А. Аганичев, Д. Панфилов, М. Плавич

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 металического 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.

Расчёт энергии, потребляемой за определённый промежуток времени любой нагрузкой, требует интегрирования текущих значений активных мощностей в течение всего времени измерения. В электромеханических СЭ это осуществляется механическим счётчиком. В цифровых СЭ необходимо реализовать постоянное суммирование вычисленной величины активной мощности за определённые промежутки времени.

В общем случае, значение потребленной энергии выражается формулой:

(1)

где p(t) — значение мгновенной мощности в момент времени t; T — время измерения.

При синусоидальных формах тока и напряжения в сети

p(t) = u(t) * i(t) = Umsinwt * Imsin(wt + j) = UIcosj – UIcos(2wt + j),

(2)

где u(t) и i(t) — мгновенные значения, соответственно, напряжения и тока в сети; U_m и I_m — амплитудные значения напряжения и тока; U и I — действующие значения напряжения и тока (U = U_m/ 2; I = I_m/ 2); >wj — угол сдвига фаз между током и напряжением. Интегрирование выражения (2) по периоду даёт значение активной потребляемой мощности:

P = UIcosj = Scosj [Вт]

(3)

где S = UI — полная мощность потребления [ВА].

Реактивная мощность в этом случае определяется следующим образом:

Q = UIsinj = Ssinj [ВАР]

(4)

Для вычисления любых мощностей (P, Q, S) в цифровых счётчиках необходимо измерять любые два значения из четырёх величин P, Q, S, j. Это принципиально невозможно реализовать в электромеханическом СЭ из-за их конструктивных особенностей.

Рис. 1. Варианты подключения микроконтроллеров к цепям измерения мощности

На рис. 1 и 2 приведены структурные схемы цифровых СЭ, позволяющих реализовать необходимые измерения.

Рис. 2. Блок-схема простейшего СЭ

Наиболее просто схемотехнически это реализуется с помощью процессоров цифровой обработки сигналов (Digital Signal Processor — DSP), осуществляющих все необходимые преобразования с помощью измерения мгновенных значений тока и напряжения в дискретные промежутки времени. В этом случае на входы DSP подаются сигналы, пропорциональные значениям тока и напряжения в цепи, снимаемые с соответствующих датчиков (рис. 1а). Дискретизированные значения тока и напряжения (I_i и U_i) обрабатываются далее для получения параметров P, Q, S, j. Например, значение активной мощности P может быть получено, согласно формуле (1), как среднеарифметическое произведений дискретных значений тока (I_i) и напряжения (U_i) в последовательной выборке по периоду измеряемого сигнала:

(5)

где N — количество отсчётов в одном периоде измеряемого сигнала; f_D — частота дискретизации; f_C — частота сети.

Очевидно, что точность измерения растёт с увеличением частоты дискретизации, что, в свою очередь, ведёт к усложнению программного обеспечения, поскольку обработка производится в реальном времени. Кроме этого, недостатком таких систем, на сегодняшний день, является их относительно высокая стоимость.

Упростить алгоритмы обработки информации и снизить цену на комплектацию позволяет схема, представленная на рис. 1б. В этом варианте функцию измерения одного или нескольких из четырёх отмеченных параметров осуществляет специализированная микросхема измерителя мощности. В простейшем случае схема обеспечивает на своём выходе частоту импульсов, пропорциональную активной мощности. В этой структуре микроконтроллер выполняет лишь функцию счётчика импульсов, вывод информации на дисплей, а также ряд специальных функций (например, изменение тарифов, сохранение информации в аварийных режимах, вывод служебной информации на внешние устройства и прочее). Примерами подобных преобразователей, выпускаемых российскими производителями, являются, например, КР1095ПП1 — специализированная ИС измерителя активной мощности, выпускаемая заводом “Ангстрем” БИС КР1446ПМ1, или разработанные специалистами НПФ “Прорыв” и ООО “Силиком” БИС SPM-1 и SPM-2 [1,2]. Применяя дополнительные схемотехнические решения, в данном варианте построения возможно также производить измерение сдвига фаз между током и напряжением.

В простейшем случае цифрового СЭ, когда требуется лишь измерение числа импульсов, вывод информации на дисплей и защита при аварийных сбоях напряжения питания (то есть, фактически, цифрового функционального аналога существующих механических счётчиков), система может быть построена, например, на базе простейшего микроконтроллера фирмы Motorola МС68HC05KJ1.

Блок-схема такого СЭ представлена на рис. 2. Сигналы, пропорциональные значениям напряжения и тока в сети, поступают через соответствующие датчики на входы микросхемы-преобразователя КР1095ПП1. С её выхода снимается частотный сигнал, поступающий на вход микроконтроллера MC68HC05KJ1. Микроконтроллер накапливает количество пришедших импульсов, преобразовывая его для получения значения энергии в Вт·ч. По мере накопления каждого Вт·ч, значение накопленной энергии выводится на дисплей и записывается во FLASH-память. Если происходит сбой, временное исчезновение напряжения сети, информация о накопленной энергии сохраняется во FLASH-памяти. После восстановления питающего напряжения эта информация считывается микроконтроллером, выводится на индикатор, и счёт продолжается с этой величины. Реализация такого алгоритма потребовала менее 1 Кбайт памяти микроконтроллера. Применённый в данной схеме микроконтроллер MC68HC05KJ1 выпускается в 16-выводном корпусе (DIP или SOIC), имеет 1,2 Кбайт ПЗУ и 64 байт ОЗУ. Его стоимость в исполнении OTP (One Time Programmable — однократно программируемый) меньше 1$. Для хранения накопленного количества энергии при сбоях питания служит флэш-ПЗУ малого объёма 24C01 (128 байт памяти). В качестве дисплея используется простейший 6-...8-разрядный 7-сегментный ЖКИ, управляемый контроллером К1820ВГ2. Учитывая стоимость этих компонентов, преобразователя КР1095ПП1, а также остальных компонентов счётчика (токового трансформатора, источника питания, печатной платы и так далее), получается, что стоимость такой системы (не считая корпуса) будет составлять не более 10$.

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 рис. 3.

Рис. 3. 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.

Наличие режима нескольких тарифов позволяет выводить на дисплей дополнительную информацию о количестве потребления энергии по различным тарифам. Дисплей такого счётчика может быть более сложен. Внешний вид применённого в данном счётчике дисплея представлен на рис. 4.

Рис. 4. Общий вид индикатора многотарифного СЭ

Значение количества потребленной энергии выводится на 8 нижних разрядах (максимальное значение 99999.999 кВт·ч). Информация периодически изменяется (с промежутком в несколько секунд), последовательно показывая содержимое накоплений по каждому из тарифов и сумму этих накоплений. Вначале эти данные выводятся за текущий месяц (высвечивается надпись “за месяц”) и затем с момента эксплуатации счётчика (высвечивается надпись “всего”). Синхронно на символьном поле индикатора (5ґ7 точек) высвечивается знак того тарифа, к которому относятся текущие показания восьмиразрядного индикатора (“о” — основной, “л” — льготный, “п” — пиковый, “ш” — штрафной; “о”, “л”, “п”, “ш” — те же тарифы, но накопленные при превышении установленного лимита мощности; “+” — суммарный). На правом поле индикатора отображается текущая дата, день недели и сезонное время (“летнее/зимнее”). Текущий тариф, по которому производятся накопления, отображается на тарифной зоне ЖКИ (левое верхнее поле индикатора). При превышении установленных ограничений по мощности или по количеству потребленной за месяц энергии высвечиваются соответственно “лимит мощности” или “лимит энергии”.

Просмотр информации по предыдущим 11 месяцам производится при нажатии специально предусмотренной кнопки на корпусе счётчика. При каждом нажатии последовательно выводится информация о каждом тарифе соответствующего месяца, после чего происходит переход на предыдущий месяц, и процесс повторяется. Номер просматриваемого месяца и год отображаются на индикаторе даты. Если нажатия кнопки не происходит несколько секунд, счётчик возвращается в нормальный режим работы. При подключении картридера эта кнопка позволяет просмотреть количество энергии по каждому тарифу, имеющееся в распоряжении у пользователя.

На символьном поле индикатора кроме знаков тарифов выводится дополнительная информация, например, при установке электронной карточки в картридер или при обнаружении неисправности программой тестирования, которая периодически запускается для проверки узлов счётчика (энергонезависимого ОЗУ/таймера, встроенного ОЗУ и памяти программ).

На реализацию алгоритма управления счётчиком потребовалось 10 Кбайт адресного пространства, в то время как встроенное ПЗУ микроконтроллера имеет объём 12 Кбайт.

Схемотехнически устройство разделено на две части: управляющий и силовой модули. В силовой модуль входят датчики тока и напряжения, микросхема-преобразователь КР1095ПП1 с оптронной развязкой частотного выхода и модуль питания, выполненный по схеме однотактного импульсного преобразователя на базе микросхемы MC33363 фирмы Motorola. Её отличительной особенностью является наличие встроенного силового ключа для непосредственного управления импульсным трансформатором. Размеры платы силового модуля (с местом под токовый трансформатор и клеммы подключения сети и нагрузки) — 124 х 154 мм.

Основу модуля управления составляет микроконтроллер MC68HC05L16, позволяющий непосредственное подключение ЖКИ с количеством сегментов до 156, что исключает необходимость использования дополнительного контроллера ЖКИ. В качестве монитора питания, формирующего сигнал сброса микроконтроллера при значении напряжения питания ниже определённого уровня, используется микросхема MC33164. Функции таймера и накопителя оперативной информации выполняет 2-выводная микросхема фирмы Dallas DS1994L, имеющая встроенный долговременный источник питания (литиевая батарея). Согласователь уровней для интерфейса RS-485 выполнен на микросхеме MAX487EPA. Печатная плата модуля управления имеет размеры 100 х 80 мм, соединение с силовым модулем осуществляется через гибкий шлейф. Применение аналогичных схемотехнических решений даёт возможность создания трёхфазных счётчиков (применяя соответствующие преобразователи мощность-частота), а также совмещённых СЭ для нескольких потребителей (один такой счётчик может обслуживать, например, целый этаж жилого дома). Построение этих устройств также можно осуществлять, используя простые и недорогие микроконтроллеры. Однако, тенденции развития микроэлектроники ведут к тому, что в скором времени станет выгодно применять и более сложные микроконтроллеры (в том числе, и DSP), увеличивая тем самым функциональные возможности СЭ. В любом случае, учитывая преимущества цифровых счётчиков перед электромеханическими, можно не сомневаться, что переход на них — вопрос ближайшего будущего.

Литература

1. Рожнов Е. Электронные счётчики электроэнергии бытового и промышленного назначения // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. — 1998. — № 1. — С. 29–32.
2. Рожнов Е. Новые электронные средства для учёта электроэнергии // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. — 1999. — № 1. — С. 42–43.

Тел.: (095) 530 2210

загар: солярии вертикальные