Цифровые счетчики электрической энергии

До недавнего времени проблема, связанная с измерением расхода электроэнергии, сводилась к применению электромеханических счётчиков, принцип работы которых основан на подсчёте количества оборотов металлического диска, вращающегося в бегущем магнитном поле, которое, в свою очередь, создаётся двумя электромагнитами. Магнитный поток первого должен быть пропорционален току, текущему через нагрузку, а поток второго — напряжению. При этом частота вращения диска линейно пропорциональна мощности, а количество его оборотов — потребляемой энергии.

Стремительное развитие микроэлектроники наметило качественный переворот в области создания промышленных и бытовых систем контроля, который, в первую очередь, связан с использованием встраиваемых систем управления на базе микроконтроллеров. Тенденция к подобному переходу обусловлена, с одной стороны, постоянным снижением цен на микроконтроллеры и расширением их ассортимента, и с другой, теми преимуществами, которыми цифровые системы управления обладают по сравнению с их существующими аналогами. Применительно к счётчикам электроэнергии (СЭ), очевидные преимущества, связанные с переходом на микроконтроллерное управление, можно обобщить следующим образом:
  • В цифровых СЭ достижим практически любой класс точности, при условии выбора соответствующей элементной базы и алгоритмов обработки информации. Отсутствие трущихся механических частей значительно повышает надёжность устройства.
  • Обработка аналоговой информации в цифровом виде принципиально позволяет одновременно определять как активную, так и реактивную составляющие мощности, что является важным, например, при учёте распределения энергии в трёхфазных сетях.
  • Появляется возможность создания многотарифных счётчиков. При работе такого СЭ значение накопленной энергии записывается в накопительный буфер текущего тарифа. Выбор текущего тарифа осуществляется автоматически. Например, "льготный " тариф может быть установлен на ночное время и на праздничные дни; "пиковый" тариф — на время от 13:00 до 15:00 в будние дни; "штрафной" тариф, может включаться при превышении установленных лимитов мощности и энергии; в остальное время действует "основной " тариф.
  • В цифровых СЭ несложно реализовать внешний интерфейс, по которому можно считывать показания счётчиков, изменять тарифы, производить диагностику и управление. Такие счётчики могут быть организованы в единую сеть с централизованным доступом. Например, все СЭ в жилом доме объединяются по внешнему интерфейсу и через модем выходят на телефонную линию. Таким образом, связываясь по телефонной сети, можно программировать или считывать информацию с любого СЭ в доме.
  • Цифровой СЭ может осуществлять статистические исследования, например, вычислять среднюю мощность потребления нагрузкии и её дисперсию, а также хранить информацию о накопленной энергии за произвольные промежутки времени. Например, в бытовом СЭ можно реализовать сохранение накопленной информации за год по каждому из предшествующих 11 месяцев и сделать просмотр этой информации доступным для пользователя. Использование накопленной статистической информации для прогнозирования и управления распределением энергоресурсов может в значительной степени повысить эффективность работы энергосистемы в целом.
  • Применение цифровой базы делает возможным создание автоматизированной изолированной системы потребления, учёта, распределения энергии и платежей. В такой системе может быть, например, предусмотрена предварительная оплата электроэнергии. Пользователь, в этом случае, заранее оплачивает определённое количество энергии. Информация об оплате либо непосредственно поступает на счётчик по внешнему интерфейсу, либо может быть записана на специальную электронную карточку, индивидуальную для каждого пользователя. Карточка программируется в пункте оплаты, после чего записанная информация считывается СЭ с помощью встроенного картридера. Если лимит купленной энергии будет исчерпан, а новая оплата не внесена, счётчик отключает пользователя от энергосети. Таким образом в подобной системе исключается задолженность платежей за электроэнергию.
  • Цифровые СЭ могут выполняться в различных конструктивных исполнениях. Масса и объём цифровых СЭ значительно меньше электромеханических. Применение цифровых дисплеев позволяет значительно повысить удобство представления информации для пользователя.
  • Следует отметить, что стоимость СЭ на микроконтроллерном управлении в настоящее время несколько выше стоимости механических СЭ. Однако в перспективе следует ожидать значительного снижения цены первых.

В случае реализации многотарифного СЭ, устройство должно обеспечивать обмен информацией с внешними устройствами по последовательному интерфейсу. Он может использоваться для задания тарифов, инициальзации и коррекции таймера реального времени, получения информации о накопленных значениях энергии и так далее. Кроме того, интерфейс может обеспечивать подключение группы делокализованных в пространстве СЭ в сеть с возможностью доступа к каждому из них. Блок-схема такого устройства, реализованного на микроконтроллере фирмы Motorola MC68HC05L16, представлена на рисунке.

Блок-схема многотарифного СЭ Блок схема многотарифного СЭ

 

Рассмотрим алгоритм работы счётчика. Память энергонезависимого ОЗУ разбита на 13 банков, в каждом из которых хранится информация о накопленной энергии по четырём тарифам: общем, льготном, пиковом и штрафном. В первом банке накопления производятся с момента начала эксплуатации счётчика, следующие 12 банков соответствуют накоплениям за 11 предыдущих и за текущий месяцы. Накопления за текущий месяц записываются в соответствующий банк, и таким образом имеется возможность определить, сколько было накоплено энергии за любой из 11 предшествующих месяцев. Перед началом эксплуатации счётчика на заводе-изготовителе обнуляют содержимое банков памяти, то есть накопление начинается с нулевых значений.

Переключение тарифов осуществляется по временным критериям: для каждого дня недели определяется свое тарифное расписание, то есть времена начала основного и льготного тарифов и от нуля до трёх интервалов времени — для пикового тарифа. До 16 произвольных дней в году могут быть определены как праздничные, в эти дни работает тарифное расписание для воскресенья.
В счётчике может быть установлен режим ограничения по мощности и по количеству израсходованной за месяц энергии. В этом режиме счётчик фиксирует количество энергии, израсходованной сверх лимита. При превышении установленного лимита энергии производится либо переход на накопление по штрафному тарифу, либо отключение пользователя от энергосети. Штрафной тариф также может быть установлен принудительно (по интерфейсу связи) в случае, например, задолженности по оплате.

Каждый раз при включении счётчика в сеть (скажем, после очередного пропадания напряжения в сети) фиксируется время и дата этого момента для возможности последующего контроля. Также предусмотрена запись времени и даты несанкционированного снятия крышки устройства.

Через специальный разъём к счётчику можно подключить картридер для считывания информации с индивидуальной электронной карточки о количестве энергии, оплаченном потребителем. При исчерпании оплаченного лимита счётчик отключает потребителя от энергосети.

Программирование счётчика осуществляется через интерфейс RS-485 посредством фиксированной системы команд. Команды делятся на индивидуальные (предназначенные для взаимодействия с конкретным счётчиком) и общие (для программирования всех подключенных к интерфейсу счётчиков). Существуют команды для установки даты, времени, временных рамок тарифов, лимитов мощности, программирования праздничных дней, считывания информации из банков-накопителей потребленной энергии и так далее. Предусмотрен ряд команд по тестированию и калибровке счётчика. Для индивидуального доступа каждый счётчик имеет адрес и пароль, которые программируются по интерфейсу. Применение общих команд также осуществляется через программируемый пароль. Интерфейс RS-485 требует всего два провода (витую пару) для обмена информацией. Причём драйверы интерфейса позволяют подключить на одну витую пару до 256 счётчиков. Это позволяет объединить в единую сеть все счётчики, например, в одном подъезде жилого дома, и централизованно считывать из них информацию или программировать их. Обмен по интерфейсу может производиться на одной из 8 фиксированных скоростей: 75, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 бод; для выбора скорости обмена служит специальная команда.

 

 

Монтаж сетей любой сложности и конфигурации (монтаж СКС, монтаж ЛВС, монтаж ВОЛС) от компании «ГлавМосМонтаж»