УСТРОЙСТВО УЧЕТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
ELECTRICITY METERING DEVICE

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в массовом порядке в целях противодействия хищению электроэнергии различными сложно распознаваемыми техническими средствами, использование которых наносит ущерб экономике страны до 100 миллиардов рублей в год.
Самым примитивным способом хищения, особенно в сельской местности и в садоводческих товариществах, является так называемый переброс фазного и нулевого проводников ввода у изоляторов ответвления от воздушной линии (BЛ-0,4 кВ) при полностью опломбированном счётчике абонента и с применением скрытого заземляющего устройства. Борьба с этим способом хищения электроэнергии сводится к опломбированию фазного или нулевого проводников ввода, выполненного цельным кабелем, с ответвлением от ВЛ-0,4 кВ у изоляторов, закреплённых на фронтоне дома или трубостойке на крыше дома [1-2]. По проведённым оценкам применение этого способа борьбы с хищениями электроэнергии в масштабах страны при действующих тарифах способно привести к экономии до тридцати миллиардов рублей ежегодно при минимальных одноразовых затратах на такое опломбирование в порядке текущей эксплуатации энергоснабжающими организациями на местах. Против повсеместного внедрения этого способа выступают чиновники от Министерства энергетики, указывающие со ссылкой на несовершенство наших законов, в силу которых абонент не должен отвечать за целостность такой пломбировки, поскольку она находится вне пределов его жилища, хотя и на его участке, к тому же в труднодоступном месте. Да и закон подправить вполне возможно. Для новых построек теперь стали применять вынесенные на опору электропередачи электросчётчики, установленные в защищённых металлических опломбированных корпусах. Однако, во-первых, это противоречит указанным чиновниками от электроэнергетики «доводам» о безответственности абонента за целостность пломбировки вынесенного за пределы его жилища электросчётчика, да и не только пломбировки, но и целостности самого прибора учёта электроэнергии. Во-вторых, эта мера касается только нового строительства, а в стране находится огромное множество абонентов со старыми приборами учёта электроэнергии, в том числе с индукционными счётчиками с вращающимися дисками (типа СО-2М), которые можно реверсировать на «отмотку» показаний с применением автотрансформаторной схемы, подключённой к фазному вводу до электросчётчика (метод наброса). Также для целей отмотки или остановки счётчиков этого типа (при включённой активной нагрузке) стали использовать электронные устройства, включаемые непосредственно в розетку абонента (внутри его дома), которые модулируют ток фазы на повышенной частоте (1...10 кГц), что снижает темп правильного учёта в первой и третьей четвертях периодов сетевого напряжения при одновременном заряде этим током накопительного конденсатора, который затем плавно разряжают обратно в сеть во второй и четвёртой четвертях периодов.
Против хищения электроэнергии на основе переброса фазного и нулевого проводников на вводе были разработаны приборы учёта с двумя токовыми датчиками, установленными как в фазной, так и в нулевой цепях [3-4]. Затем стали внедрять цифровые электросчётчики активной энергии - однофазные типа СЕ-200 и трёхфазные типа ЦЭ6803В, не допускающие принципиально отмотку их показаний. Однако эти новшества привели к разработке новых электронных устройств хищения электроэнергии (УХЭ), которые подключаются в обычную электрическую розетку без какого-либо нарушения пломбировки прибора учёта, без переброса фазного и нулевого проводников и без использования встроенного заземления [5-8]. Принцип действия некоторых из таких экзотических УХЭ состоит в заряде параллельно двух LC-линий задержки с накопительными конденсаторами через двунаправленные транзисторные коммутаторы в первой и третьей четвертях периодов сетевого напряжения с последующим последовательным соединением симистором этих линий задержки с возвратом накопленной энергии обратно в сеть на повышенном напряжении. Различие прямого и обратного подсчёта электроэнергии, основанного на интегрировании за период произведений мгновенных значений тока и напряжения при заряде и разряде накопительных LC-линий задержки, при котором реактивная энергия заряда превращается в активную при разряде, составляет ту долю энергии, которую абонент может потреблять бесплатно. А установить факты хищения практически невозможно.
Таким образом, несовершенство имеющихся и вновь вводимых в обращение приборов учёта электроэнергии не защищает энергоснабжающие организации от неконтролируемого хищения электроэнергии, и связанные с этим потери неизбежны. Это ставит задачу разработки электросчётчиков, могущих эффективно противодействовать известным способам хищения электроэнергии, что будет способствовать замедлению роста тарифов на электроэнергию и приведет к существенной её экономии.
Известен способ учёта электроэнергии [9], включающий следующие операции:
- перемножение мгновенных значений тока нагрузки и напряжения в сети,
- интегрирование за период переменного напряжения результата указанного перемножения,
- отображение израсходованной энергии на цифровом табло,
- перемножение тока и напряжения осуществляют только для полуволн переменного напряжения сети одной полярности путём выпрямления и фильтрации амплитудных значений сигналов-эквивалентов тока нагрузки и напряжения сети.
Также общеизвестен приём отображения расходуемой энергии в числе подсчитываемых счётчиком импульсов, получаемых преобразованием перемножаемого сигнала-эквивалента в частоту следования импульсов, как это применяется в цифровых электросчётчиках, например, на основе применения интегральной схемы ADE7761 [10].
К недостатку известных цифровых электросчётчиков относится измерение только активной или только реактивной энергии, а не полной энергии. Этот недостаток устранён в заявляемом техническом решении.
Целью изобретения является обеспечение защищённости приборов учёта полной электроэнергии от её неконтролируемого хищения.
Указанная цель достигается в устройстве учёта электроэнергии, содержащем датчик фазного тока, перемножитель сигнала от датчика фазного тока на сигнал действующего в сети напряжения с последующим преобразованием результата указанного произведения в частоту импульсов с её делением и подсчётом числа импульсов во времени и с отображением счёта на цифровом табло, в котором перемножение сигналов-эквивалентов тока нагрузки и напряжения сети осуществляется только для положительной или отрицательной полуволны переменного напряжения, отличающемся тем, что в качестве датчика фазного тока использован температурно-независимый резистор, включённый к операционному усилителю с управляемым коэффициентом усиления, выход которого подключён через первый выпрямитель с первым фильтром нижних частот к первому входу перемножителя на микросхеме, ко второму входу которого подключён резисторный делитель сетевого напряжения, которое преобразуется в пульсирующее вторым выпрямителем со вторым фильтром нижних частот, причём регулировка усиления в операционном усилителе осуществляется скачкообразно тремя декадными резисторными делителями по мере перехода выходного напряжения операционного усилителя за минимальный или максимальный фиксированные уровни, например, 1 В и 10 В, с одновременным автоматическим переключением коэффициента деления частоты подсчитываемых импульсов в делителе частоты, содержащем два дополнительных десятичных счётчика, один из которых или оба вместе подключаются последовательно к основной схеме делителя частоты для соответствующих диапазонов измерения тока нагрузки.
Достижение поставленной цели объясняется тем, что учёт электроэнергии осуществлён только по одним из полупериодов переменного напряжения сети - положительным или отрицательным, что определяется соответствующим включением первого и второго выпрямительных диодов, формирующих сигналы-эквиваленты тока нагрузки и напряжения сети одной полярности для перемножителя на микросхеме, и эта полярность в дальнейшем преобразовании сохраняется с подавлением сигналов датчика фазного тока противоположной полярности (для неиспользуемой полуволны сетевого напряжения). Разработанный на заявляемом способе прибор учёта электроэнергии нечувствителен к замедляющей учёт расходуемой энергии импульсной модуляции фазного тока на повышенной частоте (1...10 кГц), к использованию для целей отмотки электросчётчика схем возбуждение обратного фазного тока (при котором произведение тока на напряжение отрицательно) и к перебросу фазного и нулевого проводников на вводе у изоляторов ответвления от воздушной линии BJI-0,4 кВ. Кроме того, такой электросчётчик учитывает полную энергию, а не только её активную часть, что также весьма существенно.
На рис.1 представлена известная схема включения к сети прибора учёта электроэнергии со скрытым УХЭ, а на рис.2 - принципиально-блочная схема заявляемого устройства.
Схема учёта (рис.1) содержит:
1 - воздушную (например, однофазную) линию электропередачи,
2 - прибор учёта электроэнергии индукционного типа (например, СО-2М),
3 - приборы защиты (автоматические предохранители-выключатели),
4 - устройство хищения электроэнергии (УХЭ) со скрытой электропроводкой к нему,
5 - скрытый выключатель УХЭ,
6 и 7 - электророзетки пользователя электроэнергии для подключения его нагрузок.
Схема заявляемого прибора учёта (рис.2) содержит следующие элементы:
8 - датчик фазного тока - температурно-независимый низкоомный резистор,
9 - прецизионный операционный усилитель (ОУ), например, типа 153УД5,
10 - автоматически управляемый блок трёхдекадного делителя цепи обратной связи прецизионного операционного усилителя 9,
11 - управитель трёхдекадного делителя 10 и коэффициентом деления в делителе частоты,
12 - первый выпрямительный диод,
13 - перемножитель однополярных сигналов-эквивалентов фазного тока и действующего сетевого напряжения, выполненный на микросхеме (например, типа 525ПС1),
14 - конденсатор первого фильтра нижних частот,
15 - резистор первого фильтра нижних частот - утечки конденсатора 14,
16 - второй выпрямительный диод,
17 - конденсатор второго фильтра нижних частот,
18 - резистор второго фильтра нижних частот - утечки конденсатора 17,
19 и 20 - резисторы делителя напряжения, формирующего однополярный сигнал-эквивалент напряжения сети,
21 - управляемый напряжением генератор импульсов с линейной функцией «напряжение - частота следования импульсов»,
22 - делитель частоты импульсов с переменным коэффициентом деления, включающий дополнительно два декадных делителя частоты, подключаемых автоматически от управителя 11 одиночно или совместно к основному делителю,
23 - декадное многоразрядное цифровое табло для снятия показаний в «кВт*ч» израсходованной полной электроэнергии (активной и реактивной) с механическим приводом или на основе жидкокристаллического цифрового индикатора,
24 - контрольный мигающий светодиодный индикатор, указывающий работоспособность электросчётчика и текущую мощность потребляемой абонентом электроэнергии,
25 - вторичный источник питания, обслуживающий работу микросхем и цифрового табло. 26, 27 и 28 - соответственно конденсатор, диод и резистор - элементы развязки ОУ 9 от перемножителя 13 и управителя 11.
Рассмотрим работу заявляемого устройства.
ОС
Пусть прибор учёта рассчитан на работу в диапазоне учитываемых им фазных токов от 50 мА до 50 А. Если датчик фазного тока 8, выполненный из полоски манганина, имеет сопротивление 0,002 Ом в заданном по ТУ диапазоне температур (например, от -20° до +50°), то это означает, что на его зажимах может действовать переменное напряжение с амплитудным значением от 0,1 мВ до 0,1 В (динамический диапазон 60 дБ). Этот сигнал линейно связан с измеряемым фазным током и подаётся через нагрузочный резистор RH, например, равным 100 Ом, на инвертирующий вход прецизионного операционного усилителя (ОУ) 9 с малым входным дрейфом напряжения, Чтобы на выходе ОУ амплитуда переменного напряжения изменялась при изменении фазного тока в пределах от 1 В до 10 В во всём диапазоне изменения токов нагрузки, в счётчике используется автоматически переключаемые резисторы обратной связи R в блоке трёхдекадного делителя 10 на основе использования электронных коммутаторов на аналоговых микросхемах (например, типа 101КТ1 или 143КТ1). Управление переключением этих резисторов обратной связи осуществляется с управителя 11 трёхдекадного делителя 10.
ОС 1
1
ОС 2
2
ОС 3
3
Так, при фазном токе, изменяющемся в диапазоне от 5 А до 50 А сопротивление обратной связи R = 10 кОм, и в ОУ 9 коэффициент усиления K = 100. При фазном токе в диапазоне от 0,5 А до 5 А сопротивление R = 100 кОм, и коэффициент усиления в ОУ 9 равен К = 1000, а при фазном токе в диапазоне от 50 мА до 500 мА сопротивление обратной связи R = 1 мОм, и коэффициент усиления К = 10000. При этом в блоке управителя 11 имеется двухуровневый компаратор (например, типа 521СА1) с фиксирующими уровнями для сравнения на 1 В и 10 В. Когда текущее значение амплитуды переменного напряжения выходит за пределы этих фиксированных уровней, возникает сигнал на соответствующее переключение резисторов обратной связи в трёхдекадном делителе 10. При фазных токах меньше минимального предела в 50 мА или больше максимального в 50 А указанных переключений не происходит, и электросчётчик продолжает работать в том же соответствующем диапазоне измерения тока нагрузки, то есть при выходных напряжениях ОУ 9 менее 1 В или более 10 В, хотя и с некоторыми погрешностями отсчёта расходуемой энергии вне заданного рабочего диапазона токов нагрузки.
При включении первого выпрямительного диода 12 и второго выпрямительного диода 16, как показано на рис.2, на первом и втором входах перемножителя 13, возникают постоянные напряжения положительной полярности - сигналы-эквиваленты тока нагрузки и напряжения сети - соответственно от 1 В до 10 В для фазного тока нагрузки и от 3,8 В до 5,6 В для напряжения сети с нормальным значением 5 В при действующем значении напряжения сети 220 В, при этом последнее может изменяться в диапазоне от 167 В до 246 В, что отражает предельно возможные перепады сетевого напряжения в различных участках протяжённой и нагруженной линии электропередачи.
Сигнал-эквивалент тока нагрузки формируется первым выпрямительным диодом 12, нагруженным на первый фильтр нижних частот из параллельно включённых
конденсатора 14 и резистора 15 с постоянной времени порядка 200 мс. При этом на первом входе перемножителя 13 и на входе управителя 11 трёхкаскадного делителя 10, возникает постоянное напряжение, соответствующее амплитуде переменного напряжения, действующего на выходе ОУ 9.
ДЕЛ
Сигнал-эквивалент напряжения сети формируется вторым выпрямительным диодом 16, нагруженным на второй фильтр нижних частот из параллельно соединённых конденсатора 17 и резистора 18 с постоянной времени порядка 200 мс. При этом на конденсаторе 17 возникает постоянное напряжение, равное амплитудному значению переменного напряжения сети. Это напряжение подаётся на второй вход перемножителя 13 через делитель напряжения из последовательно соединённых резисторов 19 и 20 (k = 1/62,04).
Указанные значения постоянных времени в первом и втором фильтрах нижних частот (порядка 200 мс) позволяют выделить амплитудные значения переменных напряжений-эквивалентов .
Первые два младших десятичных разряда табло 23 отсчитывают сотые и десятые доли одного кВт*ч, последующие, например, пять десятичных разрядов учитывают израсходованную энергию в кВт*ч вплоть до показаний 99999,99 кВт*ч, после чего показания электросчётчика обнуляются и производится новый отсчёт показаний.
Наряду с мигающим светодиодным индикатором 24 в приборе учёта может быть использован не показанный на рис.2 светодиодный индикатор постоянного горения, указывающий на правильное подключение ввода к соответствующим клеммам электросчётчика, что исключит возможность применения способа хищения электроэнергии так называемым перебросом фазного и нулевого проводников на вводе (у изоляторов ответвления от воздушной линии BЛ-0,4 кВ). Решение этой задачи достигается измерением переменного наведённого потенциала между фазной клеммой А электросчётчика и металлическим корпусом последнего, не связанного электрически с нулевой клеммой С, усилением этого наведённого сигнала и подачей его на контрольный светодиод непрерывного горения. Наводимый сигнал переменного тока при этом возникает при наличии слабой емкостной связи указанного корпуса электросчётчика с землёй. Эта связь возрастает при прикасании рукой к корпусу электросчётчика, что можно использовать при проверке правильности подключения ввода к его клеммам представителями контролирующих организаций Энергосбыта без снятия опломбированной клеммной крышки прибора учёта, если данный светодиодный индикатор горит самостоятельно или при прикосновении рукой к корпусу электросчётчика. Если при перебросе фазного и нулевого проводников на вводе на клемме А электросчётчика будет присоединён нулевой проводник, вместо фазного, то указанный светодиодный индикатор гореть не будет никогда.
H
Отметим, что сигналы-эквиваленты тока нагрузки и действующего сетевого напряжения в рассматриваемой схеме образуются только от действия положительных полупериодов сетевого напряжения. Действительно, потенциал с клеммы А связан непосредственно с неинвертирующим входом ОУ 9, а потенциал с клеммы В подключён через резистор R к инвертирующему входу этого ОУ, поэтому на выходе последнего образуется усиленный по величине потенциал того же знака, что и на клемме А электросчётчика. Следовательно, указанные сигналы-эквиваленты образуются от одних и тех же положительных полупериодов сетевого напряжения. При этом схема нечувствительна к тому, что происходит в другие - отрицательные полупериоды, в течение которых может возникать обратный ток с повышенным напряжением от действия УХЭ с накоплением энергии в линиях задержки мостовой схемы [13] с последующей коммутацией этих линий в последовательную цепь с помощью управляемого симистора или параллельно работающей пары тиристоров.
Заявляемое устройство также нечувствительно к импульсной модуляции фазного тока на повышенной частоте 1...10 кГц (применительно к электросчётчикам индукционного типа), поскольку дробление фазного тока никак не сказывается на величине сигналов-эквивалентов за счёт работы первого 12 и второго 16 выпрямительных диодов с их соответствующими фильтрами низкой частоты, формирующими амплитудные (пиковые) значения этих сигналов-эквивалентов постоянного тока.
Огромные потери электроэнергии за счёт её хищения различными примитивными и достаточно экзотическими средствами, а оснащённость последними будет неуклонно возрастать из-за систематически повышающихся тарифов на электроэнергию в условиях обнищания основной массы пользователей, включая и пользователей на предприятиях и организациях, задавленных конкуренцией и различными налогами и поборами («откатами»), остро ставит вопрос о необходимости переоборудования абонентов принципиально новыми приборами учёта электроэнергии, несмотря на всю сложность практического осуществления такого переоборудования и его достаточно высокую стоимость. Именно решению этой задачи посвящено заявляемое техническое решение.
Литература
1. Меньших О.Ф. Способ борьбы с хищениями электроэнергии. Патент РФ № 2208795, опубл. в бюлл. № 20 от 20.07.2003.
2. Меньших О.Ф. Способ борьбы с хищениями электроэнергии (способ Меньших), Патент РФ № 2308726, опубл. в бюлл. № 29 от 20.10.2007.
3. Меньших О.Ф. Устройство для проверки чувствительности электронного электросчётчика с двумя токовыми цепями с активной нагрузкой и реактивной компенсацией. Патент РФ № 2338217, опубл. в бюлл. № 31 от 10.11.2008.
4. Меньших О.Ф. Способ проверки работоспособности электронного счётчика электроэнергии с двумя токовыми измерительными цепями и схема его осуществления, Патент РФ № 2344428, опубл. в бюлл. № 02 от 20.01.2009.
5. Меньших О.Ф. Устройство конвертирования активной нагрузки, Патент РФ № 2446538, опубл. в бюлл. № 9 от 27.03.2012.
6. Меньших О.Ф. Бестрансформаторный источник постоянного тока. Патент РФ № 2451384, опубл. в бюлл. № 14 от 20.05.2012;
7. Меньших О.Ф., Схема экономичного светильника, Патент РФ № 2459143, опубл. в бюлл. № 23 от 20.08.2012;
8. Меньших О.Ф. Устройство проверки электросчётчиков активной энергии. Патент РФ № 2456623, опубл. в бюлл. № 20 от 20.07.2012;
9. R.Vartinez, Digital domestic meter for the measurement and billing of electricity in Mexico. In Proceedings of the 11-th Conference on Hroceedings of the 11-th WSEAS International Conference on Circuits, Vol. 11, (ICC'07), USA, 71-76 - прототип;
10. «Электронные компоненты», № 8, 2005, стр.58-64.
Данные патентного поиска
RU 2338217 С1, 10.11.2008.
RU 2178892 С2, 27.01.2002.
SU 1422199 А1, 07.09.1988.
ЕР 1065508 А2, 03.01.2001.
RU 2190859 С2, 10.10.2002.
SU 1781628 А1, 15.12.1992.
US 7692421 В2, 06.04.2010.
RU 2181894 С1, 27.04.2002.
SU 1780022 А1, 07.12.1992.
US 6362745 В1, 26.03.2002.