УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ СЧЕТЧИК ДЛЯ УЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения расхода электроэнергии постоянного и переменного тока электрифицированного железнодорожного транспорта, а именно на электровозе.
Известен трехфазный многофункциональный электросчетчик серии СЕ301 [1], который осуществляет измерение и учет активной электрической энергии в трехфазных четырехпроводных цепях переменного тока с возможностью учета в одном или двух направлениях. Интеграция в систему контроля удаленного сбора данных осуществляется по цифровому интерфейсу, реализованному с помощью различных встроенных или внешних модулей связи, в том числе с помощью GSM - или радиомодема.
Недостатком указанного счетчика является невозможность учета постоянного и переменного тока одним типом счетчика и отсутствие возможности использования его на транспортном средстве.
Также известен счетчик электрической энергии [2], выполненный в виде внешнего датчика мощности и базового блока, соединенных каналом связи, причем внешний датчик мощности содержит включенный между фазовым и нулевым проводами датчик напряжения нагрузки и датчик тока, выходы которых соединены с входами перемножителя, выходом связанного с дополнительным блоком математической обработки сигнала, выход которого подключен к первому приемопередатчику, связанному с одним концом канала связи, а базовый блок содержит второй приемопередатчик, связанный с одной стороны с другим концом канала связи, а с другой стороны - с основным блоком математической обработки сигнала, одним выходом подключенному к блоку индикации результатов измерения, другим выходом - к блоку дистанционной передачи данных, при этом во внешней датчик мощности введен измерительный трансформатор тока, образуя с ним единый конструктивный модуль, причем первичная обмотка измерительного трансформатора тока включена в фазный провод последовательно с нагрузкой, а вторичная обмотка соединена со входами датчика тока.
К недостаткам устройства относится невозможность учета постоянного и переменного тока одним типом счетчика, отсутствие возможности удаленной передачи данных, сложность организации питания схемы внешнего датчика мощности.
Известен также счетчик постоянного тока типа СКВТ-Ф610 производства ОАО "ЛЭМЗ" [3]. Для измерения тока счетчик постоянного тока подключается непосредственно к измерительному шунту, а напряжение измеряется с помощью делителя напряжения. Гальваническая изоляция достигается за счет применения оптопар и имеет гальваническую прочность не менее 7 кВ. У этих счетчиков постоянного тока недостаточная прочность изоляции для прямого подключения к высоковольтному фидеру - менее 15 кВ
Известен также способ учета расхода электрической энергии на подвижном составе электрического транспорта и электронный счетчик для его реализации [4]. Электронный счетчик одновременно с данными о расходе электроэнергии фиксирует данные о времени движения транспортного средства и пройденном пути, которые сопоставляются с нормативными величинами в депо или регистрационном пункте.
Недостатком устройства является наличие погрешности определения пройденного пути, так как датчик скорости связан с ведущей осью транспортного средства и не учитывает возможность проскальзывания колес, отсутствие возможности удаленной передачи данных, наличие гальванической связи счетчика с высоковольтной тяговой сетью.
Наиболее близким к предложенному устройству является измеритель расхода электроэнергии переменного тока на электровозе [5], который содержит счетчик электрической энергии переменного тока, имеющий вход по току, вход по напряжению и выход; датчик тока и тяговый трансформатор высокого напряжения, включающий первичную (сетевую) обмотку и вторичную обмотку, при этом первичная обмотка соединена через быстродействующий выключатель с контактной сетью и через датчик тока с входом по току счетчика. Измеритель снабжен высоковольтным делителем напряжения, включающим плечи низкого и высокого напряжения, выполненные в виде последовательно включенных резисторов, связанных одним концом с входом по напряжению счетчика, а другим - с контактной сетью и преобразователем интерфейсов, связанным с выходом счетчика оптоволоконным кабелем.
К недостаткам устройства можно отнести невозможность учета постоянного и переменного тока одним типом счетчика, невозможность регистрации электрической энергии с учетом тарифных зон, отсутствие интерфейсов для дистанционного считывания показаний.
Целью полезной модели является обеспечение учета электроэнергии на подвижном составе постоянного и переменного тока с помощью универсального счетчика электрической энергии, повышенная прочность изоляции для прямого подключения к высоковольтному фидеру, наличие возможности определения местоположения локомотива с помощью системы GPS/ГЛОНАСС и возможность регистрации электроэнергии с учетом тарифных зон, наличие интерфейсов для дистанционного считывания показаний счетчика.
Указанная цель достигается тем, что в универсальном электронном счетчике для учета электрической энергии на электроподвижном составе постоянного и переменного тока, состоящем из модуля первичной обработки информации, на вход которого подается сигнал, пропорциональный измеряемому напряжению и сигнал, пропорциональный измеряемому току, модуля вторичной обработки информации и подключенного к нему интерфейса, оптоволоконной линии связи, изолирующего источника питания, характерной особенностью является то, что модуль первичной обработки информации может быть гальванически связан с высоковольтной тяговой сетью, информация между модулем первичной обработки сигналов и модулем вторичной обработки информации передается по оптоволоконной линии связи, питание модуля первичной обработки информации осуществляется через изолирующий источник питания. Кроме этого, в счетчик дополнительно введены модуль радиосвязи, модуль сотовой связи и модуль GPS/ГЛОНАСС, каждый из которых соединен с соответствующей антенной и модулем вторичной обработки информации.
Счетчик содержит модуль первичной и вторичной обработки информации, каждый из которых содержит микропроцессор, причем эти модули соединены с помощью волоконно-оптического кабеля. Ввод данных осуществляется в первом модуле с помощью многоканального АЦП, в состав которого входят программируемые усилители, позволяющие легко изменять коэффициент усиления в зависимости от вида входных аналоговых данных, поступающих от различных датчиков тока и напряжения. Первичную математическую обработку данных осуществляет находящийся в модуле первичной обработки информации процессор цифровой обработки сигналов, в который данные поступают в цифровой форме с выхода АЦП. По волоконно-оптическому кабелю обработанные данные поступают во второй модуль, построенный на основе процессора общего назначения для дальнейшей обработки, архивации, регистрации, а также вывода данных на цифровой дисплей и по интерфейсам связи. Для связи счетчика со стационарными системами сбора и обработки данных применены модуль радиосвязи и модуль сотовой связи, которые позволяют связываться со стационарными приемопередатчиками, расположенными вдоль железной дороги и передавать со счетчика информацию в систему передачи данных. Для определения местоположения транспортного средства, определения точного времени в состав счетчика входит приемник сигналов GPS/ГЛОНАСС. Наличие информации о месторасположении транспортного средства позволяет производить учет электроэнергии с учетом временных тарифов. Наличие интерфейса позволяет обмениваться данными с системой сбора данных электроподвижного состава. Возможность учета электроэнергии постоянного и переменного тока достигается выполнением входных цепей модуля по дифференциальной схеме, а усилители имеют программируемый коэффициент усиления, поэтому сигналы постоянного и переменного тока и напряжения, подаваемые на входы аналого-цифровых преобразователей, имеют практические одинаковые амплитуды, различается только форма сигнала. Счетчик электроэнергии имеет два различных алгоритма, по которым ведется учет электроэнергии постоянного и переменного тока.
На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства.
Универсальный счетчик электрической энергии состоит из гальванически изолированных модулей первичной и вторичной обработки информации МПОИ и МВОИ. К входам В×I и B×U подключаются датчик тока и делитель напряжения, которые могут быть выполнены в виде шунта или трансформатора тока, в виде трансформатора напряжения или резистивного делителя напряжения. Модуль первичной обработки информации может быть расположен в высоковольтной зоне непосредственно рядом шунтом или делителем напряжения, имея с ними гальваническую связь. Для осуществления гальванической развязки с высокой прочностью изоляции передача данных между модулями первичной и вторичной обработки информации осуществляется по волоконно-оптической линии связи ОВЛС. Питание модуля первичной обработки информации осуществляется с помощью изолирующего источника питания ИИП. Модуль вторичной обработки информации имеет встроенный источник питания, который подключается к бортовой сети электроподвижного состава. Интерфейс И позволяет обмениваться данными с системой сбора данных электроподвижного состава. Счетчик электроэнергии содержит модуль радиосвязи УКВ, модуль сотовой связи GPRS, модуль GPS/ГЛОНАСС, каждый из которых соединен с соответствующей антенной АНТ1, АНТ2, АНТ3 и модулем вторичной обработки информации.
Счетчик работает следующим образом.
По каналу измерения тока В×I счетчик подключается к измерительному трансформатору тока в случае работы с переменным током, или к токовому шунту в случае работы с постоянным током, который может быть установлен как в цепи заземления, так и под высоковольтным потенциалом. По каналу напряжения B×U счетчик подключается к делителю напряжения при работе с напряжением постоянного и переменного тока. Аналоговые сигналы с датчика тока и делителя напряжения поступают на вход модуля первичной обработки информации МПОИ, где усиливаются, преобразуются в цифровую форму и проходят предварительную обработку.
Затем обработанные данные поступают по волоконно-оптической линии связи ВОЛС в модуль вторичной обработки информации МВОИ. В этом модуле осуществляется вторичная обработка полученных данных, т.е. регистрация, архивация, хранение, а также передача по запросу стационарным устройствам сбора и подготовки данных с помощью модуля радиосвязи УКВ и антенны АНТ1, модуля сотовой связи GPRS и антенны АНТ2 или устройствам сбора данных подвижного состава через интерфейс И. Регистрация показаний счетчика в зависимости от тарифной зоны производится с помощью модуля GPS/ГЛОНАСС и антенны АНТ3. Регистрация с учетом временных тарифов осуществляется с помощью встроенных часов реального времени, синхронизируемых системой GPS или ГЛОНАСС. Изолирующий источник питания ИИП осуществляет питание модуля первичной обработки информации для предотвращения повреждения всего устройства высоким напряжением при прямом подключении счетчика к измерительному токовому шунту.
Применение предлагаемого счетчика позволит повысить достоверность учета электрической энергии на тягу поездов, исключить необходимость применения отдельно счетчиков постоянного и переменного токов, обеспечить регистрацию графиков, тока, напряжения, потребления и рекуперации активной, реактивной и полной мощности, параметров качества электрической энергии.
Библиографический список
1. Трехфазный многофункциональный электросчетчик серии СЕ301. http://www.energomera.ru/products/meters/ce301r33.
2. Счетчик электрической энергии. Свидетельство на полезную модель РФ №85669.
3. Счетчик постоянного тока типа СКВТ-Ф610. (http://www.lemz.su/index.php/ru/2009-03-23-06-55-55/--610.html).
4. Способ учета расхода электрической энергии на подвижном составе электрического транспорта и электронный счетчик для его реализации. Патент РФ на изобретение №2140654.
5. Измеритель расхода электроэнергии переменного тока на электровозе. Свидетельство на полезную модель РФ №69259.