СПОСОБ УЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
METHOD OF ELECTRIC ENERGY ACCOUNTING

Предлагаемый способ относится к измерительной технике, в частности к средствам контроля и высокоточного коммерческого или технического учета активной электрической энергии, в том числе и активной электрической энергии, идентифицированной по шести показателям качества, и предназначен для использования в системах электроснабжения для объективного контроля и учета электропотребления.
При потреблении активной электрической энергии возможны два варианта, когда совместно с использованием качественной электрической энергии, а это электрическая энергия прямой последовательности по первой гармонике, потребляется либо генерируется ее некачественная компонента. Некачественную компоненту можно идентифицировать по шести показателям качества и отнести к ней электрическую энергию по обратной и нулевой последовательностям первой гармоники, электрическую энергию по высшим гармоникам и электрическую энергию прямой последовательности выше или ниже предельно допустимых значений напряжений по прямой последовательности. В первом случае происходит увеличение электропотребления, связанное как с потреблением некачественной компоненты электрической энергии, так и с увеличением использования качественной электрической энергии, идущей на компенсацию негативного действия от потребления некачественной компоненты электрической энергии (Соколов B.C., Чернышева Н.В. Предложения по инженерному решению проблемы качества электрической энергии. - Промышленная энергетика, 2001, №8).
В случае генерации некачественной компоненты, которая потребляется смежными потребителями и элементами систем распределения электрической энергии, при существующих системах учета, у данного потребителя возникает недоучет электропотребления по прямой последовательности (Машкин А.Г., Машкин В.А. Проблемы качества и учета электроэнергии на границах системы тягового электроснабжения. -Промышленная энергетика, 2007, №11, с.29-31).
В случае потребления некачественной электроэнергии наносится ущерб электрооборудованию, что может привести к преждевременному выходу его из строя, а также к созданию и развитию аварийных ситуаций. При существующем учете потребитель платит за нее как за потребленную качественную электроэнергию.
Данную проблему можно решить путем раздельного учета электроэнергии, т.е. электроэнергии по прямой последовательности первой гармоники в диапазоне предельно допустимых значений напряжений и некачественной электрической энергии, т.е. электроэнергии по обратной и нулевой последовательностям, электроэнергии по высшим гармоникам, а также электроэнергии прямой последовательности выше или ниже предельно допустимых значений напряжений.
Известны способы учета электрической энергии (авт. свид. №1.580.259; патенты РФ №№2.087.919, 2.212.673, 2.280.256, 2.424.532; патенты США №№4.000.458, 4.286.215, 4.849.694, 6.661.224; патент Германии №2.227.846; Техническое описание и инструкция по эксплуатации многофункционального счетчика типа «Альфа» ДЯИМ 411.152.001 P7. Совместное предприятие АББ Метроника, Москва, 2001 и другие).
Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является «Способ учета электрической энергии» (патент РФ №2.424.532, G01R 21/06, 2010), который и выбран в качестве прототипа.
Известный способ основан на учете электрической энергии, идентифицируемой по шести показателям ее качества, а именно электрической энергии по обратной последовательности, электрической энергии по нулевой последовательности, электрической энергии высших гармоник, электрической энергии прямой последовательности ниже допустимых значений отклонений напряжений прямой последовательности, электрической энергии прямой последовательности выше предельно допустимых значений отклонений напряжений прямой последовательности и электрической энергии прямой последовательности в пределах допустимых значений отклонений напряжения.
Указанный учет и контроль потребляемой электрической энергии, идентифицированной по шести показателям качества, осуществляют локально и только в одной системе электроснабжения, что в ряде случаев не удовлетворяет требованиям практики.
Технической задачей изобретения является обеспечение дистанционного учета и контроля потребляемой электрической энергии, идентифицированной по шести показателям качества, в нескольких системах электроснабжения путем использования радиоканалов и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
i
з
з
∑
∑
Поставленная задача решается тем, что способ учета электрической энергии, включающий, в соответствии с ближайшим аналогом, преобразование мгновенных значений токов и напряжений в цифровой код и определение значений активной энергии, при этом перед и после преобразования в цифровой код из величин токов и напряжений выделяют с помощью полосовых фильтров значения токов и напряжений в диапазоне предельно допустимой частоты сети, выделяют из них значения прямой, обратной и нулевой последовательности и определяют значения активных энергий для каждой из симметричных составляющих, определение активных энергий по прямой последовательности производят после выделения из действующего значения напряжения прямой последовательности значений, равных, больших и меньших диапазону предельно допустимых значений напряжений по прямой последовательности, дополнительно осуществляют определение значений активной энергии высших гармоник путем выделения из величин напряжений и токов с помощью полосовых фильтров «пробка» значений напряжений и токов в диапазоне предельно допустимой частоты сети с последующим преобразованием их в цифровой код, отличается от ближайшего аналога тем, что формируют модулирующие коды M(t), где i=1, …, 6, соответствующие потребляемой электрической энергии, идентифицированной по шести показателям качества, задерживают пять из них на время iτ, где τ - время задержки, определяемое ожидаемой максимальной длительностью каждого модулирующего кода, суммируют незадержанный код с пятью задержанными, образуя суммарный модулирующий код M(t), манипулируют им по фазе гармоническое колебание, формируя сложный сигнал с фазовой манипуляцией, усиливают его по мощности, излучают в эфир, улавливают приемной антенной пункта контроля, усиливают по напряжению, преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина, частоту которого перестраивают по линейному закону в заданном диапазоне частот, выделяют напряжение промежуточной частоты, удваивают его фазу, измеряют ширину спектра принимаемого сигнала промежуточной частоты и его второй гармоники, сравнивают между собой и в случае их значительного различия принимают решение об обнаружении сложного сигнала с фазовой манипуляцией и дальнейшей его обработки, в ходе которой выделяют вторую гармонику принимаемого сигнала промежуточной частоты, делят ее фазу на два, выделяют гармоническое колебание промежуточной частоты и используют его для синхронного детектирования принимаемого сигнала промежуточной частоты, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное суммарному модулирующему коду M(t), регистрируют и анализируют его.
Структурные схемы устройства, реализующего предлагаемый способ, представлены на фиг.1 и 2. Временные диаграммы, поясняющие работу устройства, изображены на фиг.3.
Устройство содержит входные напряжения и токи 1 и 2; 3 и 4 - аналоговые полосовые фильтры напряжений и токов 50 Гц; 5 и 6 - аналоговые полосовые фильтры «пробка» 50 Гц напряжений и токов; 7, 8, 9, 10 - аналого-цифровые преобразователи; 11 и 12 - цифровые полосовые фильтры напряжений и токов 50 Гц; 13 и 14 - цифровые полосовые фильтры «пробка» 50 Гц напряжений и токов; 15, 16, 17, 18, 19, 20 - цифровые фильтры напряжений и токов нулевой, прямой и обратной последовательностей соответственно; 21, 22, 23, 24, 25 - блоки расчета мощностей по нулевой, прямой и обратной последовательностям; 26 - блок сравнения отклонения напряжения по прямой последовательности; 27, 28, 29, 30, 31 - блоки расчета энергий нулевой, прямой и обратной последовательностей; 32 - блок расчета мощности высших гармоник; 33 - блок расчета энергии высших гармоник. К выходу каждого блока расчета энергии 27 (28, 29, 30, 31) последовательно подключены формирователь 34 (35, 36, 37, 38) модулирующего кода и линия задержки 40 (41, 42, 43, 44), выход которой подключен к соответствующему входу сумматора 45. Выход блока 33 расчета энергии высших гармоник через формирователь 39 модулирующего кода подключен к шестому входу сумматора 45, к выходу которого последовательно подключены фазовый манипулятор 47, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 46, усилитель 48 мощности и передающая антенна 49.
Пункт контроля содержит последовательно включенные приемную антенну 50, усилитель 51 высокой частоты, смеситель 54, второй вход которого через гетеродин 53 соединен с выходом блока 52 поиска, усилитель 55 промежуточной частоты, удвоитель 58 фазы, второй анализатор 59 спектра, блок 60 сравнения, второй вход которого через первый анализатор 57 спектра соединен с выходом усилителя 55 промежуточной частоты, пороговый блок 61, второй вход которого через линию задержки 62 соединен с его выходом, ключ 63, второй вход которого соединен с выходом усилителя 55 промежуточной частоты, фазовый детектор 67 и блок 68 регистрации и анализа. К выходу удвоителя 58 фазы последовательно подключены первый узкополосный фильтр 64, делитель 65 фазы на два и второй узкополосный фильтр 66, выход которого соединен с вторым (опорным) входом фазового детектора 67.
Анализаторы 57 и 59 спектра, удвоитель 58 фазы, блок 60 сравнения, пороговый блок 61 и линия задержки 62 образуют обнаружитель (селектор) сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн).
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
На вход аналоговых полосовых фильтров 3, 5, 4, 6 подаются разрешенные мгновенные значения токов и напряжений для нормальной работы блоков, полосовые фильтры 3 и 4 пропускают токи и напряжения в пределах допустимых значений частоты сети 50 Гц. Далее сигналы о токах и напряжениях поступают в АЦП напряжений 7 и токов 9, которые принимают входные аналоговые сигналы и преобразуют в соответствующие им цифровые сигналы, удобные для обработки другими элементами. Полосовые цифровые фильтры напряжения 11 и тока 12 пропускают оцифрованные значения токов и напряжений в пределах допустимых значений частоты 50 Гц. Блоки симметричных составляющих напряжения 15, 16, 17 и тока 18, 19, 20 пропускают соответственно нулевую, прямую и обратную последовательности. Блок 26 сравнения действующего напряжения прямой последовательности производит выборки напряжений прямой последовательности в диапазоне предельно допустимых значений напряжений, больше или меньше предельно допустимых значений напряжений прямой последовательности, эти сигналы напряжений соответственно подаются совместно с сигналом 19 тока прямой последовательности на блоки 22, 23, 24 нахождения одноименных произведений напряжений и токов, далее эти сигналы подаются на блоки 27, 28, 29 расчета соответствующих энергий. На блок 21 расчета мощности нулевой последовательности подаются сигналы 15 напряжения нулевой последовательности и тока 18 нулевой последовательности, далее этот сигнал поступает на блок 27 расчета соответствующей энергии. На блок 25 расчета мощности обратной последовательности подаются сигналы 17 напряжения обратной последовательности и тока 20 обратной последовательности, далее этот сигнал поступает на блок 31 расчета соответствующей энергии.
Также аналоговый сигнал напряжений подается на аналоговый фильтр 5 «пробка» 50 Гц, а аналоговый сигнал тока подается на аналоговый фильтр 6 «пробка» 50 Гц, которые пропускают все сигналы напряжений и токов, кроме сигналов напряжений и токов в пределах 50 Гц. Далее сигналы о напряжениях и токах поступают в АЦП 8 напряжений и 10 токов, которые принимают входные аналоговые сигналы и преобразуют в соответствующие им цифровые сигналы. Оцифрованные сигналы напряжений и токов поступают на соответствующие цифровые фильтры 13 и 13 «пробка» 50 Гц для напряжений токов. Полученные сигналы подаются на блок 32 расчета мощности высших гармоник и далее на блок 33 расчета энергии высших гармоник.
1
2
3
4
5
6
6
1
5
з
з
з
з
з
з
На выходе блока 27 расчета электрической энергии по нулевой последовательности, блока 28 расчета электрической энергии по прямой последовательности, блока 29 расчета электрической энергии по прямой последовательности ниже допустимых значений отклонений напряжений прямой последовательности, блока 30 расчета электрической энергии по прямой последовательности выше допустимых значений отклонений напряжений прямой последовательности, блока 31 расчета электрической энергии по обратной последовательности и блока 33 расчета электрической энергии высших гармоник, формирователями 34, 35, 36, 37, 38 и 39 формируются модулирующие коды M(t), M(t), M(t), M(t), M(t) и M(t), которые соответствуют потребляемой электрической энергии, идентифицированной по указанным показателям качества. Модулирующий код M(t) с выхода формирователя 39 поступают непосредственно на первый вход сумматора 45, а модулирующие коды M(t)-M(t) поступают на соответствующие входы сумматора 45 с выхода формирователей 34-39 через линии задержки 40-44 соответственно, время задержки которых выбраны следующим образом: τ, 2τ, 3τ, 4τ и 5τ, где τ - время задержки, определяемое ожидаемой максимальной длительностью каждого модулирующего кода.
На выходе сумматора 45 образуется суммарный модулирующий код
∑
6
1
2
3
4
5
M(t)=M(t)+M(t)+M(t)+M(t)+M(t)+M(t).
∑
Линии задержки необходимы, чтобы отдельные модулирующие коды расположились последовательно во времени, взаимно не перекрываясь. Суммарный модулирующий код M(t) (фиг.3, б) с выхода сумматора 45 подается на первый вход фазового манипулятора 47, на второй вход которого поступает гармоническое колебание с выхода задающего генератора 46 (фиг.3, а)
C
, 0≤t≤T,
C
C
C
где , ω, φ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания. На выходе фазового манипулятора 47 формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.3, б)
C
, 0≤t≤T,
k
∑
k
Э
Э
Э
где φ(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с суммарным модулирующим кодом M(t) (фиг.3, б), причем φ(t)=const при kτ<t<(k+1)τ и может изменяться скачком при t=kτ, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, …, N);
Э
C
Э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T(TC=τN), который после усиления в усилителе 48 мощности поступает в передающую антенну 49 и излучается ею в эфир, а затем улавливается приемной антенной 50 пункта контроля и через усилитель 51 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 54, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 53 линейно-изменяющейся частоты
П
, 0≤t≤T,
Г
Г
П
где , ω, φ, T - амплитуда, начальная частота, начальная фаза и период повторения напряжения гетеродина;
<mrow><mi>γ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>f</mi></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mi>П</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
- скорость изменения частоты гетеродина в заданном диапазоне частот Δf.
Поиск сложных ФМн-сигналов в заданном диапазоне частот Δf осуществляется с помощью блока 52 поиска, который по линейному закону изменяет частоту гетеродина 53. В качестве блока 52 поиска может быть использован генератор пилообразного напряжения.
На выходе смесителя 54 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 55 промежуточной частоты выделяется напряжение промежуточной частоты
c
, 0≤t≤T,
где ;
пр
с
Г
ω=ω-ω - промежуточная частота;
пр
с
Г
φ=φ-φ,
которое представляет собой сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и линейной частотной модуляцией (ФМн-ЛЧМ).
пр
Напряжение U(t) с выхода усилителя 55 промежуточной частоты поступает на вход обнаружителя (селектора) 56 ФМн-сигналов, состоящего из анализаторов 57 и 59 спектра, удвоителя 58 фазы, блока 60 сравнения, порогового блока 61 и линии 62 задержки.
На выходе удвоителя 58 фазы образуется напряжение
,
где ,
в котором манипуляция фазы уже отсутствует.
2
Ширина спектра Δf второй гармоники сигнала определяется длительностью сигнала
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>T</mi><mi>с</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
э
тогда как ширина спектра входного ФМн-сигнала определяется длительностью τ его элементарных посылок
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mi>с</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>э</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
т.е. ширина спектра второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра входного ФМн-сигнала
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mi>с</mi></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>N</mi></mrow>
.
Следовательно, при удвоении фазы (частоты) ФМн-сигнала его спектр «сворачивается» в N раз. Это обстоятельство и позволяет обнаружить и отселектировать сложный ФМн-сигнал даже тогда, когда его мощность на входе приемника меньше мощности шумов и помех.
с
2
с
2
Ширина спектра Δf входного ФМн-сигнала измеряется с помощью анализатора 57 спектра, а ширина спектра Δf второй гармоники сигнала - с помощью анализатора 59 спектра. Напряжения  и , пропорциональные Δf и Δf соответственно, с выходов анализаторов 57 и 59 спектра поступают на два входа блока 60 сравнения. Так как , то на выходе блока 60 сравнения образуется положительное напряжение, которое превышает пороговый уровень  в пороговом блоке 61. Пороговое напряжение  выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи. При превышении порогового уровня  в пороговом блоке 61 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 63, открывая его, на управляющий вход блока 52 поиска, выключая его, и на вход линии 62 задержки. В исходном состоянии ключ 63 всегда закрыт. При остановке блока 52 поиска усилителем 55 промежуточной частоты выделяется напряжение (фиг.3, г)
с
, 0≤t≤T,
которое через открытый ключ 63 поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 67.
На выходе удвоителя 58 фазы в этом случае образуется гармоническое колебание (фиг.3, д)
с
, 0≤t≤Т,
которое выделяется узкополосным фильтром 64 и подается на вход делителя 65 фазы на два. На выходе последнего образуется гармоническое колебание (фиг.3, е)
с
, 0≤t≤T,
которое выделяется узкополосным фильтром 66, используется в качестве опорного напряжения и поступает на второй (опорный) вход фазового детектора 67. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 67 формируется низкочастотное напряжение (фиг.3, ж)
с
, 0≤t≤T,
где ,
∑
пропорциональное суммарному модулирующему коду M(t) (фиг.3, б). Это напряжение фиксируется блоком 68 регистрации, где и анализируется соответствующим образом.
з1
H
∑
Время τ задержки линии 62 задержки выбирается таким, чтобы можно было проанализировать низкочастотное напряжение U(t), пропорциональное суммарному модулирующему коду M(t). По истечении этого времени постоянное напряжение с выхода порогового блока 61 поступает на его управляющий вход и сбрасывает содержимое порогового блока 61 на нулевое значение. При этом ключ 63 закрывается, а блок 52 поиска выключается, т.е. они переводятся в свои исходные состояния.
При обнаружении очередного сложного ФМн-сигнала на другой несущей частоте, отражающего потребляемую электрическую энергию в другой системе электроснабжения, устройство работает аналогичным образом.
Таким образом, предлагаемый способ учета электрической энергии по сравнению с прототипом обеспечивает дистанционный учет и контроль потребляемой электрической энергии, идентифицированной по шести показателям качества, в нескольких системах электроснабжения. Это достигается использованием радиоканалов и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
Указанные сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.
Структурная скрытность сложных ФМн-сигнал обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.
Сигналы со сложной структурой открывают новые возможности в технике передачи сообщений. Они позволяют применять эффектный вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что имеется возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.