Электронные счетчики

Описанные выше СЭ имеют в ряде случаев недостаточную точность и ограниченные функциональные возможности, что проявляется уже при создании простейших двухтарифных систем (рис. 12.9) или организации дистанционного сбора показаний счетчиков.

Интенсивное развитие автоматизированных систем учета потребления электроэнергии, введение многотарифности и предоплаты выдвинули задачу создания качественно нового прибора для измерения электроэнергии — электронного СЭ, совместимого с другими элементами системы учета и обладающего большей точностью, чем индукционные.

Первые образцы электронных счетчиков стоили дорого, поэтому их внедрение началось с трехфазных электронных счетчиков трансформаторного типа для электроэнергетических систем. Затем появились трехфазные счетчики непосредственного включения для электроустановок 0, 4 кВ, а 90-е гг. ушедшего века характеризуются интенсивным развитием производства электронных однофазных счетчиков бытового назначения.

Если первые разработки электронных СЭ выполнялись на дискретной элементной базе, имели сложные электрические схемы с большим количеством элементов и поэтому отпугивали потребителей, то большинство современных счетчиков используют специализированные БИС для преобразователя мощности, имеют относительно простые электрические схемы и из-за этого высокую надежность.

Схемотехнические решения, применяемых в счетчиках различных фирм отличаются большим разнообразием: в настоящее время в качестве измерительного преобразователя тока используются трансформаторы тока с замкнутым ферромагнитным сердечником, трансреакторы (трансформаторы с воздушным зазором), воздушные трансформаторы, шунты. Кроме того, применяются измерительные преобразователи мощности на основе эффекта Холла.

Предприятия России, Украины и Белоруссии используют, в основном, трансформаторы тока с магнитопроводом из лент аморфного железа, полученного путем быстрого охлаждения расплава, так как высокая магнитная проницаемость этого магнитомягкого материала обеспечивает малую угловую погрешность. В связи с тем, что для счетчиков непосредственного включения правила МЭК-1036 нормируют погрешность при наличии постоянной составляющей в цепи тока, западные фирмы используют трансформаторы тока только в счетчиках трансформаторного типа, причем магнитопровод выполняется, как правило, из пермаллоя. Это вызвано тем, что аморфному железу присущ эффект «старения», сопровождающийся падением магнитной проницаемости. Однако последние исследования показали, что процесс кристаллизации при обычных температурах (менее 60 °С) идет достаточно медленно, и заметного ухудшения магнитных свойств аморфного железа можно ожидать лишь через 80... 100 лет после прокатки ленты.

В СЭ класса 0.2 для уменьшения угловой погрешности применяются схемы с электронной компенсацией намагничивающего тока, либо вводятся поправки, определяемые при тарировке счетчиков и учитываемые автоматически на программном уровне в процессе работы счетчика. В трехфазных счетчиках непосредственного включения зарубежные фирмы используют преобразователи на основе эффекта Холла.

Для однофазных счетчиков в последнее время все чаще стали использовать маломощные шунты с сопротивлением примерно 1, 0 МОм. В трехфазных счетчиках их применение ограничено из-за трудностей с обеспечением гальванической развязки токовых цепей. Если сравнивать различные конструкции счетчиков по критерию стоимости, то наилучшим решением для однофазных счетчиков является применение шунта в сочетании с микросхемой преобразователя мощности, способной работать от входных сигналов канала тока малого уровня (примерно 50 мкВ). Темпы развития микроэлектроники позволяют прогнозировать развитие однофазных счетчиков именно в этом направлении.

В настоящее время большинство фирм для преобразования входных сигналов тока и напряжения в частоту пропорциональную активной мощности, используют специальные микросхемы. В России наибольшее распространение получили микросхемы КР1095ПП1 производства ПО «Восход» (г. Калуга). Они обладают хорошими метрологическими характеристиками, и на их базе можно выпускать СЭ класса 0, 5, а при специальном отборе — 0, 2 и даже образцовые. Основными недостатками КР1095ПП1 являются повышенное потребление (7... 10 мА) и отсутствие выхода модуля мощности.

На российском рынке присутствуют также микросхемы преобразователей мощности импортного производства. В частности, фирма Analog Devices предлагает семейство микросхем AD7750-55, на которых можно построить различные модификации счетчиков (однофазные, трехфазные, активной или реактивной энергии, рассчитанные на работу с электромеханическим отсчетным устройством или жидкокристаллическим индикатором и т. д.). Схемы содержат два АЦП (каналов тока и напряжения), цифровой умножитель, цифровые фильтры, преобразователь код — частота. Первые версии микросхем имели относительно большую угловую погрешность, что затрудняло их применение даже в счетчиках класса 1, 0. В настоящее время этот недостаток в значительной степени устранен. Основные погрешности микросхем не более 0, 3 %. К достоинствам микросхемы следует отнести встроенный источник опорного напряжения, малое энергопотребление, однополярный источник питания, одинаковый потенциал аналоговой и цифровой «земли». Аналогичными свойствами обладает микросхема SPM фирмы D-Tech (Германия). Главным препятствием применения импортных микросхем в России является их относительно высокая стоимость. Вместе с тем, в ближайшее время следует ожидать появление новых отечественных микросхем преобразователей мощности производства ведущих российских микроэлектронных компаний «Ангстрем» и «Микрон». Заявленные параметры и функциональные возможности этих компонентов свидетельствуют о хороших перспективах электронных счетчиков, построенных на их базе.

Мировая практика показывает, что в простых, в первую очередь бытовых, счетчиках применяются электромеханические отсчетные устройства, принципиально обладающие энергонезависимой памятью. Однако при сравнительно низкой стоимости они чувствительны к сильным магнитным полям и не всегда имеют высокую надежность, а их функциональные возможности ограничены. Поэтому в сложных многотарифных счетчиках с отображением дополнительной информации повсеместно применяются жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ), также имеющие ряд недостатков. Помимо повышенной стоимости, ЖКИ в ряде случаев не обеспечивают требуемый температурный диапазон работы и требуют для установки счетчика отапливаемого помещения. Другие способы индикации (на светоизлучающих матрицах, люминесцентные и пр.) не нашли широкого применения из-за недостаточной совместимости с другими элементами схемы.

В настоящее время можно утверждать, что с помощью электронных счетчиков удалось решить задачу обеспечения необходимой точности учета энергопотребления, особенно в зоне малых нагрузок, и расширения до 100 А динамического диапазона измерений для счетчиков непосредственного включения. По данным Мособлэнергонадзора электронные однофазные счетчики позволяют ликвидировать недоучет до 10... 15 % отпущенной электроэнергии. Электронные счетчики доказали свою эффективность при построении на их базе автоматизированных систем контроля и учета. Отсутствие трущихся механических частей значительно повышает надежность устройства.

Таким образом, дальнейшее развитие электронных счетчиков можно прогнозировать в следующих направлениях:

• создание счетчиков с повышенной защитой от хищений, вплоть до самоотключения при обнаружении нештатного подсоединения;

• создание счетчиков с ограничением потребления сверх заявленной мощности;

• создание счетчиков со встроенным устройством мониторинга параметров качества электроэнергии;

• создание счетчиков, имеющих модули связи, способные передавать и принимать информацию по силовой сети 0, 4 кВ.

Обработка аналоговой информации в цифровом виде принципиально позволяет одновременно определять как активную, так и реактивную составляющие мощности, что является важным, например, при учете распределения энергии в трехфазных сетях.

Появляется возможность создания многотарифных счетчиков. 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 канал связи, по которому можно считывать показания счетчиков, изменять тарифы, производить диагностику и управление. Такие счетчики могут быть организованы в единую сеть с централизованным доступом через модем в телефонную линию. Таким образом, пользуясь городской телефонной сетью, можно программировать или считывать информацию с любого СЭ в доме.

Цифровой СЭ может осуществлять статистические исследования, например, вычислять среднюю мощность потребления нагрузки и ее 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, учета, распределения энергии и платежей. В такой системе может быть, например, предусмотрена предварительная оплата электроэнергии. Пользователь, в этом случае, заранее оплачивает определенное количество энергии. Информация об оплате либо поступает на счетчик по внешним каналам связи, 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, счетчик отключает пользователя от энергосети. Таким образом в подобной системе исключается задолженность платежей за электроэнергию.

Цифровые СЭ могут выполняться в различных конструктивных исполнениях. Масса и объем 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 простейшем случае цифрового СЭ, когда требуется лишь измерение числа импульсов, вывод информации на дисплей и защита при аварийных сбоях напряжения питания (т. е., фактически, цифрового функционального аналога сущестыующих механических счетчиков), система может быть построена, например, на базе простейшего микроконтроллера фирмы Motorola MC68HC05KJ1. Блок-схема такого СЭ представлена на рис. 12.10.

Сигналы, пропорциональные значениям напряжения и тока в сети, поступают через соответствующие датчики на входы микросхемы КР1095ПП1, преобразующей аналоговый сигнал на входе в частоту следования импульсов на выходе. Микроконтроллер MC68HC05KJ1 подсчитывает количество пришедших импульсов, преобразовывая его в значения потребленной энергии в Вт • ч. Результат выводится на дисплей и записывается во флэш-память. Если происходит сбой при временном исчезновении напряжения сети, информация о накопленной энергии со­храняется во флэш-памяти. После восстановления питающего напряжения эта информация считывается микроконтроллером, выводится на индикатор, и счет продолжается с этой величины. Реализация такого алгоритма требует менее 1 Кбайта памяти микроконтроллера. Примененный 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 ОТР (One Time Programmable — однократно программируемый) меньше 1 долл. Для хранения накопленной информации при сбоях питания служит флэш-ПЗУ малого объема 24С01 (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 счетчика (токового трансформатора, источника питания, печатной платы и так далее), получается, что стоимость такой системы (не считая корпуса) составляет не более 10 долл.

В случае реализации многотарифного СЭ, устройство должно обеспечивать обмен информацией с внешними устройствами по стандартному каналу связи и управления RS-485. Он может использоваться для задания тарифов, инициализации и коррекции таймера реального времени, получения информации о накопленных значениях энергии и так далее. Блок-схема такого устройства, реализованного на микроконтроллере фирмы Motorola MC68HC05L16, представлена на рис. 12.11.

Рассмотрим алгоритм работы счетчика. Память энергонезависимого ОЗУ разбита на 13 банков, в каждом из которых хранится информация о потребленной энергии по четырем тарифам: общем, льготном, пиковом и штрафном. В первом банке накапливаются данные с момента начала эксплуатации счетчика, следующие 12 банков соответствуют накоплениям за 11 предыдущих и за текущий месяцы. Количество потребленной энергии за месяц записываются в соответствующий банк, и таким образом имеется возможность определить, сколько было истрачено энергии за любой из 11 предшествующих месяцев. Перед началом эксплуатации счетчика на заводе-изготовителе обнуляют содержимое банков памяти, т. е. накопление начинается с нулевых значений.

Переключение тарифов осуществляется по временным критериям: для каждого дня недели определяется свое тарифное расписание, т. е. времена начала основного и льготного тарифов и от нуля до трех 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 счетчике может быть установлен режим ограничения по мощности и по количеству израсходованной за месяц энергии. В этом режиме счетчик фиксирует количество энергии, израсходованной сверх лимита. При превышении установленного лимита энергии производится либо переход на счет по штрафному тарифу, либо отключение пользователя от энергосети. Штрафной тариф также может быть установлен по каналу связи в случае, например, задолженности по оплате.

Каждый раз при включении счетчика 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 несанкционироанного снятия крышки устройства.

Через специальный разъем к счетчику можно подключить индивидуальную электронную карточку потребителя с информацией о количестве оплаченной энергии. При исчерпании оплаченного лимита счетчик отключает потребителя от энергосети.

Наличие режима нескольких тарифов позволяет выводить на дисплей дополнительную информацию о количестве потребления энергии по различным тарифам. Внешний вид дисплея такого счетчика представлен на рис. 12.12.

Значение количества потребленной энергии выводится на 8 нижних разрядах (максимальное значение 99 999, 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 счетчика (высвечивается надпись «всего»).

Синхронно на символьном поле индикатора (5x7 точек) высвечивается знак того тарифа, к которому относятся текущие показания восьмиразрядного индикатора («о» — основной, «л» — льготный, «п» — пиковый, «ш» — штрафной). 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 счетчика. При каждом нажатии последовательно выводится информация о каждом тарифе соответствующего месяца, после чего происходит переход на предыдущий месяц, и процесс повторяется. Просматриваемый месяц и год отображаются на индикаторе даты. Если нажатия кнопки не происходит несколько секунд, счетчик 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 считывании электронной карточки или при обнаружении неисправности программой тестирования, которая периодически запускается для проверки узлов счетчика (энергонезависимого ОЗУ/таймера, встроенного ОЗУ и памяти программ).

На реализацию алгоритма управления счетчиком потребовалось 10 Кбайт адресного пространства, в то время как встроенное ПЗУ микроконтроллера имеет объем 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 МС33363 фирмы Motorola. Ее 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 MC68HC05LI6, 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 определенного уровня, используется микросхема МС33164. Функции таймера и накопителя оперативной информации выполняет 2-выводная микросхема фирмы Dallas DS1994L, имеющая встроенный долговременный источник питания (литиевая батарея). Согласователь уровней для обмена информацией с внешними устройствами выполнен на микросхеме МАХ487ЕРА. Печатная плата модуля управления имеет размеры 100 х 80 мм, соединение с силовым модулем осуществляется через гибкий шлейф.

Серийно производятся однофазные многотарифные СЭ серии «Меркурий 200», в которых реализуются описанные выше возможности электронных счетчиков.

Применение аналогичных схемотехнических решений дает возможность создания трехфазных счетчиков (применяя соответствующие преобразователи мощность—частота), а также совмещенных СЭ для нескольких потребителей (один такой счетчик 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, увеличивая тем самым функциональные возможности СЭ. В любом случае, учитывая преимущества цифровых счетчиков перед электромеханическими, можно не сомневаться, что переход на них — вопрос ближайшего будущего.