RU2691665C1

RU2691665C1 - Способ измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищения и устройство для его осуществления

Info

Publication number: RU2691665C1
Application number: RU2018102657A
Authority: RU
Inventors: Виктор Иванович Дикарев; Андрей Владимирович Гурьянов; Андрей Геннадьевич Скворцов; Светлана Витальевна Мурашова; Евгений Владимирович Медведев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Авангард"
Priority date: 2018-01-23
Filing date: 2018-01-23
Publication date: 2019-06-17

Abstract

Предлагаемые способ и устройство относятся к электроизмерительной технике и могут быть использованы для измерения электрической энергии в условиях переменного тока для целей коммерческого учета и обнаружения факта и вида хищения электроэнергии, например, на объектах агропромышленного комплекса. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит датчик 1 тока фазного провода, датчик 2 тока нулевого провода, датчик 3 тока фазного провода, включенного в фазный провод до ввода в строение, датчик 4 напряжения нагрузки, включенный параллельно нагрузки 5, перемножители 6, 7, 8, блок 9 математической обработки, индикатором 10, блок 11 дистанционной передачи информации, формирователь 12 модулирующего кода, генератор 13 высокой частоты, фазовый манипулятор 14, усилитель 15 мощности и передающую антенну 16. Пункт контроля содержит приемную антенну 17, усилитель 18 высокой частоты, первый 19 и второй 39 смеситель, блок 20 поиска, первый 21 и второй 38 гетеродины, усилитель 22 промежуточной частоты, удваиватель (селектор) 25 фазы, блок 27 сравнения, пороговый блок 28, линии задержки 29, ключ 30, демодуляторы 31 и 40 Фмн сигналов, перемножители 32, 33, 41 и 42, узкополосные фильтры 34 и 43, фильтры 35 и 44 нижних частот, блок 36 регистрации, фазоинверторы 45 и 46, блок 47 вычитания. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение достоверности и надежности дистанционного измерения потребляемой электроэнергии и выявления наличия, вида и времени ее хищения путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, и ослабления узкополосных помех, принимаемых по основному каналу. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Предлагаемые способ и устройство относятся к электроизмерительной техники и могут быть использованы для измерения электрической энергии в цепях переменного тока для целей коммерческого учета и обнаружения факта и вида хищения электроэнергии, например, на объектах агропромышленного комплекса.

До настоящего времени основным средством измерения электрической энергии у однофазных потребителей являются индивидуальные счетчики, содержащие преобразователь мощности во вращательное движение подвижной системы и счетчик числа оборотов, причем цепи тока и напряжения преобразователя включены соответственно последовательно с прямым (фазным) проводом и параллельно цепи нагрузки. Эти счетчики чувствительны к направлению мощности и при отсутствии стопора обладают свойством реверсивности. Показания такого счетчика можно уменьшить, заставив диск вращаться в другую сторону (Седов П.Г. Счетчики электрической энергии. - М.-Л.: ГЭМ, 1933).

Известно так же большое количество счетчиков электрической энергии статической системы, содержащие преобразователи тока и напряжения, преобразователи мощности в частоту импульсного сигнала и счетчик импульсов с отсчетным устройством. Преобразователь тока нагрузки этих счетчиков включен на ток одного, как правило, прямого (фазного) провода нагрузки, а преобразователь мощности в частоту импульсного сигнала работоспособен только для одного направления мощности нагрузки (авт. свид. СССР №1.129.526, G01R 11/00, 1984).

Недостатком этого способа и устройств, его реализующих, является низкая защищенность результата измерения. Поскольку для построения нереверсивных электронных счетчиков электрической энергии используют однополярное преобразование мощности импульсного электрического сигнала, то при изменении направления тока это преобразование прекращается, в индукционных счетчиках при этом изменяется направление вращательного движения. У потребителя энергии имеется возможность создать такие режимы работы счетчика подключением индукционных закороток, чтобы приостанавливать накопление показаний измерительной энергии или даже уменьшать этот показатель.

У индивидуальных домовладельцев в большом ходу так называемые «отмотчики», изменяющие направление счета. Кроме того, в трехфазных цепях с заземленной нейтралью имеется возможность использовать искусственно или естественно заземленные предметы в качестве обратного провода. В этом случае серийно выпускаемый счетчик эту часть однофазной нагрузки не учитывает.

Известны способ и устройство измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищения (патент РФ №2.077.062, G01R 22/00, 2002), в которых формируют сигнал мгновенной мощности тока фазного провода, формируют сигнал мгновенной мощности тока нулевого провода, определяют модуль разности этих сигналов, определяют модуль суммы этих сигналов, формируют сигнал мощности нагрузки в виде суммы модулей разности мгновенных мощностей токов фазного и нулевого проводов и модулей суммы мгновенных мощностей указанных токов, полученный сигнал преобразуют в частоту импульсов и подают на индикацию.

Недостатком данных способа и устройства является слабая защита результата измерения от хищения электроэнергии, так как они не предусматривают возможности устранения вида хищения, примененного недобросовестным потребителем, и не защищают от такого распространенного среди индивидуальных застройщиков виду хищения, как подключение нагрузки между счетчиком и вводом в строение.

Известны также способы и устройства измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищения (авт. Свид. СССР №№1.580.259, 1.599.780, патенты РФ №№2.022.276, 2.087.918, 2.212.673, 2.280.256; патент Великобритании №2.227.846 и др.).

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищения и устройства для его осуществления» (патент РФ №2.280.256 G01R 11/24, 2005), которые и выбраны в качестве базовых объектов.

Пункт контроля, входящий в состав устройства, реализующего предлагаемый способ, построен по супергетеродинной схеме, в которой одно и то же значение промежуточной частоты W_up может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах W_c и W_з, т.е.

W_пp=W_гl-W_c, W_пp=W_з-W_зl.

Следовательно, если частоту настройки W_c принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место и зеркальный канал приема, частоты настройки W_з которого отличается от частоты настройки W_c на 2 W_пpи расположена симметрично (зеркально) относительно частоты W_ri гетеродина (фиг. 4). Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования К_пр, что и по основному каналу приема. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость приемника.

Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия:

Где W_Кi - частота i-гo комбинационного канала приема;

m, n, I - целые положительные числа.

Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии несущей частоты принимаемых сигналов с гармониками частоты гетеродина малого порядка (второй, третий), так как чувствительность приемника по этим каналам близка к чувствительности основного канала приема. Так, двум комбинационным каналам приема при m=1 и n=2 соответствуют частоты

W_кl=2W_гl-W_пp, W_к2=2W_г1+W_пp.

Наличие каждых сигналов (помех) принимаемых по дополнительным каналам, а так же узкополосных помех, принимаемых по основному каналу, приводит к снижению достоверности и надежности дистанционного измерения потребляемой энергии и выявления наличия, вида и времени ее хищения.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности и надежности дистанционного измерения потребляемой электроэнергии и выявление наличия, вида и времени ее хищения путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, и ослабления узкополосных помех, принимаемых по основному каналу.

Поставленная задача решается тем, что способ измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищения, основанный, в соответствии с ближайшим сигналом, на формировании сигналов мгновенной мощности токов фазного и нулевого проводов, математической обработки этих сигналов и сравнении результатов обработки, по которым судят о факте хищения и о количестве потребляемой энергии, при этом формируют сигнал мгновенной мощности тока фазного провода, измеренного до ввода в строение, сравнивают величины полученных сигналов, выбирают наибольшую из них и используют для вычисления потребленной электроэнергии, а по соотношению величин всех поученных значений мгновенных мощностей судят о виде хищения, формулируют модулирующий код, содержащий код потребителя, количество потребленной электроэнергии, вид и время хищения, манипулируют по фазе гармоническое колебание в соответствии с модулирующим кодом, усиливают по мощности сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией, излучают его в эфир, на пункте контроля осуществляют поиск сигнала в заданном диапазоне частоты путем перестройки частоты первого гетеродина и преобразуют по частоте принимаемый сигнал с использованием частоты W_гi первого гетеродина, а затем удваивают его фазу, измеряют ширину спектра принимаемого сигнала на основной и удвоенный промежуточной частоте, сравнивают их между собой и в случае значительного отличия устанавливают факт обнаружения сложного сигнала с фазовой манипуляцией, перемножают обнаруженный сложный сигнал с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте с первым опорным напряжением промежуточной частоты, выделяют первое низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, и одновременно перемножают с принимаемым сложным сигналом с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют первое гармоничное колебание и используют его в качестве первого опорного напряжения, отличается от ближайшего аналога тем, что при первом преобразовании частоту W_cпринимаемого сигнала преобразуют «вверх», выделяют напряжение первой суммарной частоты W_∑1=W_c+W_г1 преобразуют ее «вниз» с использованием частоты W_г2 второго гетеродина и выделяют напряжение промежуточной частоты W_пp=W_∑1-W_г2, перемножают обнаруженный сигнал с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте с вторым опорным напряжением промежуточной частоты, сдвинутым по фазе на 180°, выделяют второе низкочастотное напряжение, вычитывают его из первого низкочастотного напряжения и регистрируют полученное суммарное низкочастотное напряжение, одновременно второе низкочастотное напряжение сдвигают по фазе на 180°, перемножают с принимающем сложным сигналом с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют второе гармоническое колебание и используют его в качестве второго опорного напряжения.

Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищения, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, датчик тока нулевого провода, выход которого подключен к первому входу первого перемножителя, датчик тока фазного провода, выход которого подключен к первому входу второго перемножителя, дополнительный датчик тока фазного провода, включенный в фазный провод до ввода двухпроводной питающей сети в строение, и дополнительный перемножитель, при этом вторые входы первого и второго перемножителей соединены с выходом датчика напряжения нагрузки, выходы перемножителей соединены с соответствующим входами блока математической обработки сигналов датчиков, первый выход которого соединен с индикатором результата измерений, выход дополнительного датчика тока фазного провода соединен с первым входом дополнительного перемножителя, второй вход которого подключен к выходу датчика напряжения нагрузки, выход дополнительного перемножителя соединен с соответствующим входом блока математической обработки сигналов датчиков, второй выход которого подключен ко входу блока дистанционной передачи информации, который выполнен в виде последовательно подключенных к второму выходу блока математической обработки сигналов датчиков формирователя модулирующего кода, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора высокой частоты, усилителя мощности и передающей антенны, пункт контроля, состоящий из последовательно включенные приемной антенны, усилителя высокой частоты и первого смесителя, второй вход которого через первый гетеродин соединен с выходом блока поиска, из последовательно включенных усилителя промежуточноу частоты, удвоителя фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, порогового блока, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, ключа, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, первого узкополосного фильтра, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом ключа, и первого фильтра нижних частот, а также блока регистрации, при этом управляющий вход блока поиска соединен с выходом порогового блока, отличается от ближайшего аналога тем, что пункт контроля снабжен усилителем первой суммарной частоты, вторым гетеродином, вторым смесителем, третьим и четвертым перемножителем, вторым узкополосным фильтром, вторым фильтром нижних частот, первым и вторым фазоинверторами и блоком вычитания, причем к выходу первого смесителя последовательно подключены усилитель первой суммарной частоты и второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход подключен к выходу усилителя промежуточной частоты, к выходу ключа последовательно подключен третий перемножитель второй вход, которого соединен с выходом второго фазоинвертора, второй узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом ключа, второй фильтр нижних частот и второй фазоинвертор, выходы первого и второго фильтров нижних частот через блок вычитания подключены к выходу блока регистрации.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг. 1 и 2. Структурная схема пункта контроля представлена на фиг. 3. Частотная диаграмма, иллюстрирующая образование дополнительных каналов приема, изображена на фиг. 4. Комбинация сигналов на входе блока математической обработки, соответствующие видам хищения, приведены в таблице на фиг. 5.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит датчик 1 тока фазного провода, датчик 2 тока нулевого провода, датчик 3 тока фазного провода, включенного в фазный провод до ввода в строение, датчик 4 напряжения нагрузки, включенный параллельно нагрузки 5. Датчик 3 устанавливают на воздушной линии так, чтобы его можно было видеть с улицы. Выходы датчиков 1, 2, 3 соединены с первыми входами перемножителей 6, 7, 8 на вторые входы которых заведен сигнал с выхода датчика 4 напряжения. Выходы перемножителей 6, 7, 8 соединены с соответствующими входа блока 9 математической обработки, а соответствующие выходы блока 9 математической обработки соединены с индикатором 10 и блоком 11 дистанционной передачи информации.

При этом блок 11 дистанционной передачи информации выполнен в виде последовательно подключенных к второму выходу блока 9 математической обработки формирователь 12 модулирующего кода, фазового манипулятора 14, второй вход которого соединен с выходом генератора 13 высокой частоты, усилителя 15 мощности и передающей антенны 16.

Пункт контроля содержит последовательно включенные приемную антенну 17, усилитель 18 высокой частоты, первый смеситель 19, второй вход которого через первый гетеродин 21 соединен с выходом блока 20 поиска, усилитель 37 первой суммарной частоты, второй смеситель 39, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 38, усилитель 22 промежуточной частоты, удвоитель 25 фазы, второй анализатор 26 спектра, блок 27 сравнения, второй вход которого через первый анализатор 24 спектра соединен с выходом усилителя 22 промежуточной частоты, пороговый блок 28, второй вход которого через линию 29 задержки соединен с его выходом, ключ 30, второй вход которого соединен с выходом усилителя 22 промежуточной частоты, первый перемножитель 32, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра 35 нижних частот, первый узкополосный фильтр 34, второй перемножитель 33, второй вход которого соединен с выходом ключа 30, первый фильтр 35 нижних частот, блок 47 вычитания и блок 36 регистрации. К выходу ключа 30 последовательно подключены третий перемножитель 41 второй вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора 46, второй узкополосный фильтр 43, первый фазоинвертор 45, четвертый перемножитель 42, второй вход которого соединен с выходом ключа 30, второй фильтр 44 нижних частот и второй фазоинвертор 46. Выход второго фильтра 44 нижних частот соединен с вторым входом блока 47 вычитания. Управляющий вход блока 20 поиска соединен с выходом порогового блока 28.

Анализаторы 24 и 26 спектра, удвоитель 25 фазы, блок 27 сравнения, пороговый блок 28 и линия 29 задержки образуют обнаруживатель (селектор) 23 фазоманипулированного (Фмн) сигнала.

Перемножители 32 и 33, узкополосный фильтр 34 и фильтр 35 нижних частот образуют первый демодулятор 31 Фмн сигналов.

Перемножители 41 и 42, узкополосный фильтр 43, фильтр 44 нижних частот, фазоинверторы 45 и 46 образуют второй демодулятор 40 Фмн сигналов.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

Датчики 1, 2, 3 токов формируют сигналы, пропорциональные току нулевого провода и токам в фазном проводе до ввода в строение и после ввода в строение. Из этих сигналов, а также из выходного сигнала датчика 4 напряжения с помощью перемножителей 6, 7, 8 формируются сигналы мгновенной мощности токов нулевого провода и фазного провода, замеренного в разных местах. Блок 9 математической обработки, который может быть спроектирован на базе любого микропроцессора, сигналы от перемножителей 6, 7, 8 переводит в цифровой код, анализирует значения мгновенных мощностей, выбирает перемножитель, от которого поступает в данной момент наибольший по мощности сигнал, проводит суммирование сигналов от выбранного перемножителя для определения количество потребленной электроэнергии. Одновременно блок 9 математической обработки проводит анализ соотношений величин сигналов от перемножителей 6, 7, 8 и в соответствии с той или иной комбинацией величины этих сигналов выводит на соответствующий выход сигнал о том или ином виде хищения. Сигналы о потребленной электроэнергии, а также о виде хищения и времени фиксации факта хищения поступают на индикатор 10, который высвечивает названную информацию, а также на блок 11 дистанционной передачи информации.

Различные схемы хищений приведены на фиг. 2 Комбинации сигналов на входе блока 9 математической обработки, соответствующие видам хищения, приведены в таблице (фиг. 5).

Позиция 1 таблицы соответствует случаю, когда хищение отсутствует, токи в фазном и нулевом проводах соответствуют норме, сигналы от всех датчиков равны.

Позиция 2 таблицы соответствует случаю, когда идет хищение электроэнергии за счет скрытого подключения R_н1 между вводом в строение и счетчиком. При этом ток протекает по цепи: фазный провод, датчик 3, R_н1, датчик 1, нагрузка 5, датчик 2, нулевой провод. При этом через датчик 3 протекает большой по величине ток, чем через датчик 1 и 2. Поэтому блок 9 математической обработки для подсчета потребленной энергии выбирает канал датчика 3 с перемножителем 6, а также на соответствующем выходе выставляет код упомянутого вида хищения.

Позиция 3 таблицы соответствует случаю, когда имеет место хищение путем заземления нагрузки (подключение R_н2, фиг. 2) либо появился ток утечки на землю более 25_мА в результате неисправности электропроводки. Можно показать аналогично предыдущему случаю, что через датчик 3 протекает ток большой величины, чем через датчик 1 и 2. Для подсчета потребленной электроэнергии используются сигналы канала датчика 3. Комбинация величин сигналов датчиков 1, 2, 3 будут другие и индикация об этом виде хищения или неисправности появиться на другом выходе блока 9 математической обработки.

Позиция 4 таблицы соответствует случаю, когда имеет место хищение электроэнергии со сменой фаз до счетчика и заземление нагрузки подключением R_н3 (фиг. 2). Теперь большую величину будет иметь токи в цепи датчиков 2 и 3, которая будет использована блоком 9 математической обработки для подсчета потребленной электроэнергии, а комбинация величин сигналов датчиков 1, 2, 3 активизирует соответствующий выход блока 9 математической обработки.

Позиция 5 таблицы соответствует случаю, когда подключенные электроприборы неисправны, и имеет место ток утечки (условно R_н4, фиг. 2). Для учета потребленной мощности используется сигнал датчика 1 или 3, индикации вида хищения на соответствующем выходе блока 9 математической обработки.

Позиция 6 таблицы соответствует случаю, когда имеет место шунтирование, обрыв, короткое замыкание подводящих проводов от датчика 3. Теперь сигнал от датчика 3 меньше по величине сигналов датчиков 1 и 2. Такая комбинация сигналов датчиков вызывает сигнал на соответствующие выходы блока 9 математической обработки, для учета потребленной энергии используется сигнал датчиков 1 и 2.

Кроме того, при использовании устройства типа «отмотчик» количество «смотанной» электроэнергии автоматически учитывается как потребленное, так как суммирование происходит по модулю мгновенной мощности и не зависит от направления тока.

Таким образом, все наиболее распространенные виды хищения не только учитываются счетчиком, но и определяются по видам. Количество потребленной электроэнергии и вид хищения, а также время хищения высвечиваются на индикаторе 10. С помощью блока 11 дистанционной передачи информации имеется возможность считывать выше названные данные независимо от желания потребителя и не входя в помещение. Формирователь 12 формирует модулирующий код М (t), содержащий код потребителя, количество потребленной электроэнергии, вид и время хищения. Данный модулирующий код поступает на первый вход фазового манипулятора 14, на второй вход которого подается гармоническое колебание с выхода генератора 13 высокой частоты

u_c(t)=U_c⋅Cos(w_ct+(ϕ_c), 0≤t≤Т_с,

где U_c, w_c, ϕ_с, Т_с - амплитуды, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания;

На выходе фазового манипулятора 14 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (Фмн)

u₁(t)=U_c⋅Cos[w_ct+ϕ_к(t)+ϕ_с], 0≤t≤Т_с,

где ϕ_к(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фаза, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕ_K(t)=Cos t при Kτ_э<t<(к+1) τ_э и может изменяться скачком при t=Kτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1,2, …, N),

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Tc(Tc=Nτ_э);

N=g+e+m+n,

g - количество элементарных посылок, которые отображают код потребителя;

е - количество элементарных посылок, которые отображают количество потребленной энергии;

m - количество элементарных посылок, которые отображают вид хищения;

n - количество элементарных посылок, которые отображают время хищения,

который после усиления в усилителе 15 мощности излучается передающей антенной 16 в эфир.

На пункте контроля поиск Фмн сигналов в заданном диапазоне частоты Дf осуществляется с помощью блока 20 поиска, который периодически с периодом Тn по пилообразному закону изменяет частоту первого гетеродина 21

где U_г1, w_г1, ϕ_г1 - амплитуда, начальная частота и начальная фаза напряжения первого гетеродина;

- скорость перестройки частоты первого гетеродина 21.

Принимаемый сложный Фмн сигнал u₁(t) с выхода приемной антенны 17 через усилитель 18 высокой частоты поступает на первый вход первого смесителя 19,на второй вход которого подается напряжение u_г1(t) первого гетеродина 24. На выходе первого смесителя 19 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 37 выделяется напряжение первой суммарной частоты

с»

где

;

w_∑1=w_c+w_г1 - первая суммарная частота;

ϕ_∑1=ϕ_с+ϕ_г1,

которое поступает на первый вход второго смесителя 39, на второй вход которого подается напряжение второго гетеродина 38

На входе второго смесителя 39 образуются напряжения комбинационные частот. Усилителем 22 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты

,

где

:

w_пp=w_∑1+w_г2 - промежуточная (разностной) частота;

ϕ_пр=ϕ_∑1-ϕ_г2,

которая представляет собой сложный сигнал комбинированной фазовой манипуляцией и линейной частотной модуляцией (Фмн - ЛЧМ).

Это напряжение поступает на вход обнаружителя (селектора) 23, который состоит из анализаторов спектра 24 и 26, удвоителя 25 фазы, блока 27 сравнения, порогового блока 28 и линии 29 задержки.

На выходе удвоителя 25 фазы, в качестве которого может быть использован перемножитель, на два входа которого подается одно и то же напряжение u_пp(t), преобразуется напряжение

,

где

.

Так как 2ϕ_к(t)={0,2π}, то в указанном напряжении манипуляция фазы уже отсутствует.

Ширина спектра Δƒ₂ второй гармоники сигнала определяется длительностью Тс сигнала

, тогда как ширина спектра Δƒ_с входного Фмн сигнала определяется длительностью τ_э его элементарных посылок

т.е ширина спектра Δƒ₂ второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра Δƒ_с входного сигнала (Δƒ_c/Δƒ₂=N).

Следовательно, при удвоении фазы Фмн сигнала его спектр «сворачивается» в N раз. Это и позволяет обнаруживать (отселектировать) Фмн сигнал даже тогда, когда его мощность на входе приемника меньше мощности помех и шумов.

Ширина спектра Δƒ_с входного Фмн сигнала измеряется с помощью анализатора спектра 24, а ширина спектра Δƒ₂ второй гармоники сигнала измеряется с помощью анализатора спектра 26.

Напряжения, пропорциональные Δƒ_с и Δƒ₂, соответственно с выходов анализаторов сектора 24 и 26 поступают на два входа блока 27 сравнения. Так как Δƒ_с >> Δƒ₂, то на выходе блока 27 сравнения образуется положительное напряжение, которое превышает пороговый уровень U_пop в пороговом блоке 28. Пороговое напряжение U_пор выбирается таким, что бы его не превышали случайные помехи.

При превышении порогового уровня U_пop в пороговом блоке 28 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход блока 20 поиска, выключая его, на управляющий вход ключа 30, открывая его. В исходном состоянии ключ 30 всегда закрыт.

При прекращении перестройки частоты гетеродина 21 усилителем 22 промежуточной частоты выделяется следующие напряжения

, которое через открытый ключ 30 поступает на первые входы перемножителей 32, 33, 41 и 42.

На вторые входы перемножителей 33 и 42 с выходов узкополосного фильтра 34 и фазоинвертора 45 подаются опорные напряжения соответственно

В результате перемножения указанных сигналов образуется результирующие колебания:

где

Аналоги модулирующего кода

выделяются фильтрами 35 и 44 нижних частот соответственно и подаются на два входа блока 47 вычитания. Вычитания одного из другого указанные напряжения с учетом их противоположной полярности, на выходе блока 47 вычитания образуется удвоенное (суммарное) низкочастотное напряжение

где U_н=2U₃,

т.е. получается сложение по абсолютной величине напряжений u_н1(t) и u_н2(t).

При этом амплитудные аддитивные помехи проходят через первый 31 и второй 40 демодуляторы одинаково, изменяя амплитуды выходных продетектированных напряжений в одну и ту же сторону. Но в блоке 47 вычитания они вычитаются, оставаясь однополярными, т.е. подавляются, взаимно компенсируются.

Низкочастотное напряжение u_н3(t) с выхода фильтра 44 нижних частот поступает на вход фазоинвертора 46, на выходе которого образуется низкочастотное напряжение

u_н3(t)=U₃⋅Cos ϕ_к(t)

Низкочастотные напряжения u_н1(t) и u_н3(t) с выхода фильтра 35 нижних частот и фазоинвертора 46 поступают на второй вход перемножителей 32 и 41 соответственно, на выходе которых образуются гармонические напряжения:

где

U₀=2U₄

Данные напряжения выделяются узкополосными фильтрами 34 и 43 соответственно.

Напряжение u₀₁(t) с выхода узкополосного фильтра 34 подается на второй выход перемножителя 33. Напряжение u₀₃(t) выделяется узкополосным фильтром 43 и поступает на вход фазоинвертора 45, на выходе которого образуется напряжение

которое подается на второй вход перемножителя 42.

Время задержки τ_з линии 29 задержки выбирается таким, что бы можно было зарегистрировать аналоги модулирующего кода. По истечению этого времени напряжение с выхода линии 29 задержки поступает на управляющий вход порогового блока 28 и сбрасывает его содержимое на нулевое значение. При этом ключ 30 закрывает, а блок 20 поиска переводит в режим поиска, т.е. они возвращаются в свои исходные состояния.

При обнаружении следующего Фмн сигнала работа устройства происходит аналогичным образом.

Описанная выше работа устройства соответствует случаю приема полезных Фмн сигналов по основному каналу на частоте w_c (фиг. 4).

Если ложный сигнал (помеха) поступает на вход пункта приема по зеркальному каналу на частоте w₃

то на выходе первого смесителя образуется суммарное напряжение

где

:

w_∑2=w_Г1+w_З - вторая суммарная частота;

ϕ_∑2=ϕ_г1+ϕ_з,

которое не попадает в полосу пропускания усилителя 37 первой суммарной частоты. Это объясняется тем, что частота настройки w_нусилителя 37 первой суммарной частоты выбирается следующим образом:

w_н=w_∑1=w_c+w_c1.

Следовательно w_∑2 - w_г1=2w_пp.

Поэтому ложный сигнал (помеха), принимаемый по зеркальному каналу на частоте w_З, подавляется.

По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые по другим дополнительным каналам.

Устройство обнаруживает все наиболее распространенные виды хищения, обнаруживает такой вид хищения, как подключение нагрузки между вводом в строение и счетчиком, обнаруживает неисправность устройств у потребителя, учитывает всю потребляемую энергию независимо от вида хищения.

При этом используется радиоканал и сложные сигналы с фазовой манипуляцией, которые обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлено их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного Фмн сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных Фмн сигналов обусловлена, большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных сигналов априорно неизвестной структуры.

Сложные Фмн сигналы открывают новые возможности и в технике передачи сообщений. Они позволяют применять современный вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.

Принципиально можно отказаться от традиционного метода разделения рабочих частот используемого диапазона между различными потребителями и селекцией их на пункте контроля с помощью частотных фильтров. Его можно заменить современным методом, основанном на одновременной работе каждого потребителя во всем диапазоне частот сложными Фмн сигналами с выделением на пункте контроля радиоприемным устройством сигнала необходимого потребителя посредством его структурной селекции. Каждый потребитель имеет свой код и может работать на определенной частоте.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с базовыми объектами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение достоверности и надежности дистанционного измерения потребляемой электроэнергии и выявления наличия, вида и времени ее хищения. Это достигается за счет подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, и ослабление узкополосных помех, принимаемых по основному каналу.

При этом для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, используется двойное преобразование несущей частоты принимаемых сигналов. Причем при первом преобразовании несущую частоту w_c принимаемых сигналов преобразует «вверх» и выделяют напряжение первой суммарной частоты w_∑1=w_c+w_г1 где w_г1 - частота первого гетеродина. А при втором преобразовании первую суммарную частоту преобразуют «вниз» и выделяют напряжение промежуточной частоты w_пp=w_∑1 - w_г2, где w_г2 - частота второго гетеродина.

Ослабление узкополосных помех, принимаемых по основному каналу, достигается использованием двух демодуляторов сложных Фмн сигналов.

Авторы: Дикарев В.И., Мурашова С.В., Скворцов А.Г., Гурьянов А.В., Медведев Е.В.

Claims

1. Способ измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищения, основанный на формировании сигналов мгновенной мощности токов фазного и нулевого проводов, математической обработки этих сигналов и сравнения результатов обработки, по которым судят о факте хищения и о количестве потребленной энергии, при этом формируют сигнал мгновенной мощности тока фазного провода, измеренного до ввода в строение, сравнивают величины полученных сигналов, выбирают наибольшую из них и используют для вычисления потребленной электроэнергии, а по соотношению величин всех полученных значений мгновенных мощностей судят о виде хищения, формируют модулирующий код, содержащий код потребителя, количество потребленной электроэнергии, вид и время хищения, манипулируют по фазе гармоническое колебание в соответствии с модулирующим кодом, усиливают по мощности сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией, излучают его в эфир, на пункте контроля осуществляют поиск сигналов в заданном диапазоне частот путем перестройки частоты первого гетеродина и преобразуют по частоте принимаемый сигнал с использованием частоты w_г1 первого гетеродина, а затем удваивают его фазу, измеряют ширину спектра принимаемого сигнала на основной и удвоенной промежуточной частоте, сравнивают их между собой и в случае значительного отличия устанавливают факт обнаружения сложного сигнала с фазовой манипуляцией, перемножают обнаруженный сложный сигнал с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте с первым опорным напряжением промежуточной частоты, выделяют первое низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, и одновременно перемножают с принимаемым сложным сигналом с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют первое гармоническое колебание и используют его в качестве первого опорного напряжения, отличающийся тем, что при первом преобразовании частоту w_c принимаемого сигнала преобразуют «вверх», выделяют напряжение первой суммарной частоты w_Σ1=w_c+w_г1, преобразуют ее «вниз» с использованием частоты w_r2 второго гетеродина и выделяют напряжение промежуточной частоты w_пр1=wΣ₁-w_г2, перемножают обнаруженный сложный сигнал с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте с вторым опорным напряжением промежуточной частоты, сдвинутым на 180°, выделяют второе низкочастотное напряжение, вычитают его из первого низкочастотного напряжения и регистрируют полученное суммарное низкочастотное напряжение, одновременно второе низкочастотное напряжение сдвигают по фазе на 180°, перемножают с принимаемым сложным сигналом с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют второе гармоническое колебание и используют его в качестве второго опорного напряжения.

2. Устройство для измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищения, содержащее датчик тока нулевого провода, выход которого подключен к первому входу первого перемножителя, датчик тока фазного провода, выход которого подключен к первому входу второго перемножителя, дополнительный датчик тока фазного провода, включенный в фазный провод до ввода двухпроводной питающей сети в строение, и дополнительный перемножитель, при этом вторые входы первого и второго перемножителей соединены с выходом датчика напряжения нагрузки, выходы перемножителей соединены с соответствующими входами блока математической обработки сигналов датчиков, первый вход которого соединен с индикатором результата измерений, выход дополнительного датчика тока фазного провода соединены с первым входом дополнительного перемножителя, второй вход которого подключен к выходу датчика напряжения нагрузки, выход дополнительного перемножителя соединен с соответствующим входом блока математической обработки сигналов датчиков, второй выход которого подключен к входу блока дистанционной передачи информации, который выполнен в виде последовательно подключенных ко второму выходу блока математической обработки сигналов датчиков формирователя модулирующего кода, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора высокой частоты, усилителя мощности и передающей антенны, пункт контроля, состоящий из последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты и первого смесителя, второй вход которого через первый гетеродин соединен с выходом блока поиска, из последовательно включенных усилителя промежуточной частоты, удвоитель фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, порогового блока, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, ключа, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, первого перемножителя, второй вход, которого соединен с выходом первого фильтра низких частот, первого узкополосного фильтра, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом ключа, и первого фильтра низких частот, а также блока регистрации, при этом управляющий вход блока поиска соединен с выходом порогового блока, отличающееся тем, что пункт контроля снабжен усилителем первой суммарной частоты, вторым гетеродином, вторым смесителем, третьим и четвертыми перемножителями, вторым узкополосным фильтром, вторым фильтром низких частот, первым и вторым фазоинверторами и блоком вычитания, причем к выходу первого смесителя последовательно подключены усилитель первой суммарной частоты и второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход подключен к входу усилителя промежуточной частоты, к выходу ключа последовательно подключены третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора, второй узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом ключа, второй фильтр нижних частот и второй фазоинвертор, выходы первого и второго фильтров нижних частот через блок вычитания подключен к выходу блока регистрации.