СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С АДАПТИВНОЙ СИСТЕМОЙ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

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 счетчик электроэнергии, включающий микропроцессор и соединенные с ним блок измерения мощности и блок памяти, блок питания счетчика и устройство отключения цепи нагрузки с приводом, управляемым от микропроцессора (Патент РФ на изобретение №2098835, G01R 11/00, опубл. 1997.12.10).
Однако, данное устройство обладает низкой безопасностью применения в быту и на производстве в связи с отсутствием контроля состояния цепи нагрузки и возможности ее защитного отключения при выявленных неполадках.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение безопасности применения электроэнергии в быту и на производстве, путем обеспечения контроля состояния цепи нагрузки и возможности ее защитного отключения при выявленных неполадках.
Поставленная задача достигается тем, что в счетчике электроэнергии с адаптивной системой автоматического управления, включающем микропроцессор и соединенные с ним блок измерения мощности и блок памяти, блок питания счетчика и устройство отключения цепи нагрузки с приводом, управляемым от микропроцессора, согласно полезной модели, он снабжен подключенными к микропроцессору набором программируемых таймеров и часами реального времени с питанием от автономного источника, узлом контроля уровня напряжения, вход которого связан с блоком питания счетчика, а выход - с микропроцессором, и блоком 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.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где представлена структурная схема счетчика электрической энергии, на которой изображены следующие узлы и блоки:
1 - микропроцессор;
2 - блок измерения мощности;
3 - блок памяти;
4 - часы реального времени;
5 - гальванический элемент;
6 - набор программируемых таймеров;
7 - многоуровневый пороговый элемент;
8 - блок защиты;
9 - блок питания счетчика;
10 - устройство отключения (далее ключ);
11 - привод устройства отключения;
12 - датчик напряжения;
13 - датчик тока;
14 - перемножитель-преобразователь;
15 - дифференциальный трансформатор
16 - устройство управления защитным отключением;
17 - чувствительный элемент;
18 - функциональный преобразователь;
19 - модем;
20 - дисплей;
21- узел контроля работоспособности гальванического элемента;
22 - модуль включения;
23 - модуль отключения;
24 - цепь нагрузки;
Счетчик электроэнергии содержит микропроцессор 1 и связанные с ним блок 2 измерения мощности, блок 3 памяти, часы 4 реального времени с питанием от гальванического элемента 5, набор программируемых таймеров 6, узел контроля уровня напряжения, выполненный в виде многоуровневого порогового элемента 7, блок 8 защиты, блок 9 питания счетчика и устройство 10 отключения с приводом 11. Устройство 10 предназначено для отключения цепи нагрузки потребителя от сети и может быть реализовано любым известным из уровня техники способом. Поэтому далее будем именовать его - ключ 10.
Блок 2 измерения потребляемой мощности включает датчик 12 напряжения и датчик 13 тока, выходы которых соединены с входами перемножителя-преобразователя 14, выход которого подключен к микропроцессору 1. Перемножитель-преобразователь 14 представляет собой электронный преобразователь, выполненный на базе полупроводникового устройства, предназначенный для перемножения двух аналоговых входных величин u(t) и i(t), их модуляции и т.д.
Блок 8 защиты включает дифференциальный трансформатор 15, являющийся первичным преобразователем сигнала разности токов в подводящем и отводящем проводах электроснабжения, и устройство управления защитным отключением 16, включающее чувствительный элемент 17 и функциональный преобразователь 18. Первичные обмотки ДТр 15 включены в сеть, а вторичные подключены к входу чувствительного элемента 17. Выход последнего соединен с входом функционального преобразователя 18, связанного с микропроцессором 1.
Счетчик также содержит включенный между линией электроснабжения и микропроцессором 1 модем 19, дисплей 20 для наглядного отражения информации, подключенный к выходу микропроцессора 1, и узел 21 контроля работоспособности гальванического элемента 5.
Привод 11 ключа 10 связан с микропроцессором 1 и включает два модуля: модуль включения 22 и модуль отключения 23, что позволяет осуществлять как отключение нагрузки потребителя от сети электроснабжения, так и подключение ее к сети. Модули 22 и 23 выполнены по принципу «защелки».
Микропроцессор 1 с набором программируемых таймеров 6 может быть реализован на микросхемах серии AT89 фирмы «ATMEL» (см. сайт www.atmel.com), блок 3 памяти - на микросхемах AT24 этой же фирмы. Возможности микропроцессора позволяют осуществлять как функции счетного устройства, так и функции согласования и управления работой всех узлов и блоков схемы. Выполнение указанных функций обеспечивается как аппаратным выполнением микропроцессора 1, так и программой, записанной в его ППЗУ. Возможности микропроцессора позволяют также записывать в его память необходимые для решения поставленных задач контрольные параметры, пороговые величины, которые могут извлекаться из памяти процессором для осуществления с ними различных операций.
Остальные узлы и блоки могут быть реализованы на следующих промышленно выпускаемых серийных элементах: часы 4 реального времени - на микросхемах серии DS13XX фирмы «Dallas Semiconductors» (см. сайт www.dbserv.maxim-ic.com); чувствительный элемент 17 и функциональный преобразователь 18 могут быть выполнены на микросхемах серии ANX2X фирмы «Anadigm» (см. сайт www.anadigm.com): блок 9 питания счетчика - на микросхемах серии TOP2XX фирмы «Power Integrations» (см. сайт www.powerint.com), устройство 10 отключения и его привод 11 в виде реле с защелкой типа WJ3XX фирмы «Wanjia relay» (см. сайт www.wanjiarelay.com). Перемножитель-преобразователь 14 может быть реализован на микросхемах серии ADE77XX фирмы «Analog Devices» (см. сайт www.analog.com), на микросхемах ADM6XX этой же фирмы реализованы узел 7 контроля уровня напряжения и узел 21 контроля работоспособности гальванического элемента 5. В качестве датчика 13 тока и датчика 12 напряжения могут быть применены любые известные. Модем 19 был реализован на микросхемах серии 1446 фирмы «Ангстрем» (см. сайт www.angstrem.ru) и установлен дисплей 20 фирмы «МЭЛТ» (см. сайт www.melt.com.ru).
Счетчик электроэнергии работает следующим образом.
В нормальном рабочем состоянии ключ 10 включен и нагрузка 24 подключена к питающей электрической сети. Датчик напряжения 12 измеряет напряжение электрической сети, а датчик тока 13 определяет величину тока. Сигналы с датчиков подаются на вход перемножителя-преобразователя 14, который осуществляет их перемножение, преобразование и выдает на вход микропроцессора 1 сигнал, соответствующий величине потребляемой мощности.
Микропроцессор 1 в соответствии с заданной программой осуществляет обработку данных измерений, подсчет и регистрацию оперативных данных в памяти. Сохраненная информация из внутренней памяти процессора 1 периодически переписывается в блок 3 энергонезависимой памяти, предназначенной для длительного хранения информации. Данные учета электроэнергии выводятся на дисплей 20, а также могут передаваться удаленному контролирующему органу при подключении последнего по сети электроснабжения и через модем 19 к микропроцессору 1.
Одновременно с подсчетом расхода электрической энергии микропроцессор 1 осуществляет контроль уровня мощности. Для осуществления этой функции в ПЗУ микропроцессора 1 предварительно записываются пороговые значения превышения нагрузки. В реализованном счетчике установлено 8 пороговых уровней, соответствующих превышению мощности от 10% до 300%.
Соответственно каждому из упомянутых пороговых значений мощности в наборе программируемых таймеров 6 заданы интервалы времени, причем чем ниже пороговый уровень, тем больше соответствующий ему интервал времени, и наоборот, чем больше порог превышения нагрузки, тем меньше разрешенный интервал времени, отсчитываемый таймером. К примеру: 10% превышению нагрузки соответствует интервал ≈1 минуте; 20% превышению - интервал ≈0.5 минуты; и т.д.
При перегрузке 300% и выше интервал составляет не более 1 секунды.
Микропроцессор (далее - МП) 1 осуществляет постоянное сравнение получаемых с блока 2 данных измерений со значениями пороговых уровней, записанными в его памяти. В нормальном режиме работы величина потребляемой мощности не превышает установленных пороговых значений. В случае превышения нагрузкой какого-либо порогового уровня МП 1 запускает соответствующий таймер 6 с заданным интервалом времени. Если до конца периода, отсчитываемого таймером 6, превышение нагрузки не снимается, то по сигналу таймера об окончании отсчетного периода МП 1 выдает на привод 11 сигнал «отключения» нагрузки 24 от сети. Модуль 23 отключения переводит ключ 10 в положение «отключено». Потребитель отключен от сети электроснабжения. Таким образом, счетчик позволяет осуществить защиту сети потребителя от перегрузки.
Через некоторое время, установленное программой, микропроцессор 1 осуществляет подключение нагрузки 24 к питающему напряжению. При этом если перегрузка остается, микропроцессор 1 производит повторное отключение.
Все осуществляемые микропроцессором 1 операции, в том числе и отключение нагрузки фиксируются в памяти с указанием кода операции, времени и даты осуществления, которые определяются микропроцессором 1 по показаниям часов 4 реального времени. Благодаря наличию независимого автономного источника питания - гальванического элемента 5 показания часов 4 не зависят от наличия напряжения питания в сети и на других блоках счетчика.
При включении потребителя в сеть существует угроза перегорания моторного оборудования, если после отключения напряжения питания не прошло достаточно времени, необходимого для подготовки оборудования к новому включению. Указанный интервал времени условно назван «защитным периодом». Защитный период, исходя из анализа существующей в настоящее время бытовой техники и аппаратуры, был принят равным 5 минутам. В памяти микропроцессора 1 наряду с пороговыми значениями мощности предварительно запрограммировано время защитного периода. Перед формированием сигнала на включение нагрузки 24 в сеть МП 1 извлекает из блока 3 памяти время и дату последнего отключения нагрузки, сравнивает эти данные с текущими показаниями часов 4 реального времени, определяет период времени, прошедший с момента отключения нагрузки 24 от питающего напряжения, и сравнивает полученную величину с записанной в его памяти величиной защитного периода. Если с момента последнего отключения нагрузки прошло более пяти минут (защитный период), то МП 1 сразу выдает сигнал на модуль 22 привода 11, осуществляющего подключение нагрузки 24 к сети электроснабжения. Если результат сравнения меньше пятиминутного защитного периода, то МП 1 запускает таймер 6 на недостающую разницу времени, и сигнал на включение потребителя подает только по сигналу таймера 6, говорящему о прошествии 5 минут после последнего отключения напряжения.
Вышеуказанная последовательность действий осуществляется при каждом включении нагрузки 24 после любых отключений. Таким образом, счетчик обеспечивает защиту моторного оборудования потребителя и бытовых приборов от перегорания, возможного при кратковременном пропадании напряжения питания.
Счетчик имеет возможность ограничения потребляемой мощности в случаях неуплаты за пользование электрической энергией. По команде внешнего управляющего устройства, подаваемой по линиям электроснабжения через модем 19, микропроцессор 1 может временно отключить нагрузку 24 потребителя от сети, при этом МП 1 записывает в таймер 6 длительность отключения, которую последний отсчитывает.
Многоуровневый пороговый элемент 7 контролирует уровень напряжения питания на входе микропроцессора 1. При снижении напряжения ниже нормы (по достижении напряжением нижнего порогового уровня), например в случае пропадания напряжения в сети или же при неполадках в блоке 9 питания, на выходе элемента 7 появляется сигнал, поступающий на вход микропроцессора 1 и служащий для его заблаговременного оповещения о предстоящем пропадании напряжения. По сигналу элемента 7 микропроцессор 1 выдает сигнал на запоминание текущего состояния и приостановку деятельности своим внутренним системам и запускает таймер 6 на время контроля напряжения ≈5 сек, соответствующее так называемому «безопасному» периоду пропадания напряжения (или помехе). В это время МП не производит никаких операций по изменению или переадресации данных, т.к. пропадание напряжения во время операции повлечет за собой потерю последних.
Если в течение отсчитываемого таймером 6 безопасного времени помехи происходит восстановление напряжения, то МП 1 восстанавливает работу всех систем. Если по истечении указанного времени напряжение не восстановилось, то по сигналу таймера 6 об окончании отсчета МП 1 формирует сигнал на отключение нагрузки 24 от сети и подает его на вход модуля 23 отключения.
В процессе работы счетчика блок 8 осуществляет постоянный контроль разности токов в подводящем и отводящем проводах сети. При отсутствии утечки тока геометрическая сумма токов в первичной обмотке дифференциального трансформатора (ДТр) 15 равна нулю, поэтому во вторичной обмотке ДТр 15 напряжения нет. При касании провода или коротком замыкании равенство токов в первичной обмотке ДТр нарушится, поскольку по фазному проводу помимо тока нагрузки будет проходить ток замыкания или утечки, и в его вторичной обмотке появится напряжение. Если оно равно или превышает напряжение срабатывания чувствительного элемента 17, то на выходе последнего появляется сигнал, который поступает на вход функционального преобразователя 18. Преобразователь 18 оценивает поступивший сигнал, усиливает его и преобразует в цифровую форму, воспринимаемую микропроцессором. Функциональный преобразователь 18 выполнен с возможностью интегральной и дифференциальной оценки величины разности токов. Интегральная составляющая позволяет оценивать плавное нарастание изменения показаний, что говорит о понижении изоляции в сети. Дифференциальная составляющая оценивает резкое увеличение значения разности токов, например, в случае касания провода человеком. МП 1 в соответствии с заложенной программой анализирует поступающий с преобразователя 18 сигнал, сравнивает его с предыдущими показаниями и максимально допустимым значением, также предварительно занесенным в его память. В случае резкого «скачка» или же при достижении максимально допустимого значения микропроцессор формирует управляющий сигнал «отключения» нагрузки.
Блок 8 выполняет функции известного электронного устройства защитного отключения (УЗО). Однако в отличие от последнего, где сигнал с чувствительного элемента подается непосредственно на выключатель, в заявляемом решении сигнал с чувствительного элемента 17 подается на МП 1, при этом предварительно обрабатывается функциональным преобразователем 18, позволяющим оценить характер неисправности. Кроме того, при пропадании «нуля» известное электронное УЗО не может распознать неполадку, т.к. само обесточено и не работает. В заявляемом решении в этом случае все равно произойдет отключение нагрузки потребителя от сети, т.к. появляется сигнал «пропадания напряжения» на выходе элемента 7, являющийся сигналом для МП 1 о необходимости отключения нагрузки. Таким образом блоки защиты и контроля 7 и 8 дополняют друг друга, обеспечивая отключение фазного провода от сети электроснабжения при любых неполадках, обеспечивая этим максимальную защиту потребителя от аварийных ситуаций.
Наличие программируемых таймеров и ЧРВ помогает анализировать время неполадки, осуществлять фильтрацию помех, обеспечивает возможность осуществления защиты моторного оборудования потребителя.
Счетчик предусматривает возможность оперативного изменения контрольных величин и пороговых значений, заносимых в память МП 1. Указанное изменение может быть произведено посредством доступа внешнего управляющего устройства к памяти МП, осуществляемого через модем 19 по линиям электрической связи, при этом исключен прямой доступ к микропроцессору 1, что обеспечивает надежность работы последнего.
Кроме того, в заявляемом счетчике электрической энергии закрыт прямой доступ к любым узлам и блокам, что обеспечивает высокую степень защищенности счетчика от несанкционированного вмешательства, следовательно, повышает его надежность.
Счетчик предназначен для использования в двухпроводных сетях переменного тока как самостоятельно, так и в составе автоматизированных систем учета и контроля потребления электроэнергии. Кроме того, конструкция счетчика предусматривает возможность осуществления многотарифного учета электроэнергии.
В отличие от аналогов, счетчик электроэнергии с адаптивной системой автоматического управления, обладает повышенной безопасностью применения электроэнергии в быту и на производстве, путем обеспечения контроля состояния цепи нагрузки и возможности ее защитного отключения при выявленных неполадках.