ЦИФРОВАЯ ПОДСТАНЦИЯ УЧЕТА ПОТРЕБЛЯЕМОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к устройствам для измерения электрической мощности или коэффициента мощности путем измерения тока и напряжения с использованием цифровой техники и передачи полученных данных по беспроводному каналу связи. Устройство может использоваться в составе пунктов коммерческого учета электроэнергии, предназначенных для работы в воздушных распределительных сетях трехфазного переменного тока частотой 50 Гц и номинальным напряжением до 10 кВ, и применяться для коммерческого (расчетного) учета потребляемой активной и реактивной электрической энергии.
Из уровня техники известен счетчик электроэнергии (RU 185824 U1, МПК G01R 11/04, опубл. 19.12.2018). Счетчик содержит первую часть корпуса, печатную плату с цифровым индикатором, токоведущие элементы, концы которых зафиксированы в винтовых зажимах, размещенных внутри ложементов, и вторую часть корпуса с прозрачным окном. При этом токоведущие элементы выполнены в виде плоских П-образных пластин, жестко прикрепленных к печатной плате, а винтовые зажимы свободно размещены в ложементах, образованных первой и второй частями корпуса.
Недостатком известного счетчика является его ограниченная возможность для работы в воздушных распределительных сетях трехфазного переменного тока, так как он предназначен, в первую очередь, для использования в отапливаемых помещениях.
Наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели признан счетчик электроэнергии (RU 2714858 C2, МПК G01R 22/06, Н04В 3/54, опубл. 19.02.2020), содержащий измерительный блок для определения потребления электроэнергии, блок связи для передачи сигналов данных в полосе связи по силовому кабелю и блок обработки для управления измерительным блоком и блоком связи, причем блок связи выполнен с возможностью адаптировать полосу связи к среде связи.
Недостатком известного технического решения является отсутствие в его конструкции узла для обмена информацией с внешними устройствами обработки данных, блока контроля температуры окружающей среды и модуля беспроводной связи для удаленной передачи данных по энергопотреблению, что ограничивает возможности использования счетчика в полевых условиях в воздушных распределительных сетях трехфазного переменного тока.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание конструкции устройства учета потребляемой электрической энергии с возможностью его работы в полевых условиях и удаленной передачи показаний счетчика электрической энергии автоматизированной системе учета.
Указанная техническая задача решена тем, что цифровая подстанция учета потребляемой электрической энергии содержит металлический корпус с коррозионностойким покрытием, внутри которого на дин-рейках закреплены цифровой многотарифный трехфазный счетчик электроэнергии, выполненный с возможностью подключения к нему вторичных выходов трансформаторов тока и напряжения, снабженный информационным выходом для обмена информацией с внешними устройствами обработки данных посредством интерфейса RS-232, и блок управления, снабженный модулем питания. При этом блок управления выполнен на основе микроконтроллера, содержащего микропроцессорное ядро, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ, SRAM-памятью данных, модулем LCD-интерфейса, многоканальным аналого-цифровым преобразователем, интерфейсом ввода-вывода общего назначения, сгруппированного в два восьмиразрядных GPI/O-порта ввода-вывода, двумя универсальными синхронно-асинхронными приемопередатчиками USART, и модулем подключения SD-карты. К модулю LCD-интерфейса электрически подключен LCD-дисплей, к первому каналу аналого-цифрового преобразователя подключен резистивный датчик температуры, к первому восьмиразрядному GPI/O-порту ввода-вывода электрически подключена кнопочная клавиатура, ко второму GPI/O-порту ввода-вывода через силовой выход подключен нагревательный элемент, к первому универсальному синхронно-асинхронному приемопередатчику подключен выход многотарифного трехфазного счетчика электроэнергии, ко второму универсальному синхронно-асинхронному приемопередатчику подключен радиомодуль, а в слот модуля подключения SD-карты вставлена и электрически соединена с модулем SD-карта.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков полезной модели, является расширение эксплуатационных характеристик цифровой подстанции, за счет применения в конструкции устройства блока управления, снабженного двумя универсальными синхронно-асинхронными приемопередатчиками, с подключенными к ним счетчиком электроэнергии и радиомодулем, обеспечивающем удаленную передачу измеренных значений потребленной электроэнергии автоматизированной системе учета. Достижение эксплуатационных характеристик достигается также за счет применения в устройстве датчика температуры и нагревающего элемента, что позволит использовать цифровую подстанцию в полевых условиях в составе пункта коммерческого учета электрической энергии, эксплуатирующегося при температуре окружающей среды от минус 45 до плюс 50°С, на высоте до 1000 м над уровнем моря и в части воздействия климатических факторов внешней среды, удовлетворяющих требованиям стандарта ГОСТ 15150.
Устройство цифровой подстанции учета потребляемой электрической энергии поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана упрощенная структурная схема блока управления цифровой подстанцией; на фиг. 2 показана схема монтажа высоковольтного модуля (ВМ), а также цифровой подстанции, закрепленных на воздушной линии (ВЛ) опоры электропередачи; на фиг.3 показан внешний вид корпуса цифровой подстанции.
Цифровая подстанция учета потребляемой электрической энергии устроена следующим образом.
Ее основой является сварной металлический корпус 1 с коррозионно-стойким покрытием, внутри которого на дин-рейках закреплены цифровой многотарифный трехфазный счетчик электроэнергии 2, выполненный с возможностью подключения к нему вторичных выходов трансформаторов тока и напряжения, снабженный информационным выходом для обмена информацией с внешними устройствами обработки данных посредством интерфейса RS-232, и блок управления 3, снабженный модулем питания (на фигурах условно не показан). При этом блок управления 3 выполнен на основе микроконтроллера 4, содержащего микропроцессорное ядро 5, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ 6, SRAM-памятью данных 7, модулем LCD-интерфейса 8, многоканальным аналого-цифровым преобразователем 9, интерфейсом ввода-вывода общего назначения, сгруппированного в два восьмиразрядных GPI/O-порта ввода-вывода 10, 11, двумя универсальными синхронно-асинхронными приемопередатчиками (USART) 12, 13 и модулем подключения SD-карты 14. К модулю LCD-интерфейса 8 электрически подключен LCD-дисплей 15, к первому каналу аналого-цифрового преобразователя 9 через операционный усилитель подключен резистивный датчик температуры 16, к первому восьмиразрядному GPI/O-порту ввода-вывода 10 электрически подключена кнопочная клавиатура 17, ко второму GPI/O-порту ввода-вывода 11 через силовой выход 18 подключен нагревательный элемент 19, к первому универсальному синхронно-асинхронному приемопередатчику 12 подключен выход многотарифного трехфазного счетчика электроэнергии 2, ко второму универсальному синхронно-асинхронному приемопередатчику 13 подключен радиомодуль 20, а в слот модуля подключения SD-карты 14 вставлена и электрически соединена с модулем SD-карта 21.
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
В качестве счетчика электроэнергии может быть использован счетчик модели ЦЭ6850М(Счетчик электроэнергии трехфазный многотарифный микропроцессорный универсальный. АО «Концерн Энергомера». URL: http://www.energomera.ru/ru/products/meters/ce6850m-s31). В качестве микроконтроллера может быть применена микросхема LPC2478, основанная на микропроцессорном ядре ARM7TDMI-S, работающем на частоте 72 МГц. LCD-дисплей 15 может быть выполнен в виде специализированной TFT-панели с диагональю 8,9 см (3,5 дюйма)(3.5" TFT Touch Screen, 3.5" TFT LCD Screen 320×240. WINSTAR. URL: https://www.winstar.com.tw/ products/tft-lcd/module/3 5-touch-screen.html (Дата обращения: 16.10.2018)), разрешением 320×240 точек с глубиной цветности 24 бита, снабженную подсветкой(Тачскрин. Энциклопедия «Викисловарь». URL: https://ru.wiktionary.org/wiki/тачскрин (Дата обращения: 16.10.2018).). LCD-дисплей 15 целесообразно закрепить на внешней поверхности корпуса устройства, а кнопочная клавиатура 17 может быть выполнена мембранной(Модуль клавиатуры мембранной 16-клавишной (4×4). Умная электроника. РФ. URL: https://umnaya-elektronika.ru/moduli/klaviatura-i-knopki-ru/modulklaviaturymembrannoy16klavishnoy/ (Дата обращения: 16.10.2018).), содержать шестнадцать клавиш и подключаться к GPI/O-порту ввода-вывода 10 посредством восьмипроводного шлейфа с разъемом. Силовой выход 18 может быть выполнен на основе тиристорных ключей, а нагревательный элемент 19 - в виде ТЭНа. В качестве радиомодуля 20 целесообразно применить модем стандарта LoRa модели WLK01S78-TH(Модуль LoRa WLK01S78-TH чип sx1278 // ChipDip.ru. URL: https://amperkot.ru/products/modul lora wlk01s78th chip sx1278/25202678.html [дата обращения: 12.12.2019).), представляющий собой готовое решение для низкоскоростной передачи малых объемов данных на Относительно большие расстояния. Устройства LoRa оптимизированы под низкое энергопотребление, что позволяет использовать их с питанием от батарей или аккумуляторов, при этом высокая чувствительность модулей позволяет использовать их с короткими антеннами в виде зигзага на печатной плате.
Цифровую подстанцию учета потребляемой электрической энергии используют следующим образом.
Первоначально в верхней части воздушной линии (ВЛ) опоры электропередачи устанавливают высоковольтный модуль 22, включающий в себя трансформаторы тока и напряжения. В нижней части опоры монтируют корпус 1 подстанции, подключая вторичные выходы трансформаторов высоковольтного модуля к счетчику электроэнергии 2. Далее блок управления активируют и с помощью кнопочной клавиатуры 17 вводят параметры режимов работы устройства, контролируя их с помощью показаний, выводимых на LCD-дисплей 15. Все введенные уставки сохраняются блоком управления на SD-карте 21 для дальнейшего использования устройством. После завершения первоначальных настроек устройство переключают в автоматический режим работы, а клавиатура и LCD-дисплей могут быть отключены от блока управления и демонтированы.
Во время автономной работы устройства микроконтроллер 4 на основе управляющей программы, хранящейся во FLASH-памяти программ 6 с использованием SRAM-памяти данных 7, осуществляет считывание текущей величины энергопотребления, получаемой посредством интерфейса RS-232 от цифрового счетчика электроэнергии 2. В соответствии с управляющей программой микроконтроллер 4 с помощью радиомодуля 20 удаленно передает значение величины электропотребления автоматизированной системе учета, кэшируя данные на SD-карте 21. Одновременно с этим микроконтроллер 4 осуществляет циклический опрос резистивного датчика температуры 16 и, в случае понижения температуры окружающего воздуха ниже -5°С, через силовой выход 18 активирует нагревательный элемент 19, а после нормализации температуры отключает его.