книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Микропроцессорные счётчики электрической энергии

В зависимости от желания потребителя можно обеспечить разнообразные функции электронных счетчиков электроэнергии

(прил. 3, 4, 5).

Перейдём к анализу построения простейшего варианта электронного счётчика на 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. 2.3). При такой структуре микроконтроллеру требуется суммировать число импульсов, выводить информацию на дисплей и осуществлять её защиту в различных аварийных режимах.

Рис. 2.3. Основные узлы простейшего электронного 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 использо-

21

вания EEPROM для сохранения показаний счётчика. Поскольку сбои в питании являются наиболее характерной аварийной ситуацией, такая защита необходима в любом цифровом счётчике.

Алгоритм работы програм-

мальных потерь достаточно записывать значения с шагом

100Вт·ч. Эту величину можно изменять в программе.

Кразъёму подключается напряжение питания 220 В и нагруз-

ка. 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 Э, управляемый любым недорогим контроллером, обменивающийся с центральным микроконтроллером по протоколу SPI илиI2C.

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.

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 внеш-

23

него кристалла, не защищённого от несанкционированного доступа. Такие счётчики электроэнергии любой сложности можно реализовать с помощью микроконтроллеров фирмы Motorola семействаHC08 с FLASH-памятью, расположенной на кристалле.

Аналогичен вышеназванным счетчик электроэнергии «Мерку- рий-200», структурнаясхема которогопредставлена на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Структурная схема счетчика ватт-часов активной энергии переменного тока Меркурий-200»

В этой структуре микроконтроллер (МК) также выполняет лишь 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 Вт·ч, 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, выводитсянаиндикатор исчет продолжается с этойвеличины.

Более сложный алгоритм работы у многофункциональных счетчиков электроэнергии. Однако это оправдывается и новыми возможностями. Расчет энергии, потребленной за определенный промежуток времени любой нагрузкой, требует интегрирования

24

текущих значений активных мощностей в течение всего времени измерения. В счетчиках необходимо реализовать постоянное суммирование вычисленной величины активной, реактивной или полной мощности за определенный промежуток времени. В общем случае значение потребленной энергии выражается формулой

T

W = ∫ p(t)dt ,

0

где p(t) – значение мгновенной мощности в момент времени t;

T – время измерения. При синусоидальных формах тока и напряжения в сети

p(t) = u(t) i(t) = Um sin ωt Im sin(ωt + ϕ) = = U I cosϕ − U I cos(2ωt − ϕ),

где u(t) и i(t) – мгновенные значения соответственно напряжения и тока в сети; Um и Im – амплитудные значения напряжения и тока; U и I – действующие значения напряжения и тока; ϕ –

угол сдвига фаз между током и напряжением. Интегрирование по периоду дает значение активной потребляемой мощности P = U I cosϕ = S cosϕ , где S – полная мощность потребления в

ваттах. Реактивная мощность (вар) определяется следующим выражением:

Q = U I sin ϕ = S sin ϕ .

Для вычисления любых мощностей (P, Q, S) в цифровых счетчиках измеряют два любых значения из четырех величин P, Q, S, φ. Это принципиально невозможно реализовать в электромеханических или электронных счетчиках.

В цифровых системах операция интегрирования заменяется операцией суммирования. Цифровые значения U٭ и I٭ с выхода аналого-цифровых преобразователей перемножаются в DSP между собой. Если знаки U٭ и I٭ в момент квантованиясовпадают,

25

прирастает активная мощность за период, если не совпадают – прирастает реактивная мощность. При расчете полной мощности знаки U٭ и I٭ не учитываются.

На рис. 2.6 приведена структурная схема цифрового счетчика ватт-часов активной энергии типа СЭБ-2А, 05, 2, 12 производства Нижегородского завода им. М. В. Фрунзе.

Рис. 2.6. 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; fд – частота дискретизации; fс – частота сети.

26

Очевидно, что 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 Uном;

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

−постоянная счетчика:

•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

и5,5 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

27

импульсы телеметрии (по необходимости), ведет учет электроэнергии, времени и календаря; обрабатывает поступившие команды по интерфейсу и при необходимости формирует ответ; кроме данных об учтенной электроэнергии в ОЗУ 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, работающим на частоте 32,768 кГц. Блок питания вырабатывает два гальванически изолированных напряжения для питания микропроцессора и цепей интерфейса.

В случае реализации многотарифной работы электронный счетчик должен 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 счетчиков в сеть с возможностью доступа к каждому из них. Блок-схема такого электронного устройства представлена на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Структурная схема многотарифного счетчика

28

Алгоритм работы структуры может быть следующим. Память энергонезависимого ОЗУ разбита на 13 банков, в каждом из которых хранится информация о накопленной энергии по четырем тарифам: общему, льготному, пиковому и штрафному. 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 появляется 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 нулевыхзначений.

Переключение тарифов осуществляется по временным критериям: для каждого дня недели определяется свое тарифное расписание, т.е. время 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,

вэти дни работает тарифноерасписание длявоскресенья.

Всчетчике может быть установлен режим ограничения по мощности и 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) вслучае, 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. При исчерпании оплаченного лимита счетчик отключает потребителя от энергосети.

29

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 программируется 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 централизованно 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 (высвечивается надпись «за месяц») и затем с момента эксплуатации счетчика (высвечивается надпись «всего»). Синхронно на символьном поле индикатора высвечивается знак того тарифа, к которому относятся текущие показания восьмиразрядного индикатора («о» – основной, «л» – льготный,

30