УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЧЕТА И УПРАВЛЕНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЕМ И ПРОИЗВОДСТВОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использовано, в частности, в устройствах учета и управления потреблением и производством электрической энергии.
Прототипом является изобретение «Способ и устройство для управления потреблением и/или производством электрической энергии» по патенту US 9823653 «Method and device for managing electric energy consumption and/or production» МПК H02J 3/14, опубликован 21.11.2017, предназначенное для использования в области управления потреблением (производством) электроэнергии, а также в целях поддержания стабильности в электрической сети.
i
i
i-1
i
i-1
i
ЦЭ
Устройство-прототип содержит аналоговый модуль для обнаружения электрического напряжения и тока, блок связи для передачи сообщений, при этом оно дополнительно содержит цифровую измерительную схему, которая выполнена с возможностью выдачи мгновенных значений электрического напряжения и тока и вычисления изменения ΔE=(E-E)/Δt через одинаковые интервалы, где E и E - два значения интегральных сумм количеств электрической энергии, сведенных воедино по заданному количеству циклов, a Δt - это интервал времени между соответствующими моментами времени, в которые получают упомянутые два значения, причем цифровая измерительная схема выполнена также с возможностью суммирования упомянутого изменения (ΔE) с аналогичными изменениями, вычисленными в предыдущие моменты времени, для получения накопленной суммы таких изменений, при этом блок связи для передачи сообщений передает сообщение через сеть электрической компании, если упомянутое изменение и/или упомянутая накопленная сумма превышают заранее определенное пороговое значение (δ).
Техническая проблема заключается в создании устройства для учета и управления потреблением и производством электрической энергии, в котором отсутствует избыточность информационного обмена при реализации задач автоматизированного и интеллектуального учета электроэнергии в режиме реального времени из-за отсутствия учета часто или периодически повторяющихся событий в процессе регистрации потребления и производства электрической энергии, протекающей по измерительным цепям устройства, которые с незначительной или допустимой погрешностью могут быть спрогнозированы и использованы при информационном обмене.
Техническая проблема заключается также в создании устройства для учета и управления потреблением и производством электрической энергии в котором исключена задержка в отправках сообщений из таких устройств в автоматизированные и интеллектуальные системы учета и управления потреблением и производством электроэнергии в энергосбытовых, электросетевых или в жилищно-коммунальных предприятиях и организациях, когда специфика отправки сообщения требует строго определенной временной периодичности, в частности, при реализации многотарифного учета электроэнергии, что обусловлено возможностью возникновения ошибки контроля, управления и учета при малых значениях прироста или уменьшения значений электрической энергии из-за того, что изменения параметров медленно изменяющегося потребления или производства электроэнергии продолжительное время могут быть близкими к пороговому значению, но не достигать его.
Указанные технические проблемы не решены в устройстве-прототипе.
Техническим результатом настоящей полезной модели является устранение избыточности информационного обмена при возникновении часто или периодически повторяемых событий в процессе регистрации потребления и производства электроэнергии, снижение трафика в системах сбора и передачи информации автоматизированных и интеллектуальных систем учета и управления потреблением и производством электроэнергии (ССПИ) энергосбытовых, электросетевых или жилищно-коммунальных предприятий и организаций, а также выполнения на таких предприятиях задач учета и управления потреблением и производством электроэнергии в режиме близком к реальному времени.
Также техническим результатом является исключение задержки в отправках сообщений из устройств учета и управления в автоматизированные и интеллектуальные систем учета и управления потреблением и производством электроэнергии энергосбытовых, электросетевых или в жилищно-коммунальных предприятий и организаций благодаря устранению ошибки учета и управления потреблением и производством электрической энергии при малых значениях прироста или уменьшения значений, характеризующих данный процесс, при которых не происходит передача информации в ССПИ с требуемой периодичностью.
Технический результат достигается тем, что устройство для учета и управления потреблением и производством электрической энергии, содержащее последовательно соединенные блок преобразования входных аналоговых сигналов, подключенный к электрической сети и позволяющий осуществлять получение аналоговых сигналов тока и напряжения из электрической сети, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, позволяющий осуществлять преобразование аналоговых сигналов тока и напряжения в мгновенные цифровые значения токов и напряжений, разделенных по времени через одинаковые интервалы,
микроконтроллер с встроенным модулем ОЗУ, позволяющий производить расчет электрической энергии за заданный интервал времени, суммируя по заданному количеству циклов дифференцированные значения электрической энергии через одинаковые интервалы времени,
блок приема-передачи данных, соединенный с микроконтроллером, позволяющий осуществлять передачу сообщений в систему сбора и передачи информации автоматизированных и интеллектуальных систем учета и управления потреблением и производством электроэнергии (ССПИ) энергосбытовых, электросетевых или жилищно-коммунальных предприятий и организаций,
а также блок памяти, присоединенный к микроконтроллеру,
согласно настоящей полезной модели, дополнительно содержит блок частотных фильтров, соединенный с блоком преобразования входных аналоговых сигналов и многоканальным аналого-цифровым преобразователем,
при этом блок памяти выполнен с возможностью хранения прогнозных значений небалансов, а микроконтроллер выполнен с возможностью:
подготовки первичного порогового значения и вторичного порогового значения во встроенном модуле ОЗУ микроконтроллера,
получения прогнозного значения из массива прогнозов, содержащегося в блоке памяти, соответствующего текущему интервалу времени,
вычисления значения небаланса между полученным реальным значением электрической энергии и прогнозируемым значением электрической энергии, получаемым из блока памяти,
проверки наличия массива небалансов, полученных за предыдущие интервалы времени и создания нового массива небалансов при невыполнении данного условия,
суммирования полученного небаланса с суммой аналогичных небалансов, полученных за предыдущие интервалы времени,
передачи указанного небаланса посредством блока приема-передачи данных в ССПИ энергосбытовых, электросетевых или жилищно-коммунальных предприятий и организаций при превышении первичного порогового значения и при превышении указанной суммой небалансов вторичного порогового значения,
проверки условия на принадлежность текущего значения времени контрольному интервалу времени, отправки значения суммы массива небаланса, причем при выполнении данного условия осуществлять запись значения суммы массива небаланса в ОЗУ микроконтроллера и осуществлять проверку на поступление запроса на отправку значения суммы массива небаланса в ССПИ энергосбытовых, электросетевых или жилищно-коммунальных предприятий и организаций.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема предлагаемого устройства для учета и управления потреблением и производством электрической энергии.
На фиг.1 обозначены:
1 - блок преобразования входных аналоговых сигналов;
2 - блок частотных фильтров;
3 - многоканальный аналогово-цифровой преобразователь;
4 - микроконтроллер;
5 - блок приема-передачи данных;
6 - система сбора и передачи информации автоматизированных и интеллектуальных систем учета и управления потреблением и производством электроэнергии (ССПИ) энергосбытовых, электросетевых или жилищно-коммунальных предприятий и организаций;
7 - блок памяти;
8 - устройство для учета и управления потреблением и производством электрической энергии;
9 - электрическая сеть.
Устройство 8 для учета и управления потреблением и производством электрической энергии содержит последовательно соединенные блок 1 преобразования входных аналоговых сигналов (БПВС), подключенный к электрической сети, блок 2 частотных фильтров (БЧФ), многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, микроконтроллер (МК) 4, блок 5 приема-передачи данных (БППД), соединенный с системой сбора и передачи информации автоматизированных и интеллектуальных систем учета и управления потреблением и производством электроэнергии (ССПИ) 6, а также блок 7 памяти (БП), который соединен с микроконтроллером 4.
Таким образом, по сравнению с прототипом, отличием предлагаемого устройства 8 является то, что оно дополнительно содержит блок 2 частотных фильтров, устраняющий эффект алиасинга, при этом блок 7 памяти выполнен с возможностью хранения прогнозных значений небалансов, а микроконтроллер 4 выполнен с возможностью:
подготовки первичного порогового значения и вторичного порогового значения во встроенном модуле ОЗУ микроконтроллера 4,
получения прогнозного значения из массива прогнозов, содержащегося в блоке 7 памяти, соответствующего текущему интервалу времени,
вычисления значения небаланса между полученным реальным значением электрической энергии и прогнозируемым значением электрической энергии, получаемым из блока 7 памяти,
проверки наличия массива небалансов, полученных за предыдущие интервалы времени и создания нового массива небалансов при невыполнении данного условия,
суммирования полученного небаланса с суммой аналогичных небалансов, полученных за предыдущие интервалы времени,
передачи указанного небаланса посредством блока 5 приема-передачи данных в ССПИ 6 энергосбытовых, электросетевых или жилищно-коммунальных предприятий и организаций при превышении первичного порогового значения или при превышении указанной суммой небалансов вторичного порогового значения,
проверки условия на принадлежность текущего значения времени контрольному интервалу времени отправки значения суммы массива небаланса, причем при выполнении данного условия осуществлять запись значения суммы массива небаланса в ОЗУ микроконтроллера 4 и осуществлять проверку на поступление запроса на отправку значения суммы массива небаланса в ССПИ 6 энергосбытовых, электросетевых или жилищно-коммунальных предприятий и организаций.
Пример конкретного выполнения.
Входные аналоговые сигналы тока и напряжения из электрической сети 9 поступают на блок 1 преобразования, выполненного на базе компактных SMD-компонентов. Далее с блока 1 преобразования входных аналоговых сигналов входные аналоговые сигналы тока и напряжения поступают через блок 2 частотных фильтров, устраняющего эффект алиасинга, на вход многоканального аналого-цифрового преобразователя 3 типа ADS131Exx TI. Затем в оцифрованном виде мгновенные значения токов и напряжений поступают по шине интерфейса SPI на вход микроконтроллера 4 типа ATSAML21Exxxx фирмы Microchip, выполненном на архитектуре ARM.
При этом промежуточные результаты вычислений хранятся в виде массивов во встроенном модуле ОЗУ микроконтроллера 4, а конечные результаты вычислений поступают в отдельный блок 7 памяти типа энергонезависимой flash-памяти AT25DF041Axxxx фирмы Atmel объемом 4 МБ и хранятся в виде массивов.
При выполнении условий передачи результатов вычислений, конечные данные в виде массивов считываются посредством микроконтроллера 4 из блока 7 памяти и направляются в блок 5 приема-передачи данных (трансивер SX1272/xx фирмы Semtech) для их последующей отправки в ССПИ 6. Блок 5 передает данные в ССПИ 6 с помощью, например, беспроводной радиосвязи.
Работа устройства для учета и управления потреблением и производством электрической энергии включает в себя следующие этапы:
прогноз
1 - инициализация устройства 8 и подготовка в блоке 7 памяти массивов прогнозных значений электрической энергии W(k).
2 - инкремент значения счетчика j во встроенном модуле ОЗУ микроконтроллера 4;
m1
m2
3 - подготовка первичного порогового значения Z и вторичного порогового значения Z во встроенном модуле ОЗУ микроконтроллера 4;
1
2
3
4 - создание массивов T, Т и Т во встроенном модуле ОЗУ микроконтроллера 4;
5 - группа аналоговых сигналов тока и напряжения из электрической сети 9 поступает в блок 1 преобразования входных аналоговых сигналов,
6 - группа сигналов блока 1 преобразования входных аналоговых сигналов поступает в блок 2 частотных фильтров, устраняющий эффект алиасинга;
7 - группа сигналов блока 2 частотных фильтров поступает в многоканальный аналогово-цифровой преобразователь 3;
i
i
i-1
i
8 - группа сигналов многоканального аналогово-цифрового преобразователя 3 в виде мгновенных значений величин тока и напряжения I(t) и U(t) за интервал времени [t, t] поступает в ОЗУ микроконтроллера 4;
j-l
j
a
9 - расчет  за текущий интервал времени [t, t] в микроконтроллере 4, где W(j) - значение потребленной электрической энергии, сведенное воедино за заданное количество циклов k,
i
i-1
Δt - временной шаг, с которым производится расчет потребленной электроэнергии Δt=t-t;
прогноз
прогноз
j-1
j
10 - получение из блока 7 памяти из массива W(k) по запросу от микроконтроллера 4 значения W(j), соответствующего текущему интервалу времени [t, t] и запись данного значения в ОЗУ микроконтроллера 4;
a
прогноз
11 - вычисление значения dW(j)=W(j) - W(j) в микроконтроллере 4;
ml
12 - сравнение |dW(j)|> |Z| в микроконтроллере 4;
13 - проверка наличия значения суммы небалансов ΣΔW(n) в ОЗУ микроконтроллера 4;
14 - создание массива суммы небалансов ΣΔW(n) в ОЗУ микроконтроллера 4;
15 - вычисление суммы ΣΔW(n+1)=dW(j)+ ΣΔW(n) в микроконтроллере 4;
j
ml
1
16 - запись суммы ΣΔW(n+l) и времени t выполнения условия превышения |dW(j)|>|Z| в первичный массив T в ОЗУ микроконтроллера 4;
1
17 - запись массива T во встроенный буфер блока 6 приема-передачи данных посредством группы входов-выходов микроконтроллера 4;
1
18 - отправка в ССПИ 6 массива T блоком 5 приема-передачи данных по соответствующему каналу связи, переход к этапу 29;
m2
ml
19 - сравнение |ΣΔW(n+1)|>Z в микроконтроллере 4 при выполнении условия |dW(j)|<|Z|;
j
m2
2
20 - запись суммы ΣΔW(n+1) и времени t, при выполнении условия превышения |ΣΔW(n+1) |>|Z|, в массив Т в ОЗУ микроконтроллера 4;
2
21 - запись массива Т во встроенный буфер блока 5 приема-передачи данных посредством группы входов-выходов микроконтроллера 4;
2
22 - отправка в ССПИ 6 массива Т блоком 5 приема-передачи данных по соответствующему каналу связи, переход к этапу 29;
j
y-1
y
m2
23 - проверка условия соответствия контрольному интервалу текущего значения времени t ∈ (t,t) при выполнении условия |ΣΔW(n+1)|<Z в микроконтроллере 4;
j
j
y-1
y
3
24 - запись суммы ΣΔW(n+1) и времени t, при выполнения условия t ∈ (t,t) в массив Т в ОЗУ микроконтроллера 4;
3
25 - проверка условия на поступление запроса на отправку в пункт управления массива Т в микроконтроллере 4;
3
26 - передача массива Т во встроенный буфер блока 5 приема-передачи данных через группу входов-выходов микроконтроллера 4 при поступлении запроса;
3
27 - отправка в ССПИ 6 массива Т блоком 5 приема-передачи данных по соответствующему каналу связи, переход к этапу 29;
j
y-1
y
28 - запись суммы небалансов ΣΔW(n+1) в ОЗУ микроконтроллера 4 при невыполнении условия t ∈ (t,t);
1
2
3
29 - значения i, n, dW(j), а также массивы T, Т и Т устанавливаются равными нулю в ОЗУ микроконтроллера 4;
30 - повтор выполнения этапов работы, начиная с этапа 5.
По сравнению с прототипом, новыми этапами работы предлагаемого устройства являются этапы 3, 4, 6, 7, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29.
Таким образом, согласно настоящей полезной модели, отличием в работе предлагаемого устройства является следующее:
m1
m2
- осуществляется этап 3 подготовки первичного порогового значения Z и вторичного порогового значения Z во встроенном модуле ОЗУ микроконтроллера 4;
1
2
3
- осуществляется этап 4 создания массивов T, Т и Т во встроенном модуле ОЗУ микроконтроллера 4;
- осуществляется этап 6 поступления группы сигналов блока 1 преобразования входных аналоговых сигналов в блок 2 частотных фильтров, устраняющий эффект алиасинга;
- осуществляется этап 7 поступления группы сигналов блока 2 частотных фильтров в многоканальный аналогово-цифровой преобразователь 3;
прогноз
прогноз
j-1
j
- осуществляется этап 10 получения прогнозного значения W(j), из массива прогнозов W(k), соответствующего текущему интервалу времени [t,t] в микроконтроллере 4;
a
прогноз
- осуществляется этап 11 вычисления разности между реальным и прогнозным значением потребленной электрической энергии за текущий интервал времени dW(j)=W(j)-W(j) в микроконтроллере 4;
- осуществляется этап 12 - сравнение |dW(j)|>|Zm1| в микроконтроллере 4;
- осуществляется этап 13 проверки наличия массива небалансов ΣΔW(n) и этап 14 создания массива небалансов ΣΔW(n) при невыполнении данного условия в микроконтроллере 4;
- осуществляется этап 15 вычисления суммы ΣΔW(n+1)=dW(j)+ΣΔW(n) в микроконтроллере 4;
j
y-1
y
j
y-1
y
- осуществляется этап 23 проверки условия t ∈ (t,t) на принадлежность текущего значения времени t контрольному интервалу времени (t,t) на время отправки значения суммы массива небаланса,
3
причем при выполнении данного условия осуществляется этап 24 записи в массив Т значения суммы массива небаланса в ОЗУ микроконтроллера 4;
3
3
y-1
y
- осуществляется этап 25 проверки на поступление запроса на отправку массива Т в ССПИ 6, при этом массив Т содержит значение суммы массива небалансов ΣΔW(n+l) за контрольный интервал времени [t,t];
3
- осуществляется этап 26 передачи массива Т во встроенный буфер блока 5 приема-передачи данных через группу входов-выходов микроконтроллера 4 при поступлении запроса;
3
- осуществляется этап 27 отправки в ССПИ 6 массива Т блоком 5 приема-передачи данных в ССПИ, переход к этапу 28;
j
y-1
y
- осуществляется этап 28 записи суммы небалансов ΣΔW(n+l) в ОЗУ микроконтроллера 4 при невыполнении условия t ∈ (t,t);
1
2
3
- осуществляется этап 29 установки значений i, n, dW(j), а также массивов T, Т и Т равными нулю в ОЗУ микроконтроллера 4.
Использование устройства для учета и управления потреблением и производством электрической энергии позволит, за счет предлагаемой совокупности признаков полезной модели, устранить избыточность информационного обмена при возникновении часто или периодически повторяемых событий в технологическом процессе, снизить трафик в системах сбора и передачи информации автоматизированных и интеллектуальных систем учета и управления потреблением и производством электроэнергии (ССПИ) энергосбытовых, электросетевых или жилищно-коммунальных предприятий и организаций, а также выполнить задачи автоматизированного и интеллектуального учета электроэнергии на таких предприятиях и организациях в режиме близком к реальному времени.