способ измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищений и устройство для его осуществления (их варианты)

Формула изобретения

1. Способ измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищений, включающий формирование сигнала разности токов фазного и нулевого проводов, формирование сигнала мощности нагрузки в виде тока или напряжения и пропорционального среднему значению произведения сигнала, характеризующего ток нагрузки и напряжения нагрузки, формирование суммарного сигнала из сигнала разности токов и сигнала, характеризующего токи фазного и нулевого проводов, преобразование напряжения или тока в частоту импульсного сигнала и последующий подсчет числа импульсов в качестве результата измерения, отличающийся тем, что в качестве сигнала, характеризующего ток нагрузки, используют суммарный сигнал, а преобразованию в частоту импульсного сигнала подвергают сигнал мощности нагрузки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что преобразование в частоту импульсного электрического сигнала выполняют независимым от направления мощности нагрузки.

3. Способ измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищений, включающий формирование сигнала разности токов фазного и нулевого проводов, формирование сигнала мощности нагрузки в виде тока или напряжения и пропорционального среднему значению произведения сигнала, характеризующего ток нагрузки, и напряжения нагрузки, формирование суммарного сигнала из сигнала разности токов и сигнала, характеризующего токи фазного и нулевого проводов, преобразование напряжения или тока в частоту импульсного сигнала и последующий подсчет числа импульсов в качестве результата измерения, отличающийся тем, что в качестве сигнала, характеризующего фазный и нулевой провода, используют сумму токов фазного и нулевого проводов, сигнал разности токов учитывают в суммарном сигнале со знаком, соответствующим направлению сигнала разности токов, в качестве сигнала, характеризующего ток нагрузки, используют суммарный сигнал, а преобразованию в частоту импульсного сигнала подвергают сигнал мощности нагрузки.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что направление сигнала разности токов определяют по полярности сигнала мощности разности токов в виде среднего значения произведения сигнала разности токов и напряжения нагрузки или полярностью среднего значения результата фазочувствительного выпрямления сигнала разности токов фазного и нулевого проводов с управлением от напряжения нагрузки.

5. Устройство для измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищения, содержащее датчик разности токов фазного и нулевого проводов нагрузки, сумматор, преобразователь мощности, первый вход которого соединен с выходом датчика напряжения нагрузки, преобразователь тока или напряжения в частоту импульсного сигнала, выход которого соединен с входом счетчика импульсов, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит датчик суммы токов фазного и нулевого проводов нагрузки, причем его выход соединен с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу датчика разности токов, а выход к второму входу преобразователя мощности, выход которого соединен с входом преобразователя тока или напряжения в частоту импульсного сигнала.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что преобразователь тока или напряжения в частоту импульсного сигнала содержит управляемый инвертор, выход которого соединен с входом интегратора, выход которого; в свою очередь, подключен к входу гистерезисного компаратора, вход компаратора соединен с входом управляемого инвертора и является входом преобразователя, а выход компаратора подключен к первому входу логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ второй вход которого соединен с выходом гистерезисного компаратора, служащего выходом преобразователя, а выход подключен к управляющему входу управляемого инвертора.

7. Устройство для измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищений, содержащее датчик разности токов фазного и нулевого проводов нагрузки, сумматор, преобразователь мощности, первый вход которого соединен с выходом датчика напряжения нагрузки, преобразователь тока или напряжения в частоту импульсного сигнала, выход которого соединен с входом счетчика импульсов, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит датчик суммы токов фазного и нулевого проводов нагрузки, блок определения направления тока и управляемый инвертор, причем сигнальный вход управляемого инвертора соединен с выходом датчика разности токов, а управляющий вход с выходом блока определения направления тока, сигнальный вход которого соединен с выходом датчика разности токов, а управляющий вход с выходом датчика напряжения нагрузки, выход датчика суммы токов подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом управляемого инвертора, а выход с вторым входом преобразователя мощности, выход которого подключен к входу преобразователя тока или напряжения в частоту импульсного сигнала.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что блок определения направления тока выполнен в виде фазочувствительного выпрямителя, сигнальный и управляющий входы которого являются соответствующими входами блока, его выход соединен с входом фильтра низких частот, выход которого соединен с входом компаратора, выход которого является выходом блока.

9. Устройство по пп.5 и 7, отличающиеся тем, что датчик суммы и датчик разности фазного и нулевого проводов нагрузки выполнены в виде трансформаторов тока с двумя соединенными соответственно встречно и согласно первичными обмотками, одна из которых подключена к фазному, а другая к нулевому проводу цепи нагрузки.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к электроизмерительной технике и могут быть использованы для измерения активной электрической энергии в однофазных цепях переменного тока.

Известен и широко применяется в однофазных цепях переменного тока способ измерения электрической энергии, состоящий в преобразовании тока фазного провода и напряжения нагрузки в импульсный электрический сигнал или вращательное движение с частотой, пропорциональной мощности нагрузки в виде среднего значения произведения тока прямого (фазного) или обратного (нулевого) провода нагрузки и напряжения нагрузки, и последующим их подсчетом (см. [1] или Минин В.П. Измерение электроэнергии. М. Энергия, 1974).

До настоящего времени основным средством измерения электрической энергии у однофазных потребителей являются индукционные счетчики, содержащие преобразователь мощности во вращательное движение подвижной системы и счетчик числа оборотов, причем цепи тока и напряжения преобразователя включены соответственно последовательно с прямым (фазным) проводом и параллельно цепи нагрузки. Эти счетчики чувствительны к направлению мощности и при отсутствии стопора обратного хода обладают свойством реверсивности (см. [2] а также ГОСТ 6570-75 "Счетчики электрические активной и реактивной энергии индукционные").

Известно также большое количество счетчиков электрической энергии статической системы, содержащих преобразователи тока и напряжения нагрузки, преобразователь мощности в частоту импульсного сигнала и счетчик импульсов с отсчетным устройством. Преобразователь тока нагрузки этих счетчиков включен на ток одного, как правило, прямого (фазного) провода нагрузки, а преобразователь мощности в частоту импульсного сигнала работоспособен только для одного направления мощности нагрузки (см. [3] а также ГОСТ 26035-83 "Счетчики электрической энергии переменного тока электронные").

Недостатком известного способа и устройств, его реализующих, является низкая защищенность результата измерения электрической энергии в случае намеренного его искажения (хищения) посредством уменьшения до сколь угодно малой величины или изменения направления тока на участке цепи, используемом для измерения. Поскольку для построения нереверсивных электронных счетчиков электрической энергии используют однополярное преобразование мощности в частоту импульсного электрического сигнала, то в последнем случае это преобразование прекращается, в индукционных при этом изменяется направление вращательного движения. У потребителя энергии имеется возможность создать такие режимы работы счетчика подключением к участку цепи, используемому для измерения шунтирующих закоторок или специальных приспособлений и в, первом случае, приостановить накопление показаний измеренной энергии, либо, во втором случае, уменьшить предшествующее показание. У населения, особенно у индивидуальных домовладельцев, в большом ходу самодельные приспособления (так называемые "отмотчики") для ускоренного уменьшения показаний индукционных счетчиков, изменяющих направление счета и позволяющих в течение нескольких часов свести к нулю накопленные показания за многие месяцы. Эти же устройства наряду с шунтирующими закоротками могут быть применены во время потребления больших мощностей для уменьшения тока на участке фазного провода, используемого для измерения, и искажения показаний индукционных счетчиков, снабженных стопорами обратного хода, а также известных электронных счетчиков.

Кроме того, в трехфазных сетях 0,4 кВ с заземленной нейтралью имеется возможность использовать искусственно или естественно заземленные предметы в качестве обратного провода. При применении в этом случае известного способа измерения электрической энергии и однажды случайно или намеренно измененной схеме подключения счетчика (использование тока нулевого провода сети вместо фазного) эта часть однофазной нагрузки не учитывается. Это оказывается возможным, поскольку в известном способе при измерении учитывается ток только одного из проводов (фазного или нулевого) цепи нагрузки. Подтверждением сказанного являются, например, рекомендуемые ГОСТ 26035-83 схемы включения, согласно которым нулевой провод в однофазных счетчиках непосредственного включения присоединяется "транзитом" и протекающий по нему ток не оказывает влияния на показания счетчика. При этом нагрузка, включаемая между нулевым и фазным проводами, проходящими через счетчик, учитывается правильно, что создает видимость благополучия и затрудняет обнаружение факта хищения.

Известны также устройства для обнаружения неправильного использования счетчиков электрической энергии (хищения) по факту различия токов фазного и нулевого проводов порогового действия и работающих либо на индикацию или сигнализацию, либо на автоматическое отключение потребителя от сети. Их недостатком является потребность в дополнительной коммутационной аппаратуре, необходимость постоянного контроля со стороны службы надзора и невозможность установления количества похищенной электрической энергии (см. [4] и а.с.СССР N 1599780, G 01 R 11/24, опубл. БИ N 38, 1990).

Известно устройство для обнаружения кражи электрической энергии, содержащее датчик разности токов фазного и нулевого проводов нагрузки, вычислитель абсолютного значения и счетчик ампер-часов [5] Данное устройство позволяет сигнализировать о факте некорректного использования счетчика электрической энергии и проводить оценку количества похищенной энергии. Недостатком данного устройства является низкая защищенность результата измерения от намеренного его искажения (хищения), поскольку показания самого счетчика не защищены ни в случае применения "отмотчика", ни в случае кражи энергии по нулевому проводу. Применение отдельного счетчика ампер-часов, измеряющего разность токов фазного и нулевого проводов нагрузки, кроме собственно необходимости в таком элементе, требует периодического контроля за его показаниями, а также имеет методические недостатки, обусловленные качественным несовпадением характера информационного параметра, который используется в данном устройстве, с активной электрической энергией, измеряемой счетчиком при ее продаже потребителю. При этом во-первых, из-за интегрирующего характера измерительного органа возможен ложный замер из-за имеющихся у потребителя утечек на землю, имеющих реактивный характер и обусловленных, например, собственной емкостью сети и электрических приборов по отношению к земле, во-вторых, отсутствует однозначная связь между похищенной активной электрической энергией и показаниями счетчика ампер-часов, и, в-третьих, отсутствует возможность определения характера произведенного вмешательства в процесс измерения электрической энергии и, соответственно, свободы выбора реакции счетчика при различных видах этого вмешательства.

Целесообразным поэтому является построение счетчика электрической энергии, либо нечувствительного, либо корректно работающего при применении потребителем (покупателем) энергии наиболее распространенных электрических методов воздействия на результат измерения с целью хищения. По мнению специалистов организаций, распределяющих и продающих электрическую энергию, с их стороны в настоящее время ожидается повышенный спрос на приборы, в которых предусмотрены любые меры против хищений: от невозможности изменения показаний счетчика в меньшую сторону до полностью корректного его поведения при всех известных электрических методах хищения. Установка подобных счетчиков у потребителя заставит его отказаться от широко известных и сравнительно легко реализуемых, но трудно обнаруживаемых методов хищения электрической энергии, а продавцам энергии уменьшить потери от хищений. В то же время технические мероприятия для достижения указанных свойств счетчика не должны ухудшать метрологические характеристики при корректном его использовании, а также значительно увеличивать сложность реализации, повышая стоимость и снижая эксплуатационную надежность.

Известен способ измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищений, включающий формирование сигнала разности токов фазного и нулевого проводов, формирование сигнала мощности нагрузки в виде тока или напряжения, пропорциональных среднему значению произведения сигнала, характеризующего ток нагрузки, и напряжения нагрузки, формирование суммарного сигнала разности токов и сигнала, характеризующего токи фазного и нулевого проводов, преобразование напряжения или тока в частоту импульсного сигнала, и последующий подсчет числа импульсов в качестве результата измерения [6]

Этот способ позволяет исключить умышленное уменьшение результата измерения электрической энергии при применении потребителем специальных приспособлений, снижающих величину или изменяющих направление тока на участке фазного провода, используемого для измерения, а также энергии, потребленной по цепи фазный провод земля в сети с заземленным нулевым проводом источника.

Недостатками данного способа являются его относительная сложность и низкая точность. Во-первых, введенные для придания этому способу измерения указанных выше полезных свойств дополнительные операции с электрическими сигналами, в том числе такие относительно трудно реализуемые как вычисление абсолютных значений (модуля), являются обязательными и входят в последовательность операций получения результата измерения и в нормальном режиме, то есть при отсутствии вмешательства потребителя в процесс измерения. В частности, сигнал, характеризующий токи фазного и кулевого проводов, формируется как сумма модуля сигнала разности токов и тока нулевого провода, а суммарный сигнал подвергается дальнейшему преобразованию, включающему еще одну операцию вычисления модуля. А поскольку при измерении электрической энергии для коммерческих целей нормируется относительная погрешность в широком диапазоне изменения мощности нагрузки (до 3 и более декад), то дополнительные операции, являющиеся источниками дополнительных погрешностей, особенно аддитивного характера, отрицательно сказываются на метрологических возможностях рассматриваемого способа. Во-вторых, рассматриваемый способ для формирования каждого из сигналов, характеризующих токи фазного и нулевого проводов, а также их разности, требует применения трех измерительных преобразований мощности в виде среднего значения произведения напряжения нагрузки и, соответственно, токов фазного и нулевого проводов и их разности. В силу прямого влияния погрешностей преобразования мощности на результат измерения и их суммирования, требования к метрологическим характеристикам такого преобразования еще более высоки, а потому и сложнее реализуемы, чем в известных способах измерения, не имеющих защиты от хищений. Применение же предложенной в способе последовательности операций, но с сигналами, однозначно соответствующими названным токам (а не соответствующим мощностям), делает способ неработоспособным, по крайней мере для цепей переменного тока.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение и повышение точности измерения электрической энергии при сохранении защищенности результата от хищений, осуществляемых искусственным изменением направления тока на участке цепи, используемом для измерения, и возможного потребления энергии по транзитному проводу счетчика и земле в сетях с заземленной нейтралью.

В первом варианте предлагаемого способа измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищений, поставленная задача решается тем, что в способе измерения электрической энергии, включающем формирование сигнала разности токов фазного и нулевого проводов, формирование сигнала мощности нагрузки в виде тока или напряжения, пропорционального среднему значению произведения напряжения нагрузки и сигнала, характеризующего ток нагрузки, формирование суммарного сигнала из сигнала разности токов и сигнала, характеризующего токи фазного и нулевого проводов, преобразование напряжения или тока в частоту импульсного сигнала и последующий подсчет числа импульсов в качестве результата измерения, предлагается в качестве сигнала, характеризующего токи фазного и нулевого проводов, использовать сумму токов фазного и нулевого проводов, в качестве сигнала, характеризующего ток нагрузки использовать суммарный сигнал, а преобразованию в частоту импульсного сигнала подвергать сигнал мощности нагрузки.

Преобразование частот импульсного сигнала в первом варианте способа предлагается выполнить независимым от полярности входного электрического сигнала.

Во втором варианте предлагаемого способа измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищений, поставленная задача решается тем, что в способе измерения электрической энергии, включающем формирование сигнала разности токов фазного и нулевого проводов, формирование сигнала мощности нагрузки в виде тока или напряжения, пропорционального среднему значению произведения напряжения нагрузки и сигнала, характеризующего ток нагрузки, формирование суммарного сигнала из сигнала разности токов и сигнала, характеризующего токи фазного и нулевого проводов, преобразование напряжения или тока в частоту импульсного сигнала, и последующий подсчет числа импульсов в качестве результата измерения, предлагается в качестве сигнала, характеризующего токи фазного и нулевого проводов, использовать сумму токов фазного и нулевого проводов, сигнал разности токов учитывать в суммарном сигнале со знаком, соответствующим направлению сигнала разности токов, в качестве сигнала, характеризующего ток нагрузки, использовать суммарный сигнал, а преобразованию в частоту импульсного сигнала подвергать сигнал мощности нагрузки.

Во втором варианте предлагаемого способа направление сигнала разности токов следует определять полярностью сигнала мощности разности токов в виде среднего значения произведения сигнала разности токов и напряжения нагрузки или полярностью среднего значения результата фазочувствительного выпрямления (детектирования) сигнала разности токов с управлением от напряжения нагрузки.

В первом варианте устройства, реализующего первый вариант предлагаемого способа, и содержащем датчик разности токов фазного и нулевого проводов нагрузки, сумматор, преобразователь мощности, первый вход которого соединен с выходом датчика напряжения нагрузки, преобразователь тока или напряжения в частоту импульсного сигнала, выход которого соединен с входом счетчика импульсов, предлагается ввести датчик суммы токов фазного и нулевого проводов нагрузки, его выход соединить с первым входом сумматора, второй вход которого подключить к выходу датчика разности токов, а выход к второму входу преобразователя мощности, выход которого соединить с входом преобразователя тока или напряжения в частоту импульсного сигнала.

Преобразователь тока или напряжения в частоту импульсного сигнала в первом варианте устрой2ства предлагается выполнить в виде управляемого инвертора, выход которого соединен с входом интегратора, выход которого в свою очередь подключен к входу гистерезисного компаратора, вход компаратора соединен с входом управляемого инвертора и является входом преобразователя, а выход компаратора подключен к первому входу логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом гистерезисного компаратора, служащего выходом преобразователя, а выход подключен к управляющему входу управляемого инвертора.

Во втором варианте устройства, реализующего второй вариант предлагаемого способа, и содержащем датчик разности токов фазного и нулевого проводов нагрузки, сумматор, преобразователь мощности, первый вход которого соединен с выходом датчика напряжения нагрузки, преобразователь тока или напряжения в частоту импульсного сигнала, выход которого соединен с входом счетчика импульсов, предлагается ввести датчик суммы токов фазного и нулевого проводов нагрузки, блок определения направления тока и управляемый инвертор, причем сигнальный вход управляемого инвертора соединить с выходом датчика разности токов, а управляющий вход с выходом блока определения направления тока, сигнальный вход которого соединить с выходом датчика разности токов, а управляющий вход с выходом датчика напряжения нагрузки, выход датчика суммы токов соединить с первым входом сумматора, второй вход которого подключить к выходу управляемого инвертора, а выход к второму входу преобразователя мощности, выход которого соединить с входом преобразователя тока или напряжения в частоту импульсного сигнала.

Блок определения направления тока во втором варианте устройства предлагается выполнить в виде фазочувствительного выпрямителя, сигнальный и управляющий входы которого являются соответствующими входами блока, его выход соединен с входом фильтра низких частот, в свою очередь выход которого соединен с входом компаратора, выход которого является выходом блока.

Датчик суммы и датчик разности фазного и нулевого проводов нагрузки в обоих вариантах устройства предлагается выполнить в виде трансформаторов тока с двумя соединенными соответственно встречно и согласно первичными обмотками, одна из которых подключена к фазному, а другая к нулевому проводу цепи нагрузки.

Объединение двух технических решений, относящихся к способу и соответственно реализующих их вариантов устройств в одну заявку связано с тем, что все они решают одну и ту же задачу упрощения и повышения точности измерения электрической энергии при сохранении защищенности результата от хищений, принципиально одним и тем же путем наряду с сигналом разности токов фазного и нулевого проводов, формируют сигнал суммы токов фазного и нулевого проводов, а их сумму используют для получения сигнала мощности нагрузки и дальнейшего его преобразования в частоту импульсного электрического сигнала. В то же время эти технические решения решают поставленную задачу для различных сочетаний технических требований к точности и надежности, с одной стороны, и степени защиты от различных методов хищений электрической энергии, с другой стороны, по которым лучшие результаты обеспечивают соответственно первый и второй варианты предлагаемого способа и реализующие их варианты устройств. В то же время сущность изобретений по каждому из вариантов способа и реализующих их вариантов устройств является равноценной, а существенные отличия, обеспечивающие требуемое сочетание технических характеристик, не могут быть объединены обобщающими признаками.

За счет указанной совокупности отличительных признаков предлагаемый способ измерения (его варианты) проще известного как по количеству операций, последовательно осуществляемых с входными сигналами для получения результата в нормальном режиме (без хищения) измерения, так и по сложности реализации этих операций. Это обеспечивает и меньшие потери точности результата измерения в нормальном режиме, обусловленные операциями, вводимыми в процесс измерения для защиты его результата от вмешательства с целью хищения. В частности, поскольку в качестве сигнала, характеризующего токи фазного и нулевого проводов, используется сумма токов фазного и нулевого проводов, то из этой последовательности исключена операция вычисления абсолютного значения и связанные с ее воспроизведением погрешности. Исключены также применяемые в известном способе последующие преобразования суммарного сигнала, включающие еще одну операцию вычисления модуля. Кроме того, в формировании результата фактически участвует только одно преобразование мощности, в то время как в известном способе таких операций три. Возможное применение во втором варианте предлагаемого способа второго преобразования мощности при определении направления сигнала разности токов носит вспомогательный характер, не входит в последовательность операций преобразования сигналов в процессе измерения и поэтому его погрешности как мультипликативного, так и аддитивного характера не оказывают влияния на результат в нормальном режиме измерения. При этом предлагаемый способ измерения обладает теми же функциональными возможностями, что и известный, то есть обеспечивает возможность корректного измерения электрической энергии как при применении потребителем специальных приспособлений типа "отмотчик", так при потреблении энергии по цепи фазный провод земля в сети с заземленным нулевым проводом источника при любом чередовании фазного и нулевого проводов, используемых для измерения. Указанные преимущества предлагаемого способа ( его вариантов) относятся и к реализующему его устройству (его вариантов).

На фиг. 1 приведена схема первого варианта устройства, реализующего первый вариант предлагаемого способа измерения электрической энергии с защитой от хищений, и показано его включение в двухпроводную сеть; на фиг. 2 приведена схема второго варианта устройства; на фиг. 3 показана возможная реализация преобразователя тока или напряжения в частоту, работоспособного для любого из двух возможных направлений модности нагрузки; а на фиг. 4 показана схема блока определения направления тока.

Первый вариант устройства, реализующий первый вариант предлагаемого способа измерения электрической энергии, рассматривается при примере его включения в двухпроводную сеть (см. фиг. 1), которая может быть частью трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью трансформатора 1, и измеряет энергию, потребляемую нагрузкой 2 по фазному 3 и нулевому 4 проводам и нагрузкой 5, которая может быть включена потребителем между фазным проводом 4 и землей. Устройство содержит датчик разности токов 6 фазного 3 и нулевого 4 проводов нагрузки, датчик суммы токов 7 фазного 3 и нулевого 4 проводов нагрузки и датчик напряжения 8 нагрузки. Выходы датчиков суммы токов 7 и разности токов 6 подключены соответственно к первому и второму входам сумматора 9. Первый вход преобразователя мощности 10 соединен с выходом датчика напряжения нагрузки 8, второй вход с выходом сумматора 9, а выход подключен к входу преобразователя тока или напряжения в частоту импульсного сигнала 11, в свою очередь выход которого соединен с входом счетчика импульсов 12.

Схема второго варианта устройства (см. фиг. 2), реализующего второй вариант предлагаемого способа измерения электрической энергии, в отличие от первого варианта по фиг. 1, содержит управляемый инвертор 13 и блок определения направления тока 14, сигнальный вход 15 которого, а также сигнальный вход управляемого инвертора 13 соединены с выходом датчика разности токов 6. Управляющий вход 16 блока определения направления тока 14 подключен к выходу датчика напряжения нагрузки 8, а его выход соединен с управляющим входом управляемого инвертора 13, в свою очередь выход которого соединен с первым входом сумматора 9.

Преобразователь 11 тока или напряжения в частоту, работоспособный для любого из двух возможных направлений мощности нагрузки (см. фиг. 3), содержит управляемый инвертор 17, выход которого соединен с входом интегратора 18, выход которого в свою очередь подключен к входу гистерезисного компаратора 19. Вход компаратора 20 соединен с входом управляемого инвертора 17 и является входом преобразователя 11, а выход компаратора 20 подключен к первому входу логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21, второй вход которого соединен с выходом гистерезисного компаратора 19, служащего выходом преобразователя 11, а выход подключен к управляющему входу управляемого инвертора 17.

Блок определения направления тока (см. фиг. 4) содержит фазочувствительный выпрямитель 22, сигнальный и управляющий входы которого являются соответствующими входами блока, выход его соединен с входом фильтра низких частот 23, в свою очередь выход которого соединен с входом компаратора 24, выход которого является выходом блока.

Измерение электрической энергии, осуществляемое в соответствии с первым вариантом предлагаемого способа, поясняется на примере работы первого варианта устройства, его реализующего. Из токов фазного 3 и нулевого 4 проводов нагрузки с помощью датчика разности токов 6 формируется сигнал разности токов. Если токи фазного 3 и нулевого 4 проводов одинаковы, то есть факт хищения энергии отсутствует, то сигнал разности на выходе датчика разности токов 6 равен нулю и не оказывает влияния на результат измерения. При этом суммарный сигнал на выходе сумматора 9 определяется только суммой токов фазного 3 и нулевого 4 проводов. Из полученного суммарного сигнала и сигнала напряжения нагрузки, вырабатываемого датчиком напряжения 8, с помощью преобразователя мощности 10 формируется сигнал мощности нагрузки в виде среднего значения их произведения. Затем этот сигнал в преобразователе 11 преобразуется в пропорциональную ему частоту импульсного сигнала. Число импульсов на выходе преобразователя 11, подсчитанное за время измерения счетчиком импульсов 12, характеризует энергию, потребленную нагрузкой.

Если разность токов фазного 3 и 4 нулевого проводов на выходе датчика 6 не равна нулю, что возможно только при использовании потребителем в качестве обратного провода земли или вмешательстве в процесс измерения с помощью "отмотчика", то в сумматоре 9 она добавляется при формировании суммарного сигнала к токам фазного 3 и нулевого 4 проводов. В первом случае, который, как указывалось выше, является одним из самых распространенных способов хищения, ток фазного провода больше тока нулевого провода, сигнал разности токов положителен и совпадает по знаку с током нагрузки, включенной между фазным 3 и нулевым 4 проводами, и поэтому увеличивает значение измеряемой энергии. Можно показать, что предлагаемая последовательность операций обеспечивает корректное, то есть с одинаковыми масштабными коэффициентами, измерение электрической энергии нагрузок, включенных между фазным и нулевым проводом и фазным проводом и землей, причем при любом чередовании нулевого и фазного провода. В случае применения "отмотчика" сигнал разности токов отрицателен, и поскольку ток, создаваемый этим приспособлением, обычно задается значительно превышающим токи нагрузки, суммарный сигнал имеет фазу (направление), противоположную току нагрузки, что приводит к изменению полярности сигнала мощности нагрузки. В этом случае, если применено преобразование в частоту импульсного сигнала, работоспособное только для одной полярности входного электрического сигнала, измерение энергии прекращается, что также может быть использовано для блокирования учета энергии. Целесообразно поэтому это преобразование выполнить двуполярным или независимым от полярности входного сигнала. Тогда при отрицательном значении сигнала разности токов подсчет полученных импульсов увеличивает результат измерения, что заставит потребителя отказаться от использования "отмотчика". Хотя при этом все же остается возможность искажения текущих измерений электрической энергии, но технически это сложно реализуемо и недоступно для неспециалистов. Учитывая относительно высокую степень защищенности от наиболее массовых методов хищения, а также значительное упрощение в сравнении с известным способом, важным следствием которого является повышение точности в нормальном режиме работы и надежности, предлагаемый способ в рассмотренном виде может иметь широкое применение.

Второй вариант предлагаемого способа целесообразно использовать, если возникает необходимость полностью исключить возможность искажения потребителем текущего измерения электрической энергии и с помощью приспособлений типа "отмотчик" или шунтирующих закороток. При этом, в отличие от первого варианта, знак, с которым сигнал разности токов фазного 3 и нулевого 4 проводов добавляется в суммарный сигнал, устанавливается соответствующим знаку (направлению) этого сигнала по отношению к направлению сигнала суммы токов этих проводов. Под положительным направлением сигналов тока в цепях переменного тока обычно понимают направление, соответствующее потреблению нагрузкой активной мощности. При применении потребителем шунтирующих закороток, когда ток на участке фазного провода, используемого для измерения, уменьшается по величине, а при подключении "отмотчика" может и изменить свое направление, сигнал разности токов отрицателен и при формировании суммарного сигнала добавляется к токам фазного и нулевого проводов с инвертированием.

Реализацией заявляемого способа в этом случае служит второй вариант устройства (см. фиг. 2). С этой целью у выходного сигнала датчика разности токов 6 перед суммированием в сумматоре 9 изменяют знак с помощью управляемого инвертора 13, имеющего в зависимости от сигнала на его управляющем входе, положительный или отрицательный коэффициент передачи. Вырабатывает этот управляющий сигнал блок определения направления тока 14, определяющий знак активной мощности из выходного сигнала датчика разности токов 6 и датчика напряжения нагрузки 8. За счет инверсной добавки сигнала разности токов ток "отмотчика" либо нейтрализуется, либо в качестве штрафной санкции (поскольку реального потребления добавочной энергии при этом практически нет) добавляется к току нагрузки, подключенной между фазным и нулевым проводом, и далее, преобразуясь в сигнал мощности и частоту импульсов, учитывается при их подсчете в виде добавочной энергии. В первом случае масштаб сигнала разности токов должен быть равен -1, а во втором, например, -2. При включении нагрузки между фазным проводом и землей, когда сигнал разности токов положителен, при формировании суммарного сигнала он добавляется к токам фазного и нулевого проводов без инвертирования. Дальнейший процесс измерения не отличается от описанного выше. При этом, в зависимости от масштаба добавляемого сигнала разности токов, масштаб учтенной при измерении энергии, потребляемой по цепи фазный провод земля, по отношению к энергии корректной нагрузки может быть равным или увеличенным. В первом случае этот масштаб должен быть равен 1. Выбор штрафного коэффициента относится к компетенции органов, определяющих политику в области распределения и продажи электрической энергии.

Направление сигнала разности токов во втором варианте предлагаемого способа определяют по полярности среднего значения произведения сигнала разности токов и напряжения нагрузки, соответствующих мощности сигнала разности токов. Поскольку величина этой мощности не используется для измерения, то, в отличие от известного способа, и погрешность ее определения не вносит вклад в результирующую погрешность измерения в нормальном режиме. Поэтому для определения направления сигнала разности токов может быть использованы и более простые в реализации операции, например, результат среднего значения фазочувствительного выпрямления (детектирования) сигнала разности токов фазного и нулевого проводов с управлением от напряжения нагрузки. Реализует указанные функции во втором варианте устройства блок определения направления тока 14 (см. фиг. 4), в котором знак коэффициента передачи сигнала разности токов также принудительно изменяется, в зависимости от полярности сигнала на выходе датчика напряжения нагрузки, с помощью фазочувствительного выпрямителя 15. Фильтр нижних частот 16 выделяет постоянную составляющую его выходного сигнала, полярность которого определяется компаратором 17. Блок определения направления тока 14 работоспособен и в случае применения вместо фазочувствительного выпрямителя 15 аналогового перемножителя, причем при очень низких требованиях к его линейности.

Преобразователь тока или напряжения 11 в частоту, обеспечивающий работоспособность для любого из двух возможных направлений мощности нагрузки, что является целесообразным при воспроизведении первого варианта предлагаемого способа, может быть реализован за счет включения в цепь входного сигнала схемы вычисления модуля. Возможная реализация такого преобразователя (см. фиг. 4) работает следующим образом. Полярность сигнала на выходе управляемого инвертора 17 соответствует или инверсна полярности его входного сигнала в зависимости от значения сигнала на управляющем входе этого элемента. При ненулевом значении входного сигнала в зависимости от полярности выходного сигнала управляемого инвертора 17 напряжение на выходе интегратора 18 увеличивается или уменьшается и определяет одно из двух возможных состояний гистерезисного компаратора 19. Значение выходного сигнала этого элемента, устанавливающееся при увеличении напряжения на выходе интегратора 18 и достижении его величины верхнего порога, сохраняется после этого, как при больших значениях этого напряжения, так и при его уменьшении вплоть до нижнего порога, когда состояние гистерезисного компаратора 19 принимает свое второе значение. В свою очередь, второе состояние сохраняется после этого, как при значениях напряжения на выходе интегратора 18, меньших нижнего порога, так и при больших, но не превышающих верхнего порога срабатывания. Состояние первого управляемого инвертора 17 и гистерезисного компаратора 19 согласуются через логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21 таким образом, что для какой-либо одной из двух возможных полярностей входного сигнала при достижении напряжения на интеграторе 18 верхнего порога срабатывания гистерезисного компаратора 19 его изменившийся выходной сигнал переключает состояние первого управляемого инвертора 17, что приводит к уменьшению напряжения на интеграторе 18. Постоянная интегрирования интегратора выбирается такой, чтобы время изменения напряжения на его выходе на величину, равную разности верхнего и нижнего порогов срабатывания гистерезисного компаратора 19 (ширина петли гистерезиса), было больше периода переменной составляющей входного сигнала при максимальном ее уровне. При соблюдении указанного условия и неизменной полярности постоянной составляющей входного сигнала отрицательная обратная связь, осуществляемая соединением через логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21 выхода гистерезисного компаратора 19 и управляющего входа первого управляемого инвертора 17, обеспечивает поддержание напряжения на выходе интегратора 18 внутри диапазона, ограниченного верхним и нижним порогами срабатывания гистерезисного компаратора 19 (ширины петли гистерезиса), то есть соблюдается условие отрицательности обратной связи по частоте. При этом средняя частота импульсного сигнала на его выходе пропорциональна среднему значению постоянной составляющей входного сигнала преобразователя. В составе счетчика переменного тока указанный параметр характеризует активную мощность, то есть учитывает и коэффициент мощности.

При изменении полярности постоянной составляющей входного сигнала указанное условие нарушается. Для обеспечения работоспособности преобразователя в этом случае используется изменившийся выходной сигнал второго компаратора 20, который переводит логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21 в режим инвертирования выходного сигнала гистерезисного компаратора 19, и обеспечивает тем самым выполнение условия отрицательности обратной связи преобразования в частоту при любой полярности постоянной составляющей входного сигнала и, соответственно, направления активной мощности счетчика. При этом средняя частота импульсов на выходе преобразователя пропорциональна мощности в измеряемой цепи и не зависит от ее направления.

Для правильной работы преобразователя 11 необходимо наличие гистерезиса передаточной характеристики преобразования у гистерезисного компаратора 19. Другое используемое в литературе название таких элементов регенераторный компаратор, реализуемый на одном или двух компараторах с обязательным введением элементов с положительной обратной связью (см. например, А.Г.Алексенко, Е.А.Коломбет, Г.И.Стародуб. Применение прецизионных аналоговых микросхем, М. "Радио и связь", 1985, с. 180). Хорошо известными являются и методы стабилизации порогов срабатывания и ширины петли гистерезиса.

Выполнение датчика суммы и датчика разности фазного и нулевого проводов нагрузки в виде трансформаторов тока с двумя соединенными соответственно встречно и согласно первичными обмотками, одна из которых подключена к фазному, а другая к нулевому проводу цепи нагрузки очевидно из изображения этих элементов на фиг. 1 и фиг. 2.

Предлагаемые технические решения могут быть использованы для построения счетчиков электрической энергии переменного тока. Причем, поскольку предлагаемые в способе новые операции производятся с входными сигналами токов фазного и нулевого проводов, то его реализация возможна на базе большинства известных в настоящее время счетчиков, преимущественно статической системы, независимо от используемого в них принципа измерительного преобразования мощности. Для воспроизведения этих операций нет необходимости в элементах с неизвестными характеристиками и требующих для своего изготовления уникальной технологии.