устройство для оперативного управления процессом отпуска и потребления электрической энергии в сетях переменного тока

Формула изобретения

Устройство для централизованного оперативного управления процессом отпуска и потребления электрической энергии в сетях переменного тока, содержащее измерительные преобразователи напряжения и тока, соединенные с аналоговыми преобразователями, выходы которых подключены к микроконтроллеру, энергонезависимую память, блок индикации, отключающее устройство, подключенные к микроконтроллеру, отличающееся тем, что команды управления, содержащие адрес абонентского устройства, код команды и данные о количестве отпускаемой энергии, переданные по широковещательному радиоканалу, поступают в приемник команд управления, соединенный с микроконтроллером, который распознает команды, переданные в его адрес, уменьшает лимит отпускаемой энергии на величину потребленной электроэнергии, рассчитанную за интервал времени между измерениями мгновенных значений напряжения и тока нагрузки, отключает цепь нагрузки при уменьшении остатка лимита отпускаемой электроэнергии до нуля, выполняет принятые команды увеличения лимита отпускаемой электроэнергии, включения и отключения цепи нагрузки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения потребляемой электрической энергии в двухпроводных цепях переменного тока и для централизованного контроля за потреблением электроэнергии в заданном количестве.

Известен способ учета потребленной электрической энергии без ограничения на количество с измерением ее величины счетчиком и последующей оплатой по накопленным показаниям (см. Минин В.П. Измерение электроэнергии. М.: Энергия, 1974).

Недостатками этого способа и устройств его реализующих являются: невозможность отпуска электроэнергии в заданном количестве; невозможность централизованного дистанционного отключения и подключения цепи нагрузки абонента; трудность осуществления контроля за сроками оплаты стоимости потребленной электроэнергии; низкая защищенность результата измерения электрической энергии в случае намеренного его искажения.

Известен способ учета электрической энергии с предварительной или последующей оплатой путем записи информации о количестве отпускаемой электроэнергии на носитель в виде электронных карточек, переноса информации с карточки в счетчик, подсчитывающий величину потребленной электроэнергии и выполняющий отключение цепей нагрузки абонента или устанавливающий ограничение по мощности при потреблении отпущенного количества и устройства для его реализации в виде счетчика, содержащего датчики напряжения и тока, соединенные с перемножителем-преобразователем, выход которого подключен к микропроцессору, оперативное запоминающее устройство, устройство предоплаты и директивную кнопку, подключенные к микропроцессору, выход которого соединен с дисплеем, и переключающее устройство в виде вакуумного выключателя, управляющий привод которого соединен с микропроцессором (RU, патент 2106644, кл. G 01 R 11/00, 1998; RU, патент 2098835, кл. G 01 R 22/00, 1997).

Недостатками такого способа учета электроэнергии и устройств его реализующих являются: невозможность оперативного централизованного управления процессом потребления электроэнергии, отключения и включения цепей нагрузки абонентов; сложность организационно-технических мероприятий по вводу информации с карточек; требование определенных навыков и подготовки от абонента при эксплуатации этого устройства; низкий уровень защиты от несанкционированного вмешательства и подделки карточек.

Известен способ учета электроэнергии с предварительной или последующей оплатой и устройства для его реализации, отличающиеся тем, что передача сигналов управления и информации о потребленном количестве электроэнергии осуществляется через линию связи, в качестве которой используется телефонная линия или провода электрической сети (GB патент 2096370, кл. G 01 F 1/56, 1982; US, патент 5627759, кл. G 01 R 19/165, 1997).

Недостатками такого способа учета электроэнергии являются: высокая стоимость устройства и инфраструктуры, необходимой для его осуществления; малая надежность каналов связи, невозможность широковещательного управления группой абонентских устройств.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение оперативности централизованного дистанционного управления процессом отпуска и потребления электроэнергии абонентам городских и районных электрических сетей, с возможностью отпуска электроэнергии каждому абоненту в заданном количестве.

В предлагаемом способе поставленная задача решается тем, что в качестве канала оперативного управления абонентским контролирующим устройством используют широковещательный радиоканал, по которому из центра управления передают команды управления индивидуально для каждого абонентского устройства и широковещательные для групп или для всех абонентов.

Абоненты системы предварительно покупают требуемое количество электроэнергии или заказывают его в кредит.

Минимально необходимый для управления набор состоит из команд:

- подключения цепи нагрузки абонента к электрической сети;

- отключения цепи нагрузки абонента от электрической сети;

- увеличения лимита отпускаемой электроэнергии.

Команда состоит из адреса абонентского устройства, кода команды и данных о количестве отпускаемой электроэнергии.

Каждое абонентское устройство в системе имеет один индивидуальный и несколько групповых адресов, принимает команды, переданные по радиоканалу из центра управления, распознает адрес, выполняют команды, переданные в его адрес, увеличивает лимит отпускаемой электроэнергии на величину, переданную в команде, измеряет мгновенные значения напряжения и тока в цепи нагрузки, вычисляет количество потребленной электроэнергии за интервал времени между измерениями, вычитает его от лимита отпускаемой электроэнергии. При уменьшении остатка лимита отпускаемой электроэнергии до нуля абонентское устройство отключает цепь нагрузки от электрической сети. Дальнейшее включение цепи нагрузки возможно только при получении команды увеличения лимита отпускаемой электроэнергии.

Команды отключения и включения цепи нагрузки нужны для решения задач технического обслуживания сети, например, группового отключения потребителей с целью снижения потребляемой мощности энергосистемы или выполнения ремонтно-профилактических работ.

За счет перечисленной совокупности признаков предлагаемый способ обеспечивает большую оперативность, централизованность, избирательность и гибкость управления, а также более надежен и прост в реализации, чем известные. В частности, поскольку в качестве канала управления используется радиоканал, возможно применение как индивидуального, так и группового широковещательного управления без построения специальных проводных каналов связи или каналов передачи данных, наложенных на электрическую сеть.

Указанные преимущества предлагаемого способа относятся и к абонентскому устройству для его реализации. На фиг. 1 приведена функциональная схема абонентского устройства контроля за отпуском и потреблением электроэнергии, показано его включение в электрическую сеть.

Устройство содержит приемник команд управления 1, выход которого соединен со входным портом микроконтроллера 6, измерительный преобразователь напряжения 2, вход которого подключен параллельно к цепи нагрузки 10, выход к аналогово-цифровому преобразователю 4, который подключен ко входному порту микроконтроллера 6, измерительный преобразователь тока нагрузки 3, выход которого подключен к аналогово-цифровому преобразователю 5, который подключен ко входному порту микроконтроллера 6, устройство отключения 9 цепи нагрузки, управляющий вход которого подключен к выходному порту микроконтроллера 6, блока индикации 7, управляемого от микроконтроллера 6 и энергонезависимой памяти 8, подключенной к микроконтроллеру 6.

Приемник команд управления 1 через магнитную или иную антенну получает радиосигналы, фильтрует их и преобразует в цифровые сигналы, пригодные для обработки микроконтроллером 6.

Измерительный преобразователь напряжения 2 содержит датчик напряжения, выполненный в виде трансформатора, включенного первичной обмоткой параллельно цепи нагрузки 9, а вторичной - на вход масштабирующего усилителя, преобразующего сигнал, пропорциональный напряжению в цепи нагрузки к измерительному диапазону аналогово-цифрового преобразователя 4.

Измерительный преобразователь тока нагрузки 3 содержит датчик тока, выполненный в виде трансформатора тока, первичной обмоткой которого является один из проводов цепи нагрузки, а вторичная подключена к масштабирующему усилителю, преобразующему сигнал, пропорциональный току нагрузки к измерительному диапазону аналогово-цифрового преобразователя 5.

Аналогово-цифровые преобразователи 4, 5 могут быть отдельными или содержаться в микроконтроллере 6 и преобразуют аналоговые сигналы, пропорциональные напряжению и току в двоично-цифровой код, пригодный для обработки микроконтроллером 6.

Блок индикации 7 содержит светодиод, показывающий состояние устройства и жидкокристаллический семисегментный десятиразрядный индикатор, показывающий остаток лимита отпускаемой электроэнергии в кВтч с точностью до сотых долей.

Энергонезависимая память 8 необходима для хранения данных и настроечных параметров при аварийном отключении электроэнергии, в том числе остатка лимита отпускаемой электроэнергии индивидуального и групповых адресов устройства, коэффициента масштабирования и интервала между измерениями.

Устройство отключения 9 выполнено в виде сильноточного реле и управляется сигналом с порта микроконтроллера 6. Для уменьшения габаритов, увеличения надежности и снижения требований к электрическим характеристикам реле, отключение происходит в момент перехода мгновенного значения тока нагрузки через ноль, а включение в момент перехода мгновенного значения напряжения через ноль.

Микроконтроллер 6 работает под управлением специальной микропрограммы, циклически, через фиксированные интервалы времени принимает от аналогово-цифровых преобразователей 4,5 оцифрованные сигналы мгновенных значений напряжения и тока, вычисляет количество потребленной электроэнергии за интервал времени между измерениями, вычитает это количество от остатка лимита отпускаемой электроэнергии, если остаток лимита уменьшился до нуля выдает сигнал отключения, записывает остаток в энергонезависимую память 8 и выводит его в цифровом виде в блок индикации 7, при поступлении команды из приемника команд управления 1, распознает адрес, декодирует и выполняет команду, увеличивает лимит отпускаемой электроэнергии на величину, переданную в команде, управляет устройством отключения 9.

Блок-схема алгоритма работы микроконтроллера приведена на фиг. 2 и заключается в следующем:

в блоке 1 выполняется инициализация микроконтроллера и чтение из энергонезависимой памяти индивидуального и групповых собственных адресов, остатка лимита отпускаемой электроэнергии, интервала времени между измерениями, коэффициента масштабирования для расчета потребленной за интервал времени электроэнергии;

в блоке 2 проверяется наличие команды, поступившей от приемника радиосигналов, если адрес в команде совпал с одним из собственных адресов, выполняется блок 10, иначе блок 3;

в блоке 3 проверяется внутренний таймер микроконтроллера, если истек интервал времени между измерениями выполняется блок 4, иначе возврат к блоку 2;

в блоке 4 считываются из аналогово-цифровых преобразователей оцифрованные сигналы, пропорциональные мгновенному значению тока и напряжения измеренные в цепи нагрузки;

в блоке 5 уменьшается оставшийся лимит отпускаемой электроэнергии на величину потребленной за интервал времени между измерениями электроэнергии, вычисленную путем перемножения сигналов, пропорциональных мгновенным значениям напряжения и тока, величины интервала времени между измерениями и коэффициента масштабирования;

в блоке 6 остаток лимита отпускаемой электроэнергии записывается в энергонезависимую память и выводится на индикатор;

в блоке 7 проверяется остаток лимита отпускаемой электроэнергии, если он больше нуля и не установлено состояние отключения по команде из центра управления, выполняется блок 8, иначе блок 9;

в блоке 8 на выходе управления отключающим устройством поддерживается сигнал включения цепи нагрузки;

в блоке 9 на выходе управления отключающим устройством поддерживается сигнал отключения цепи нагрузки;

в блоке 10 проверяется код команды, если это команда увеличения лимита отпускаемой электроэнергии выполняется блок 11, иначе блок 12;

в блоке 11 увеличивается остаток лимита отпускаемой электроэнергии на величину, переданную в команде;

в блоке 12 проверяется код команды, если это команда отключения цепи нагрузки выполняется блок 13, иначе блок 14;

в блоке 13 устанавливается состояние отключения по команде из центра управления;

в блоке 14 проверяется код команды, если это команда включения цепи нагрузки выполняется блок 15, иначе блок 2;

в блоке 15 снимается состояние отключения по команде из центра управления.

Интервал времени между измерениями мгновенных значений тока и напряжения нагрузки выбирается с учетом производительности микроконтроллера, как можно меньшим, для уменьшения общей погрешности вычисления потребленной электроэнергии, чтобы обеспечить 50-100 измерений за период переменного тока частоты 50 Гц.

За счет перечисленной совокупности признаков предлагаемое абонентское устройство для отпуска и учета электроэнергии обеспечивает большую оперативность, централизованность и гибкость управления, чем известные и может использоваться вместо счетчика электроэнергии в городских и районных электрических сетях. Использование предложенного способа и устройства позволит решить проблему неплатежей в системах электроснабжения гражданского населения и предприятий, а также прекратить практику "веерных отключений", от которой наряду с неплательщиками страдают добросовестные абоненты.