнения, порогового блока 28 и линии 29 задержки.
Σ1
На выходе удвоителя 25 фазы, в качестве которого может быть использован перемножитель, на два входа которого подается одно и то же напряжение U(t), образуется напряжение
3
3
пр
пр1
С
2
U(t)=υ·Cos(2ωt+πγt+2φ), 0≤t≤T,
3
Σ1
2
где υ=1/2·υ .
K
Так как 2φ(t)={0,2π}, то в указанном напряжении манипуляция фазы уже отсутствует.
2
С
2
С
С
э
С
э
2
c
С
2
Ширина спектра Δf второй гармоники сигнала определяется длительностью Т сигнала (Δf=1/Т), тогда как ширина спектра Δfвходного ФМн-сигнала определяется длительностью τ его элементарных посылок (Δf=1/τ), т.е. ширина спектра Δf второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра Af входного сигнала (Δf/Δf=N).
Следовательно, при удвоении фазы ФМн-сигнала его спектр «сворачивается» в N раз. Это и позволяет обнаружить (отселектировать) ФМн-сигнал даже тогда, когда его мощность на входе приемника меньше мощности помех и шумов.
С
2
Ширина спектра Δf входного ФМн-сигнала измеряется с помощью анализатора 24 спектра, а ширина спектра Δf второй гармоники сигнала измеряется с помощью анализатора 26 спектра.
I
II
C
2
ПОР
ПОР
Напряжения U и U, пропорциональные Δf и Δf соответственно, с выходов анализаторов 24 и 26 спектра поступают на два входа блока 27 сравнения, на выходе которого образуется положительное напряжение, которое превышает пороговый уровень U в пороговом блоке 28. Пороговый уровень U выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи.
ПОР
При превышении порогового уровня U в пороговом блоке 28 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход блока 20 поиска, выключая его, на управляющий вход ключа 30, открывая его.
При прекращении перестройки частоты гетеродина 21 на выходе сумматора 50 образуется следующее напряжение (фиг.4,г)
Σ
1
Σ1
пр
к
пр1
C
2
U'(t)=υ·Cos[ωt+φ(t)-πγt+φ], 0≤t≤T,
которое через открытый ключ 30 поступает на вход демодулятора ФМн-сигнала 31, который состоит из перемножителей 32 и 33, узкополосного фильтра 34 и фильтра 35 нижних частот.
Необходимым условием работы демодулятора ФМн-сигнала является наличие опорного напряжения, имеющего постоянную начальную фазу и частоту, равную частоте ФМн-сигнала. В предлагаемом демодуляторе опорное напряжение выделяется непосредственно из ФМн-сигнала.
В настоящее время разработан ряд оригинальных устройств (схемы Пистолькорса А.А., Сифорова В.И., Травина С.А., Костаса Д.Ф.), в которых опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования принимаемого ФМн-сигнала, выделяется из самого принимаемого ФМн-сигнала. Однако этим устройствам присуще явление «обратной работы», которое значительно снижает достоверность выделения модулирующего кода из принимаемого ФМн-сигнала.
Предлагаемый демодулятор ФМн-сигналов свободен от явления «обратной работы».
Σ
1
Суммарное напряжение U'(t) с выхода сумматора 50 через открытые ключи 54 и 30 одновременно поступает на первые входы перемножителей 32 и 33. На второй вход перемножителя 33 с выхода узкополосного фильтра 34 подается опорное напряжение (фиг.4,д)
0
0
пр
пр1
С
U(t)=υ·Cos(ωt+φ), 0≤t≤T.
В результате перемножения образуется результирующее напряжение
4
н
к
н
пр
пр
U(t)=υ·Cosφ(t)+υ·Cos[2ωt+φк(t)+2φ],
н
Σ
0
где υ=1/2·υ·υ;
Аналог модулирующего кода (фиг.4,е)
H
н
к
U(t)=υ·Cosφ(t),
выделяется фильтром 35 нижних частот и регистрируется блоком 36 регистрации.
H
Одновременно напряжение U(t) подается на второй вход перемножителя 32, на выходе которого образуется гармоническое колебание
O
4
пр
пр
4
пр
к
пр1
U(t)=υ·Cos(ωt+φ)+υ·Cos[ωt+2φ(t)+φ]=
4
np
пр1
0
пр
пр1
=2υ·Cos(ωt+φ)=υ·Cos(ωt+φ),
4
Σ
н
где υ=1/2·υ·υ.
Это колебание выделяется узкополосным фильтром 34, используется в качестве опорного напряжения и подается на второй вход перемножителя 33.
3
Время задержки τ линии 29 задержки выбирается таким, чтобы можно было зарегистрировать аналог модулирующего кода. По истечении этого времени напряжение с выхода линии 29 задержки поступает на управляющий вход порогового блока 28 и сбрасывает его содержимое на нулевое значение. При этом ключ 30 закрывается, а блок 20 поиска переводится в режим поиска.
При обнаружении следующего ФМн-сигнала работа устройства происходит аналогичным образом.
Устройство обнаруживает все наиболее распространенные виды хищений, обнаруживает такой вид хищения, как подключение нагрузки между вводом в строение и счетчиком, обнаруживает неисправность устройств у потребителя, учитывает всю потребляемую энергию независимо от вида хищения.
с
Описанная выше работа устройства соответствует случаю приема полезного ФМн-сигнала по основному каналу на частоте ω (фиг.5).
Если ложный сигнал (помеха)
3
3
3
3
3
U(t)=υ·Cos(ωt+φ), 0≤t≤T,
3
принимается по зеркальному каналу на частоте ω, то усилителями 22 и 48 выделяются третье и четвертое напряжения промежуточной частоты
ПР3
пр3
пр
пр3
2
U(t)=υ·Cos(ωt+πγt+φ),
ПР4
пр3
пр
пр3
3
2
U(t)=υ·Cos(ωt+πγt+φ+90°], 0≤t≤T,
пр3
3
г
где υ=1/2·υ·υ;
пр
г
3
ω=ω-ω - промежуточная частота;
пр4
г
3
ω=ω-ω.
ПР4
Четвертое напряжение U(t) с выхода усилителя 48 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 49 на 90°, на выходе которого образуется напряжение
ПР
4
пр3
пр
пр3
2
U'(t)=υ·Cos(ωt+πγt+φ+90°+90°)=
пр3
пр
пр3
3
2
=-υ·Cos(ωt+πγt+φ), 0≤t≤T.
ПР3
ПР
4
Напряжения U(t) и U'(t), поступающие на два входа сумматора 50, на его выходе компенсируются.
3
Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по зеркальному каналу на частоте ω, подавляется «внешним кольцом», состоящим из смесителей 19 и 47, гетеродина 21, усилителей 22 и 48 промежуточной частоты, фазовращателей 46 и 49 на 90°, сумматора 50 и реализующим фазокомпенсационный метод.
Если ложный сигнал (помеха)
К1
к1
к1
к1
К1
U(t)=υ·Cos(ωt+φ), 0≤t≤T,
к1
принимается по первому комбинационному каналу на частоте ω, то усилителями 22 и 48 выделяются пятое и шестое напряжения промежуточной частоты:
ПР5
пр5
пр
5
2
U(t)=υ·Cos(ωt+πγt+φ),
ПР6
пр5
пр
пр5
К1
2
U(t)=υ·Cos(ωt+πγt+φ+90°), 0≤t≤T,
np5
k1
г
где υ=1/2·υ·υ;
пр
г
k1
ω=2ω-ω - промежуточная частота;
пр5
г
к1
φ=φ-φ.
ПР5
Напряжение U(t) с выхода усилителя 48 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 49 на 90°, на выходе которого образуется напряжение
ПР'6
пр5
пр
пр5
2
U(t)=υ·Cos(ωt+πγt+φ+90°+90°)=
пр5
пр
пр5
2
=-υ·Cos(ωt+πγt+φ).
ПР5
ПР
6
Напряжения U(t) и U'(t), поступающие на два входа сумматора 50, на его выходе компенсируются.
к1
Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте ω, подавляется «внешним кольцом», реализующим фазокомпенсационный метод.
Если ложный сигнал (помеха)
К2
k2
k2
k2
К2
U(t)=υ·Cos(ωt+φ), 0≤t≤T,
k2
принимается по второму комбинационному каналу на частоте ω, то усилителями 22 и 48 выделяются седьмое и восьмое напряжения промежуточной частоты:
ПР7
пр7
пр
пр7
2
U(t)=υ·Cos(ωt-πγt+φ),
ПР8
пр7
пр
пр7
K2
2
U(t)=υ·Cos(ωt+πγt+φ-90°),0≤t≤T,
пр7
k2
г
где υ=1/2·υ·υ;
пр
k2
г
ω=ω-2ω - промежуточная частота;
пр7
k2
г
φ=φ-φ.
ПР8
Напряжение U(t) с выхода усилителя 48 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 49 на 90°, на выходе которого образуется напряжение
ПР
8
пр7
пр
пр8
2
U'(t)=υ·Cos(ωt-πγt+φ-90°+90°)=
пр7
пр
пр8
2
=υ·Cos(ωt-πγt+φ).
ПР7
ПР
8
Напряжения U(t) и U'(t) поступают на два входа сумматора 50, на выходе которого образуется суммарное напряжение
Σ2
Σ2
пр
пр8
К2
2
U(t)=υ·Cos(ωt-πγt+φ), 0≤t≤T,
Σ2
пр7
где υ=2υ.
К2
Это напряжение поступает на второй вход перемножителя 51, на первый вход которого подается принимаемый ложный сигнал (помеха) U(t). На выходе перемножителя 51 образуется напряжение
5
5
г
г
К2
U(t)=υ·Cos(2ωt+φ), 0≤t≤T,
5
k2
Σ2
где υ=1/2·υ·υ,
k2,
которое не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 52. Ключ 54 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму комбинационному каналу на частоте ω подавляется «внутренним кольцом», состоящим из перемножителя 51, узкополосного фильтра 52, амплитудного детектора 53, ключа 54 и реализующим метод узкополосной фильтрации.
пр
Если ложный сигнал (помеха) принимается по каналу прямого прохождения на промежуточной частоте ω
П
п
пр
п
П
U(t)=υ·Cos(ωt+φ), 0≤t≤T,
н2
пр
н2
пр
то он выделяется узкополосным фильтром 37, частота настройки ωкоторого выбирается равной промежуточной частоте ω (ω=ω), инвертируется по фазе на 180° фазоинвертором 38
П
п
пр
п
П
U'(t)=-υ·Cos(ωt+φ), 0≤t≤T.
П
П
Напряжения U(t) и U'(t), поступающие на два входа сумматора 39, на его выходе компенсируются.
пр
Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по каналу прямого прохождения на промежуточной частоте ω, подавляется фильтром-пробкой, состоящим из узкополосного фильтра 37, фазоинвертора 38, сумматора 39 и реализующим фазокомпенсационный метод.
п1
п
н3
п1
Если два или более ложных сигналов (помех) попадают в полосу частот Δω, расположенную «слева» от полосы пропускания Δωприемника, то они выделяются полосовым фильтром 40, инвертируются по фазе на 180° в фазоинверторе 41 и поступают на второй вход сумматора 42, где они компенсируются (фиг.6). При этом частота настройки ω и полоса пропускания Δω полосового фильтра 40 выбираются следующим образом:
н3
1
2
п1
1
2
ω=ω+ω/2; Δω=ω-ω,
1
2
п1
п
где ω, ω - граничные частоты, определяющие полосу частот Δω, расположенную «слева» от полосы пропускания Δωприемника, попадание в которую двух или более ложных сигналов (помех) приводит к образованию интермодуляционных помех.
п1
Следовательно, ложные сигналы (помехи), принимаемые в полосе частот Δω, подавляются фильтром-пробкой, состоящим из полосового фильтра 40, фазоинвертора 41, сумматора 42 и реализующим фазокомпенсационный метод.
п2
п
н4
п2
Если два или более ложных сигналов (помех) попадают в полосу частот Δω, расположенную «справа» от полосы пропускания Δωприемника, то они выделяются полосовым фильтром 43, инвертируются по фазе на 180° в фазоинверторе 44 и поступает на второй вход сумматора 45, где они компенсируются (фиг.7). При этом частота настройки ω и полоса пропускания Δω полосового фильтра 43 выбираются следующим образом:
н4
3
4
п2
4
3
ω=ω+ω/2; Δω=ω-ω,
3
4
п2
п
где ω, ω - граничные частоты, определяющие полосу частот Δω, расположенную «справа» от полосы пропускания Δω приемника, попадание в которую двух или более ложных сигналов (помех) приводит к образованию интермодуляционных помех.
п2
Следовательно, ложные сигналы (помехи), принимаемые в полосе частот Δω, подавляются фильтром-пробкой, состоящим из полосового фильтра 43, фазоинвертора 44, сумматора 45 и реализующим фазокомпенсационный метод.
Для повышения достоверности и надежности дистанционного измерения потребляемой электроэнергии и выявления наличия, вида и времени хищения используется радиоканал и сложные сигналы с фазовой манипуляцией. Каждый потребитель имеет свой код и работает на определенной частоте.
При этом сложные сигналы с фазовой манипуляцией обладают высокой энергетичной и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени или по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного сигнала с фазовой манипуляцией отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.
Структурная скрытность сложных сигналов с фазовой манипуляцией обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных сигналов априорно неизвестной структуры.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с базовыми объектами обеспечивают повышение помехоустойчивости и достоверности передачи информации о потребляемой электроэнергии, наличии, виде и времени ее хищения. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по каналу прямого прохождения, зеркальному, комбинационным и интермодуляционным каналам.
Таблица
Способ измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищения и устройство для его осуществления
№ п/п
Обозначение
Вид подключенной нагрузки
Соотношение мощностей
Рабочий датчик
1
R<sub>н</sub>
Нормальное подключение
P<sub>1</sub>=P<sub>2</sub>=P<sub>3</sub>
Любой
2
R<sub>н1</sub>
Скрытое подключение до счетчика
Р<sub>3</sub>>Р<sub>1</sub>=Р<sub>2</sub>
3
3
R<sub>н2</sub>
Скрытое подключение до счетчика либо утечка на землю
P<sub>3</sub>>P<sub>1</sub>=P<sub>2</sub>
3
4
R<sub>н3</sub>
Заземление нагрузки со сменой фазы либо утечка на землю
P<sub>1</sub><P<sub>2</sub>=P<sub>3</sub>
2 или 3
5
R<sub>н4</sub>
Заземление нагрузки либо утечка на землю
P<sub>2</sub><P<sub>1</sub>=P<sub>3</sub>
1 или 3
6
Шунтирование, обрыв, короткое замыкание подводящих проводов внешнего датчика тока
P<sub>3</sub><P<sub>1</sub>=P<sub>2</sub>
1 или 2
Примечания: R<sub>н</sub> - штатное подключение нагрузки.
Включение нагрузки с целью хищения:
R<sub>н1</sub> - скрытое подключение до счетчика;
R<sub>н2</sub> - скрытое подключение до счетчика, с заземлением нагрузки;
R<sub>н3</sub> - подключение нагрузки с заземлением и переполюсовкой фаз;
R<sub>н4</sub> - подключение посредством заземления нагрузки;