Как устроен и работает электронный счетчик электроэнергии

Основное назначение этого прибора сводится к постоянному измерению потребляемой мощности контролируемого участка электрической схемы и отображению ее величины в удобном для человека виде. Элементная база использует твердотельные электронные компоненты, работающие на полупроводниках или микропроцессорных конструкциях.

Такие приборы выпускают для работы с цепями тока:

1. постоянной величины;

2. синусоидальной гармонической формы.

Приборы учета электроэнергии постоянного тока работают только на промышленных предприятиях, эксплуатирующих мощное оборудование с большим потреблением постоянной мощности (электрифицированный железнодорожный транспорт, электромобили…). В бытовых целях они не используются, выпускаются ограниченными партиями. Поэтому в дальнейшем материале этой статьи их рассматривать не будем, хотя принцип их работы отличается от моделей, работающих на переменном токе, в основном конструкцией датчиков тока и напряжения.

Электронные счетчики мощности переменного тока изготавливаются для учета энергии электрических устройств:

1. с однофазной системой напряжения;

2. в трехфазных цепях.

Конструкция электронного счетчика

Вся элементная база располагается внутри корпуса, снабженного:

клеммной колодкой для подключения электрических проводов;

панелью ЖКИ дисплея;

органами управления работой и передачи информации от прибора;

печатной платой с твердотельными элементами;

Внешний вид и основные пользовательские настройки одной из многочисленных моделей подобных устройств, выпускаемых на предприятиях республики Беларусь, представлен на картинке.

Работоспособность такого электросчетчика подтверждается:

нанесенным клеймом поверителя, подтверждающим прохождение метрологической поверки прибора на испытательном стенде и оценке его характеристик в пределах заявленного производителем класса точности;

ненарушенной пломбой предприятия энергонадзора, ответственного за правильное подключение счетчика к электрической схеме.

Внутренний вид плат подобного прибора показан на картинке.

Здесь нет никаких движущихся и индукционных механизмов. А наличие трех встроенных трансформаторов тока, используемых в качестве датчиков с таким же количеством явно просматриваемых каналов на монтажной плате, свидетельствуют о трехфазной работе этого устройства.

Электротехнические процессы, учитываемые электронным счетчиком

Работа внутренних алгоритмов трехфазных или однофазных конструкций происходит по одним и тем же законам, за исключением того, что в 3-х фазном, более сложном устройстве, идет геометрическое суммирование величин каждого из трех составляющих каналов.

Поэтому принципы работы электронного счетчика будем преимущественно рассматривать на примере однофазной модели. Для этого вспомним основные законы электротехники, связанные с мощностью.

Ее полная величина определяется составляющими:

реактивной (суммы индуктивной и емкостной нагрузок).

Ток, протекающий по общей цепи однофазной сети, одинаков на всех участках, а падение напряжения на каждом ее элементе зависит от вида сопротивления и его величины. На активном сопротивлении оно совпадает с вектором проходящего тока по направлению, а на реактивном отклоняется в сторону. Причем на индуктивности оно опережает ток по углу, а на емкости — отстает.

Электронные счетчики способны учитывать и отображать полную мощность и ее активную и реактивную величину. Для этого производятся замеры векторов тока с напряжением, подведенных на его вход. По значению отклонения угла между этими входящими величинами определяется и рассчитывается характер нагрузки, предоставляется информация обо всех ее составляющих.

В различных конструкциях электронных счетчиков набор функций неодинаков и может значительно отличаться своим назначением. Этим они кардинально выделяются от своих индукционных аналогов, которые работают на основе взаимодействия электромагнитных полей и сил индукции, вызывающих вращение тонкого алюминиевого диска. Конструктивно они способны замерять только активную или реактивную мощность в однофазной либо трехфазной цепи, а значение полной — приходится вычислять отдельно вручную.

Принцип измерения мощности электронным счетчиком

Схема работы простого прибора учета с выходными преобразователями показана на рисунке.

В нем для замера мощности используются простые датчики:

тока на основе обычного шунта, через который пропускается фаза цепи;

напряжения, работающего по схеме широко известного делителя.

Сигнал, снимаемый таким датчиками, мал и его увеличивают с помощью электронных усилителей тока и напряжения, после которых происходит аналогово-цифровая обработка для дальнейшего преобразования сигналов и их перемножения с целью получения величины, пропорциональной значению потребляемой мощности.

Далее производится фильтрация оцифрованного сигнала и вывод на устройства:

Применяемые в этом схеме входные датчики электрических величин не обеспечивают измерения с высоким классом точности векторов тока и напряжения, а, соответственно, и расчет мощности. Эта функция лучше реализуется измерительными трансформаторами.

Схема работы однофазного электронного счетчика

В ней измерительный ТТ включен в разрыв фазного провода потребителя, а ТН подключен к фазе и нулю.

Сигналы с обоих трансформаторов не нуждаются в усилении и направляются по своим каналам на блок АЦП, осуществляющий преобразование их в цифровой код мощности и частоты. Дальнейшие преобразования выполняет микроконтроллер, осуществляющий управление:

ОЗУ — оперативным запоминающим устройством.

Через ОЗУ выходной сигнал может передаваться дальше в канал информации, например, с помощью оптического порта.

Функциональные возможности электронных счетчиков

Низкая погрешность измерения мощности, оцениваемая классом точности 0,5 S или 02 S разрешает эксплуатировать эти приборы в целях коммерческого учета использованной электроэнергии.

Конструкции, предназначенные для замеров в трехфазных схемах, могут работать в трех или четырехпроводных электрических цепях.

Электронный счетчик может непосредственно подключаться к действующему оборудованию или иметь конструкцию, позволяющую использовать промежуточные, например, высоковольтные измерительные трансформаторы. В последнем случае, как правило, осуществляется автоматический перерасчет измеряемых вторичных величин в первичные значения тока, напряжения и мощности, включая активную и реактивную составляющие.

Счетчик фиксирует направление полной мощности со всеми ее составляющими в прямом и обратном направлении, хранит эту информацию с привязкой ко времени. При этом пользователю можно снимать показания энергии по ее приращению за определенный период времени, например, текущие или выбранные из календаря сутки, месяц или год либо — накоплению на определенное назначенное время.

Фиксация значений активной и реактивной мощности за определенный период, например, 3 или 30 минут, как и быстрый вызов ее максимальных значений в течение месяца значительно облегчает анализ работы энергетического оборудования.

В любой момент можно просмотреть мгновенные показатели активного и реактивного потребления, действующего тока, напряжения, частоты в каждой фазе.

Наличие функции многотарифного учета энергии с использованием нескольких каналов передачи информации расширяет условия коммерческого применения. При этом создаются тарифы для определенного времени, например, каждого получаса выходного либо рабочего дня по сезонам или месяцам года.

Для удобства работы пользователя на дисплее выводится рабочее меню, между пунктами которого можно перемещаться, используя рядом расположенные органы управления.

Электронный счетчик электроэнергии позволяет не только считывать информацию непосредственно с дисплея, но и просматривать ее через удаленный компьютер, а также осуществлять ввод дополнительных данных или их программирование через оптический порт.

Защита информации

Установка пломб на счетчик производится в два этапа:

1. на первом уровне доступ внутрь корпуса прибора запрещается службой технического контроля завода после изготовления счетчика и прохождения им государственной поверки;

2. на втором уровне пломбирования блокируется доступ к клеммам и подключенным проводам представителем энергоснабжающей организации или энергонадзора.

Все события снятия и установки крышки оборудованы сигнализацией, срабатывание которой фиксируется в памяти журнала событий с привязкой ко времени и дате.

Система паролей предусматривает ограничение пользователей к доступу информации и может содержать до пяти ограничений.

Нулевой уровень полностью снимает ограничения и позволяет просматривать все данные местно или удаленно, синхронизировать время, корректировать показания.

Первый уровень пароля дополнительного доступа предоставляется работникам монтажной или эксплуатационной организации систем АСКУЭ для наладки оборудования и записи параметров, не оказывающих влияние на коммерческие характеристики.

Второй уровень пароля основного доступа назначается ответственным работником энергонадзора на счетчике, прошедшем наладку и полностью подготовленном к работе.

Третий уровень основного доступа дается работникам энергонадзора, осуществляющим снятие и установку крышки со счетчика для доступа к его клеммным зажимам или проведению удаленных операций через оптический порт.

Четвертый уровень предоставляет возможности установки аппаратных ключей на плату, удаление всех установленных пломб и возможность работы через оптический порт для усовершенствования конфигурации, замены калибровочных коэффициентов.

Приведенный перечень возможностей, которыми обладает электронный счетчик электроэнергии, является общим, обзорным. Он может выставляться индивидуально и отличаться даже на каждой модели одного производителя.

Цифровой электронный электросчетчик

Размер платы за электроэнергию зависит не только от количества подключенных приборов, но и от точности и типа счетчика. Один из самых надежных — электронный электросчетчик.

Суть работы любого счетчика заключается в измерении активной энергии и расчете потребления. В то же время имеются несколько вариантов конструкции счетчика. Данные приборы делятся:

• В соответствии с принципом подключения — оборудование напрямую подключено или подключено в трансформаторную цепь.
• В зависимости от измеряемых значений — однофазные и трехфазные.

• По типу конструкции — механические, электронные и гибридные.
• По числу тарифов — одно- или многотарифные.

Электронные устройства имеют ряд преимуществ: они более точны и позволяют использовать несколько цен на электроэнергию, при этом показания пересчитываются по этим ценам независимо от владельца.

Важно! Существуют также гибридные счетчики с цифровым интерфейсом и механическим вычислительным устройством, но используются они редко.

• Уровень точности не менее 0,5S.
• Соответствие требованиям ГОСТ Р (52320-2005, 52323-2005, 52425-2005).
• Сертификат об утверждении типа.

• Измерение и расчет активной и реактивной мощности (общая мощность для непрерывной работы), мощность в одном или двух направлениях (30-минутные приращения мощности).
• Сохранять результаты измерений (на время не менее 35 дней) и информацию о состоянии измерительного прибора.
• Наличие энергонезависимых часов, обеспечивающих точный показ даты и времени (с использованием внешней синхронизации с ежедневной точностью не менее ± 5,0 секунд в составе SOEV).
• Поддержание автоматической коррекции времени.
• Автоматическая самодиагностика через обобщенные сигналы в журнале событий.
• Предотвращение несанкционированный доступ к информации и программному обеспечению.
• Прибор должен обеспечивать работу в диапазоне температур, определяемых условиями эксплуатации. (-40 .. + 550С).
• Среднее время наработки на отказ составляет не менее 35 000 часов.
• Интервал тестирования — не менее 8 лет.

Принцип работы и схема подключения

Принцип работы счетчика основан на непосредственном измерении напряжения и тока: вся информация о потребляемой мощности подается в индикатор и сохраняется в памяти устройства.

Электронный электросчетчик имеет следующие преимущества:

• Позволяет более точно считывать информацию, тем самым предотвращая большую погрешности измерения электроэнергии.
• Его размер намного меньше механического.
• Он может автоматически переключаться между тарифами без необходимости присутствия хозяина. Это существенно экономит средства.
• Электронная модель проверяется каждые 4-16 лет. Это необходимо для проверки правильности исчисления. Проверка выполняется в рамках правил для обеспечения согласованности измерений.

Важно! Первая проверка выполняется на заводе-изготовителе, дата указана в паспорте прибора.

Помимо преимуществ имеются и некоторые недостатки. К ним относятся более высокие затраты на приобретение самого приборов и их ненадежность: несмотря на гарантию производителя, электронные модели приходится заменять чаще, чем механические модели. Последние работают в течение десятилетий, потому что их устройство очень простое, и ломаться, по сути, нечему.

Напряжение тока внутри счетчика преобразуется в электрические импульсы. Их количество варьируется в зависимости от входной энергии. То есть чем больше потребляемая мощность, тем больше импульсов получает и считает устройство.

Электронный счетчик вместе со счетным устройством имеет дисплей, который показывает изменения в потреблении тока, максимальных и минимальных значениях и других данных, требуемых владельцем.

Инструкция по применению

Инструкция по эксплуатации и монтажу содержит следующие пункты:

• Прибор может устанавливать персонал, прошедший инструктаж по мерам безопасности и имеющий квалификационную группу по электробезопасности не ниже уровня III (электрическая установка до 1000 В).
• Перед установкой надо извлечь прибор из транспортной упаковки и провести внешний осмотр.
• Убедиться, что корпус и защитная крышка распределительной коробки не имеют значительных повреждений.
• Установить счетчик на рабочем месте, снять защитную крышку распределительной коробки и подключить к цепи напряжения

Важно! Подключение к сети проводить только с отключением питания

• Установить крышку распределительной коробки и закрепить ее двумя винтами.
• Включить питание и убедиться, что счетчик включен: индикатор показывает значение энергии, учитываемое в текущей зоне.
• Отметить в таблице дату установки и дату ввода в эксплуатацию.

Как самостоятельно проверить счетчик

Чтобы проверить работоспособность счетчика, нужно провести несколько шагов:

1. Нужно убедиться, что прибор правильно подключен к сети 220 или 380 В в соответствии со схемой.
2. Проверить, что диск не вращается произвольно. Для этого нужно отключить все автоматы в щитке и подождать некоторое время. Если счетчик все равно вращается, то он неисправен.
3. Проверка намагниченности. Влияние магнита также меняет работу прибора. Проверить его наличие можно с помощью небольшой металлической иголкой или специальным прибором.

Электронный счетчик — дорогой, но точный прибор, который в дальнейшем поможет сэкономить на плате за электроэнергию. Сложность конструкции обеспечивает удобство работы, но также является причиной частых поломок.

Принцип работы электросчетчика

В каждую электрическую сеть квартиры или частного дома подключается электросчетчик, учитывающий потребленную электроэнергию. Отличительной особенностью данного прибора является его последовательное подключение. Это позволяет определять в полном объеме количество тока, проходящего через его обмотки. Принцип работы электросчетчика зависит от того, к какому типу относится тот или иной прибор.

Какие виды электросчетчиков бывают

В быту используются три вида счетчиков:

1. Механические или индукционные, несмотря на простоту и дешевизну, они отличаются большими погрешностями, невозможностью тарификации и другими недостатками.
2. Электрон ные счетчики обладают явными преимуществами в виде высокой точности, удобного интерфейса и многих других полезных функций.
3. Третий вид приборов учета относится к гибридным устройствам, в которых имеется механическая и электрон ная часть. Они используются достаточно редко, поэтому более подробно следует рассмотреть два первых типа электросчетчиков.

Принцип работы индукционного счетчика

Еще совсем недавно индукционные счетчики были неотъемлемой частью электрических сетей в квартирах. Счетное устройство в этих приборах представлено вращающимся алюминиевым диском и цифровыми барабанами, отображающими показатели расхода электроэнергии в реальном времени.

Принцип действия подобных устройств достаточно простой. Электромагнитное поле, возникающее в катушках счетчика, взаимодействует с диском, выполняющим функцию подвижного токопроводящего элемента. В однофазном индукционном счетчике выполняется параллельное подключение одной из катушек к обмотке напряжения, которая служит сетью переменного тока. Другая катушка подключается последовательно на участке между обмоткой тока или нагрузкой и генератором электроэнергии.

Действие токов, протекающих по обмоткам, приводит к созданию переменных магнитных потоков, пересекающих вращающийся диск. Их величина составляет пропорцию между потребляемым током и входным напряжением. В соответствии с законом электромагнитной индукции в самом диске происходит возникновение вихревых токов, протекающих по направлению магнитных потоков.

Вихревые токи и магнитные потоки начинают взаимодействовать между собой в диске. В результате, появляется электромеханическая сила, которая и приводит к созданию вращающегося момента. Таким образом, возникает пропорция между полученным вращающимся моментом и произведением двух магнитных потоков, возникающих в обмотках тока и напряжения, умноженных на синус сдвига фазы между ними.

Нормальная работа индукционного электросчетчика возможна только при условии фазового сдвига, равного 90 градусам. Такой сдвиг можно получить, разложив магнитный поток обмотки напряжения на две части. Получается, что диск прибора вращается с частотой, пропорциональной активно потребляемой мощности. Поэтому непосредственный расход электроэнергии будет находиться в пропорции с количеством оборотов диска. Полученные данные о потреблении передаются на механическое счетное устройство, ось которого связана с осью подвижного диска с помощью зубчатой передачи. Такая конструкция обеспечивает синхронное вращение обоих элементов.

Принцип работы электрон ного счетчика электроэнергии

До недавних пор все измерения потребленной электроэнергии осуществлялись с помощью индукционных счетчиков. Постепенно, с развитием микро электрон ики, произошел существенный сдвиг в деле совершенствования приборов учета и контроля потребляемой электроэнергии. Были созданы современные цифровые электрон ные системы управления с применением новейших микроконтроллеров. Это позволило многократно повысить точность измерений, а отсутствие механики значительно повысило надежность счетчика.

Для электрон ных электросчетчиков разработана специальная элементная база и методы обработки поступающей информации. После обработки цифровых данных стал возможен одновременный подсчет не только активной, но и реактивной мощности. Данный фактор приобретает важное значение при организации учета в трехфазных сетях. В результате, были созданы многотарифные электросчетчики, учитывающие накопленную энергию в течение определенного времени суток. Данные приборы способны автоматически определять тот или иной тариф.

Простейшая цифровая система на основе обычного микроконтроллера применяется в тех случаях, когда необходимо измерить импульсы, вывести информацию на дисплей и обеспечить защиту при аварийном сбое. Такие устройства являются цифровыми аналогами механических электросчетчиков. В этой системе поступление сигнала происходит через определенные трансформаторные датчики. Далее он идет на вход микросхемы-преобразователя.

Снятие частотного сигнала, поступающего на вход микроконтроллера, осуществляется на выходе микросхемы. Микроконтроллер подсчитывает все поступившие импульсы и преобразует их в полученное количество энергии (Вт*ч). Когда поступающие единицы накапливаются, их общее значение выводится на монитор и фиксируется во внутренней флэш-памяти на случай исчезновения напряжения в сети и других сбоев. Это позволяет вести непрерывный учет потребляемой электроэнергии.

Работает многотарифный электрон ный счетчик электроэнергии по собственному алгоритму. Последовательный интерфейс позволяет обмениваться информацией с внешним миром. С его помощью задаются тарифы, устанавливается и включается таймер времени, поступает информация о накопленной электроэнергии и т.д. Энергонезависимая оперативная память разделяется на 13 банков данных, сохраняющих информацию о количестве энергии, накопленной по разным тарифам. Первый банк учитывает всю энергию, накопленную от начала работы счетчика. В следующих 12 банках производится учет накоплений за 11 предыдущих месяцев и за текущий период.

Таким образом, принцип действия электросчетчика в электрон ном варианте, позволяет изменять тарифы в соответствии с заранее установленным расписанием. Через специальный разъем можно подключиться к прибору и выяснить объем электроэнергии, оплаченной потребителем.

Срок службы электросчетчика, когда нужно менять

Как снимать показания электросчетчика

Установка электросчетчика в квартире

Класс точности электросчетчика

Как самостоятельно проверить электросчетчик

Общее устройство и принцип действия цифровых счетчиков электрической энергии

Стремительное развитие микроэлектроники наметило качественный переворот в области создания промышленных и бытовых систем контроля, который, в первую очередь, связан с использованием встраиваемых систем управления на базе микроконтроллеров. Тенденция к подобному переходу обусловлена, с одной стороны, постоянным снижением цен на микроконтроллеры и расширением их ассортимента, и с другой, теми преимуществами, которыми цифровые системы управления обладают по сравнению с их существующими аналогами. Применительно к счетчикам электроэнергии (СЭ), очевидные преимущества, связанные с переходом на микроконтроллерное управление, можно обобщить следующим образом:

– в цифровых СЭ достижим практически любой класс точности, при условии выбора соответствующей элементной базы и алгоритмов обработки информации. Значительно повышает надежность устройства отсутствие трущихся механических частей;

– обработка информации в цифровом виде позволяет одновременно определять как активную, так и реактивную составляющие мощности, что является важным, например, при учете распределения энергии в трехфазных сетях;

– появляется возможность создания многотарифных счетчиков. При работе такого СЭ значение накопленной энергии записывается в накопительный буфер текущего тарифа. Выбор текущего тарифа осуществляется автоматически.

В цифровых СЭ несложно организовать внешний интерфейс, по которому можно считывать показания счетчиков, изменять тарифы, производить диагностику и управление. Такие счетчики могут быть организованы в единую сеть с централизованным доступом. Например, все СЭ в жилом доме объединяются по внешнему интерфейсу и через модем выходят на телефонную линию. Таким образом, связываясь по телефонной сети, можно программировать или считывать информацию с любого СЭ в доме.

Цифровой СЭ может осуществлять статистические исследования, например, вычислять среднюю мощность нагрузки и ее дисперсию, а также хранить информацию о накопленной энергии за произвольные промежутки времени. Например, в бытовом СЭ можно реализовать сохранение накопленной информации за год по каждому из предшествующих 11 месяцев и сделать просмотр этой информации доступным для пользователя.

Использование накопленной статистической информации для прогнозирования и управления распределением энергоресурсов может в значительной степени повысить эффективность работы энергосистемы в целом.

Применение цифровой базы делает возможным создание автоматизированной изолированной системы потребления, учета, распределения энергии и платежей. В такой системе может быть, например, предусмотрена предварительная оплата электроэнергии. Пользователь, в этом случае, заранее оплачивает определенное количество энергии. Информация об оплате либо непосредственно поступает на счетчик по внешнему интерфейсу, либо может быть записана на специальную электронную карточку, индивидуальную для каждого пользователя. Карточка программируется в пункте оплаты, после чего записанная информация считывается СЭ с помощью встроенного картридера. Если лимит купленной энергии будет исчерпан, а новая оплата не внесена, счетчик отключает пользователя от энергосети. Таким образом, в подобной системе исключается задолженность платежей за электроэнергию.

Цифровые СЭ могут выполняться в различных конструктивных исполнениях. Масса и объем цифровых СЭ значительно меньше электромеханических. Применение цифровых дисплеев позволяет значительно повысить удобство представления информации для пользователя.

Расчет энергии, потребленной за определенный промежуток времени любой нагрузкой, требует интегрирования текущих значений активных мощностей в течение всего времени измерения. В электромеханических СЭ это осуществляется механическим счетчиком. В цифровых СЭ необходимо реализовать постоянное суммирование вычисленной величины активной мощности за определенный промежуток времени. В общем случае, значение потребленной энергии выражается формулой:

где – значение мгновенной мощности в момент времени t; T – интервал времени измерения. При синусоидальных формах тока и напряжения в сети

,

где и – мгновенные значения, соответственно, напряжения и тока в сети; и – амплитудные значения напряжения и тока; и I – действующие значения напряжения и тока; – угол сдвига фаз между током и напряжением. Интегрирование по периоду дает значение активной потребляемой мощности , где S – полная мощность потребления в ваттах. Реактивная мощность определяется следующим выражением:

(ВАр) .

Для вычисления любых мощностей (P, Q, S) в цифровых счетчиках необходимо измерять любых два значения из четырех величин P, Q, S, φ. Это принципиально невозможно реализовать в электромеханических СЭ из-за их конструктивных возможностей.

На рис. 7.1…7.3 приведены типовые структурные схемы цифровых СЭ, позволяющих реализовать необходимые измерения.

На рис. 7.1 приведена структурная схема цифрового счетчика ватт-часов активной энергии типа СЭБ-2А.

Рис. 7.1. Структурная схема цифрового счетчика ватт-часов

активной энергии типа СЭБ-2А

Микропроцессор осуществляет все необходимые измерения, цифровую обработку и преобразования с помощью измерения мгновенных значений тока и напряжения в дискретные промежутки времени. Дискретизированные значения тока и напряжения в цепи, снимаемые с соответствующих датчиков, подаются на входы микропроцессора, обрабатываются для получения параметров P, Q, S, φ. Мощность определяется как

,

где N – количество отсчетов в одном периоде измеряемого сигнала; – частота дискретизации; – частота сети.

Точность измерения растет с увеличением частоты дискретизации, что, в свою очередь, ведет к усложнению программного обеспечения, поскольку обработка производится в реальном времени.

Технические характеристики счетчика СЭБ-2А:

– номинальное/максимальное значение силы тока – 5/50 А;

– номинальное значение напряжения – 220 В;

– установленный диапазон рабочих напряжений – от 0,9 до 1,1 U_ном;

– счетчик имеет импульсный (телеметрический) выход основного передающего устройства;

· в режиме телеметрии (А) – 500 имп./кВт·ч;

· в режиме поверки (В) – 10000 имп./кВт·ч;

– чувствительность счетчика – 2,75 Вт для класса точности 1 и 5,5 Вт для класса точности 2;

– счетчик начинает нормально функционировать не позднее 5 с после приложения напряжения;

– импульсный выход счетчика при отсутствии тока в последовательной цепи и значения напряжения 253 В не создает более одного импульса;

– погрешность измерения активной энергии соответствует классу точности 1 или 2;

– в качестве датчика тока в счетчике используется токовый трансформатор;

– в качестве датчика напряжения в счетчике используется резистивный делитель.

Принцип работы счетчика. Сигналы с датчиков тока и напряжения поступают на входы АЦП микропроцессора и преобразуются в коды. Микропроцессор, перемножая цифровые коды, получает величину, пропорциональную мощности. Интегрирование мощности во времени дает информацию о величине энергии.

Микропроцессор управляет всеми узлами счетчика и реализует измерительные алгоритмы в соответствии со специализированной программой; периодически определяет тарифную зону, формирует импульсы телеметрии, ведет учет электроэнергии, времени и календаря; обрабатывает поступившие команды по интерфейсу и, при необходимости, формирует ответ.

Кроме данных об учтенной электроэнергии в памяти счетчика хранятся калибровочные коэффициенты, тарифное расписание, серийный номер, версия программного обеспечения счетчика. Калибровочные коэффициенты заносятся в память на предприятии-изготовителе. При отсутствии напряжения питания процессор переходит на питание от литиевой батареи с напряжением 3 В и емкостью 120 мА·ч. Процессор синхронизирован кварцевым резонатором, работающем на частоте 32,768 кГц. Блок питания вырабатывает два гальванически изолированных напряжения для питания микропроцессора и цепей интерфейса.

Упростить алгоритм обработки информации и снизить затраты на комплектацию позволяет структурная схема, представленная на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Структурная схема счетчика ватт-часов активной энергии

переменного тока Меркурий-200»

В этой структуре микроконтроллер (МК) выполняет функцию счетчика импульсов, пропорциональную активной мощности, вывод информации на дисплей и ряд специальных функций (изменение тарифов, сохранение информации в аварийных режимах, вывод служебной информации на внешние устройства и пр.). По мере накопления импульсов, соответствующих ватт-часам, значение накопленной энергии выводится на дисплей и записывается во FLASH-память. Если произойдет сбой, временное исчезновение напряжения сети, информация о накопленной энергии сохраняется во FLASH-памяти. После восстановления питающего напряжения эта информация считывается микроконтроллером, выводится на индикатор и счет продолжается с этой величины.

В случае реализации многотарифного СЭ, устройство должно обеспечивать обмен информацией с внешними устройствами по последовательному интерфейсу. Он может использоваться для задания тарифов, инициализации и коррекции таймера реального времени, получения информации о накопленных значениях энергии и т. д. Кроме того, интерфейс может обеспечивать подключение группы распределенных в пространстве СЭ в сеть с возможностью доступа к каждому из них. Структурная схема такого устройства представлена на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Структурная схема многотарифного счетчика

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

Переключение тарифов осуществляется по временным критериям: для каждого дня недели определяется свое тарифное расписание, т.е. времена начала основного и льготного тарифов и от нуля до трех интервалов времени для пикового тарифа. До 16 произвольных дней в году могут быть определены как праздничные, в эти дни работает тарифное расписание для воскресенья.

В счетчике может быть установлен режим ограничения по мощности и по количеству израсходованной энергии за месяц. В этом режиме счетчик фиксирует количество энергии, израсходованной сверх лимита. При превышении установленного лимита энергии производится либо переход на накопление по штрафному тарифу, либо отключение пользователя от энергосети. Штрафной тариф также может быть установлен принудительно (по интерфейсу связи) в случае, например, задолженности по оплате.

Каждый раз при включении счетчика в сеть (после очередного пропадания напряжения) фиксируется время и дата этого момента для возможности последующего контроля. Также предусмотрена запись времени и даты несанкционированного снятия крышки устройства.

Через специальный разъем к счетчику можно подключить картридер для считывания информации с индивидуальной электронной карточки о количестве энергии, оплаченной потребителем.

Программирование счетчика осуществляется через интерфейс RS-485 посредством фиксированной системы команд. Команды делятся на следующие виды: индивидуальные (для взаимодействия с конкретным счетчиком) и общие (для программирования всех подключенных к интерфейсу счетчиков). Существуют команды для установки даты, времени, временных рамок тарифов, лимитов мощности, программированных праздничных дней, считывания информации из банков накопителей потребленной энергии и т.д. Предусмотрен ряд команд по тестированию и калибровке счетчика. Для индивидуального доступа каждый счетчик имеет адрес и пароль, который программируются по интерфейсу. Применение общих команд также осуществляется через программируемый пароль. Интерфейс RS-485 требует всего два провода (витую пару) для обмена информацией. Причем драйверы интерфейса позволяют подключить на одну витую пару до 256 счетчиков. Это позволяет объединить в единую сеть все счетчики, например, в одном подъезде жилого дома, и централизовано считывать из них информацию или программировать их. Обмен по интерфейсу может производиться на одной из 8 фиксированных скоростей: 75, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 бод; для выбора скорости обмена служит специальная команда.

Наличие режима нескольких тарифов позволяет выводить на индикацию дополнительную информацию о количестве потребления энергии по различным тарифам. Индикатор такого счетчика может быть достаточно сложен. Значение количества потребленной энергии выводится на восемь нижних разрядов (максимальное значение 99999.999 кВт·ч). Информация периодически изменяется, последовательно показывая содержимое накоплений по каждому из тарифов и сумму этих накоплений. Вначале эти данные выводятся за текущий месяц и затем с момента эксплуатации счетчика. Синхронно на символьном поле индикатора высвечивается знак того тарифа, к которому относятся текущие показания восьмиразрядного индикатора («0» – основной, «л» – льготный, «п» – пиковый, «ш» – штрафной, «+» – суммарный). На правом поле индикатора отображается текущая дата, день недели и сезонное время («летнее/зимнее»). Текущий тариф, по которому производятся накопления, отображается на тарифной зоне ЖКИ. При превышении установленных ограничений по мощности или по количеству потребленной за месяц энергии высвечивается, соответственно, «лимит мощности» или «лимит энергии».

Просмотр информации по предыдущим 11 месяцам производится при нажатии специально предусмотренной кнопки на корпусе счетчика. При каждом нажатии последовательно выводится информация о каждом тарифе соответствующего месяца, после чего происходит переход на предыдущий месяц, и процесс повторяется. Номер просматриваемого месяца и год отображаются на индикаторе даты. Если нажатия кнопки не происходит несколько секунд, счетчик возвращается в нормальный режим работы. При подключении картридера эта кнопка позволяет просмотреть количество энергии по каждому тарифу, имеющемуся в распоряжении у пользователя.

Электронные счетчики доказали свою эффективность при построении на их базе автоматизированных систем учета. Дальнейшее развитие электронных бытовых счетчиков и АСКУЭ можно прогнозировать в следующих направлениях:

– создание счетчиков с повышенной защитой от хищений, вплоть до отключения при обнаружении нештатных подсоединений;

– создание счетчиков с ограничением потребления в случае превышения заявленной мощности и других нарушений договорных обязательств;

– создание счетчиков, выполняющих функцию концентратора информации о потреблении других энергоносителей;

– создание АСКУЭ с использованием современных средств беспроводной связи;

– создание интегрированных автоматизированных систем учета энергоносителей бытовых потребителей (холодной и горячей воды, газа, тепла и электроэнергии).

Принцип работы электронного счетчика

Для расчёта электрической энергии, потребляемой за определённый период времени, необходимо интегрировать во времени мгновенные значения активной мощности. Для синусоидального сигнала мощность равна произведению напряжения на ток в сети в данный момент времени. На этом принципе работает любой счётчик электрической энергии. На рис. 1 показана блок-схема электромеханического счётчика.

Рис. 1. Блок-схема электромеханического счетчика электрической энергии

Реализация цифрового счётчика электрической энергии (рис. 2) требует специализированных ИС, способных производить перемножение сигналов и предоставлять полученную величину в удобной для микроконтроллера форме. Например, преобразователь активной мощности — в частоту следования импульсов. Общее количество пришедших импульсов, подсчитываемое микроконтроллером, прямо пропорционально потребляемой электроэнергии.

Рис. 2. Блок-схема цифрового счетчика электрической энергии

Не менее важную роль играют всевозможные сервисные функции, такие как дистанционный доступ к счётчику, к информации о накопленной энергии и многие другие. Наличие цифрового дисплея, управляемого от микроконтроллера, позволяет программно устанавливать различные режимы вывода информации, например, выводить на дисплей информацию о потреблённой энергии за каждый месяц, по различным тарифам и так далее.

Для выполнения некоторых нестандартных функций, например, согласования уровней, используются дополнительные ИС. Сейчас начали выпускать специализированные ИС — преобразователи мощности в частоту — и специализированные микроконтроллеры, содержащие подобные преобразователи на кристалле. Но, зачастую, они слишком дороги для использования в коммунально-бытовых индукционных счётчиках. Поэтому многие мировые производители микроконтроллеров разрабатывают специализированные микросхемы, предназначенные для такого применения.

Перейдём к анализу построения простейшего варианта цифрового счётчика на наиболее дешёвом (менее доллара) 8-разрядном микроконтроллере Motorola. В представленном решении реализованы все минимально необходимые функции. Оно базируется на использовании недорогой ИС преобразователя мощности в частоту импульсов КР1095ПП1 и 8-разрядного микроконтроллера MC68HC05KJ1 (рис. 3). При такой структуре микроконтроллеру требуется суммировать число импульсов, выводить информацию на дисплей и осуществлять её защиту в различных аварийных режимах. Рассматриваемый счётчик фактически представляет собой цифровой функциональный аналог существующих механических счётчиков, приспособленный к дальнейшему усовершенствованию.

Рис. 3. Основные узлы простейшего цифрового счетчика электроэнергии

Сигналы, пропорциональные напряжению и току в сети, снимаются с датчиков и поступают на вход преобразователя. ИС преобразователя перемножает входные сигналы, получая мгновенную потребляемую мощность. Этот сигнал поступает на вход микроконтроллера, преобразующего его в Вт·ч и, по мере накопления сигналов, изменяющего показания счётчика. Частые сбои напряжения питания приводят к необходимости использования EEPROM для сохранения показаний счётчика. Поскольку сбои по питанию являются наиболее характерной аварийной ситуацией, такая защита необходима в любом цифровом счётчике.

Алгоритм работы программы (рис. 4) для простейшего варианта такого счётчика довольно прост. При включении питания микроконтроллер конфигурируется в соответствии с программой, считывает из EEPROM последнее сохранённое значение и выводит его на дисплей. Затем контроллер переходит в режим подсчёта импульсов, поступающих от ИС преобразователя, и, по мере накопления каждого Вт·ч, увеличивает показания счётчика.

Рис. 4. Алгоритм работы программы

При записи в EEPROM значение накопленной энергии может быть утеряно в момент отключения напряжения. По этим причинам значение накопленной энергии записывается в EEPROM циклически друг за другом через определённое число изменений показаний счётчика, заданное программно, в зависимости от требуемой точности. Это позволяет избежать потери данных о накопленной энергии. При появлении напряжения микроконтроллер анализирует все значения в EEPROM и выбирает последнее. Для минимальных потерь достаточно записывать значения с шагом 100 Вт·ч. Эту величину можно менять в программе.

Схема цифрового вычислителя показана на рис. 5. К разъёму X1 подключается напряжение питания 220 В и нагрузка. С датчиков тока и напряжения сигналы поступают на микросхему преобразователя КР1095ПП1 с оптронной развязкой частотного выхода. Основу счётчика составляет микроконтроллер MC68HC05KJ1 фирмы Motorola, выпускаемый в 16-выводном корпусе (DIP или SOIC) и имеющий 1,2 Кбайт ПЗУ и 64 байт ОЗУ. Для хранения накопленного количества энергии при сбоях по питанию используется EEPROM малого объёма 24С00 (16 байт) фирмы Microchip. В качестве дисплея используется 8-разрядный 7-сегментный ЖКИ, управляемый любым недорогим контроллером, обменивающийся с центральным микроконтроллером по протоколу SPI или I2C и подключаемый к разъёму Х2.

Реализация алгоритма потребовала менее 1 Кбайт памяти и менее половины портов ввода/вывода микроконтроллера MC68HC05KJ1. Его возможностей достаточно, чтобы добавить некоторые сервисные функции, например, объединение счётчиков в сеть по интерфейсу RS-485. Эта функция позволит получать информацию о накопленной энергии в сервисном центре и отключать электричество в случае отсутствия оплаты. Сетью из таких счётчиков можно оборудовать жилой многоэтажный дом. Все показания по сети будут поступать в диспетчерский центр.

Определённый интерес представляет собой семейство 8-разрядных микроконтроллеров с расположенной на кристалле FLASH-памятью. Поскольку его можно программировать непосредственно на собранной плате, обеспечивается защищённость программного кода и возможность обновления ПО без монтажных работ.

Рис. 5. Цифровой вычислитель для цифрового счетчика электроэнергии

Ещё более интересен вариант счётчика электроэнергии без внешней EEPROM и дорогостоящей внешней энергонезависимой ОЗУ. В нём можно при аварийных ситуациях фиксировать показания и служебную информацию во внутреннюю FLASH-память микроконтроллера. Это к тому же обеспечивает конфиденциальность информации, чего нельзя сделать при использовании внешнего кристалла, не защищённого от несанкционированного доступа. Такие счётчики электроэнергии любой сложности можно реализовать с помощью микроконтроллеров фирмы Motorola семейства HC08 с FLASH-памятью, расположенной на кристалле.

Переход на цифровые автоматические системы учёта и контроля электроэнергии — вопрос времени. Преимущества таких систем очевидны. Цена их будет постоянно падать. И даже на простейшем микроконтроллере такой цифровой счётчик электроэнергии имеет очевидные преимущества: надёжность за счёт полного отсутствия трущихся элементов; компактность; возможность изготовления корпуса с учётом интерьера современных жилых домов; увеличение периода поверок в несколько раз; ремонтопригодность и простота в обслуживании и эксплуатации. При небольших дополнительных аппаратных и программных затратах даже простейший цифровой счётчик может обладать рядом сервисных функций, отсутствующих у всех механических, например, реализация многотарифной оплаты за потребляемую энергию, возможность автоматизированного учёта и контроля потребляемой электроэнергии.

Электронный цифровой счётчик для учёта электроэнергии

Измерить количество энергии на участке электрической сети за какой-то промежуток времени — вот основная задача электрического счётчика. Существует немало приборов учёта — с оборотными дисками и современные электронные счётчики электроэнергии. Домашнему мастеру о таких приборах нужно знать только одно; без него нельзя. Вмешиваться в работу или устанавливать его самостоятельно запрещено.

Устройство и принцип работы

Для учёта электрической энергии постоянного тока выпускают приборы постоянной величины, которые применяют только на предприятиях, эксплуатирующих мощное оборудование. Они выпускаются небольшими партиями и в бытовых целях не применяются.

Синусоидальной гармонической формы приборы переменного тока выпускают для учёта энергии с однофазной и трёхфазной системой напряжения.

К основным элементам, которые находятся внутри корпуса аппарата, относится:

• клеммная колодка;
• панель жидкокристаллического дисплея (ЖКИ);
• органы передачи информации и управления работой;
• измерительные трансформаторы;
• печатная плата с твердосплавными элементами;
• защитный кожух.

Внутренний алгоритм работы однофазных и трёхфазных приборов одинаковый. Через трансформаторные датчики поступают сигналы на входы микросхемы — преобразователя. С выхода микросхемы частотный сигнал поступает на вход микроконтроллера. Он складывает все пришедшие импульсы для получения количества энергии в киловатт-час.

Накопленная энергия записывается во флеш-память и выводится на монитор. Если напряжение в сети исчезает, то в памяти сохраняется информация о накопленной энергии. Она считывается микроконтроллером, а затем выводится на индикатор после восстановления напряжения. Счёт прибор продолжает с этой величины.

Для такого алгоритма нужно менее одного килобайта памяти микроконтроллера. Дисплей может быть 6−8-разрядный 7-сегментный ЖКИ и управляется контроллером.

Характеристика электронного счетчика

Первые электронные приборы учёта были созданы в 70-х годах в Европе. Предпосылкой их создания стало развитие электроники и реализация более сложных задач, чем учёт энергии.

Появление таких устройств в 90-х годах в России стимулировалось подорожанием энергии, приватизацией и реструктуризацией электроэнергетики, появлением различных собственников. В таких условиях заводы-производители начали осваивать производство электронных счётчиков.

Преимущества электронных моделей неоспоримы:

• в условиях быстропеременных и низких нагрузок сохраняется высокий класс точности;
• возможность работать по различным тарифам;
• разные виды энергии можно учитывать одним прибором, в том числе в двух направлениях;
• возможно измерение показателей мощности, качества и количества энергии;
• допустимо длительное хранение данных учёта и доступа к ним;
• можно фиксировать несанкционированный доступ и случаи хищения электрической энергии;
• возможность дистанционно снимать показатели с использованием различных интерфейсов;
• можно рассчитывать потери;
• вероятность создания современных АСКУЭ (автоматизированная система коммерческого учёта электрической энергии).

К декларируемым преимуществам можно отнести защищенность приборов от традиционных методов хищения электрической энергии и до 16 лет срок межповерочного интервала.

Сегодня электронные приборы дороже индукционных счётчиков электроэнергии.

Обеспечение надёжности и ремонт

Прибор должен обладать определённым значением точности. Проверить её можно в специальных электротехнических лабораториях, которые имеют право проводить проверку и пломбировку счётчиков. Можно оценить работу устройства и в домашних условиях:

1. При отключении нагрузки световой индикатор прибора должен остановиться. Если он продолжает свой счёт, то устройство неисправно и начался самоход. Лучше это делать ночью, когда сеть минимально нагружена, а все электробытовые приборы отключены.
2. Появление заметного жужжания устройства не считается признаком неисправности, если не обнаруживается при этом самоход.
3. Искажения показаний прибора, обнаруженные при получении счёта за потреблённую электрическую энергию. Например, показания счётчика за июнь составили 100 кВт. В июле вся семья на месяц выехала в отпуск, отключив электробытовые приборы, а по данным счёта, расход электрической энергии составил 60 кВт. Наличие самохода в таком случае нужно проверить обязательно.

При отсутствии самохода световой индикатор не должен показать в течение 15 минут более одного импульса. Итак, если обнаружены импульсы при отсутствии нагрузки, это говорит о неисправности внутри счётчика, его необходимо сдать в ремонт.

Чтобы сдать прибор в ремонт, необходимо вызвать представителя энергосберегающей компании, получить предписание на поверку устройства или его замену.

Определение показателей прибора

По данным электрического счётчика можно установить ряд необходимых показателей:

1. Расход энергии за определённый промежуток времени. Для этого от конечных показаний счётчика вычитают начальные показания. В зависимости от типа прибора эти расчётные данные могут умножаться на коэффициент трансформации трансформаторного тока.
2. Факт включения на данный момент каких-либо электрических приборов или ламп в сеть квартиры. Если световой индикатор не считает, значит, всё выключено.
3. Мощность включённых приборов.
4. Проходящую через счётчик величину тока.
5. Перегрузку в сети или на самом счётчике.

Достоинством электронных счётчиков является также то, что они производятся как под один тариф, так и под несколько.

Выбор оптимального варианта

Российские компании выпускают устройства, аналогичные зарубежным предприятиям. Их стоимость значительно ниже, а качество не уступает европейским лидерам. Все электросчётчики должны соответствовать ГОСТу Р 52320−2005, что подтверждаться паспортом прибора.

Риск получать неверные результаты о потреблённой энергии возникает при покупке моделей малоизвестных производителей. Если они выйдут из строя, может возникнуть проблема, связанная с их ремонтом. В то время как известные компании имеют сервисные центры.

Выбирать устройство для квартир нужно классом точности до 2.0 и не менее 50 А должна быть сила тока. От 10 до 16 лет — оптимальный межповерочный интервал для прибора.

В технической документации на прибор ставиться печать, которая подтверждает пройденную на предприятии проверку на точность и работоспособность, указывается дата этой проверки. При продаже устройства продавец записывает начальные показания прибора. На электросчётчик ставится государственная пломба, на которой фиксируется год и квартал прохождения теста .

Перед покупкой электронного счётчика в энергосберегающей компании нужно уточнить, какие модели разрешены к использованию. Некоторые компании требуют приобретать приборы учёта, которые могут быть подключены к системе АСКУЭ. В этом случае показания устройства поступают поставщику энергии в автоматическом режиме.

Лучшие аппараты учета

Срок эксплуатации прибора и экономия средств зависят от правильного выбора электронного счётчика. По отзывам покупателей, сомнения не вызывают такие производители измерительной электротехники:

1. Инкотекс. Это российская компания, которая входит в мощный холдинг и на протяжении 15 лет выпускает модели под маркой «Меркурий». По продажам эта компания занимает первое место в России.
2. Тайпит. Фирма находится в Санкт-Петербурге, основана в 1999 году и производит электросчётчики модели «Нева» и прочие измерительные устройства.
3. Энергомера. Это молодая фирма, которая зарегистрирована в 2010 году и является крупнейшим производителем счётчиков электрической энергии на российском рынке.

Все аппараты этих производителей ценятся как потребителями, так и профессионалами.

Меркурий

Модель Меркурий 201.8 — современный прибор учёта с 7-разрядным ЖКИ. Класс его точности при измерении активной энергии составляет 1.0, напряжение колеблется в диапазоне от 220 В до 230 В, а сила тока от 5 А до 80 А. Эти устройства могут работать при температуре от -45 ºС до +75 ºС, при максимальной влажности до 90%.

Модульный корпус, измерительный преобразователь тока и винтовые клеммы — всё это особенности аппарата. Дополнительным элементом аппарата является светодиодная подсветка, которая очень удобная для считывания показателей.

Срок эксплуатации этих моделей 30 лет, а между ревизиями 16 лет. Эти приборы просты в монтаже, компактны и имеют минимальный вес. У них высокий класс точности, хороший запас прочности и бюджетная стоимость.

Удобный и красивый цифровой прибор Нева М. Т. 123 пользуется спросом не только в домах и квартирах, но и в торговых залах, офисах и на предприятиях.

Этим устройством можно измерять:

• частоту сетевого напряжения;
• активную мощность;
• напряжение и силу тока.

Все модели отличаются многофункциональностью, точностью измерения электрической энергии, надёжностью, качеством материалов, из которого они изготавливаются, и выгодной ценой.

Рабочее напряжение — 230 В, номинальный ток — 5 А, а гарантийный срок — 30 лет.

Энергомера

Энергомера CE102M S7 145-JV — это модель с классом точности 1.0, устойчива к воздействиям климатического, электромагнитного и механического типа.

• сила тока — 5 (60) А;
• напряжение — 220 (230) В;
• температура функционирования — -45 ºС (+70 ºС);
• влажность — 98%.

Дополнительными возможностями прибора учёта являются: энергонезависимая память, наличие шунта, интерфейс связи, индикация информации за определённый промежуток времени. Аппарат компактный, удобен в пользовании, его легко перепрограммировать. С устройства можно снять информацию без наличия напряжения, его память защищена от попыток внесения изменений. Этот счётчик широко используется в помещениях с большим количеством электрических точек.