RU2786977C2 - Smart electric energy meter - Google Patents
Smart electric energy meter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2786977C2 RU2786977C2 RU2021108693A RU2021108693A RU2786977C2 RU 2786977 C2 RU2786977 C2 RU 2786977C2 RU 2021108693 A RU2021108693 A RU 2021108693A RU 2021108693 A RU2021108693 A RU 2021108693A RU 2786977 C2 RU2786977 C2 RU 2786977C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electric energy
- power
- current
- energy meter
- output
- Prior art date
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 42
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 17
- 241001442055 Vipera berus Species 0.000 claims description 8
- 229920002574 CR-39 Polymers 0.000 claims description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 4
- 230000002457 bidirectional Effects 0.000 claims description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 2
- 101710009141 ASN1 Proteins 0.000 claims 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 11
- OMFHQUCUWSMFOJ-FMONCPFKSA-N COMP protocol Chemical compound ClCCN(CCCl)P1(=O)NCCCO1.O=C1C=C[C@]2(C)[C@H]3C(=O)C[C@](C)([C@@](CC4)(O)C(=O)CO)[C@@H]4[C@@H]3CCC2=C1.C=1N=C2N=C(N)N=C(N)C2=NC=1CN(C)C1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CCC(O)=O)C(O)=O)C=C1.C([C@H](C[C@]1(C(=O)OC)C=2C(=C3C([C@]45[C@H]([C@@]([C@H](OC(C)=O)[C@]6(CC)C=CCN([C@H]56)CC4)(O)C(=O)OC)N3C=O)=CC=2)OC)C[C@@](C2)(O)CC)N2CCC2=C1NC1=CC=CC=C21 OMFHQUCUWSMFOJ-FMONCPFKSA-N 0.000 description 10
- 230000001264 neutralization Effects 0.000 description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 6
- 230000002093 peripheral Effects 0.000 description 6
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 4
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 4
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 4
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 3
- 101700010313 PLC2 Proteins 0.000 description 3
- 101710009097 PLC8 Proteins 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 3
- 101710023954 rps102 Proteins 0.000 description 3
- 230000003068 static Effects 0.000 description 3
- QVFWZNCVPCJQOP-UHFFFAOYSA-N Chloralodol Chemical compound CC(O)(C)CC(C)OC(O)C(Cl)(Cl)Cl QVFWZNCVPCJQOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 101700039183 PLCD1 Proteins 0.000 description 2
- 101700074329 PLCG1 Proteins 0.000 description 2
- 102100011802 PLCG1 Human genes 0.000 description 2
- 229920000954 Polyglycolide Polymers 0.000 description 2
- 101710029124 RPS3A Proteins 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 101700008860 plc1 Proteins 0.000 description 2
- 235000010409 propane-1,2-diol alginate Nutrition 0.000 description 2
- 101710023955 rps101 Proteins 0.000 description 2
- 230000011664 signaling Effects 0.000 description 2
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000005085 air analysis Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective Effects 0.000 description 1
- 230000003252 repetitive Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000004092 self-diagnosis Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised Effects 0.000 description 1
- 230000001960 triggered Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Устройство относится к электронно-цифровой электроизмерительной технике, в частности, к устройствам контроля, учета и анализа производства или потребления электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях переменного тока, может быть использовано в различных отраслях экономики, науки и техники, на объектах электроэнергетики и у потребителей (пользователей) электрической энергии, в автоматизированных информационно-измерительных системах контроля и учета энергоресурсов, управления и распределения энергоресурсов, массового сбора данных и информации с различных оконечных устройств, включая счетчики, датчики, сенсоры и детекторы по видам энергоресурсов, движения, положения и совершаемых действий, а также иных интеллектуальных технических средств и их централизованной программной обработки.The device relates to electronic-digital electrical measuring equipment, in particular, to devices for monitoring, accounting and analyzing the production or consumption of electrical energy in single-phase and three-phase AC circuits, can be used in various sectors of the economy, science and technology, at electric power facilities and by consumers (users) of electrical energy, in automated information and measurement systems for monitoring and accounting for energy resources, management and distribution of energy resources, mass collection of data and information from various terminal devices, including meters, sensors, sensors and detectors by types of energy resources, movement, position and actions performed , as well as other intellectual technical means and their centralized software processing.
Известно устройство учета электрической энергии [1], содержащее преобразователь электрической мощности в частоту импульсов, суммирующее устройство, индикатор, ключ, блок управления, блок сигнализации и блок контроля диспетчера. Блок управления содержит обнаружитель отклонения амплитуды напряжения поставляемой электрической энергии от требований ГОСТ, первый инвертор, элемент ИЛИ, обнаружитель отклонения частоты напряжения поставляемой электрической энергии от требований ГОСТ, второй инвертор, первый и второй сигнализаторы и первое и второе регистрирующие устройства. Блок сигнализации содержит спутниковый приемник, электронные часы, первый и второй элементы И, блок памяти и передающее устройство, блок контроля диспетчера содержит последовательно соединенные приемное устройство и индикатор.A metering device for electrical energy [1] is known, containing a converter of electrical power into a pulse frequency, a summing device, an indicator, a key, a control unit, an alarm unit and a dispatcher control unit. The control unit contains a voltage amplitude deviation detector of the supplied electric energy from the GOST requirements, a first inverter, an OR element, a voltage frequency deviation detector of the supplied electric energy from the GOST requirements, a second inverter, the first and second signaling devices and the first and second recording devices. The signaling unit contains a satellite receiver, an electronic clock, the first and second AND elements, a memory unit and a transmitting device, the dispatcher control unit contains a receiving device and an indicator connected in series.
К недостаткам этого устройства можно отнести измерение и фиксацию неполного набора качественных характеристик потребляемой электроэнергии, таких как полная мощность, реактивная мощность, Cos ϕ, коэффициент формы и уровень гармоник потребляемого тока. Отсутствует возможность использования линий питания как линия связи.The disadvantages of this device include the measurement and fixation of an incomplete set of qualitative characteristics of the consumed electricity, such as apparent power, reactive power, Cos ϕ, form factor and the level of harmonics of the consumed current. There is no possibility of using power lines as a communication line.
Известен счетчик электрической энергии [2], содержащий микропроцессор и соединенные с ним блок измерения мощности и блок памяти, блок питания счетчика и устройство отключения цепи нагрузки с приводом, управляемым от микропроцессора, отличающийся тем, что он снабжен подключенными к микропроцессору набором программируемых таймеров и часами реального времени с питанием от автономного источника, узлом контроля уровня напряжения, вход которого связан с блоком питания счетчика, а выход - с микропроцессором, и блоком защиты, включающим первичный преобразователь сигнала разности токов в подводящем и отводящем проводах электроснабжения и устройство управления защитным отключением, вход которого связан с выходом упомянутого первичного преобразователя, а выход подключен к микропроцессору.Known electric energy meter [2], containing a microprocessor and connected to it a power measurement unit and a memory unit, a meter power supply and a load circuit disconnection device with a drive controlled by a microprocessor, characterized in that it is equipped with a set of programmable timers connected to the microprocessor and a clock real-time power supply from an independent source, a voltage level control unit, the input of which is connected to the power supply of the meter, and the output is connected to the microprocessor, and a protection unit, including a primary converter of the current difference signal in the inlet and outlet wires of the power supply and a protective shutdown control device, input which is connected to the output of the said primary converter, and the output is connected to the microprocessor.
К недостаткам этого устройства также можно отнести измерение и фиксацию неполного набора качественных характеристик потребляемой электроэнергии, таких как полная мощность, реактивная мощность, Cos ϕ, коэффициент формы и уровень гармоник потребляемого тока. А также необходимость применения дифференциального трансформатора, что усложняет и удорожает конструкцию прибора.The disadvantages of this device also include the measurement and fixation of an incomplete set of qualitative characteristics of the consumed electricity, such as apparent power, reactive power, Cos ϕ, form factor and the level of harmonics of the consumed current. As well as the need to use a differential transformer, which complicates and increases the cost of the design of the device.
Наиболее близким по наличию конструктивных признаков к заявляемому изобретению является интеллектуальный счетчик электрической энергии статический [3], содержащий корпус, зажимную плату присоединений цепи сетевого источника электропитания и цепи нагрузки, измерительные элементы напряжения и тока, цифровой сигнальный микропроцессор, модуль тактирования опорных сигналов, модуль метрологической энергонезависимой памяти, модуль построения тактового сигнала, модуль первичных часов единого времени, автономным источник электропитания, дифференциальный трансформатор, модуль мониторинга состояния цепи переменного тока, модуль чувствительных элементов, модуль силового ключа дифференциальной защиты с полюсными контактами по числу фаз и нейтрали, сетевой выпрямитель, входы которого по числу фаз и нейтрали соединен с цепью сетевого источника электропитания, а выходы соединены с входами модуля стабилизатора величин опорных напряжений электропитания, первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы которого соединены с соответствующими шинами по уровням опорных напряжений электропитания элементов схемы устройства, вход-выход модуля стабилизатора величин опорных напряжений электропитания соединен с первым входом-выходом модуля микроконтроллера управления электропитанием и первоначального сброса, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом модуля резервного источника электропитания, выходы измерительных элементов напряжения и тока по числу фаз и нейтрали соединены соответственно с сигнальными входами модулей аналоговой обработки входных дифференциальных сигналов напряжения и тока, первые выходы которых соединены соответственно с первыми сигнальными входами модулей многоканальных аналогово-цифровых преобразователей, а вторые выходы соединены с первыми сигнальными входами модулей операционных усилителей аналоговых сигналов тока с программируемыми коэффициентами усиления и элементами обратной связи, вторые выходы которых соединены с вторыми сигнальными входам модулей многоканальных аналогово-цифровых преобразователей, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей цифровой обработки входных цифровых потоков, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей децимации цифровых сигналов, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей фазовой компенсации, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей цифровых фильтров, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей автоматической калибровки цифровых сигналов, выходы которых соединены соответственно с первым, третьим, пятым и седьмым сигнальными входами цифрового сигнального микропроцессора, второй, четвертый, шестой и восьмой управляющие входы-выходы шин адреса, данных и управления которого соединены с соответствующими управляющими входами-выходами модулей аналоговой обработки входных дифференциальных сигналов напряжения и тока, модулей операционных усилителей аналоговых сигналов тока с программируемыми коэффициентами усиления и элементами обратной связи, модулей, многоканальных аналогово-цифровых преобразователей, модулей цифровых фильтров и модулей автоматической калибровки цифровых сигналов, девятый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с входами-выходами модуля тактирования опорных сигналов, десятый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с первым входом-выходом модуля гальванической изоляции цифровых сигналов, второй, третий и четвертый входы-выходы которого соединены соответственно с входами-выходами модуля выходных периферийных интерфейсов, модуля выходных импульсных телеметрических сигналов и модуля выходных импульсных испытательных сигналов, одиннадцатый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с входом-выходом периферийного модуля метрологической энергонезависимой памяти, двенадцатый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с первым входом-выходом модуля построения тактового сигнала, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом модуля первичных часов единого времени, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом автономного источника электропитания, тринадцатый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с первым входом-выходом периферийного модуля гальванической изоляции цифровых сигналов периферийных интерфейсов и цифровых управляющих сигналов межпроцессорного взаимодействия, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ, второй вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом модуля построения тактового сигнала, третий вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с первым входом-выходом модуля синхронизации счетной логики, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом модуля задающего частотного генератора, второй вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом первичных часов единого времени, четвертый выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с входом модуля интерфейса электронного отсчетного устройства, выход которого соединен с входом модуля визуализации и отображения информации, пятый вход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с выходом модуля интерфейса управления, входы которого соединены с выходами сенсорной панели клавиатуры и сенсорной кнопки пользователя, шестой вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с первым входом-выходом модуля интерфейса энергонезависимых запоминающих устройств, второй, третий и четвертый входы-выходы которого соединены соответственно с модулем энергонезависимой памяти штатных и срочных событий, модулем энергонезависимой памяти автоматической самодиагностики технического состояния элементов схемы устройства и модулем энергонезависимой памяти коммуникационных соединений, седьмой управляющий вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с управляющим входом-выходом модуля силового ключа дифференциальной защиты с полюсными контактами по числу фаз и нейтрали, исполнительные элементы которого коммутируют цепь нагрузки, вход дифференциального трансформатора по числу фаз и нейтрали соединен соответственно с выходом со стороны цепи сетевого источника электропитания и выходом со стороны цепи нагрузки, выход дифференциального трансформатора соединен с сигнальным входом модуля оперативного мониторинга состояния цепи переменного тока, выход которого соединен с сигнальным входом модуля чувствительных элементов, выходы которого соединен с сигнальным входом модуля силового ключа дифференциальной защиты с полюсными контактами по числу фаз и нейтрали, восьмой вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с первым входом-выходом модуля интерфейса дополнительных функций, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой входы-выходы которого соединены соответственно с модулем датчиков штатных и срочных событий, модулем датчиков автоматической самодиагностики технического состояния элементов устройства, модулем датчиков температуры, давления, влажности, модулем датчиков внешнего воздействия, модулем датчиков вскрытия/вмешательства, модулем датчиков технологического расхода/хищения электрической энергии, девятый вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с первым входом-выходом периферийного модуля шлюза цифровых коммуникационных интерфейсов сетевого и прикладного уровней, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом модуля цифрового коммуникационного интерфейса нижнего уровня, второй, третий и четвертый входы-выходы которого соединены соответственно с модулями цифровых беспроводных технологий связи ближнего радиуса действия с низким энергопотреблением, третий вход-выход периферийного модуля шлюза цифровых коммуникационных интерфейсов сетевого и прикладного уровней соединен с первым входом-выходом первого модуля цифрового коммуникационного интерфейса верхнего уровня, второй, третий и четвертый входы-выходы которого соединены соответственно с модулями цифровых беспроводных технологий связи дальнего радиуса действия, четвертый вход-выход периферийного модуля шлюза цифровых коммуникационных интерфейсов сетевого и прикладного уровней соединен с первым входом-выходом второго модуля цифрового коммуникационного интерфейса верхнего уровня, второй и третий вход-выход которого соединены соответственно с модулями цифровой ближней бесконтактной связи и радиочастотной идентификации, десятый выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с входом модуля интерфейса индикации функционирования, выходы которого соединены соответственно с оптическими RGB-светодиодами индикации. The closest in terms of the presence of design features to the claimed invention is a static smart meter of electric energy [3], containing a housing, a clamping board for connecting the network power supply circuit and the load circuit, voltage and current measuring elements, a digital signal microprocessor, a module for clocking reference signals, a metrological module non-volatile memory, clock signal generation module, primary clock module, autonomous power supply, differential transformer, AC circuit condition monitoring module, sensing element module, differential protection power switch module with pole contacts according to the number of phases and neutral, mains rectifier, inputs which, according to the number of phases and neutral, is connected to the network power supply circuit, and the outputs are connected to the inputs of the voltage reference voltage stabilizer module, the first, second, third, fourth and fifth outputs to which are connected to the corresponding buses according to the levels of the reference voltages of the power supply of the elements of the device circuit, the input-output of the module of the stabilizer of the values of the reference voltages of the power supply is connected to the first input-output of the microcontroller module for power management and initial reset, the second input-output of which is connected to the input-output of the reserve source module power supply, the outputs of the measuring elements of voltage and current by the number of phases and neutral are connected respectively to the signal inputs of the modules for analog processing of input differential voltage and current signals, the first outputs of which are connected respectively to the first signal inputs of the modules of multichannel analog-to-digital converters, and the second outputs are connected to the first signal inputs of the modules of operational amplifiers of analog current signals with programmable gains and feedback elements, the second outputs of which are connected to the second signal inputs of the multichannel modules analog-to-digital converters, the outputs of which are connected to the signal inputs of the modules for digital processing of input digital streams, the outputs of which are connected to the signal inputs of the digital signal decimation modules, the outputs of which are connected to the signal inputs of the phase compensation modules, the outputs of which are connected to the signal inputs of the digital filter modules, the outputs of which are connected to the signal inputs of the modules for automatic calibration of digital signals, the outputs of which are connected respectively to the first, third, fifth and seventh signal inputs of the digital signal microprocessor, the second, fourth, sixth and eighth control inputs-outputs of the address, data and control buses of which are connected to corresponding control inputs-outputs of modules for analog processing of input differential voltage and current signals, modules for operational amplifiers of analog current signals with programmable gains and feedback elements, modules, multichannel analog-to-digital converters, modules of digital filters and modules for automatic calibration of digital signals, the ninth input-output of the digital signal microprocessor is connected to the input-output of the reference signal clocking module, the tenth input-output of the digital signal microprocessor is connected to the first input-output of the digital signal galvanic isolation module signals, the second, third and fourth inputs-outputs of which are connected respectively to the inputs-outputs of the module of output peripheral interfaces, the module of output pulse telemetry signals and the module of output pulse test signals, the eleventh input-output of the digital signal microprocessor is connected to the input-output of the peripheral module of the metrological non-volatile memory, the twelfth input-output of the digital signal microprocessor is connected to the first input-output of the module for constructing a clock signal, the second input-output of which is connected to the first input-output of the primary clock module of a single time, the second input-output of which is connected to the input-output of an autonomous power supply, the thirteenth input-output of the digital signal microprocessor is connected to the first input-output of the peripheral module for galvanic isolation of digital signals of peripheral interfaces and digital control signals of interprocessor interaction, the second input-output of which is connected with the first input-output of the central microprocessor for control, applications and applied analytical programs, the second input-output of which is connected to the third input-output of the clock signal building module, the third input-output of the central microprocessor for control, applications and applied analytical programs is connected to the first input-output synchronization module of the counting logic, the second input-output of which is connected to the first input-output of the master frequency generator module, the second input-output of which is connected to the third input-output of the primary clock of a single time, the fourth output of the central microp processor of control, applications and applied analytical programs is connected to the input of the interface module of the electronic reading device, the output of which is connected to the input of the visualization and information display module, the fifth input of the central microprocessor for control, applications and applied analytical programs is connected to the output of the control interface module, the inputs of which are connected to the outputs of the touch panel of the keyboard and the touch button of the user, the sixth input-output of the central microprocessor for control, applications and applied analytical programs is connected to the first input-output of the non-volatile memory interface module, the second, third and fourth inputs-outputs of which are connected, respectively, to the non-volatile memory module of standard and urgent events, a non-volatile memory module for automatic self-diagnostics of the technical condition of the device circuit elements and a non-volatile memory module for communication connections, the seventh control input one-output of the central microprocessor for control, applications and applied analytical programs is connected to the control input-output of the differential protection power switch module with pole contacts according to the number of phases and neutral, the actuators of which switch the load circuit, the input of the differential transformer according to the number of phases and neutral is connected respectively to output from the circuit side of the network power supply and the output from the side of the load circuit, the output of the differential transformer is connected to the signal input of the module for online monitoring of the state of the alternating current circuit, the output of which is connected to the signal input of the module of sensitive elements, the outputs of which are connected to the signal input of the module of the differential protection power switch with pole contacts according to the number of phases and neutral, the eighth input-output of the central microprocessor for control, applications and applied analytical programs is connected to the first input-output of the additional functions interface module , the second, third, fourth, fifth, sixth and seventh inputs-outputs of which are connected respectively to the sensor module of regular and urgent events, the module of sensors for automatic self-diagnosis of the technical condition of the device elements, the module of sensors for temperature, pressure, humidity, the module of sensors of external influence, the module of sensors tampering/intervention, a module of sensors for technological consumption/theft of electrical energy, the ninth input-output of the central microprocessor for control, applications and applied analytical programs is connected to the first input-output of the peripheral module of the gateway of digital communication interfaces of the network and application levels, the second input-output of which is connected to the first input-output of the low-level digital communication interface module, the second, third and fourth inputs-outputs of which are connected respectively to the modules of digital wireless technologies for low-power short-range communication, the third input-output is of the peripheral module of the gateway of digital communication interfaces of the network and application levels is connected to the first input-output of the first module of the digital communication interface of the upper level, the second, third and fourth inputs-outputs of which are connected respectively to the modules of digital wireless communication technologies of long-range gateway module of digital communication interfaces of the network and application levels is connected to the first input-output of the second module of the digital communication interface of the upper level, the second and third input-output of which are connected respectively to the modules of digital short-range contactless communication and radio frequency identification, the tenth output of the central control microprocessor, applications and applied analytical programs is connected to the input of the functioning indication interface module, the outputs of which are connected respectively to the optical RGB LEDs of the indication.
К недостаткам этого интеллектуального счетчика модно отнести:The disadvantages of this smart meter include:
1) Отсутствие устройства защиты персональных данных, обязательных к применению в современных счетчиках коммунальных услуг1) Lack of a personal data protection device that is mandatory for use in modern utility meters
2) Несмотря на значительный объем устройств выполненных на основе конечных автоматов с целью снижения вычислительной нагрузки на цифровой сигнальный процессор, таких как модули фазовой компенсации, цифровых фильтров (DF), содержащих высокочастотные фильтры (HPF), устраняющих постоянную составляющую из входных цифровых потоков параметрических сигналов напряжения и тока, базовые фильтры основной частоты (FF) и низкочастотные фильтры (LPF)2) Despite the significant amount of devices made on the basis of finite automata in order to reduce the computational load on the digital signal processor, such as phase compensation modules, digital filters (DF) containing high-frequency filters (HPF), eliminating the constant component from the input digital streams of parametric signals voltage and current, fundamental filters (FF) and low-pass filters (LPF)
остальные монотонные вычисления, не требующие выполнения сложных алгоритмов с переходами такие как вычисление:other monotonous calculations that do not require the execution of complex algorithms with transitions, such as the calculation:
а) параметров напряжения (U) - мгновенные и среднеквадратичные (действующие) значения частоты, фазного (линейного) напряжения, симметричных составляющих напряжения, коэффициентов искажения синусоидальности напряжения и n-ной гармонической составляющей напряжения;a) voltage parameters (U) - instantaneous and root-mean-square (effective) values of frequency, phase (linear) voltage, symmetrical voltage components, voltage sinusoidal distortion coefficients and n-th harmonic voltage component;
б) параметров тока (I) - мгновенные и среднеквадратичные (действующие) значения силы тока, симметричных составляющих силы тока, коэффициентов искажения синусоидальности силы тока и n-ной гармонической составляющей силы тока;b) current parameters (I) - instantaneous and root-mean-square (effective) values of the current strength, symmetrical components of the current strength, distortion coefficients of the sinusoidality of the current strength and the n-th harmonic component of the current strength;
в) параметров углов фазового сдвига (φ) - углы фазового сдвига между напряжением и током основной частоты, между симметричными составляющими напряжений и токов, а также между n-ными гармоническими составляющими напряжения и тока;c) phase shift angle parameters (φ) - phase shift angles between the voltage and current of the fundamental frequency, between the symmetrical components of voltages and currents, and also between the n-th harmonic components of voltage and current;
г) параметров электрической энергии - мгновенные и среднеквадратичные (действующие) векторные значения активной, реактивной и полной энергии в двух направлениях (прием и отдача), а также энергии потерь;d) parameters of electrical energy - instantaneous and root-mean-square (effective) vector values of active, reactive and total energy in two directions (reception and return), as well as energy losses;
д) параметров электрической мощности - мгновенные и среднеквадратичные (действующие) векторные значения активной, реактивной и полной мощности в двух направлениях (прием и отдача) активной мощности по обратной и нулевой последовательностям, активной и реактивной мощности n-ных гармонических составляющих; е) параметров качества электрической энергии - мгновенные и среднеквадратичные (действующие) значения отклонения частоты (Δf), отрицательного и положительного отклонения напряжения (δU(-), δU(+)) и тока (δI(-), δΙ(+)), кратковременных и длительных прерываний напряжения (ΔtΠΡ), провалов напряжения и длительность провалов напряжения (ΔtΠ), перенапряжения и длительность перенапряжений (ΔtПН); выполняются внутри цифрового сигнального процессора.e) electric power parameters - instantaneous and root-mean-square (effective) vector values of active, reactive and apparent power in two directions (reception and return) of active power in the reverse and zero sequences, active and reactive power of n-th harmonic components; f) electric power quality parameters - instantaneous and rms (effective) values of frequency deviation (Δf), negative and positive voltage deviation (δU (-), δU (+)) and current (δI (-), δΙ (+)), short and long voltage interruptions (ΔtΠΡ), voltage dips and duration of voltage dips (ΔtΠ), overvoltage and overvoltage duration (ΔtPN); run inside the digital signal processor.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в:The technical result of the invention is:
а) повышении точности расчетов потребленной электрической энергииa) improving the accuracy of calculations of consumed electrical energy
б) снижении собственного потребления энергии до уровня менее 1 Втb) reducing own energy consumption to less than 1 W
в) организации внутреннюю (локальную) информационную систему управления HAN (Home Arial Network)c) organizing an internal (local) information management system HAN (Home Arial Network)
г) защите персональных данных в хранении во внутренней памяти и при передаче данных как по линиям связи ближнего радиуса действия с низким энергопотреблением (WPAN, WLAN, LPWAN) включая, но не ограничиваясь BluetoothLE, ANT, ZigBee, PassiveWi-Fin LoRa, и с заданной типологией беспроводных типовых сетей, по линиям беспроводных технологий связи дальнего радиуса действия (WMAN, WWAN, LPWAN) включая, но не ограничиваясь, LoRa и GSM стандартов GPRS/EDGE/LTE/NBIoT, а также по линиям цифрового коммуникационного интерфейса верхнего уровня включая, но не ограничиваясь Ehternet 10/100/100d) protection of personal data in storage in internal memory and during data transmission both over short-range communication lines with low energy consumption (WPAN, WLAN, LPWAN) including, but not limited to BluetoothLE, ANT, ZigBee, PassiveWi-Fin LoRa, and with a given typology of typical wireless networks, over the lines of long-range wireless technologies (WMAN, WWAN, LPWAN) including, but not limited to, LoRa and GSM standards GPRS/EDGE/LTE/NBIoT, as well as over the lines of the upper-level digital communication interface including, but not limited to Ethernet 10/100/100
д) организации автономного Защищенного питания узлов контроля от несанкционированного доступаe) organization of autonomous Protected power supply of control units from unauthorized access
е) введение блока осуществляющего селекцию типов нагрузок у потребителя и подсчет расхода энергии для каждого типа нагрузкиf) introduction of a block that selects the types of loads at the consumer and calculates the energy consumption for each type of load
ж) организация возможности определения утечек или хищения на распределительных линиях питания от распределительной подстанции до пользователей путем вычисления падения напряжения на отдельных участках распределительной линии.g) organizing the possibility of detecting leaks or theft on distribution power lines from the distribution substation to users by calculating the voltage drop in individual sections of the distribution line.
Указанный технический результат достигается тем, что:The specified technical result is achieved by the fact that:
1) в каналы для измерения тока последовательно с АЦП, представляющее из себя последовательно соединенные дифференциальный операционный усилитель с программируемым коэффициентом усиления, дельта-сигма модулятор, фильтр типа sinc4 введены следующие программируемые цифровые конечные автоматы: фильтр нижних частот с полосой пропускания 0-8 кГц, дециматор 4:1, первый масштабирующий (нормализующий) перемножитель, фильтр верхних частот для исключения постоянной составляющей в сигнале, с возможностью обхода, интегратор для обработки сигнала датчиков типа пояс Роговского с возможностью обхода и корректор фазы, также с возможностью обхода.1) the following programmable digital finite automata are introduced into the channels for measuring current in series with the ADC, which is a series-connected differential operational amplifier with a programmable gain, a delta-sigma modulator, a sinc4 filter, the following programmable digital finite automata are introduced: a low-pass filter with a bandwidth of 0-8 kHz, a 4:1 decimator, a first scaling (normalizing) multiplier, a high-pass filter to eliminate the DC component in the signal, with the ability to bypass, an integrator for processing the signal of Rogowski coil sensors with the ability to bypass and a phase corrector, also with the ability to bypass.
2) В счетчике имеется три канала измерения напряжения, имеющие те же узлы, как и каналы для измерения токов, кроме интегратора и датчика пояса Роговского2) The meter has three channels for measuring voltage, which have the same nodes as the channels for measuring currents, except for the integrator and the Rogowski coil sensor
3) Вычисление среднеквадратичных значений выполняется с помощью программируемых цифровых конечных автоматов, содержащих блок возведения в квадрат, фильтр нижних частот, сумматор с поправочным коэффициентом смещения и блок извлечения квадратного корня3) RMS calculations are performed by programmable digital finite state machines containing a squaring block, a low-pass filter, an adder with an offset correction factor, and a square root block.
4) Вычисление активной мощности выполняется с помощью программируемого цифрового конечного автомата, содержащего умножитель данных канала тока на данные канала напряжения, с последующей фильтрацией в фильтре нижних частот и сумматор с поправочным коэффициентом канала мощности.4) Active power calculation is performed using a programmable digital state machine containing a multiplier of current channel data by voltage channel data, followed by low-pass filtering and an adder with a power channel correction factor.
5) Вычисление активной мощности выполняется с помощью программируемого цифрового конечного автомата, содержащего узел сдвига сигнала тока на 90 электрических градусов, умножитель этого значения на сигнал напряжения, умножение на поправочный коэффициент суммирование с поправочным коэффициентом,5) Calculation of active power is carried out using a programmable digital state machine containing a node shifting the current signal by 90 electrical degrees, multiplying this value by a voltage signal, multiplying by a correction factor, summing with a correction factor,
6) Также в виде конечных автоматов выполнены следующие узлы:6) The following nodes are also made in the form of finite automata:
- Узлы контроля перехода сигналов через «0»,- Nodes for controlling the transition of signals through "0",
- узел вычисления cos ϕ.- node for calculating cos ϕ.
- программируемые узлы (набор цифровых компараторов) контроля пороговых напряжений, токов и потребляемой мощности.- programmable nodes (a set of digital comparators) for monitoring threshold voltages, currents and power consumption.
7) Введен блок быстрого преобразования Фурье, для вычисления гармонических составляющих сигналов с фундаментальной частотой 50 или 60 Гц7) A fast Fourier transform block has been introduced to calculate the harmonic components of signals with a fundamental frequency of 50 or 60 Hz
8) Введен блок криптозащиты данных и система пассивной защиты памяти программ и оперативной памяти данных8) Introduced a block of data cryptoprotection and a system of passive protection of program memory and RAM data
9) В устройство введены: двух диапазонный PLC- модем и два радиомодема9) The device is equipped with: a two-band PLC modem and two radio modems
10) Введены три компаратора защиты от вскрытия с автономным питанием10) Introduced three self-powered tamper-evident comparators
11) В микропроцессор введен блок, позволяющий пользователю, по гистограмме, потребляемой в течении суток мощности, провести селекцию отдельных групп приборов потребления, свет, холодильник, плита и т.д., возможно с помощью подсказок от потребителя, и построить графики по потребления мощности для каждой группы приборов потребления11) A block has been introduced into the microprocessor that allows the user, according to the histogram of power consumed during the day, to select individual groups of consumption devices, light, refrigerator, stove, etc., possibly with the help of prompts from the consumer, and build graphs for power consumption for each group of consumption devices
12) Предусмотрена возможность передачи текущих данных по напряжению и токам потребления без округления с мантиссой не менее24 разрядов, для определения мест утечки электроэнергии по комплексным показаниям всех подключенных к линии распределения счетчиков.12) It is possible to transfer current data on voltage and current consumption without rounding with a mantissa of at least 24 digits, to determine the places of electric power leakage according to the complex readings of all meters connected to the distribution line.
13) Предусмотрена возможность автоматического аварийного отключения13) The possibility of automatic emergency shutdown is provided
На фигуре 1 изображен интеллектуальный счетчик, в состав которого входят: блок измерения мощности (2), получающий информацию от первичных датчиков тока (3) и датчиков напряжения (4) микроконтроллер (50) и соединенные с ним, блок памяти для хранения результатов измерения (75), блок питания счетчика (65) и часы реального времени (60, 61), содержащие также модуль памяти объемом 512 байт (62), с питанием от автономного источника (63), модемы блок (80), криптомодуль (70), блок индикации (72), блок клавиатуры (73), контакты защиты от вскрытия (71).The figure 1 shows a smart meter, which includes: a power measurement unit (2), which receives information from primary current sensors (3) and voltage sensors (4), a microcontroller (50) and a memory unit connected to it for storing measurement results ( 75), counter power supply (65) and real time clock (60, 61), also containing a 512-byte memory module (62), powered by an independent source (63), modems unit (80), cryptomodule (70), indication block (72), keyboard block (73), tamper-evident contacts (71).
Микроконтроллер в свою очередь содержит: арифметическое устройство (51), память программ постоянную (52) и перепрограммируемую (53), оперативную память данных (54) и таймеры общего назначения (55), и узел селекцию отдельных групп приборов потребления (57).The microcontroller, in turn, contains: an arithmetic unit (51), permanent program memory (52) and reprogrammable (53), data RAM (54) and general-purpose timers (55), and a node for selecting individual groups of consumption devices (57).
Блок измерения мощности в свою очередь содержит: каналы измерения тока (11, 12, 13, 14) каналы измерения напряжения (15, 16, 17). Через коммутирующую матрицу к каналам измерения подключены: узлы вычисления среднеквадратичных значений напряжений и токов (20-25) узлы вычисления мощности полной, активной и реактивной (30 - 35) набор допусковых компараторов по каждой фазе (узлы порогового контроля) (40, 41, 42), узлы вычисления cos ϕ (43, 44, 45), блок быстрого преобразования Фурье (59).The power measurement unit, in turn, contains: current measurement channels (11, 12, 13, 14) voltage measurement channels (15, 16, 17). The following are connected to the measurement channels through a switching matrix: nodes for calculating the rms values of voltages and currents (20-25) nodes for calculating the power of apparent, active and reactive (30 - 35) a set of tolerance comparators for each phase (threshold control nodes) (40, 41, 42 ), calculation nodes cos ϕ (43, 44, 45), fast Fourier transform block (59).
Состав блока модемов: беспроводной модем ближней связи (81), беспроводной модем дальней связи (82), модем PLC1 (83), модем PLC2 (84), модем Ehternet 10/100/1000 (85), проводной модем (86), ИК модем (87)Modem block composition: short range wireless modem (81), long distance wireless modem (82), PLC1 modem (83), PLC2 modem (84), Ehternet 10/100/1000 modem (85), wired modem (86), IR modem (87)
На фигуре 2 изображен первый канал измерения тока, содержащий: программируемы дифференциальный операционный усилитель PGA (1), дельта-сигма модулятор ∑ - Δ(2), фильтр с функцией sinc4 (4), фильтр нижних частот LPF (4), дециматор 4:1 (5), перемножитель (6) на поправочный коэффициент AI GAIN (7), фильтр верхних частот HPF (8), корректор фазы PHASE СОМР (9), и два переключателя HLPdis и Phasedis.Figure 2 shows the first current measurement channel containing: programmable differential operational amplifier PGA (1), delta-sigma modulator ∑ - Δ(2), filter with sinc4 function (4), low-pass filter LPF (4), decimator 4: 1 (5), AI GAIN multiplier (6) (7), high-pass filter HPF (8), phase corrector PHASE COMP (9), and two switches HLPdis and Phasedis.
На фигуре 3 изображен второй и последующие каналы измерения тока, содержащий: программируемы дифференциальный цифровой интегратор (1), дельта-сигма модулятор ∑ - Δ(2), фильтр с функцией sinc4 (4), фильтр нижних частот LPF (4), дециматор 4:1 (5), перемножитель (6) на поправочный коэффициент AI GAIN (7), фильтр верхних частот HPF (8), корректор фазы PHASE СОМР (9), и три переключателя HLPdis, Int-dis и Phasedis.Figure 3 shows the second and subsequent current measurement channels, containing: programmable differential digital integrator (1), delta-sigma modulator ∑ - Δ (2), filter with sinc4 function (4), low-pass filter LPF (4), decimator 4 :1 (5), AI GAIN multiplier (6) (7), HPF (8), PHASE COMP (9), and three switches HLPdis, Int-dis and Phasedis.
На фигуре 4 изображен канал измерения напряжения, содержащий: дельта-сигма модулятор ∑ - Δ(2), фильтр с функцией sinc4 (4), фильтр нижних частот LPF (4), дециматор 4:1 (5), перемножитель (6) на поправочный коэффициент AI GAIN (7), фильтр верхних частот HPF (8), корректор фазы PHASE СОМР (9), и два переключателя HLPdis, и Phasedis.Figure 4 shows a voltage measurement channel containing: a delta-sigma modulator ∑ - Δ(2), a filter with a sinc4 function (4), a low-pass filter LPF (4), a 4:1 decimator (5), a multiplier (6) on correction factor AI GAIN (7), high-pass filter HPF (8), phase corrector PHASE COMP (9), and two switches HLPdis, and Phasedis.
На фигуре 5 изображен канал вычисления среднеквадратичного значения содержащий: блок возведения в квадрат X2 (1), фильтр нижних частот LPF (2), сумматор ∑ (3) с поправочным коэффициентом смещения (4) и блок извлечения квадратного корня SQR (5).The figure 5 shows the channel for calculating the rms value containing: block squaring X 2 (1), low-pass filter LPF (2), adder ∑ (3) with offset correction factor (4) and block extracting the square root SQR (5).
На фигуре 6 изображен узел вычисления активной мощности: содержащий умножитель данных канала тока на данные канала напряжения (1), фильтр нижних частот LPF (2), умножитель (3) на поправочный коээфициент APGAIN (4) и сумматор (5) с поправочным коэффициентом AWATT_OS (6) канала мощностиThe figure 6 shows the active power calculation node: containing the multiplier of current channel data by voltage channel data (1), low-pass filter LPF (2), multiplier (3) by correction factor APGAIN (4) and adder (5) with correction factor AWATT_OS (6) channel power
На фигуре 7 изображен узел вычисления реактивной мощности, содержащий схему сдвига сигнала тока на 90 электрических градусов π/2, умножитель (1) этого значения на сигнал напряжения, фильтр нижних частот LPF (2), умножение (3)на поправочный коэффициент (4) суммирование (5) с поправочным коэффициентом (6)..Figure 7 shows a reactive power calculation unit containing a current signal shift circuit by 90 electrical degrees π/2, a multiplier (1) of this value by a voltage signal, an LPF low-pass filter (2), multiplication (3) by a correction factor (4) summation (5) with correction factor (6)..
Счетчик может работать в качестве прибора учета расхода потребляемой электроэнергии так полностью автономно, так и в составе автоматизированной системы учета коммунальных услуг.The meter can work as a metering device for the consumption of electricity consumed either completely autonomously or as part of an automated utility metering system.
К измеряемой линии электропитания счетчик подключается с помощью датчиков тока (3) к каналам измерения тока (11, 12, 13, 14) и делителей напряжения (44) к каналам измерения напряжения (15, 16, 17) см фиг 1, а основное питание счетчика обеспечивается при этом от встроенного блока питания 65. С целью повышения точности измерения и уменьшения потребляемой мощности, также высокой гибкости в части применения датчиков тока каждый канал измерения тока выполнен в виде программируемого конечного автомата. Это возможно в связи с монотонным (без каких-либо условных переходов) алгоритмом предварительной обработки сигналов по каналам измерения тока.The meter is connected to the measured power line using current sensors (3) to the current measurement channels (11, 12, 13, 14) and voltage dividers (44) to the voltage measurement channels (15, 16, 17) see Fig. 1, and the main power the counter is provided from the built-in
В счетчике применено два типа каналов измерения тока, первый тип для измерения тока в проводе «нейтрали» второй тип для измерения тока в фазных проводах. Канал первого типа (см. фиг 2) содержит последовательно соединенные программируемый дифференциальный операционный усилитель PGA (1), дельта-сигма модулятор ∑ - Δ(2), фильтр с функцией sinc4 (4), фильтр нижних частот LPF (4), дециматор 4:1 (5), перемножитель (6) на поправочный коэффициент AI GAIN (7), фильтр верхних частот HPF (8), корректор фазы PHASE СОМР (9), и два переключателя HLPdis и Phasedis.. Канал второго типа (см. фиг 3) отличается от первого отсутствием программируемого усилителя на входе и наличием отключаемого интегратора (1) для работы с датчиками тока типа «пояс Роговского».The meter uses two types of current measurement channels, the first type is for measuring the current in the "neutral" wire, the second type is for measuring the current in the phase wires. The channel of the first type (see Fig. 2) contains a serially connected programmable differential operational amplifier PGA (1), a delta-sigma modulator ∑ - Δ (2), a filter with a sinc4 function (4), a low-pass filter LPF (4), a decimator 4 :1 (5), multiplier (6) for the correction factor AI GAIN (7), high-pass filter HPF (8), phase corrector PHASE COMP (9), and two switches HLPdis and Phasedis.. Second type channel (see Fig. 3) differs from the first one in the absence of a programmable amplifier at the input and the presence of a switchable integrator (1) for working with current sensors of the “Rogowski coil” type.
Каналы измерения напряжения (см. фиг 4) содержат дельта-сигма модулятор ∑ - Δ(2), фильтр с функцией sinc4 (4), фильтр нижних частот LPF (4), дециматор 4:1 (5), перемножитель (6) на поправочный коэффициент AI GAIN (7), фильтр верхних частот HPF (8), корректор фазы PHASE СОМР (9), и два переключателя HLPdis, и Phasedis.The voltage measurement channels (see Fig. 4) contain a delta-sigma modulator ∑ - Δ(2), a filter with a sinc4 function (4), a low-pass filter LPF (4), a 4:1 decimator (5), a multiplier (6) on correction factor AI GAIN (7), high-pass filter HPF (8), phase corrector PHASE COMP (9), and two switches HLPdis, and Phasedis.
Далее отфильтрованные и нормализованные сигналы с частотой выборки 8kS и полосой до 1200 Гц, поступают на следующие вычислительные блоки, узлы вычисления среднеквадратичных значений напряжений и токов. (5а) (5b) (5с) узлы вычисления мощности полной, активной и реактивной (30-35) набор допусковых компараторов по каждой фазе (узлы порогового контроля) (40, 41, 42), узлы вычисления cos ϕ (43, 44, 45), блок быстрого преобразования Фурье (59).Further, the filtered and normalized signals with a sampling frequency of 8kS and a bandwidth of up to 1200 Hz are fed to the following computing units, nodes for calculating the root-mean-square values of voltages and currents. (5a) (5b) (5c) nodes for calculating the apparent, active and reactive power (30-35) a set of tolerance comparators for each phase (threshold control nodes) (40, 41, 42), nodes for calculating cos ϕ (43, 44, 45), fast Fourier transform block (59).
Структурная схема блока вычисления среднеквадратичного значения показана на фигуре 5, и содержит: умножитель данных канала тока на данные канала напряжения (1), фильтр нижних частот LPF (2), умножитель (3) на поправочный коэффициент (4) и сумматор (5) с поправочным коэффициентом AWATT_OS (6) канала мощностиThe block diagram of the rms value calculation block is shown in figure 5, and contains: a current channel data multiplier by voltage channel data (1), a low-pass filter LPF (2), a multiplier (3) by a correction factor (4) and an adder (5) with correction factor AWATT_OS (6) of the power channel
Структурная схема узла вычисления активной мощности показана на фигуре 6, и содержит умножитель данных канала тока на данные канала напряжения (1), фильтр нижних частот LPF (2), умножитель (3) на поправочный коэффициент (4) и сумматор (5) с поправочным коэффициентом (6) канала мощностиThe block diagram of the active power calculation node is shown in figure 6, and contains a current channel data multiplier for voltage channel data (1), an LPF low-pass filter (2), a multiplier (3) for a correction factor (4) and an adder (5) with a correction coefficient (6) of the power channel
Структурная схема узла вычисления реактивной мощности, показана на фигуре 7, и содержит схему сдвига сигнала тока на 90 электрических градусов π/2, умножитель (1) этого значения на сигнал напряжения, фильтр нижних частот LPF (2), умножение (3) на поправочный коэффициент (4) суммирование (5) с поправочным коэффициентом (6),The block diagram of the reactive power calculation unit is shown in figure 7, and contains a circuit for shifting the current signal by 90 electrical degrees π / 2, a multiplier (1) of this value by a voltage signal, a low-pass filter LPF (2), multiplication (3) by a correction coefficient (4) summation (5) with correction factor (6),
Счетчик работает следующим образом (см. фиг 1): сигналы напряжения и тока с датчиков (3) и (4) поступают соответственно на каналы измерения тока (11-14) и напряжения (15-17) в которых дельта - сигма АЦП с частотой 32 кило-выборок осуществляют преобразование входного сигнала в цифровой поток, далее этот поток поступает на фильтры нижних частот в которых отсекаются все помехи с частотами более 2 кГц и в последствии производится децимация 4:1 для снижения скорости цифрового потока. Матисса сигнала на выходе дециматора равна 22 дв. разрядов, далее производится нормализация сигналов и, если соответствующий бит разрешения установлен, фильтром верхних частот убирается постоянная составляющая в сигнале с частотой среза 1,25 Гц. Тем самым полностью исключается ошибка вызванная температурным дрейфом напряжения смещения, что сильно упрощает построение первых каскадов АЦП. В каналах фазовых токов, по необходимости, включается цифровой интегратор с компенсацией постоянной составляющей вызванной систематической ошибкой округления результата для обеспечения возможности подключения датчика тока типа «пояс Роговского». Далее на выходе каждого блока производиться технологическая коррекция фазы обрабатываемых сигналов, полностью исключающая погрешности изготовления первичных датчиков тока и напряжения. На этом предварительная обработка сигналов по каналам токов и напряжения закончена. Результат появляется на выходе каждого канала с частотой 4 кГц в виде 28 разрядных чисел.The meter operates as follows (see Fig. 1): the voltage and current signals from sensors (3) and (4) are fed respectively to the channels for measuring current (11-14) and voltage (15-17) in which the delta - sigma ADC with a
Коммутационная матрица позволяет соединить выходы каналов предварительной обработки токов и напряжений с последующими автоматами, выполняющими повторяющиеся однородные операции, такие как: вычисление среднеквадратичных значений токов и напряжений (20-25), вычисление активной полной и реактивной мощностей по каждой фазе (30-35) вычисление значений cos ϕ (43-45), также шины сигналов поступают на блоки программируемых допусковых компараторов, настроенных на контроль входных напряжений потребляемых токов и потребляемых мощностей, здесь же находится аппаратный блок вычисления входной частоты и блок быстрого преобразования Фурье (99) для оценки уровня гармонических составляющих потребляемого тока.The switching matrix allows you to connect the outputs of the channels for pre-processing currents and voltages with subsequent automatic machines that perform repetitive homogeneous operations, such as: calculation of the rms values of currents and voltages (20-25), calculation of the active apparent and reactive power for each phase (30-35) calculation values of cos ϕ (43-45), the signal buses also go to blocks of programmable tolerance comparators configured to control the input voltages of consumed currents and consumed powers, there is also a hardware block for calculating the input frequency and a fast Fourier transform block (99) for estimating the level of harmonic components of the consumed current.
В результате всех вычислений поток данных может быть снижен до уровня 100-120 Гц. Причем накопление потребленной электроэнергии производится регистрах автомата вычисления активной энергии. Данные поступаю в микроконтроллер с частотой прерываний, задаваемых одним из таймеров (55) и используются в различных вычислительных алгоритмах определения параметров потребляемой энергии. Для этого в процессоре имеется: арифметическое устройство (51), память программ постоянную (52) и перепрограммируемую (53), оперативную память данных (54) и таймеры общего назначения (55), а также для хранение полученных результатов к микропроцессору присоединены: блок памяти для хранения результатов измерения (75), блок питания счетчика (65) и часы реального времени (61), содержащие также модуль памяти объемом 512 байт (62), с питанием от автономного источника (63). Результаты измерений периодически, в соответствии с алгоритмом определения потребленной электроэнергии записываются во внешнюю энергонезависимую память, также в эту память в область событий, связанных с отклонениями поставки и потребления от договорных обязательств, записываются произошедшие события и время их появления, а также время восстановления нормального режима потребления. И в случае пропадания питания, по сигналу контроля входной частоты наиболее значимые текущие данные записываются в память с автономным питанием.As a result of all calculations, the data flow can be reduced to the level of 100-120 Hz. Moreover, the accumulation of consumed electricity is carried out in the registers of the automatic device for calculating active energy. The data enters the microcontroller with an interrupt frequency set by one of the timers (55) and is used in various computational algorithms for determining the parameters of the consumed energy. For this, the processor has: an arithmetic unit (51), permanent program memory (52) and reprogrammable memory (53), data RAM (54) and general-purpose timers (55), as well as for storing the results obtained, the following are attached to the microprocessor: a memory block for storing measurement results (75), counter power supply (65) and real time clock (61), also containing a memory module with a capacity of 512 bytes (62), powered by an independent source (63). The measurement results are periodically, in accordance with the algorithm for determining the consumed electricity, recorded in an external non-volatile memory, also in this memory in the event area associated with deviations in supply and consumption from contractual obligations, the events that occurred and the time of their occurrence, as well as the time to restore the normal consumption mode are recorded . And in the event of a power failure, according to the input frequency control signal, the most significant current data is recorded in the self-powered memory.
В случае если пользователь или уполномоченный представитель проверяющей организации пожелают ознакомиться с данным по измерению потребляемой электроэнергии или с иными данными отображаемыми на встроенном дисплее счетчика (72), то он сможет это сделать с помощью клавиатуры (73).If the user or an authorized representative of the checking organization wishes to get acquainted with the data on the measurement of the consumed electricity or other data displayed on the built-in display of the meter (72), then he can do this using the keyboard (73).
Возможно чтение данных через встроенный ИК канал связи (87), при чем в большем объеме, чем со встроенного индикатора. С целью выполнения требований по защите персональных данных информация может быть считана только при наличии разрешения, путем предъявления пароля с проверкой доступа. Данные в этом канале кодируются с помощью криптомодуля (70),It is possible to read data through the built-in IR communication channel (87), moreover, to a greater extent than from the built-in indicator. In order to comply with the requirements for the protection of personal data, information can only be read with permission, by presenting a password with access verification. The data in this channel is encoded using a cryptomodule (70),
В случае несанкционированного вскрытия корпуса счетчика срабатывают контакты защиты от вскрытия (71), и производиться соответствующая запись в модуль памяти (75) и защищенную область памяти (62).In case of unauthorized opening of the meter housing, the anti-tamper contacts (71) are triggered, and a corresponding entry is made to the memory module (75) and the protected memory area (62).
В счетчике имеется возможность собирать информацию с близко расположенных счетчиков учета иных коммунальных услуг, таких как расход горячей и холодной воды, с помощью встроенных модемов беспроводной модем ближней связи (81) и модема PLC2 (84), при условии, что эти приборы оборудованы модемами с аналогичными функциями и имеют встроенное программное обеспечения позволяющее им передавать информацию в домашнюю локальную информационную сеть HAN (home areal network). Также если в домашней сети имеются датчики анализа воздушной среды или датчики защиты помещений или иные датчики позволяющее им передавать информацию в домашнюю локальную информационную сеть HAN (home areal network), то они также передают свою информацию в счетчик, который в этот момент является концентратором информационных потоков в локальной информационной сети HAN.The meter has the ability to collect information from closely located meters for accounting for other utilities, such as hot and cold water consumption, using the built-in short-range wireless modem (81) and PLC2 modem (84) modems, provided that these devices are equipped with modems with similar functions and have built-in software that allows them to transmit information to the home local information network HAN (home areal network). Also, if the home network has air analysis sensors or room protection sensors or other sensors that allow them to transmit information to the home local information network HAN (home areal network), then they also transmit their information to the meter, which at this moment is the concentrator of information flows in the local information network HAN.
В случае, если счетчик является узлом (абонентом) выше стоящий автоматизированной системы сбора и учета коммунальных услуг, то он может передавать и принимать информацию из этой системы с помощью встроенных модемов беспроводной модем дальней связи (82), модема PLC1 (83), модем PLC2 (84), модема Ehternet 10/100/1000 (25) и/или проводной модем (26). Все информация при этом защищается с помощью криптомодуля (70).If the meter is a node (subscriber) above the automated system for collecting and accounting for utilities, then it can transmit and receive information from this system using the built-in modems, a long-distance wireless modem (82), a PLC1 modem (83), a PLC2 modem (84), Ethernet 10/100/1000 modem (25) and/or wired modem (26). All information is protected by the cryptomodule (70).
В счетчике также имеется возможность, на основе анализа потребляемой в течении суток мощности, провести селекцию отдельных групп приборов потребления, свет, холодильник, плита и т.д., возможно с помощью подсказок от потребителя, и построить графики по потребления мощности для каждой группы приборов потребления.The meter also has the ability, based on an analysis of the power consumed during the day, to select individual groups of consumption devices, light, refrigerator, stove, etc., possibly with the help of prompts from the consumer, and plot power consumption graphs for each group of devices consumption.
Учитываю высокую точность предварительной обработки сигналов потребляемого тока и входного напряжения и возможность оперативной передачи этой информации в автоматизированную систему сбора данных о потреблении энергоресурсов с указанием времени измерения, в составе вычислительного сервера системы появляется возможность, путем анализа показаний индивидуальных приборов учета, а также и общедомовых приборов определить:I take into account the high accuracy of pre-processing of the signals of the consumed current and input voltage and the possibility of prompt transmission of this information to an automated system for collecting data on energy consumption with an indication of the measurement time, as part of the computing server of the system, it becomes possible by analyzing the readings of individual metering devices, as well as general house devices define:
1) Факт несанкционированного отбора поставляемой электроэнергии (хищения), график времени этого отбора и иные доступные параметры этого явления1) The fact of unauthorized withdrawal of the supplied electricity (theft), the time schedule of this withdrawal and other available parameters of this phenomenon
2) Путем вычисления падения напряжения на проводах распределительной линии питания вычислить участок линии на котором происходит несанкционированный отбор поставляемой электроэнергии2) By calculating the voltage drop on the wires of the distribution power line, calculate the section of the line on which unauthorized selection of the supplied electricity occurs
Также в счетчик предусмотрена возможность веерного отключения всех или отдельных потребителей электроэнергии, в случае возникновения чрезвычайных ситуаций (пожар, утечка газа и т.п.).Also, the meter provides for the possibility of rolling off all or individual consumers of electricity in case of emergencies (fire, gas leakage, etc.).
Предлагаемый интеллектуальный счетчик электрической энергии статический может быть осуществлен с использованием имеющейся элементной базы интегральных микросхем, микроконтроллеров и микропроцессоров, средств и каналов двунаправленных (синхронных) беспроводных технологий связи, существующего оборудования и известных материалов, а также с целью уменьшения габаритов и стоимости отдельные функциональные узлы счетчика, на современном технологическом уровне, могут быть реализованы в виде системы на кристалле (SoC).The proposed smart static electric energy meter can be implemented using the existing element base of integrated circuits, microcontrollers and microprocessors, means and channels of bidirectional (synchronous) wireless communication technologies, existing equipment and known materials, as well as to reduce the size and cost of individual functional units of the meter , at the current technological level, can be implemented as a system on a chip (SoC).
При этом, в связи с уменьшением коммутационных помех, возрастет точность учета электроэнергии, особенно при малых уровнях ее потребления, а также появляется возможность дополнительной технологической защиты конечного изделия от несанкционированного доступа.At the same time, due to the reduction of switching interference, the accuracy of electricity metering will increase, especially at low levels of its consumption, and it also becomes possible to provide additional technological protection of the final product from unauthorized access.
Предлагаемый интеллектуальный счетчик электрической энергии позволяет осуществить контроль качества поставляемой и потребляемой электроэнергии на соответствие требования ГОСТов.The proposed smart electric energy meter allows you to control the quality of the supplied and consumed electricity for compliance with the requirements of GOSTs.
ЛитератураLiterature
1. Патент РФ «Способ учета электрической энергии и устройство для его осуществления», №RU 2503016 С1, МПК G01R 22/00, от 04.06.2012.1. Patent of the Russian Federation "Method of accounting for electrical energy and a device for its implementation", No. RU 2503016 C1,
2. Патент РФ «Счетчик электрической энергии», №RU 2298192 С1, МПК G01R 11/00, от 25.10.2005.2. Patent of the Russian Federation "Electric energy meter", No. RU 2298192 C1,
3. Патент РФ «Интеллектуальный счетчик электрической энергии статический», №RU 2695451 С1, МПК G01R 22/00, от 14.09.2018.3. Patent of the Russian Federation "Smart electric energy meter static", No. RU 2695451 C1,
Claims (22)
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021108693A RU2021108693A (en) | 2022-10-24 |
| RU2786977C2 true RU2786977C2 (en) | 2022-12-27 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2216747C1 (en) * | 2002-03-13 | 2003-11-20 | Соколов Валерий Сергеевич | Procedure for detection of sources of unauthorized distortion of quality of electric energy |
| RU2224260C1 (en) * | 2002-06-28 | 2004-02-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский энергетический институт (технический университет)" | Automated system controlling and metering electric energy ( variants ) |
| JP2015102526A (en) * | 2013-11-28 | 2015-06-04 | 日立アプライアンス株式会社 | Power estimation device and power estimation method |
| JP2018107992A (en) * | 2016-12-26 | 2018-07-05 | エンコアード テクノロジーズ インク | Power usage information collection system and method |
| RU2695451C1 (en) * | 2018-09-14 | 2019-07-23 | Борис Яковлевич Семененко | Smart static electricity meter |
| RU2720318C1 (en) * | 2019-11-29 | 2020-04-28 | Публичное акционерное общество "Транснефть" (ПАО "Транснефть") | Centralized intelligent electronic device of automated electrical substation system |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2216747C1 (en) * | 2002-03-13 | 2003-11-20 | Соколов Валерий Сергеевич | Procedure for detection of sources of unauthorized distortion of quality of electric energy |
| RU2224260C1 (en) * | 2002-06-28 | 2004-02-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский энергетический институт (технический университет)" | Automated system controlling and metering electric energy ( variants ) |
| JP2015102526A (en) * | 2013-11-28 | 2015-06-04 | 日立アプライアンス株式会社 | Power estimation device and power estimation method |
| JP2018107992A (en) * | 2016-12-26 | 2018-07-05 | エンコアード テクノロジーズ インク | Power usage information collection system and method |
| RU2695451C1 (en) * | 2018-09-14 | 2019-07-23 | Борис Яковлевич Семененко | Smart static electricity meter |
| RU2720318C1 (en) * | 2019-11-29 | 2020-04-28 | Публичное акционерное общество "Транснефть" (ПАО "Транснефть") | Centralized intelligent electronic device of automated electrical substation system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20240113557A1 (en) | Systems and methods to manage and control energy management systems | |
| Chakraborty et al. | Smart meters for enhancing protection and monitoring functions in emerging distribution systems | |
| Abate et al. | Smart meter for the IoT | |
| Selvam et al. | Advanced metering infrastructure for smart grid applications | |
| RU2695451C1 (en) | Smart static electricity meter | |
| JP7249431B2 (en) | Detection method, device, electronic device and storage medium for power consumption behavior | |
| CN102749549A (en) | Intelligent checking system for substation alternating current voltage secondary circuit | |
| Garrab et al. | A new AMR approach for energy saving in Smart Grids using Smart Meter and partial Power Line Communication | |
| CN104280636A (en) | Matching loop full-digital type power quality monitoring device and method adopting three-tier architecture | |
| CN102902879A (en) | Synchronous phasor calculation method based on discrete Fourier transform (DFT) recursion of field programmable gate array (FPGA) hardware | |
| Gandhi et al. | Smart Metering in electric power distribution system | |
| CN111553752A (en) | Block chain multilevel control load intelligent analysis module | |
| Jaiswal et al. | Modeling & designing of smart energy meter for smart grid applications | |
| CN108132455A (en) | Global error check system based on combining unit | |
| Vani et al. | Application of smart energy meter in Indian energy context | |
| CN115236582A (en) | Error online evaluation method and device for three-phase four-wire connection electric energy metering device | |
| RU2786977C2 (en) | Smart electric energy meter | |
| CN114076842A (en) | Switching power supply, electric energy metering and displaying method and device thereof, and storage medium | |
| TW201350870A (en) | Power quality analyzer system | |
| CN202373130U (en) | Thermal electric quantity type energy efficiency data acquisition terminal | |
| Sulayman et al. | Smart grid monitoring using local area sensor network. Real-time data acquisition, analysis and management | |
| EP3982087A1 (en) | An electricity metering device | |
| Shree et al. | Smart meter for power factor enhancement in real-time | |
| Munadi et al. | Design and Implementation of a New Monitoring System for Electrical Energy Consumption with Smart Metering based on Intenet of Things (IoT) | |
| CN113759171A (en) | Settlement metering device and processing method |