СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ С УЧЕТОМ ПОТЕРЬ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для измерения электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях переменного тока в различных отраслях народного хозяйства, в автоматизированных системах учета электроэнергии. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей счетчика за счет возможности контроля потерь мощности.
Известен счетчик электрической энергии, приведенный в описании к патенту РФ №2449356, МПК G06F 17/18, опубл. 27.04.2012, содержащий датчик тока (ДТ), квадратор, блок умножения (БУ), первое и второе апериодические звенья (A3), первый и второй источники опорного напряжения (ИОН), аналоговый сумматор (АС), датчик температуры окружающей среды (ДТОС), стрелочный индикатор (СИ), генератор прямоугольных импульсов (ГПИ), микроконтроллер (МК), первый и второй приемо-передатчики, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), компьютер, а также счетчик дополнительно может содержать: датчик температуры электрооборудования (ДТЭ), первый и второй АС, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), квадратор, первый-пятый БУ, первый-третий накапливающие сумматоры (НС), регистр, цифровой индикатор (ЦИ), первый и второй цифровые сумматоры (ЦС), первый и второй блоки вычитания (БВ), первый-пятый блоки задания кодов (БЗК).
Известен также счетчик СЭТ4ТМ.03М, описанный в руководстве по эксплуатации ИЛГШ.411152.145РУ. Состоящий из блока датчиков напряжения и тока, которые подключенны к соответствующим входам измерительного блока, выход которого и другой вход соединены соответственно с входом и выходом микроконтроллера, к другим входам и выходам которого подключены порты ввода-вывода, блок индикации, кнопки управления, энергонезависимая память, источник питания. В блоке микроконтроллера также расположен блок расчет потерь в линии и силовом трансформаторе. Данный счетчик производит расчет потерь энергии, на основании рассчитанных и введенных как постоянные значения номинальных потерь мощностей с учетом времени года. Достоинством этого способа является возможность учета потерь в любой схеме включения описываемого устройства, номинальные потери мощности рассчитываются в зависимости от места установки устройства учета и вводятся в виде постоянных значений. Энергия потерь рассчитывается, исходя из введенных номинальных потерь мощности и реальной загрузки линии, измеренной блоками устройством учета.
Описанные счетчики имеют недостаток, заключающийся в том, что не оценивают потери от несимметрии в линии, что накладывает дополнительную погрешность на оценку общих потерь в системе.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является счетчик электрической энергии, приведенный в описании к патенту РФ №2380715, МПК G01R 19/02, опубл. 27.01.2010, содержащий одновибратор, функциональный преобразователь, блок деления, генератор прямоугольных импульсов, первый и второй счетчики, индикатор, аналого-цифровой преобразователь, перепрограммируемое запоминающее устройство, приемопередатчик, компьютер, таймер, таймер-часы, второй одновибратор, накапливающий сумматор, датчик тока, соответствующим образом соединенные между собой. В свою очередь накапливающий сумматор содержит первый и второй регистры, третий одновибратор и сумматор.
Однако это устройство обладает недостатками:
1. отсутствие расчета потерь от несимметрии в сети;
2. отсутствие срезов потерь мощности для передачи расчетных данных через проводные и беспроводные каналы связи.
При создании предлагаемой полезной модели стояла задача разработки счетчика электроэнергии, позволяющего учитывать следующие составляющие потерь:
- в линии;
- в сердечнике силового трансформатора;
- в обмотках силового трансформатора;
- от несимметрии в линии.
Вторая задача заключалась в возможности считывания расчетных данных по не скоростным каналам связи без потери точности измерений.
Поставленные задачи решаются за счет добавления в микроконтроллер следующих блоков: блока расчета потерь мощности в линии, сердечнике и обмотках силового трансформатора; блока расчета потерь от несимметрии; блока сохранения срезов потерь мощности. Блок сохранения срезов потерь мощности позволяет снизить погрешность вычисления потерь электроэнергии за счет повышения частоты выборки исходных значений тока и напряжения, а так же позволяет передавать по низкоскоростным каналам связи срезы потерь за интервал интегрирования, величина которого заносится в счетчик в виде параметра.
При этом в счетчик электрической энергии, содержащий блоки датчиков напряжения и тока, подключенные к соответствующим входам измерительного блока, выход которого и другой вход соединены соответственно с входом и выходом микроконтроллера, к другим входам и выходам которого подключены порты ввода-вывода проводных каналов связи, блок беспроводной связи, блок сотовой связи, блок индикации, блок кнопок управления, энергонезависимую память с двумя дополнительными регистрами, позволяющими увеличить объем хранимой информации о потреблении электроэнергии за предыдущие периоды, термонезависимые часы реального времени, позволяющие исключить влияние температуры на погрешность определения времени, источник питания с двумя входами, один вход которого подключен к входному сигналу напряжения, являющемуся одновременно напряжением питания, а другой подключен к источнику резервного питания и обеспечивает работоспособность счетчика при пропадании или снижении ниже нормы входного напряжения, выход с измерительного блока соединен также с входами введенных в микроконтроллер блоков расчета потерь мощности в линии, сердечнике и обмотках силового трансформатора и расчета потерь от несимметрии, выходы которых соединены с входами блока сохранения срезов потерь мощности.
Технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей счетчика, достигается именно за счет добавления блоков расчета потерь методом симметричных составляющих и расчетом потерь на основании установленных значений номинальных мощностей, а также сохранения полученных значений в срезах мощности.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором представлена функциональная схема счетчика электрической энергии.
Предлагаемый счетчик, представленный на чертеже, содержит блок датчиков тока 1, блок датчиков напряжения 2, выходы которых подключены к соответствующим входам измерительного блока 3, двухвходовый источник питания 4, микроконтроллер 5, один из входов и один из выходов которого соединены с соответствующими выходом и входом измерительного блока 3, блок индикации 6, входом подключенный к другому соответствующему выходу микроконтроллера 5, энергонезависимую память 7, термонезависимые часы реального времени 8, порты ввода-вывода проводных каналов связи 9, своими входами и выходами подключенные к соответствующим выходам и входам микроконтроллера 5, один из входов которого подключен к выходу блока кнопок управления 10, блок беспроводной связи 11 и модем сотовой связи 12, своими входами и выходами подключенные к соответствующим выходам и входам микроконтроллера 5, в который введены блок расчета потерь от несимметрии 5.2 и блок измерения потерь мощности в линии, сердечнике и обмотках силового трансформатора 5.1 которые своими входами соединены с выходом измерительного блока 3, а своими выходами соединены с входами блока сохранения срезов потерь мощности 5.3, который для повышения скорости обмена введен в состав микроконтроллера.
Предлагаемый счетчик электроэнергии с учетом потерь работает следующим образом. Измеряемые сигналы напряжения и тока поступают на входы датчиков напряжения 2 и тока 1, с выходов которых они поступают на входы измерительного блока 3. Измерительный блок 3 производит аналого-цифровое преобразование и вычисляет необходимые параметры, которые периодически считывает микроконтроллер 5, в блоках 5.1 и 5.2 производится расчет значений потерь мощности в линии, сердечнике и обмотках силового трансформатора и потерь от несимметрии, которые сохраняются в срезах потерь мощности в блоке 5.3.
Рассчитанные данные хранятся в энергонезависимой памяти 7 и по запросу передаются через порты ввода-вывода проводных каналов связи 9, либо через блок беспроводной связи 11, либо через модем сотовой связи 12. Дополнительно к обработке данных микроконтроллер 5 принимает запросы данных, адресованные смежным с ним счетчиком который зарегистрирован в локальной сети энергообъекта и пересылает эти запросы соответственно на тот порт ввода вывода проводных каналов связи 9, либо блок беспроводной связи 11, на котором зарегистрирован смежный счетчик. Соответственно ответы смежного счетчика пересылаются на тот интерфейс, с которого пришел запрос. Для передачи данных с энергообъекта в автоматизированную систему предприятия используется модем сотовой связи 12.
ПОТ.Ф
Активные потери мощности в линии и трансформаторе, в каждой фазе Р., Вт, вычисляются в блоке 5.1 по формуле:
ПОТ.Ф.
где Р - потери суммарной активной мощности в одной фазе, Вт;
П.ЛИН.Н
Р. - потери активной мощности в линии передачи энергии в одной фазе при номинальном токе счетчика, Вт;
П.ОБ.Н.
Р - потери активной мощности в обмотках силового трансформатора при номинальном токе счетчика, Вт;
П.СЕРД.Н.
Р - потери активной мощности в сердечнике силового трансформатора при номинальном токе счетчика, Вт;
I - действующее значение тока фазы, А;
U - действующее значение напряжения фазы, В.
ПОТ.Ф
В блоке 5.1 вычисляются также реактивные потери мощности в линии и трансформаторе, в каждой фазе Q., вар, по формуле:
ПОТ.Ф.
где Q - потери суммарной реактивной мощности в одной фазе, вар;
П.ЛИН.H.
Q - потери реактивной мощности в линии передачи энергии в одной фазе при номинальном токе счетчика, вар;
П.ОБ.Н.
Q - потери реактивной мощности в обмотках силового трансформатора при номинальном токе счетчика, вар;
П.СЕРД.Н.
Q - потери реактивной мощности в сердечнике силового трансформатора при номинальном токе счетчика, вар;
I - действующее значение тока фазы, А;
U - действующее значение напряжения фазы, В.
Профиль потерь для активной и реактивной энергии формируется в блоке 5.3 по формулам:
где: n - интервал интегрирования профиля потерь;
ПОТ.Ф.А.
ПОТ.Ф.В.
ПОТ.Ф.С
Р, Р, Р - потери активной мощности для фаз А, В и С соответственно;
ПОТ.Ф.А.
ПОТ.Ф.В.
ПОТ.Ф.С
Р, Р, Р - потери реактивной мощности для фаз А, В и С соответственно.
П.ЛИН.Н.
П.СЕРД.Н.
П.ЛИН.Н.
П.ЛИН.Н.
П.ОБ.Н.
П.СЕРД.Н.
Значения потерь мощности при номинальном токе счетчика Р, Р, Р, Q, Q, Q являются постоянными величинами и записываются в счетчик, как константы.
Коэффициент потерь в несимметричном режиме, в блоке расчета потерь от несимметрии 5.2, рассчитывается по формуле:
2i
0i
где: K и K; коэффициенты несимметрии токов обратной и нулевой последовательности, рассчитываются по формулам 6 и 7 [1];
0
1
R и R - активные сопротивления нулевой и прямой последовательности участка сети, рассчитываются по формулам 8 и 9:
1
2
0
Где I, I, I - действующие значения тока прямой, обратной и нулевой последовательности (рассчитываются методом симметричных составляющих [1]);
0
1
U, U - действующие значения напряжения нулевой последовательности (рассчитываются методом симметричных составляющих [1]);
φ - угол между соответствующими векторами тока и напряжения (определяется в измерительном блоке 3).
В блоке 5.3 формируется профиль потерь глубиной 1680 среза (35 суток с 30 мин интервалом интегрирования), с возможностью установки интервала интегрирования: 5, 15, 30, 60 мин.
Каждый срез профиля потерь содержит:
- суммарную информацию об активной, реактивной энергии потерь прямого и обратного направления на момент сохранения среза;
- информацию об усредненном коэффициенте потерь от несимметрии рассчитываемую по формуле 10:
где: n - интервал интегрирования профиля потерь.
Источники информации
7
1. Патент RU №2449356 Российская Федерация, МПК G06F 17/18, опубл. 27.04.2012.
7
2. Патент RU №2380715 Российская Федерация, МПК G01R 19/02, опубл. 27.01.2010.
3. Руководство по эксплуатации ИЛГШ.411152.145 РУ
4. Основы теории цепей: Учеб. для вузов / Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. - 4-е изд., перераб. - М.: «Энергия», 1975. - 752 с.