RU2748936C1 - Device for monitoring consumption of electrical energy in low voltage network - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering. Essence: the device contains a single-crystal microcontroller, which is a central computing device and at the same time an analog-to-digital converter connected to a power source, current sensors made in the form of split-core differential current transformers, voltage sensors made in the form of resistive voltage dividers, an input signal processing device current, which is an electronic device that converts a bipolar sinusoidal current analog signal from current sensors into a unipolar sinusoidal voltage signal connected to the current sensors and a device for calculating the phase shift between current and voltage, a voltage input signal processing device that converts a bipolar sinusoidal analog voltage signal from voltage sensors into a unipolar sinusoidal voltage signal connected to the voltage sensors and a device for calculating the phase shift between current and voltage. A device for processing an input current signal, a device for processing an input voltage signal, a device for calculating the phase shift between current and voltage, a time and clock signal control unit, a unit for determining additional parameters that processes signals from external sensors, a communication unit with a central processing computer are connected to a single-crystal microcontroller. A 5-volt DC power-supply source with a built-in battery and a recharging circuit operating when the device is connected to the network is used as a power source.EFFECT: provided are ability to measure current and voltage without the need to break the wires of the supply line, ability to work as part of an automated system for monitoring electricity consumption with a single information processing center, as well as ability to work both in single-phase and three-phase networks.1 cl, 1 dwg

Description

Translated fromRussian

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к приборам учета и контроля расхода электроэнергии, способных работать в составе автоматизированной системы по контролю потребления электроэнергии в сети.The invention relates to electrical measuring equipment, namely to meters and control of electricity consumption, capable of operating as part of an automated system for monitoring electricity consumption in the network.

Известен счетчик электрической энергии и утечки в сети, содержащий датчик тока, выходы которого соединены с первым перемножителем тока на напряжение, который, в свою очередь, соединен с первым преобразователем тока в частоту импульсов, второй перемножитель тока на напряжение, второй преобразователь тока в частоту импульсов, трансформатор тока с двумя первичными обмотками, одна из которых соединена с фазным проводником измерительной сети, другая - с нулевым проводником и одной вторичной обмоткой, на которой сигнал пропорционален разности токов первичных обмоток. Выходы трансформатора тока соединены со вторым перемножителем тока на напряжение, который, в свою очередь, соединен со вторым преобразователем тока в частоту импульсов. Кроме измерения потребленной электрической энергии счетчик способен определять наличие утечек тока в контролируемой сети за счет применения трансформатора с двумя первичными обмотками (патент RU 2529779, МПК G01R 11/24 (2006.01).Known meter of electrical energy and leakage in the network, containing a current sensor, the outputs of which are connected to the first multiplier of current to voltage, which, in turn, is connected to the first converter of current to pulse frequency, second multiplier of current to voltage, second converter of current to pulse frequency , a current transformer with two primary windings, one of which is connected to the phase conductor of the measuring network, the other to the neutral conductor and one secondary winding, on which the signal is proportional to the difference between the currents of the primary windings. The outputs of the current transformer are connected to a second current-voltage multiplier, which in turn is connected to a second current-to-pulse converter. In addition to measuring the consumed electrical energy, the meter is able to determine the presence of current leaks in the monitored network due to the use of a transformer with two primary windings (patent RU 2529779, IPC G01R 11/24 (2006.01).

Недостатки данного счетчика электроэнергии состоят в отсутствии возможности работать в составе автоматизированной системы по контролю потребления электроэнергии в сети, так как данный счетчик может работать только автономно, и в отсутствии возможности определения дополнительных параметров, в частности, коэффициента мощности нагрузки, а также выгрузки статистических данных, таких, как динамика изменения утечки электрической энергии.The disadvantages of this electricity meter are the inability to work as part of an automated system for monitoring electricity consumption in the network, since this meter can only work autonomously, and in the absence of the possibility of determining additional parameters, in particular, the load power factor, as well as uploading statistical data, such as the dynamics of changes in the leakage of electrical energy.

Известно устройство определения напряжения и мощности каждой фазы в сети среднего напряжения, содержащее модуль получения, предназначенный для получения фазоров относительно напряжения проводов в электрической сети среднего напряжения, напряжения проводов в электрической сети низкого напряжения, и силы тока, проходящей в проводах электрической сети среднего напряжения. Альтернативно, для напряжения среднего напряжения можно получать только угол фазора. Модуль получения также содержит средство для вычисления трех фазоров напряжения в электрической сети среднего напряжения, выводимых исходя из фазоров напряжения электрической сети низкого напряжения. Модуль получения, таким образом, содержит средство для приема сигнала, представляющего каждую величину тока, по меньшей мере, для одного провода, и предпочтительно для каждого из трех проводов. Эти сигналы преимущественно фильтруются и дискретизируются до определения фазоров в подходящем средстве. Предпочтительно, устройство содержит датчики для измерения соответствующих величин тока в электрической сети и для предоставления их на модуль получения. Дополнительно устройство содержит модуль для реконструирования и подбора пары, чтобы выбирать пару трех фазоров токов и напряжения для проводов электрической сети среднего напряжения. Данное устройство способно работать и определять напряжение и мощность, используя традиционные измерительные приборы с получением достаточной точности измерений, при этом определяются все необходимые параметры электрической энергии, что позволяется использовать устройство для мониторинга электрической сети среднего напряжения (патент RU 2635849, МПК G01R 19/00 (2006.01), G01R 25/00 (2006.01), G01R 21/00 (2006.01)).Known device for determining the voltage and power of each phase in a medium voltage network, containing a module for obtaining phasors relative to the voltage of the wires in the medium voltage electrical network, the voltage of the wires in the low voltage electrical network, and the current flowing in the wires of the medium voltage electrical network. Alternatively, only the phasor angle can be obtained for the medium voltage voltage. The obtaining module also contains means for calculating three voltage phasors in the medium voltage electrical network, derived from the voltage phasors of the low voltage electrical network. The acquisition module thus comprises means for receiving a signal representative of each current value for at least one wire, and preferably for each of the three wires. These signals are advantageously filtered and sampled prior to determining the phasors in a suitable means. Preferably, the device comprises sensors for measuring the respective values of the current in the electrical network and for presenting them to the receiving module. In addition, the device contains a module for reconstructing and matching a pair to select a pair of three phasor currents and voltages for medium voltage electrical network wires. This device is capable of operating and determining voltage and power using traditional measuring instruments with obtaining sufficient measurement accuracy, while determining all the necessary parameters of electrical energy, which allows the use of a device for monitoring a medium voltage electrical network (patent RU 2635849, IPC G01R 19/00 ( 2006.01), G01R 25/00 (2006.01), G01R 21/00 (2006.01)).

Недостатками описанного устройства являются отсутствие возможности работы в составе автоматизированной системы и ограниченная применяемость, так как для измерения параметров электрической мощности необходимо использование модулей одновременно на стороне среднего и низкого напряжения.The disadvantages of the described device are the inability to work as part of an automated system and limited applicability, since to measure the parameters of electrical power, it is necessary to use modules simultaneously on the side of medium and low voltage.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является счетчик электрической энергии, выполненный на основе микроконтроллера с подключенными к нему источником питания, блоком индикации, блоком кнопок управления индикацией, энергонезависимой памятью, блоком приема-передачи данных, датчиком напряжения и несколькими датчиками тока. Счетчик дополнительно снабжен цифровым сигнальным процессором, соединенным цифровой интерфейсной шиной с микроконтроллером и содержащим блок нескольких измерителей расхода электроэнергии, блок нескольких аналогово-цифровых преобразователей. Отличительной способностью данного счетчика является его способность одновременно обеспечивать учет потребляемой электрической энергии многими абонентами (патент RU 2643923, МПК G01R 21/133 (2006.01), G01R 22/06 (2006.01), G01R 21/06 (2006.01)).The closest to the proposed invention in terms of the technical essence and the achieved result (prototype) is an electric energy meter made on the basis of a microcontroller with a power supply connected to it, an indication unit, a block of indication control buttons, non-volatile memory, a data transmission and reception unit, a voltage sensor and several current sensors. The meter is additionally equipped with a digital signal processor connected by a digital interface bus to a microcontroller and containing a block of several energy consumption meters, a block of several analog-to-digital converters. A distinctive feature of this meter is its ability to simultaneously provide metering of electrical energy consumed by many subscribers (patent RU 2643923, IPC G01R 21/133 (2006.01), G01R 22/06 (2006.01), G01R 21/06 (2006.01)).

Недостатками данного счетчика являются подключение датчиков тока непосредственно в разрыв проводов питающей линии; отсутствие возможности определения коэффициента мощности и, следовательно, величины потребляемой реактивной электрической энергии; невозможность использования одного и того же счетчика как в однофазных, так и в трехфазных сетях переменного тока.The disadvantages of this meter are the connection of current sensors directly to the break in the wires of the supply line; the inability to determine the power factor and, consequently, the amount of consumed reactive electrical energy; impossibility of using the same meter in both single-phase and three-phase AC networks.

Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании прибора контроля потребления электрической энергии в сети низкого напряжения, способного измерять токи и напряжения в месте его установки без необходимости разрыва проводов питающей линии с дальнейшим определением электрической мощности и коэффициента мощности и расчетом потребленной электроэнергии с возможностью работать в составе автоматизированной системы по контролю за потреблением электроэнергии с единым центром обработки информации, а также с возможностью работать как в однофазных, так и в трехфазных сетях.The technical problem, the solution of which is provided in the implementation of the invention, is to create a device for monitoring the consumption of electrical energy in a low voltage network, capable of measuring currents and voltages at the place of its installation without the need to break the wires of the supply line with further determination of the electrical power and power factor and calculation of the consumed electricity with the ability to work as part of an automated system for monitoring electricity consumption with a single information processing center, as well as with the ability to work both in single-phase and three-phase networks.

Решение данной технической проблемы достигается тем, что в приборе контроля потребления электрической энергии в сети низкого напряжения, содержащем аналого-цифровой преобразователь, датчики тока и напряжения, микроконтроллер, связанный с источником питания, согласно изобретению каждый датчик тока выполнен в виде дифференциального трансформатора тока с разъемным сердечником, а каждый датчик напряжения выполнен в виде резистивного делителя напряжения. При этом прибор снабжен устройством обработки входного сигнала тока, в качестве которого использовано электронное устройство, преобразующее двухполярный синусоидальный токовый аналоговый сигнал датчиков тока в однополярный синусоидальный сигнал напряжения, подключенное к датчикам тока и введенному устройству вычисления сдвига фаз между током и напряжением, и устройством обработки входного сигнала напряжения, преобразующим двухполярный синусоидальный аналоговый сигнал напряжения с датчиков напряжения в однополярный синусоидальный сигнал напряжения, подключенным к датчикам напряжения и названному устройству вычисления сдвига фаз между током и напряжением. Устройство обработки входного сигнала тока, устройство обработки входного сигнала напряжения, устройство вычисления сдвига фаз между током и напряжением, введенные узел контроля времени и тактового сигнала, узел определения дополнительных параметров, обеспечивающий обработку сигналов с внешних датчиков и узел связи с центральным обрабатывающим компьютером подключены к монокристальному микроконтроллеру, являющемуся центральным вычислительным устройством и одновременно аналого-цифровым преобразователем, а в качестве источника питания использован источник питания постоянного тока на напряжение 5 вольт со встроенным аккумулятором и схемой подзарядки, работающей при подключении устройства к сети.The solution to this technical problem is achieved by the fact that in a device for monitoring the consumption of electrical energy in a low voltage network containing an analog-to-digital converter, current and voltage sensors, a microcontroller connected to a power source, according to the invention, each current sensor is made in the form of a differential current transformer with a split core, and each voltage sensor is made in the form of a resistive voltage divider. In this case, the device is equipped with a device for processing an input current signal, which is an electronic device that converts a bipolar sinusoidal current analog signal of the current sensors into a unipolar sinusoidal voltage signal connected to the current sensors and the introduced device for calculating the phase shift between current and voltage, and a device for processing the input a voltage signal that converts a bipolar sinusoidal analog voltage signal from the voltage sensors into a unipolar sinusoidal voltage signal connected to the voltage sensors and said device for calculating the phase shift between current and voltage. A device for processing an input current signal, a device for processing an input voltage signal, a device for calculating the phase shift between current and voltage, introduced a time and clock signal control unit, a unit for determining additional parameters that processes signals from external sensors and a communication unit with a central processing computer are connected to a single crystal a microcontroller, which is a central computing device and at the same time an analog-to-digital converter, and a 5-volt DC power supply with a built-in battery and a recharging circuit operating when the device is connected to the network is used as a power source.

Измерение тока и напряжения в месте его установки без необходимости разрыва проводов питающей линии с дальнейшим определением электрической мощности и коэффициента мощности и расчетом потребленной электроэнергии обусловлены выполнением датчика тока на основе дифференциального трансформатора тока с разъемным сердечником, что позволяет устанавливать его без разрыва проводов линии, и выполнения датчика напряжения в виде резистивного делителя напряжения, подключаемого к существующим контактным площадкам и также не предполагающего разрыва питающих проводов.Measurement of current and voltage at the place of its installation without the need to break the wires of the supply line with further determination of the electrical power and power factor and calculation of the consumed electricity are due to the implementation of the current sensor based on a differential current transformer with a split core, which allows it to be installed without breaking the line wires, and performing voltage sensor in the form of a resistive voltage divider, connected to the existing contact pads and also does not imply a break in the supply wires.

Обеспечение возможности работы прибора в составе автоматизированной системы по контролю за потреблением электроэнергии с единым центром обработки информации, причем количество приборов, одновременно обрабатываемых системой, не ограничено, обусловлено введением в состав прибора узла связи с центральным обрабатывающим компьютером, не входящим в состав прибора. Таким образом, управление всеми приборами, установленными в электрической сети низкого напряжения, происходит из единого центра обработки информации.Enabling the device to work as part of an automated system for monitoring electricity consumption with a single information processing center, and the number of devices simultaneously processed by the system is not limited, due to the introduction of a communication node into the device with a central processing computer that is not part of the device. Thus, all devices installed in the low voltage electrical network are controlled from a single information processing center.

Обеспечение возможности работы прибора как в однофазных, так и в трехфазных сетях обусловлено тем, что прибор выполнен на основе монокристального микроконтроллера, являющегося центральным вычислительным устройством, и может быть запрограммирован, в том числе удаленно, на работу как в однофазных, так и в трехфазных сетях. Различными в этом случае будут число обрабатываемых датчиков тока и напряжения: для трехфазных сетей требуется обрабатывать сигналы с трех датчиков тока и трех датчиков напряжения, а для однофазных сетей требуется обрабатывать сигналы с двух датчиков тока и одного датчика напряжения.Ensuring the device can operate in both single-phase and three-phase networks is due to the fact that the device is based on a single-crystal microcontroller, which is a central computing device, and can be programmed, including remotely, to operate in both single-phase and three-phase networks. ... In this case, the number of processed current and voltage sensors will be different: for three-phase networks, it is required to process signals from three current sensors and three voltage sensors, and for single-phase networks, it is required to process signals from two current sensors and one voltage sensor.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображена его функциональная схема.The proposed invention is illustrated by a drawing, which shows its functional diagram.

Прибор контроля потребления электрической энергии в сети низкого напряжения содержит ряд встроенных датчиков и узлов, а именно, датчики 1 тока, каждый из которых выполнен в виде дифференциального трансформатора тока с разъемным сердечником, датчики 2 напряжения, каждый из которых выполнен в виде резистивного делителя напряжения, устройство 3 обработки входного сигнала тока, в качестве которого использовано электронное устройство, преобразующее двухполярный синусоидальный токовый аналоговый сигнал датчиков тока в однополярный синусоидальный сигнал напряжения, устройство 4 обработки входного сигнала напряжения, преобразующее двухполярный синусоидальный аналоговый сигнал напряжения с датчиков напряжения в однополярный синусоидальный сигнал напряжения, устройство 5 вычисления сдвига фаз между током и напряжением, источник питания 6 постоянного тока на напряжение 5 вольт со встроенным аккумулятором и схемой подзарядки, работающей при подключении устройства к сети, являющийся узлом резервного питания, узел 7 контроля времени и тактового сигнала, узел 8 определения дополнительных параметров, обеспечивающий обработку сигналов с внешних датчиков, узел 9 связи с центральным обрабатывающим компьютером, монокристальный микроконтроллер 10, являющийся центральным вычислительным устройством и одновременно являющийся аналого-цифровым преобразователем.The device for monitoring the consumption of electrical energy in the low voltage network contains a number of built-in sensors and nodes, namely, current sensors 1, each of which is made in the form of a differential current transformer with a split core, voltage sensors 2, each of which is made in the form of a resistive voltage divider, adevice 3 for processing an input current signal, which is an electronic device that converts a bipolar sinusoidal current analog signal of the current sensors into a unipolar sinusoidal voltage signal, a device 4 for processing an input voltage signal, which converts a bipolar sinusoidal analog voltage signal from the voltage sensors into a unipolar sinusoidal voltage signal, device 5 for calculating the phase shift between current and voltage, a power source 6 for direct current at a voltage of 5 volts with a built-in battery and a recharging circuit that works when the device is connected to the network, which is a backup node about power supply, node 7 for monitoring time and clock signal, node 8 for determining additional parameters, which provides processing of signals from external sensors,node 9 for communication with a central processing computer, single-crystal microcontroller 10, which is a central computing device and at the same time is an analog-to-digital converter.

Монокристальный микроконтроллер 10 связан с источником питания 6 постоянного тока. Устройство 3 обработки входного сигнала тока подключено к датчикам 1 тока и устройству 5 вычисления сдвига фаз между током и напряжением. Устройство 4 обработки входного сигнала напряжения подключено к датчикам 2 напряжения и устройству 5 вычисления сдвига фаз между током и напряжением. Устройство 3 обработки входного сигнала тока, устройство 4 обработки входного сигнала напряжения, устройство 5 вычисления сдвига фаз между током и напряжением, узел 7 контроля времени и тактового сигнала, узел 8 определения дополнительных параметров, узел 9 связи с центральным обрабатывающим компьютером подключены к монокристальному микроконтроллеру 10.Monocrystal microcontroller 10 is associated with a DC power supply 6. Thedevice 3 for processing the input current signal is connected to the current sensors 1 and the device 5 for calculating the phase shift between current and voltage. The device 4 for processing the input voltage signal is connected to the voltage sensors 2 and the device 5 for calculating the phase shift between current and voltage. Adevice 3 for processing an input current signal, a device 4 for processing an input voltage signal, a device 5 for calculating the phase shift between current and voltage, a time and clock signal control unit 7, a unit 8 for determining additional parameters, acommunication unit 9 with a central processing computer are connected to a single-crystal microcontroller 10 ...

Выходом датчика тока, выполненного в виде дифференциального трансформатора тока с разъемным сердечником, является аналоговый сигнал. Дифференциальный трансформатор тока имеет коэффициент трансформации 1:1000.The output of the current sensor, made in the form of a split-core differential current transformer, is an analog signal. The differential current transformer has a transformation ratio of 1: 1000.

Датчик напряжения, выполненный в виде резистивного делителя напряжения, имеет коэффициент деления 1:1000.The voltage sensor, made in the form of a resistive voltage divider, has a division ratio of 1: 1000.

В качестве устройства 3 обработки входного сигнала тока использовано электронное устройство, преобразующее двухполярный синусоидальный токовый аналоговый сигнал с датчиков тока, в однополярный синусоидальный высокостабильный сигнал напряжения, имеющий размах от +1 Вольта до +4 Вольт в нормальном режиме работы прибора.As adevice 3 for processing the input current signal, an electronic device is used that converts a bipolar sinusoidal current analog signal from the current sensors into a unipolar sinusoidal highly stable voltage signal having a swing from +1 Volts to +4 Volts in normal operation of the device.

Устройство 4 обработки входного сигнала напряжения, преобразующее двухполярный синусоидальный аналоговый сигнал напряжения с датчиков напряжения в однополярный синусоидальный сигнал напряжения функционирует аналогично устройству 3 обработки входного сигнала тока, с той разницей, что в качестве входного сигнала принимает двухполярный синусоидальный аналоговый сигнал напряжения с датчиков напряжения.The device 4 for processing the input voltage signal, which converts the bipolar sinusoidal analog voltage signal from the voltage sensors into a unipolar sinusoidal voltage signal, functions similarly to thedevice 3 for processing the input current signal, with the difference that the bipolar sinusoidal analog voltage signal from the voltage sensors is received as an input signal.

Устройство 5 вычисления сдвига фаз между током и напряжением представляет собой электронное устройство с двумя входами и одним выходом. На пару входов устройство поочередно принимает мгновенные значения сигналов тока и напряжения одноименной фазы в течение одного периода сигналов. Затем устройство проводит математические вычисления и на выход в цифровом виде передает данные, содержащие код анализируемой фазы (А, В, С); время замера; результат замера - сдвиг фаз между током и напряжением и электрических градусах - значение от 0 до 90.The device 5 for calculating the phase shift between current and voltage is an electronic device with two inputs and one output. On a pair of inputs, the device alternately receives instantaneous values of current and voltage signals of the same phase during one signal period. Then the device carries out mathematical calculations and transmits data containing the code of the analyzed phase (A, B, C) to the output in digital form; measurement time; measurement result - phase shift between current and voltage and electrical degrees - a value from 0 to 90.

Узел резервного питания представляет собой высокостабильный по напряжению источник питания 6 постоянного тока на напряжение 5 вольт. Данный узел снабжен встроенным аккумулятором, который подзаряжается, когда прибор подключен к сети, и способен работать до 72 часов автономно. Причем подзарядка аккумулятора на время проведения измерений отключается с целью получения актуальных значений параметров электрической энергии, что обуславливает отсутствие влияния потребляемой прибором мощности на результат измерения.The standby power unit is a highly stable voltage power supply 6 direct current for a voltage of 5 volts. This unit is equipped with a built-in battery, which is recharged when the device is connected to the mains, and is capable of operating autonomously for up to 72 hours. Moreover, recharging the battery for the duration of the measurements is disabled in order to obtain the actual values of the parameters of electrical energy, which causes the absence of the influence of the power consumed by the device on the measurement result.

Узел 7 контроля времени и тактового сигнала представляет собой электронное устройство, обеспечивающее схему высокостабильным тактовым синхронным сигналом для выполнения синхронизированных по времени арифметических и других операций. Также в данном узле реализованы часы реального времени для обеспечения возможности передачи временных меток производимых измерений, причем часы реального времени имеют возможность синхронизации с центральным обрабатывающим компьютером.The time and clock control unit 7 is an electronic device that provides the circuit with a highly stable clock synchronous signal for performing time synchronized arithmetic and other operations. Also in this unit, a real-time clock is implemented to ensure the possibility of transmitting time stamps of the measurements made, and the real-time clock is able to synchronize with a central processing computer.

Узел 8 определения дополнительных параметров представляет собой электронное устройство, обеспечивающее обработку сигналов с различных внешних датчиков, в частности, температуры, влажности, и передачу значений проводимых ими измерений в монокристальный микроконтроллер 10, являющийся центральным вычислительным устройством.Unit 8 for determining additional parameters is an electronic device that processes signals from various external sensors, in particular, temperature, humidity, and transfers the values of their measurements to a single-crystal microcontroller 10, which is a central computing device.

Узел 9 связи с центральным обрабатывающим компьютером представляет собой электронное устройство, на котором реализуется обеспечение беспроводной связи между центральным обрабатывающим компьютером и монокристальным микроконтроллером 10, являющимся центральным вычислительным устройством, посредством различных протоколов, например, GSM или GPRS.Node 9 for communication with the central processing computer is an electronic device, which implements the provision of wireless communication between the central processing computer and the single-crystal microcontroller 10, which is the central computing device, through various protocols, for example, GSM or GPRS.

Монокристальный микроконтроллер 10, являющийся центральным вычислительным устройством и одновременно являющийся аналого-цифровым преобразователем, предназначен для управления всеми подключенными к нему устройствами и произведения всех необходимые вычисления.Monocrystal microcontroller 10, which is a central computing device and at the same time an analog-to-digital converter, is designed to control all devices connected to it and perform all the necessary calculations.

Прибор контроля потребления электрической энергии в сети низкого напряжения работает следующими образом. Датчики 1 тока, установленные непосредственно на провода линии электропередачи таким образом, чтобы контролируемый провод проходил внутри разъемного сердечника, преобразуют ток промышленной частоты и изменяющейся во времени величины, протекающий в линии, в ток промышленной частоты, уменьшенный по величине в 1000 раз и гальванически не связанный с первичной цепью линии электропередачи. Устройство 3 обработки входного сигнала тока преобразует полученный токовый аналоговый сигнал с датчиков 1 тока в сигнал напряжения, имеющий заранее известные параметры. Датчики 2 напряжения, включенные между зажимами разных фаз контролируемой сети, преобразуют напряжение промышленной частоты и изменяющейся во времени величины, действующее в сети, в напряжение промышленной частоты, уменьшенное в 1000 раз и гальванически связанное с первичной цепью линии электропередачи. Устройство 4 обработки входного сигнала напряжения преобразует полученный аналоговый сигнал напряжения с датчиков 2 напряжения в сигнал напряжения, имеющий заранее известные параметры. Устройства 3 и 4 имеют две тройки аналоговых выходов и передают данные о величинах тока и напряжения по каждой фазе питающей сети одновременно на устройство 5 вычисления сдвига фаз между током и напряжением и на монокристальный микроконтроллер 10. Устройство 5 вычисления сдвига фаз между током и напряжением принимает сигналы с устройств 3 и 4 и, в свою очередь, производит математические вычисления для определения угла сдвига между током и напряжением поочередно для каждой фазы питающей сети. Затем полученные результаты переводятся в цифровой вид и передаются на монокристальный микроконтроллер 10. Узел резервного питания, представляющий собой источник питания 6 постоянного тока на напряжение 5 вольт, состоит из блока питания постоянного тока, который может включаться как на фазное, так и на линейное напряжение и преобразует напряжение в первичной сети контролируемой линии в высокостабильное напряжение 5 вольт постоянного тока на выходе. Узел 6 резервного питания включает аккумулятор, который обеспечивает электропитание всех узлов и устройств прибора при перерывах в электроснабжении, а также при выполнении измерений для исключения влияния потребляемой прибором электрической энергии на результаты измерений. Узел 7 контроля времени и тактового сигнала представляет собой стабильный источник тактового сигнала, который при подаче питания начинает подавать тактовый сигнал напрямую на монокристальный микроконтроллер 10 и часы реального времени узла 7, имеющие цифровой выход и передающие данные о текущем времени на монокристальный микроконтроллер 10. Узел 8 определения дополнительных параметров обеспечивает подключение внешних датчиков и в цифровом виде передает на центральное вычислительное устройство 10 информацию о показаниях различных подключенных датчиков в соответствии с заданным алгоритмом. Узел 9 связи с центральным обрабатывающим компьютером реализует два канала связи: беспроводной цифровой с центральным обрабатывающим компьютером и проводной цифровой с монокристальным микроконтроллером 10, являющимся центральным вычислительным устройством. Узел 9 принимает команды от центрального обрабатывающего компьютера (не показан) и передает их на монокристальный микроконтроллер 10, являющийся центральным вычислительным устройством, а также передает данные с монокристального микроконтроллера 10, являющегося центральным вычислительным устройством, на обрабатывающий компьютер. Монокристальный микроконтроллер 10, являющийся центральным вычислительным устройством, принимает на своих входы, имеющие аналого-цифровые преобразователи, сигналы с устройств 3 и 4 обработки входных сигналов тока и напряжения, производит аналогово-цифровое преобразование и записывает во внутреннюю память мгновенные значения тока и напряжения в сети. Также монокристальный микроконтроллер 10, являющийся центральным вычислительным устройством, записывает поступающую в цифровом виде информацию с устройства 5 вычисления сдвига фаз между током и напряжением и соотносит ее с измеренным значениями тока и напряжения. Таким образом, для каждого периода напряжения питающей сети определяются мгновенные значения напряжения и тока каждого потребителя и коэффициент мощности нагрузки. Кроме того, микроконтроллер 10, являющийся центральным вычислительным устройством, производит математические вычисления для определения действующих значений тока и напряжения, а также для определения потребляемой активной и реактивной мощности, сопротивления подключенной нагрузки и определения показателей качества электрической энергии. Для передачи информации монокристальный микроконтроллер 10, являющийся центральным вычислительным устройством, формирует пакет данных, который содержит всю запрашиваемую центральным обрабатывающим компьютером информацию. Возможность удаленного программирования прибора позволяет производить гибкую настройку отправляемых пакетов данных, за счет чего производится первичная настройка прибора для работы в однофазных или трехфазных сетях или для обеспечения опроса различного числа дополнительных внешних датчиков.The device for monitoring the consumption of electrical energy in the low voltage network works as follows. Current sensors 1, installed directly on the wires of the power transmission line so that the monitored wire passes inside the split core, convert the power frequency and time-varying current flowing in the line into power frequency current, reduced in magnitude by 1000 times and is not galvanically coupled with the primary circuit of the power transmission line. Thedevice 3 for processing the input current signal converts the received analog current signal from the current sensors 1 into a voltage signal having predetermined parameters. Voltage sensors 2, connected between the terminals of different phases of the monitored network, convert the voltage of the industrial frequency and the time-varying value acting in the network into the voltage of the industrial frequency, reduced by 1000 times and galvanically connected to the primary circuit of the power transmission line. The input voltage signal processing device 4 converts the obtained analog voltage signal from the voltage sensors 2 into a voltage signal having predetermined parameters.Devices 3 and 4 have two triplets of analog outputs and transmit data on the values of current and voltage for each phase of the supply network simultaneously to the device 5 for calculating the phase shift between current and voltage and to a single-crystal microcontroller 10. Device 5 for calculating the phase shift between current and voltage receives signals fromdevices 3 and 4 and, in turn, performs mathematical calculations to determine the angle of shift between current and voltage alternately for each phase of the supply network. Then the results obtained are converted into digital form and transmitted to a single-crystal microcontroller 10. The backup power unit, which is a DC power supply 6 for a voltage of 5 volts, consists of a DC power supply that can be switched on both to phase and line voltage and converts the voltage in the primary network of the monitored line into a highly stable voltage of 5 volts DC at the output. Node 6 of the backup power supply includes a battery that provides power to all units and devices of the device during power outages, as well as during measurements to eliminate the influence of the electrical energy consumed by the device on the measurement results. Node 7 for control of time and clock signal is a stable source of clock signal, which, when power is applied, begins to supply the clock signal directly to the single-crystal microcontroller 10 and the real-time clock of the node 7, which have a digital output and transmit data on the current time to the single-crystal microcontroller 10. Node 8 determination of additional parameters provides the connection of external sensors and in digital form transmits to thecentral computing device 10 information about the readings of the various connected sensors in accordance with a given algorithm.Node 9 for communication with a central processing computer implements two communication channels: wireless digital with a central processing computer and wired digital with a single-crystal microcontroller 10, which is a central computing device.Node 9 receives commands from a central processing computer (not shown) and transmits them to the single-crystal microcontroller 10, which is the central computing device, and also transmits data from the single-crystal microcontroller 10, which is the central computing device, to the processing computer.Monocrystal microcontroller 10, which is a central computing device, receives at its inputs, having analog-to-digital converters, signals fromdevices 3 and 4 for processing input current and voltage signals, performs analog-to-digital conversion and writes to the internal memory instantaneous values of current and voltage in the network ... Also, a single-crystal microcontroller 10, which is a central computing device, records information received in digital form from the device 5 for calculating the phase shift between current and voltage and correlates it with the measured values of current and voltage. Thus, for each period of the supply mains voltage, the instantaneous voltage and current values of each consumer and the load power factor are determined. In addition, themicrocontroller 10, which is the central computing device, performs mathematical calculations to determine the effective values of current and voltage, as well as to determine the consumed active and reactive power, the resistance of the connected load and determine the quality indicators of electrical energy. To transmit information, a single-crystal microcontroller 10, which is a central computing device, generates a data packet that contains all the information requested by the central processing computer. The possibility of remote programming of the device allows flexible configuration of the sent data packets, due to which the initial configuration of the device for operation in single-phase or three-phase networks or for polling a different number of additional external sensors is carried out.

Прибор контроля потребления электрической энергии в сети низкого напряжения проводит измерения значений тока и напряжения в контролируемом узле с частотой 1000 измерений в секунду и на основе получаемых данных определяет все параметры сети в точке установки прибора, а именно:The device for monitoring the consumption of electrical energy in the low-voltage network measures the values of current and voltage in the monitored node with a frequency of 1000 measurements per second and, based on the data obtained, determines all the parameters of the network at the point of installation of the device, namely:

- потребляемая в данный момент мощность;- currently consumed power;

- коэффициент мощности подключенной нагрузки;- power factor of the connected load;

- сдвиг фазы тока относительно напряжения;- phase shift of the current relative to the voltage;

- сопротивление подключенной нагрузки;- resistance of the connected load;

- коэффициент несинусоидальности;- coefficient of non-sinusoidality;

- коэффициент несимметрии.- coefficient of asymmetry.

Прибор контроля потребления электрической энергии в сети низкого напряжения может работать в составе автоматизированной системы контроля сети, причем количество приборов, одновременно обрабатываемых системой, не ограничено. Совместная работа приборов достигается единым протоколом обмена информации между описываемым прибором и блоком обработки информации, который получает и обрабатывает информацию поочередно со всех приборов, установленных в сети. Для получения статистических данных и использования прибора в качестве расчетного прибора учета предусмотрено сохранение архивной информации во внутренней памяти прибора, которая является частью центрального вычислительного устройства - монокристального микроконтроллера 10, что позволяет проанализировать динамику всех определяемых прибором параметров.The device for monitoring the consumption of electrical energy in a low voltage network can work as part of an automated network monitoring system, and the number of devices simultaneously processed by the system is not limited. The joint operation of the devices is achieved by a single information exchange protocol between the described device and the information processing unit, which receives and processes information one by one from all devices installed in the network. To obtain statistical data and use the device as a calculating metering device, it is envisaged to store archived information in the internal memory of the device, which is part of the central computing device - a single-crystal microcontroller 10, which makes it possible to analyze the dynamics of all parameters determined by the device.

Таким образом, применение данного прибора позволит контролировать потребление электрической энергии в электрической сети за счет получения полной информации о всех параметрах сети в точке установки прибора и возможности удаленно объединить работу множества таких приборов в одной или разных сетях.Thus, the use of this device will allow you to control the consumption of electrical energy in the electrical network by obtaining complete information about all the parameters of the network at the point of installation of the device and the ability to remotely combine the operation of many such devices in one or different networks.

В представляемом приборе решены недостатки, присущие прибору, выбранному в качестве прототипа, а именно: предлагаемый прибор может быть подключен к сети без разрыва питающих проводов; предлагаемый прибор позволяет непосредственно определять коэффициент мощности с помощью устройства вычисления сдвига фаз между током и напряжением, а также определять потребляемую реактивную энергию на основании производимых математических вычислений, выполненных с помощью монокристального микроконтроллера, являющимся центральным вычислительным устройством; а также данный прибор может применяться без изменений как в однофазной, как и в трехфазной сети переменного тока низкого напряжения до 1000 В.In the presented device, the disadvantages inherent in the device selected as a prototype are solved, namely: the proposed device can be connected to the network without breaking the supply wires; The proposed device makes it possible to directly determine the power factor using a device for calculating the phase shift between current and voltage, as well as to determine the consumed reactive energy based on the mathematical calculations performed using a single-crystal microcontroller, which is a central computing device; and also this device can be used without changes both in a single-phase, as well as in a three-phase AC network of low voltage up to 1000 V.

Claims (1)

Translated fromRussian

Прибор контроля потребления электрической энергии в сети низкого напряжения, содержащий аналого-цифровой преобразователь, датчики тока и напряжения, микроконтроллер, связанный с источником питания, отличающийся тем, что каждый датчик тока выполнен в виде дифференциального трансформатора тока с разъемным сердечником, а каждый датчик напряжения выполнен в виде резистивного делителя напряжения, при этом прибор снабжен устройством обработки входного сигнала тока, в качестве которого использовано электронное устройство, преобразующее двухполярный синусоидальный токовый аналоговый сигнал датчиков тока в однополярный синусоидальный сигнал напряжения, подключенное к датчикам тока и введенному устройству вычисления сдвига фаз между током и напряжением, и устройством обработки входного сигнала напряжения, преобразующим двухполярный синусоидальный аналоговый сигнал напряжения с датчиков напряжения в однополярный синусоидальный сигнал напряжения, подключенным к датчикам напряжения и названному устройству вычисления сдвига фаз между током и напряжением, причем устройство обработки входного сигнала тока, устройство обработки входного сигнала напряжения, устройство вычисления сдвига фаз между током и напряжением, введенные узел контроля времени и тактового сигнала, узел определения дополнительных параметров, обеспечивающий обработку сигналов с внешних датчиков и узел связи с центральным обрабатывающим компьютером подключены к монокристальному микроконтроллеру, являющемуся центральным вычислительным устройством и одновременно являющемуся аналого-цифровым преобразователем, а в качестве источника питания использован источник питания постоянного тока на напряжение 5 вольт со встроенным аккумулятором и схемой подзарядки, работающей при подключении устройства к сети.A device for monitoring the consumption of electrical energy in a low voltage network, containing an analog-to-digital converter, current and voltage sensors, a microcontroller connected to a power source, characterized in that each current sensor is made in the form of a differential current transformer with a split core, and each voltage sensor is made in the form of a resistive voltage divider, while the device is equipped with a device for processing an input current signal, which is an electronic device that converts a bipolar sinusoidal current analog signal of the current sensors into a unipolar sinusoidal voltage signal connected to the current sensors and an introduced device for calculating the phase shift between the current and voltage, and a voltage input signal processing device that converts a bipolar sinusoidal analog voltage signal from the voltage sensors into a unipolar sinusoidal voltage signal connected to the voltage sensors and the named device a device for calculating the phase shift between current and voltage, and a device for processing an input signal of a current, a device for processing an input voltage signal, a device for calculating a phase shift between a current and a voltage, introduced by a time and clock signal control unit, a unit for determining additional parameters that provides processing of signals from external sensors and a communication unit with a central processing computer are connected to a single-crystal microcontroller, which is a central computing device and at the same time an analog-to-digital converter, and a 5-volt DC power supply with a built-in battery and a recharging circuit operating when the device is connected to networks.

Images