RU2167427C1

RU2167427C1 - Electronic electricity meter

Info

Publication number: RU2167427C1
Application number: RU2000107104A
Authority: RU
Inventors: Е.Б. Казанский; Е.И. Рожнов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ЭНЭЛЭКО-А"
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2001-05-20

Abstract

FIELD: electric measurement technology. SUBSTANCE: multiple-function electricity meter designed for measuring electrical energy in single- and three-phase electric circuits for various purposes including computer-aided energy-resource measurement and control systems is built around signal processor and has controller, as well as voltage and current sensors built around pulse-width transducers noted for high pulse repetition frequency. Due to such application of computer capabilities controller and sensors form optimal automatic-control system ensuring computer-aided correction of sensor characteristics to minimize their error and to adapt them to destabilizing factors. EFFECT: enhanced accuracy and stability, enlarged functional capabilities, improved stability of meter characteristics. 1 dwg

Description

Техническое решение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях переменного тока в различных отраслях народного хозяйства, в системах автоматизированного контроля, управления и распределения электроэнергии, сбора и обработки информации от других датчиков системы. The technical solution relates to electrical engineering and can be used to measure electrical energy in single-phase and three-phase alternating current circuits in various sectors of the economy, in systems of automated control, management and distribution of electricity, and the collection and processing of information from other sensors of the system.

Известно устройство контроля электрической энергии с дискретизацией тока и напряжения (см. патент US N 5498956, НКИ 324-142, 1995 г.), содержащее аналого-цифровой преобразователь (АЦП), подключенный к линиям для формирования цифровых выборок, характеризующих соответственно составляющие тока и напряжения электрической энергии. Выборки поступают на программный процессор, формирующий первый и второй сигналы управления и рассчитывающий амплитуды тока и напряжения. Процессор содержит генератор синхросигналов и первую служебную программу прерывания, управляющую подачей первого и второго сигналов на АЦП. При этом полученные выборки записываются в запоминающее устройство (ЗУ) и задается момент следующего вызова программы прерывания для записи в ЗУ следующей выборки тока и напряжения и момент вызова второй служебной программы прерывания для обработки записанной выборки. Вторая программа выполняет возведение в квадрат каждую записанную в ЗУ выборку и производит накопление суммы возведенных в квадрат значений тока и напряжения. A device for controlling electrical energy with discretization of current and voltage (see patent US N 5498956, NKI 324-142, 1995) containing an analog-to-digital converter (ADC) connected to lines for generating digital samples characterizing, respectively, current components and voltage electrical energy. The samples are sent to a software processor that generates the first and second control signals and calculates the amplitudes of the current and voltage. The processor includes a clock generator and a first interrupt utility that controls the supply of the first and second signals to the ADC. In this case, the obtained samples are recorded in the storage device (memory) and the moment of the next interrupt program call is set for recording the next current and voltage samples in the memory and the moment the second interrupt service program is called for processing the recorded sample. The second program performs the squaring of each sample recorded in the memory and accumulates the sum of the squared current and voltage values.

Известно устройство измерения коэффициента мощности в многофазной цепи (см. патент JP N 044017/95, МКИ G 01 R 21/00), содержащее схему INP, MNL, PS для измерения мощности, АЦП и микропроцессор. Схема измерения мощности производит умножение переменного тока и тока, сдвинутого по фазе схемами PS1 - PS3, на соответствующее напряжение переменного тока, преобразованное в промодулированные по ширине импульсы (ШИМ) схемами PWM1- PWM3, АЦП преобразует в цифровые данные величины активной P и реактивной Q мощностей, полученные схемой измерения мощности. Микропроцессор содержит: ЗУ ROM для хранения тригонометрических функций; ЗУ RAM для считывания цифровых данных P и Q из АЦП; операционное средство для выполнения операций по делению Q/P; средство последовательного сравнения величины Q/P и величины tg Φ из таблицы тригонометрических функций; средство, которое из этой таблицы считывает величину cos Φ во время превышения по данным аргумента Φ опережения или запаздывания; средство, которое посредством блока D1 отображает величины cos Φ во время превышения величины Q/P величины tg Φ и результат различного опережения и запаздывания. A device for measuring power factor in a multiphase circuit (see patent JP N 044017/95, MKI G 01 R 21/00) containing the circuit INP, MNL, PS for measuring power, ADC and microprocessor. The power measurement circuit multiplies the alternating current and the current phase-shifted by the PS1 - PS3 circuits by the corresponding alternating current voltage converted into pulse-width modulated pulses (PWM) by the PWM1-PWM3 circuits, the ADC converts the active P and reactive Q powers into digital data obtained by the power measurement circuit. The microprocessor contains: memory ROM for storing trigonometric functions; Memory RAM for reading digital data P and Q from the ADC; operational means for performing Q / P dividing operations; means for sequentially comparing Q / P and tan Φ from a table of trigonometric functions; means that from this table reads the value of cos Φ during exceeding, according to the data of the argument Φ, the advance or delay; means, which, through the block D1, displays the values of cos Φ during the excess of the Q / P value of tan Φ and the result of various advance and delay.

Недостатками известных технических решений являются: использование датчиков напряжения и тока с аналоговым выходным сигналом; использование многоразрядных АЦП для трансформации аналоговых сигналов датчиков напряжения и тока в цифровую форму при одновременном использовании процессора в заявленных устройствах. The disadvantages of the known technical solutions are: the use of voltage and current sensors with an analog output signal; the use of multi-bit ADCs for the transformation of analog signals of voltage and current sensors into digital form while using the processor in the claimed devices.

По этим причинам усложняется и удлиняется общий цикл измерения электроэнергии и других параметров электросети и вследствие этого увеличивается погрешность измерений, снижается скорость их проведения, сужается перечень измеряемых параметров. For these reasons, the overall cycle of measuring electricity and other parameters of the power supply network becomes complicated and lengthens, and as a result, the measurement error increases, the speed of their measurements decreases, and the list of measured parameters is narrowed.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является счетчик электрической энергии (см. патент GB N 2096370, МКИ G 01 F 01/56, 1982), содержащий датчики напряжения и тока, соединенные с перемножителем-преобразователем, выход которого подключен к микропроцессору, информационные выходы которого соединены двунаправленной шиной с входами дисплея и устройства предоплаты, обеспечивающего прием электронных денег в виде электронной карточки, а также оперативно-запоминающее устройство, связанную с микропроцессором директивную кнопку и переключающее устройство. The closest in technical essence and the achieved result is an electric energy meter (see patent GB N 2096370, MKI G 01 F 01/56, 1982), containing voltage and current sensors connected to a multiplier-converter, the output of which is connected to a microprocessor, information the outputs of which are connected by a bi-directional bus with the inputs of the display and the prepaid device that accepts electronic money in the form of an electronic card, as well as a random access memory associated with the microprocessor directive button and in the switching device.

Недостатком данного технического решения является то, что первичная обработка информации проводится вне процессора, что приводит к неполному использованию потенциальных возможностей процессора, снижает скорость и точность проведения измерений. The disadvantage of this technical solution is that the primary processing of information is carried out outside the processor, which leads to the incomplete use of the potential capabilities of the processor, reduces the speed and accuracy of measurements.

Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении точности и скорости измерений и расширении функциональных возможностей устройства в целом. The technical result of the proposed solution is to increase the accuracy and speed of measurements and expand the functionality of the device as a whole.

Указанный результат достигается тем, что многофункциональный счетчик электрической энергии, содержащий датчик напряжения и датчик тока, а также, выполненный на основе сигнального процессора, контроллер счетчика, обеспечивающий оперативное решение задач многотарифного учета активной и реактивной электроэнергии, регистрацию и индикацию текущей информации и формирование выходных телеметрических данных, отличается тем, что датчик напряжения и датчик тока выполнены на одинаковых трансформаторах тока, каждый из которых содержит ферромагнитный сердечник, токовую обмотку, обмотку возбуждения, обмотку обратной связи и компенсационную обмотку, при этом токовая обмотка трансформатора датчика тока включена в разрыв цепи измеряемого тока, а токовая обмотка трансформатора датчика напряжения через токоограничивающий резистор включена параллельно цепи измеряемого напряжения, в свою очередь, каждая из обмоток возбуждения соединена с времязадающими входами одного из двух генераторов ШИМ-сигналов, выходы которых соединены с сигнальными входами контроллера счетчика, шины адреса и данных которого соединены с соответствующими входами адреса и данных устройства автоматической регулировки уровня сигналов, состоящего из двух каналов с аналоговыми токовыми выходами, один из которых соединен с обмоткой обратной связи трансформатора датчика тока, а другой выход соединен с обмоткой обратной связи трансформатора датчика напряжения, кроме этого, шины адреса и данных контроллера счетчика соединены с соответствующими входами адреса и данных устройства автоматической компенсации погрешности, состоящего из двух каналов с аналоговыми токовыми выходами, один из которых соединен с компенсационной обмоткой трансформатора датчика тока, а другой выход соединен с компенсационной обмоткой трансформатора датчика напряжения, при этом свободные концы всех компенсационных обмоток и обмоток обратной связи соединены с корпусом. This result is achieved by the fact that a multifunctional electric energy meter containing a voltage sensor and a current sensor, as well as a counter controller based on the signal processor, provides an efficient solution to the problems of multi-tariff accounting of active and reactive electricity, registration and indication of current information and the formation of output telemetric data, characterized in that the voltage sensor and current sensor are made on the same current transformers, each of which contains ferroma the core, the current winding, the field winding, the feedback winding and the compensation winding, while the current winding of the current transformer is included in the open circuit of the measured current, and the current winding of the voltage transformer through the current-limiting resistor is connected in parallel with the measured voltage circuit, in turn, each from the field windings is connected to the timing inputs of one of the two PWM signal generators, the outputs of which are connected to the signal inputs of the counter controller, the address bus and whose data is connected to the corresponding address and data inputs of an automatic signal level adjustment device consisting of two channels with analog current outputs, one of which is connected to the feedback winding of the current transformer, and the other output is connected to the feedback winding of the voltage transformer, in addition, the address and data buses of the counter controller are connected to the corresponding inputs of the address and data of the automatic error compensation device, consisting of two channels in the analog current outputs, one of which is connected to the compensation winding of the current sensor transformer and the other output is connected to the voltage sensor compensation winding of the transformer, the free ends of all compensation winding and a feedback winding coupled to the housing.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что измерение и аналого-цифровое преобразование сигналов производятся датчиками напряжения (ДН) и тока (ДТ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), что позволяет более полно использовать вычислительные возможности процессора контроллера счетчика, который совместно с устройствами автоматической регулировки уровня (АРУ) сигналов значительно расширяет динамический диапазон, а совместно с устройствами автоматической коррекции погрешностей (АКП) значительно улучшает фазовые и частотные характеристики электронного счетчика. The essence of the proposed technical solution lies in the fact that the measurement and analog-to-digital conversion of signals is performed by voltage (DC) and current (DC) sensors with pulse-width modulation (PWM), which allows more fully use the computing capabilities of the processor of the counter controller, which together with devices for automatic level control (AGC) of signals significantly expands the dynamic range, and together with devices for automatic error correction (ACP) significantly improves phase and frequency characteristics of the electronic meter.

Сравнение предлагаемого решения с известными показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые, дополняя известные признаки, позволяют успешно реализовать поставленную цель. Comparison of the proposed solution with the known shows that it has a new set of essential features, which, complementing the known features, allow to successfully achieve the goal.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого электронного счетчика электрической энергии. The drawing shows a structural diagram of the proposed electronic meter of electrical energy.

Электронный счетчик электрической энергии содержит датчик тока 1 и датчик напряжения 2, каждый из которых содержит по одному трансформатору тока 3 и 4, состоящих из ферромагнитных сердечников 5 и 6, токовых обмоток 7 и 8, обмоток возбуждения 9 и 10, обмоток обратной связи 11 и 12, компенсационных обмоток 13 и 14, а также токоограничивающий резистор 15, два генератора ШИМ-сигналов 16 и 17, два устройства автоматической регулировки уровня сигнала 18 и 21, два устройства автоматической компенсации погрешностей 19 и 20, контроллер счетчика 22 с шинами адреса и данных 23 и 24. The electronic electric energy meter contains a current sensor 1 and a voltage sensor 2, each of which contains one current transformer 3 and 4, consisting of ferromagnetic cores 5 and 6, current windings 7 and 8, field windings 9 and 10, feedback windings 11 and 12, compensation windings 13 and 14, as well as a current-limiting resistor 15, two PWM signal generators 16 and 17, two devices for automatically adjusting the signal level 18 and 21, two devices for automatically compensating for errors 19 and 20, a counter controller 22 with address buses and data s 23 and 24.

Предлагаемый электронный счетчик электрической энергии работает следующим образом. The proposed electronic electric energy meter works as follows.

Датчики тока 1 и напряжения 2 преобразуют входные воздействия в нормированные по амплитуде импульсные сигналы, в которых длительность импульсов содержит в себе информацию об уровне значений текущих амплитуд входных воздействий (напряжения или тока). The current sensors 1 and voltage 2 convert the input actions into amplitude-normalized pulse signals, in which the pulse duration contains information about the level of the values of the current amplitudes of the input actions (voltage or current).

Принцип действия ДН мало отличается от принципа действия ДТ, так как ДН фактически представляет собой датчик тока, измеряющий пропорциональный напряжению сети ток эталонного резистора, поэтому рассмотрим принцип действия ДТ более подробно. The principle of the DN operation differs little from the principle of the DT operation, since the DN is actually a current sensor that measures the current of the reference resistor proportional to the mains voltage, therefore, we consider the principle of the DT in more detail.

Датчик тока работает следующим образом. Ток, протекающий через токовую (первичную) обмотку 7 трансформатора 3, создает в его ферромагнитном сердечнике 5 магнитное поле, пропорциональное силе (величине) этого тока. The current sensor operates as follows. The current flowing through the current (primary) winding 7 of the transformer 3 creates in its ferromagnetic core 5 a magnetic field proportional to the strength (magnitude) of this current.

Обмотка возбуждения 9 (вторичная обмотка) трансформатора является времязадающей цепью для генератора 16 ШИМ-сигналов. Длительность импульсов на выходе этого генератора определяется индуктивным сопротивлением обмотки возбуждения. Оно изменяется пропорционально изменению магнитного поля в сердечнике трансформатора. The field winding 9 (secondary winding) of the transformer is a timing circuit for the PWM signal generator 16. The pulse duration at the output of this generator is determined by the inductive resistance of the field winding. It changes in proportion to the change in the magnetic field in the core of the transformer.

Для работы с несинусоидальными сигналами в ДН и ДТ целесообразно использовать ШИМ третьего рода (ШИМ-3), в которой выборки дискретных значений входного сигнала производятся в течение времени, равного интервалу формирования выходного импульса. Это дает возможность свести к минимуму динамические искажения преобразуемого сигнала, так как ширина выходного импульса соответствует интегральному значению входного сигнала за время между точками отсчета. To work with non-sinusoidal signals in the DN and DT, it is advisable to use a PWM of the third kind (PWM-3), in which samples of discrete values of the input signal are produced for a time equal to the interval of formation of the output pulse. This makes it possible to minimize the dynamic distortion of the converted signal, since the width of the output pulse corresponds to the integral value of the input signal for the time between the reference points.

Выделение из ШИМ-сигнала информации о фазовой структуре измеряемого тока производится без потерь при условии, что частота следования ШИМ-сигналов будет на несколько порядков выше частоты измеряемого напряжения. Information on the phase structure of the measured current is extracted from the PWM signal without loss, provided that the repetition frequency of the PWM signals is several orders of magnitude higher than the frequency of the measured voltage.

Контроллер счетчика 22 измеряет и анализирует информацию, содержащуюся в ШИМ-сигналах, сравнивает ее с характеристиками, которые должны быть у идеального датчика тока, в качестве которого используются введенные в память контроллера характеристики эталонного трансформатора тока или его математическая модель. The counter controller 22 measures and analyzes the information contained in the PWM signals, compares it with the characteristics that an ideal current sensor should use, which uses the characteristics of a reference current transformer or its mathematical model, which are stored in the controller’s memory.

По результатам обработки текущих расчетных и программных данных контроллер 22 формирует цифровые команды управления характеристиками ДТ и ДН. Эти команды по шинам адреса 23 и данных 24 поступают на цифровые входы адреса и данных устройств АРУ 18 и 21 и устройств АКП 19 и 20. Based on the results of processing the current calculation and program data, the controller 22 generates digital commands for controlling the characteristics of the motor vehicle and motor vehicle. These commands are sent via address buses 23 and 24 to the digital inputs of the address and data of AGC devices 18 and 21 and automatic transmission devices 19 and 20.

Устройства АРУ 18 и 21 представляют собой цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) с встроенными узкополосными фильтрами нижних частот (ФНЧ) с аналоговыми токовыми выходами, соединенными в ДТ с обмоткой ОС 11, а в ДН с обмоткой ОС 12. ФНЧ АРУ выделяет частоту первой гармоники входного воздействия датчика. AGC devices 18 and 21 are digital-to-analog converters (DACs) with built-in narrow-band low-pass filters (LPFs) with analog current outputs connected in a DT with winding OS 11, and in a DN with a winding OS 12. The low-frequency AGC allocates the frequency of the first harmonic of the input action sensor.

Токи, протекающие через обмотки ОС, пропорциональны амплитуде и противоположны по фазе току, протекающему через первичную обмотку ТТ. Созданные этими токами магнитные потоки имеют противоположные направления и вычитаются в сердечнике ТТ, обеспечивая тем самым глубокую отрицательную ОС по току, необходимую для стабилизации и улучшения параметров датчика. The currents flowing through the windings of the OS are proportional to the amplitude and are opposite in phase to the current flowing through the primary winding of the CT. The magnetic fluxes created by these currents have opposite directions and are subtracted in the core of the CT, thereby providing a deep negative current OS, which is necessary to stabilize and improve the sensor parameters.

Помимо формирования отрицательной ОС положительным следствием вычитания магнитных потоков является то, что результирующее магнитное поле всегда стремится к нулю, то есть наиболее линейному участку характеристики намагничивания сердечника ТТ. Благодаря этому значительно увеличивается динамический диапазон измеряемых токов и расширяется диапазон рабочих частот ДТ при сохранении высокой линейности его характеристик. In addition to the formation of a negative OS, a positive consequence of subtracting magnetic fluxes is that the resulting magnetic field always tends to zero, that is, the most linear portion of the magnetization characteristic of the CT core. Due to this, the dynamic range of the measured currents is significantly increased and the range of operating frequencies of the DT is expanded while maintaining its high linearity.

Любое изменение входного тока вызывает изменение результирующего магнитного поля, под действием которого измеряется индуктивное сопротивление обмотки 9 времязадающей цепи ШИМ-генератора 16. Any change in the input current causes a change in the resulting magnetic field, under the influence of which the inductive resistance of the winding 9 of the timing circuit of the PWM generator 16 is measured.

По изменению длительности импульсов генератора 16 контроллер 22 формирует команды управления устройствами АРУ. В результате магнитное поле в сердечниках ТТ автоматически поддерживается такого уровня, при котором ошибка измерения первой гармоники тока или напряжения минимальна. By changing the pulse duration of the generator 16, the controller 22 generates commands for controlling the AGC devices. As a result, the magnetic field in the CT cores is automatically maintained at a level at which the measurement error of the first harmonic of the current or voltage is minimal.

Одновременно контроллер 22 формирует управляющие команды и для компенсации фазовых и частотных погрешностей, вызванных появлением дополнительных гармоник в спектре измеряемого тока или напряжения. At the same time, the controller 22 generates control commands to compensate for phase and frequency errors caused by the appearance of additional harmonics in the spectrum of the measured current or voltage.

По этим командам устройства АКП 19 и 20 формируют выходные аналоговые токи, которые, протекая соответственно по обмотке 14 ДН 2 и обмотке 13 ДТ 1, создают в сердечниках трансформаторов датчиков дополнительные магнитные поля для автоматической компенсации или полного устранения фазовых и частотных погрешностей датчиков тока и напряжения. According to these commands, the automatic gearboxes 19 and 20 generate analog output currents, which, flowing respectively along the winding 14 ДН 2 and winding 13 ДТ 1, create additional magnetic fields in the cores of transformers of sensors for automatic compensation or complete elimination of phase and frequency errors of current and voltage sensors .

Высокочастотные ШИМ-сигналы, поступающие с ДТ на контроллер 22, полностью эквивалентны выборкам текущих значений измеряемого тока и напряжения и содержат полную информацию о модуле и аргументе текущих значений входных воздействий. High-frequency PWM signals coming from the DT to the controller 22 are completely equivalent to the samples of the current values of the measured current and voltage and contain complete information about the module and the argument of the current values of the input actions.

По этим данным контроллер 22 вычисляет полную, активную и реактивную мощности и энергию, потребляемую от электросети, представляя результаты вычисления в форматах, необходимых для телеметрии, индикации и команд управления. Based on these data, the controller 22 calculates the total, active and reactive power and energy consumed from the power supply, presenting the calculation results in the formats necessary for telemetry, indication and control commands.

Контроллер 22 имеет в своей памяти необходимую для оптимальной эксплуатации электросети информацию, что позволяет реализовать следующие функции: ведение баз данных энергопотребителей, учет электросчетчиков, учет потребляемой электроэнергии, учет платежей по каждому потребителю и установленной мощности и т.д. The controller 22 has in its memory the information necessary for optimal operation of the power grid, which allows you to implement the following functions: maintaining a database of energy consumers, metering electricity meters, metering electricity consumption, metering payments for each consumer and installed capacity, etc.

Содержащаяся в контроллере 22 программа дает возможность оперативно решать задачи многотарифного учета активной и реактивной мощности, прямого и обратного потоков энергии в соответствии с установленными временными зонами. Именно эти качества, а также наличие импульсных и цифровых выходов телеметрии позволяют рекомендовать такие электронные счетчики в качестве эффективных датчиков для систем автоматизированного контроля и учета электроэнергии. The program contained in the controller 22 makes it possible to quickly solve the problems of multi-tariff accounting of active and reactive power, direct and reverse energy flows in accordance with the established time zones. It is these qualities, as well as the presence of pulse and digital telemetry outputs that allow us to recommend such electronic meters as effective sensors for automated control and metering systems.

В предложенном электронном счетчике контроллер и датчики образуют оптимальную систему автоматического регулирования, осуществляющую автоматическую коррекцию характеристик датчиков для минимизации их погрешностей и адаптации к дестабилизирующим факторам. In the proposed electronic meter, the controller and sensors form an optimal automatic control system that automatically corrects the characteristics of the sensors to minimize their errors and adapt to destabilizing factors.

Claims

An electronic electric energy meter containing a voltage sensor and a current sensor, as well as a counter controller based on the signal processor, which provides quick solution to the problems of multi-tariff accounting of active and reactive electricity, registration and indication of current information and the formation of output telemetric data, characterized in that the voltage sensor and the current sensor are made on the same current transformers, each of which contains a ferromagnetic core, a current winding, a winding winding wait, feedback winding and compensation winding, while the current winding of the current sensor transformer is included in the open circuit of the measured current, and the current winding of the voltage transformer through the current-limiting resistor is connected in parallel to the measured voltage circuit, in turn, each of the field windings is connected to the timing inputs one of two PWM signal generators whose outputs are connected to the signal inputs of the counter controller, the address and data buses of which are connected to the corresponding the address and data inputs of two devices for automatically adjusting the signal level, the output of one of which is connected to the feedback winding of the transformer of the current sensor, and the output of the other is connected to the feedback winding of the transformer of the voltage sensor, in addition, the address bus and data of the counter controller are connected to the corresponding address inputs and two automatic error compensation devices, the output of one of which is connected to the compensation winding of the current sensor transformer, and the output of the other is connected to mpensatsionnoy winding transformers with a voltage sensor, wherein the free ends of all compensation winding and a feedback winding coupled to the housing.