ЦИФРОВОЙ СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к электронно-измерительной технике, в частности к устройствам учета и контроля потребления электрической энергии в однофазных цепях переменного тока, преимущественно в бытовом секторе.
Известен цифровой счетчик электроэнергии «Альфа» (AIR-AL) по патенту РФ №2131611 (заявка №97122309/09, опубл. 10.06.1999 г.), включающий датчики тока и напряжения, коммутатор сигналов датчиков несанкционированного доступа к элементам и узлам счетчика, аналогово-цифровой преобразователь, цифровой микропроцессорный вычислитель, связанное с ним ПЗУ и энергозависимое ОЗУ и блок питания счетчика, орган ручного управления счетчиком и телеметрический приемопередатчик.
К недостаткам счетчика можно отнести отсутствие отключающего устройства, позволяющее ограничивать потребляемую мощность, а также отключать потребителя от сети в аварийных ситуациях.
Известен электронный счетчик электрической энергии по патенту РФ №2050330 (заявка №93008900/26, опубл. 20.12.1995 г.) с защитным устройством для отключения потребителя от сети при перегрузках и коротких замыканиях, за счет включения в состав счетчика двух пороговых элементов, блока выдержки времени, элемента и/или автоматического выключателя.
Недостатком данного счетчика является то, что он не позволяет производить оперативное отключение потребителя от сети или ограничивать потребление электроэнергии в случаях неоплаты услуг электроснабжения.
Наиболее близким по наличию конструктивных признаков к заявляемому решению является счетчик электрической энергии (патент РФ №2298192, заявка №2005132782/28, опубл. 27.04.2007 г.), содержащий микропроцессор и соединенные с ним блок измерения мощности и блок памяти, блок питания счетчика и устройство отключения цепи нагрузки с приводом, управляемым от микропроцессора, набор программируемых таймеров и часы реального времени с питанием от автономного источника, узел контроля уровня напряжения, вход которого связан с блоком питания счетчика, а выход - с микропроцессором, и блок защиты, включающим первичный преобразователь сигнала разности токов в подводящем и отводящем проводах электроснабжения и устройство управления защитным отключением, вход которого связан с выходом упомянутого первичного преобразователя, а выход подключен к микропроцессору.
К недостаткам счетчика можно отнести сложность схемных решений, отсутствие контроля сетевого напряжения и средств защиты счетчика от несанкционированного доступа к узлам и блокам счетчика и от внешних магнитных воздействий, а также сложность организации многотарифности при учете и оплате потребляемой электроэнергии.
Итак, в уровне техники не был обнаружен счетчик электрической энергии, обеспечивающий с одной стороны оперативный учет и контроль потребляемой электроэнергии по простой схеме по многотарифной системе, при отсутствии качественной линии связи, по которой перепрограммируется счетчик, что не всегда возможно и экономически целесообразно, а также возможность отключения потребителя от сети в случае задолженности; и с другой стороны обеспечивающий безопасность потребителя при использовании электричества и защиту его оборудования при неполадках в сети и защиты счетчика от несанкционированного доступа к узлам и блокам счетчика и от внешних магнитных воздействий.
Задачей заявляемой полезной модели является разработка счетчика электрической энергии, решающего вышеназванные проблемы и характеризующегося простотой схемных решений, повышенной защищенностью и расширенными функциональными возможностями.
Поставленная задача решается за счет того, что в счетчик электрической энергии, содержащий микропроцессор и соединенные с ним блок измерения мощности, который состоит из датчик тока, датчик напряжения и перемножитель-преобразователя, блок питания счетчика, жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), блок памяти, часы реального времени с питанием от автономного источника, устройство отключения, согласно заявляемому изобретению счетчик снабжен блоком измерения мощности по обратной цепи, вход которого соединен с обратной цепью сети, а выход через второй программируемый счетчик подключен к микропроцессору и предназначен для измерения электрической энергии в обратном проводе сети с целью защиты электроэнергии от несанкционированного отбора, первым и вторым программируемыми счетчиками, выходы которых подключены к микропроцессору, а входы подключены к выходам блоков измерения мощности по прямой цепи и обратной цепи, соответственно, устройством контроля напряжения сети по верхнему и нижнему допустимым пределам, вход которого связан с датчиком напряжения, а выход - со входом микропроцессора; твердотельным реле «включения/отключения» нагрузки от сети при несанкционированном доступе к элементам и узлам счетчика, коротком замыкании и перезагрузке сети, подключенного к выходу микропроцессора и управляемый им; зарядным устройством, выход которого подключен к автономному источнику питания часов реального времени через устройство развязки основного и резервного источников напряжения питания, датчиками несанкционированного доступа к элементам и узлам счетчика, а также магниточувствительным бесконтактным устройством, входы которых подключены к выходу устройства развязки основного и резервного источников напряжения питания, а выходы которых подключены к микропроцессору; элементом индикации контроля работы преобразователя мощности, вход которого подключен к выходу преобразователя мощности прямой цепи, адаптером идентификатора iButton, вход которого подключен к микропроцессору, а выход соединен с держателям идентификатора iButton; набором кнопок настройки часов реального времени, аварийного отключения нагрузки, просмотра архива, выходы которых подключены к микропроцессору, адаптером последовательного интерфейса, подключенного к микропроцессору, устройством звуковой сигнализации, подключенного к микропроцессору.
В отличие от прототипа, заявляемая полезная модель содержит твердотельное реле, новые блоки и узлы: датчик тока по обратной цепи, блок измерения мощности по обратной цепи, выполненный на измерительной схеме фирмы ANALOG Devices ADE 775х; адаптер идентификатора iButton - блок записи информации в память и считывания информации из памяти идентификатора в специальном формате для организации многотарифной системы учета электроэнергии; датчики несанкционированного доступа к элементам и узлам счетчика; магниточувствительное бесконтактное устройство для защиты счетчика от внешних воздействий; устройство контроля напряжения сети по верхнему и нижнему допустимым пределам; блоки звуковой и светодиодной индикации о состоянии счетчика.
Также в заявляемом счетчике использован новый формат хранения учетной информации, который позволяет организовать многотарифный способ учета электроэнергии.
Узел контроля напряжения сети предназначен для постоянного контроля величины напряжения сети и подачи сигнала в микропроцессор о достижении напряжением какой-либо установленной величины.
Таким образом, заявляемая совокупность существенных признаков обеспечивает простоту схемных решений, расширение функциональных возможностей счетчика и защиту электроэнергии от хищения наиболее распространенными методами. Кроме того, счетчик характеризуется высокой степенью защищенности от внешних воздействий и постороннего вмешательства.
На фиг.1 представлена структурная схема заявляемой полезной модели, где:
1 - датчик тока по прямой цепи;
2 - датчик тока по обратной цепи;
3 - датчик напряжения сети;
4 - пороговое устройство защиты сети от короткого замыкания и от перегрузки;
5 - блок измерения мощности по прямой цепи;
6 - блок измерения мощности по обратной цепи;
7 - устройство контроля напряжения сети по верхнему и нижнему допустимым пределам;
8 - блок питания счетчика;
9 - твердотельное реле «включения/отключения» нагрузки от сети при несанкционированном доступе к элементам и узлам счетчика, коротком замыкании и перезагрузке сети;
10 - нагрузка;
11 - зарядное устройство;
12 - гальванический элемент;
13 - устройство развязки основного и резервного источников напряжения питания;
14 - программируемые часы реального времени;
15 - поверочный выход;
16 - элементы индикации контроля работы преобразователей мощности;
17 - микропроцессор;
18 - адаптер идентификатора iButton;
19 - держатель идентификатора iButton;
20 - устройство звуковой сигнализации;
21 - жидкокристаллический индикатор (ЖКИ);
22 - датчики несанкционированного доступе к элементам и узлам счетчика;
23 - набор кнопок настройки часов реального времени, аварийного отключение нагрузки, просмотра архива;
24 - адаптер последовательного интерфейса;
25 - вход/выход последовательного интерфейса;
26 - блок памяти;
27 - первый программируемый счетчик;
28 - второй программируемый счетчик;
29 - магниточувствительное бесконтактное устройство.
Счетчик электрической энергии содержит микропроцессор 17 и связанные с ним первый программируемый счетчик 27 и второй программируемый счетчик 28, блок памяти 26, твердотельное реле «включения/отключения» нагрузки от сети при несанкционированном доступе к элементам и узлам счетчика, коротком замыкании и перезагрузке сети 9, программируемые часы реального времени 14 с питанием от основного блока питания счетчика 8 и резервного источника питания (гальванический элемент) 12, пороговое устройство защиты сети от короткого замыкания и от перегрузки 4, устройство контроля напряжения сети по верхнему и нижнему допустимым пределам 7, адаптер идентификатора iButton 18, адаптер последовательного интерфейса 24, устройство звуковой сигнализации 20, жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) 21, датчики несанкционированного доступе к элементам и узлам счетчика 22, набор кнопок настройки часов реального времени, аварийного отключение нагрузки, просмотра архива 23, магниточувствительное бесконтактное устройство 29.
Блоки измерения мощности по прямой цепи 5 и блок измерения мощности по обратной цепи 6, первые входы которых подключены к выходам датчика тока по прямой цепи 1 и датчика тока по обратной цепи 2, соответственно, а вторые входы к выходу датчика напряжения 3 и могут быть реализованы на микросхемах Ade7755 фирмы Analog Devices (www. Analog.com), в качестве датчиков тока - шунты Е961, Е962, а в качестве датчиков напряжения - резистивный делитель напряжения.
Микропроцессор 17 с подключенными к нему блоком памяти 26, первым программируемым счетчиком 27 и вторым программируемым счетчиком 28, а также параллельными портами для подключения ЖКИ 21, порогового устройства защиты сети от короткого замыкания и от перегрузки 4, устройства контроля напряжения сети по верхнему и нижнему допустимым пределам 7, твердотельного реле «включения/отключения» нагрузки от сети при несанкционированном доступе к элементам и узлам счетчика, коротком замыкании и перезагрузке сети 9, датчиков несанкционированного доступа к элементам и узлам счетчика 22, набора кнопок настройки часов реального времени, аварийного отключение нагрузки, просмотра архива 23, магниточувствительного бесконтактного устройства, адаптера идентификатора iButton 18 может быть реализован на микроконтроллере picoPower ATmega 88Р фирмы Atmel (www. Atmel.ru).
Остальные устройства, блоки и функциональные узлы могут быть реализованы на следующих элементах: программируемые часы реального времени 14 на микросхемах серии DS13XX фирмы «Dallas Semiconductors» (www.dbserv.maxim-ic.com) и подключены к микроконтроллеру по интерфейсу IIC, магниточувствительное бесконтактное устройство 29 - на магниторезистивном датчике MRSS29D (www.eltech.spb.ru), твердотельные реле 9 - на HD8044ZD3 (www.sensor-moscow.ru/rele_tv.html), адаптер последовательного интерфейса 24 - на схеме mах232 (www.spt.ru/victor/max.htm), ЖКИ 20 - на индикаторе WH0802A-NGG-CT или на индикаторе фирмы «МЭЛТ» (www.melt.com.ru), идентификатор ibutton 18 - на DS-1991 (электронный ключ с защищенной памятью Touch MultiKey) фирмы Dallas Semiconductor (www.aladdin-rd.ru/catalog/ibutton/readers/index.php).
Принцип работы заявляемой полезной модели выглядит следующим образом.
В нормальном состоянии твердотельное реле 9 отключено и нагрузка 10 отключена от электрической сети, а счетчик находится в режиме ожидания и не ведет учет. После установки счетчика производится начальная установка часов реального времени, посредством трех кнопок в блоке кнопок 23: выбор режима установки часов и позиции, набор значения числа в выбранной позиции (одна кнопка предназначена для декрементирования значения в выбранной позиции, другая - инкрементирования). После установки времени и даты, на свои места устанавливаются и прикручиваются крышка счетчика и колодка, под которыми и находятся датчики несанкционированного доступа 22 к элементам и узлам счетчика. Для перевода счетчика в режим учета, необходимо установить идентификатор iButton в держатель 19, подключенного к адаптеру 18. Микропроцессор автоматически обнаруживает идентификатор, считывает идентификационный номер из памяти идентификатора, сохраняет его в энергонезависимой памяти EEPROM 26, обнуляет показание счетчика, если это первое прикосновение идентификатора, и переходит в режим учета электроэнергии. Датчик напряжения 3 измеряет напряжение сети, а датчики тока 1 и 2 определяют величину токов в прямом и обратном проводах сети соответственно. Сигналы с датчиков 1, 2 и 3 подаются на входы преобразователей мощности 5 и 6, которые осуществляют преобразование мощности в число импульсов (4000 импульсов соответствует одному кВт) Эти импульсы поступают на входы двух программируемых счетчиков 27 и 28, подключенных к микропроцессору 17, настроенных на режим работы «сравнения». Программируемый счетчик, у которого первым произошло сравнение содержимого вспомогательного регистра и содержимого базового счетчика, формирует сигнал запрос прерывания, по которому микропроцессор 17 обрабатывает данные, сохраняет их в памяти EEPROM 26, отображает на ЖКИ 21 и сбрасывает в «0» содержимое обоих базовых счетчиков. Такой способ учета электроэнергии позволяет защитить счетчик от хищения электроэнергии путем перефазировки и заземления нейтральной линии.
Блок 22 датчиков несанкционированного доступов (НСД) осуществляет контроль и выдачу сигнала НСД при снятии крышки счетчика и колодки, а магниточувствительное бесконтактное устройство - при наличии внешнего магнитного воздействия на счетчик. По этим сигналам микропроцессор 17 фиксирует в памяти время и дату несанкционированного доступа, сохраняет в памяти 26 показания счетчика и формирует сигнал отключения нагрузки 10 для твердотельного реле 9, т.е. отключает потребителя от сети.
В этом случае, для обратного подключения нагрузки к сети необходимо:
- подключить электронный идентификатор iButton к адаптеру 18 посредством держателя 19 и произвести копирование содержимого памяти счетчика в память электронного идентификатора iButton. Копирование информации в память электронного идентификатора iButton производится автоматически при установке идентификатора в держатель 19;
- изъять идентификатор iButton из держателя 19 адаптера 18 и отвезти его в пункт оплаты платежей за электроэнергию, где установлена автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ), разработанная с учетом функциональных возможностей предлагаемого счетчика и адаптированной по форматам хранения информации к обслуживанию предлагаемого счетчика. Формат хранения информации в памяти счетчика и идентификатора с разъяснениями приведен на фиг.2;
- подключить идентификатор iButton к АСКУЭ через адаптер и произвести считывание информации из памяти идентификатора. На экране дисплея красным цветом будет отображена информация о несанкционированном доступе к элементам и узлам счетчика (дата, время, показание счетчика);
- потребитель производит оплату за энергопотребление, с учетом штрафных санкций за несанкционированный подступ, в соответствии с соглашением на поставку электроэнергии. Затем АСКУЭ производит запись в память идентификатора iButton кода оплаты и кода разрешения подключения потребителя к сети;
- потребитель подключает идентификатор iButton к счетчику через адаптер 18, а микропроцессор 17 счетчика производит считывание информации из памяти идентификатора iButton, проверяет наличие соответствующих разрешительных кодов и производит подключение нагрузки 10 к сети, при этом производится сравнение количества оплаченной и текущей электроэнергии. Определяется остаток неоплаченной электроэнергии, этот остаток сохраняется в памяти 26 как начальное значение для ведения учета и отображается на ЖКИ 21.
Таким образом, учет электроэнергии по прямой и обратной цепям, а также наличие датчиков несанкционированного доступа, и средств автоматического отключения потребителя от сети при несанкционированном доступе позволит существенно сократить коммерческие потери электроэнергии и защитить счетчик от хищения электроэнергии различными известными способами.
С помощью устройства контроля напряжения сети по верхнему и нижнему допустимым пределам 7 микропроцессор 17 контролирует установленные стандартами параметры напряжения сети и фиксирует периоды поставки некачественной энергии. В этом случае начисление производится по сниженному тарифу. Поэтому, счетчик, одновременно с учетом расхода электроэнергии, микропроцессор 17 осуществляет контроль сетевого напряжения посредством устройства контроля 7 и контроль тока нагрузки и защиту от короткого замыкания в сети посредством порогового устройства контроля тока нагрузки 4. Устройство контроля напряжения состоит их двух схем порогового контроля сетевого напряжения по нижнему и верхнему значениям, входы которых подключены к датчику напряжения 3, а выходы этих схем подключены к микропроцессору, который обрабатывает их и формирует предупредительный звуковой сигнал для потребителя и отображения информации на ЖКИ 21 о несоответствии сетевого напряжения нормативам. Устройство защиты сети от короткого замыкания и от перегрузки 4 состоит из порогового устройства, вход которого подключен к датчику тока 1 прямой цепи, выход к входу «внешнее прерывание» микроконтроллера 17. При превышении допустимого значения тока нагрузки или при коротком замыкании, устройство контроля тока нагрузки и защиты сети от короткого замыкания 4 формирует сигнал «Запрос прерывания» для микропроцессора 17, а микропроцессор 17 - сигнал «Отключение нагрузки». Этот сигнал управления подается на управляемый вход твердотельного реле 9, который и отключает нагрузку 10 от сети. Для повторного подключения нагрузки к сети в блоке кнопок 23 счетчика имеется кнопка аварийного Отключения/Включения нагрузки. При этом, если перегрузка остается, микропроцессор 17 производит повторное отключение.
Таким образом, счетчик осуществляет контроль сетевого напряжения, защиту сети от перегрузки и от короткого замыкания в цепи.
Счетчик также содержит твердотельное реле «включения/отключения» нагрузки от сети при несанкционированном доступе к элементам и узлам счетчика, коротком замыкании и перезагрузке сети. В качестве реле в счетчике использовано однофазное твердотельные реле типа HD8044ZD3, что существенно упрощает схему счетчика по сравнению с прототипом.
Существенным недостатком известных счетчиков являются проблемы организации многотарифного способа обслуживания потребителей электроэнергии. Для этого используются различные способы (по заданной программе, привязанной к часам реального времени, по различным интерфейсам счетчика и т.д.) перепрограммирования счетчика на другие тарифы, что экономически не целесообразно. В предлагаемом счетчике для организации многотарифного учета электроэнергии используется специальный формат хранения учетной информации, привязанной к часам реального времени 14 счетчика, т.е. учетная информация хранится в блоке памяти 26 микропроцессора по часам суток в отдельных ячейках памяти и ежесуточно накапливается в этих ячейках на период платежей. Общее количество тарифов - 24.
При использовании в качестве платежной квитанции электронного идентификатора типа iButton (например, DS1992), который имеет защищенную энергонезависимую память, информация в таком формате будет доставляться потребителем до АСКУЭ при платежах, а в АСКУЭ предусмотрено поле выбора количества тарифов и временных интервалов соответствующие этим тарифам.
Таким образом, организация хранения и накопления информации по часам суток позволит без каких-либо аппаратных и/или временных затрат организовать до 24 тарифов, что является новым и не используется в известных счетчиках.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что совместное использование идентификатора типа iButton в качестве электронной квитанции и переносчика информации от счетчика до АСКУЭ, твердотельного реле «включения/отключения» нагрузки от сети при несанкционированном доступе к элементам и узлам счетчика, магниточувствительного бесконтактного устройства (например, магниторезистивный датчик MRSS29D, eltech.spb.ru), порогового устройства защиты сети от короткого замыкания и от перегрузки, устройство контроля напряжения сети по верхнему и нижнему допустимым пределам, датчиков несанкционированного доступа к элементам и узлам счетчика, а также возможность автоматического отключения от сети злостного неплательщика за энергопотребление по истечении оговоренного в договоре срока платежей позволяет упростить схему счетчика по сравнению с прототипом, расширить функциональные возможности счетчика, повысить степень защищенности счетчика и его узлов, а также практически полностью исключить коммерческие потери электроэнергии и организовать многотарифную систему учета электроэнергии без перепрограммирования счетчика.