система электронного учета расхода энергоносителей

Формула изобретения

1. Система электронного учета расхода энергоносителей, содержащая терминальные устройства сбора и передачи данных (УСПД), подключенные входами к соответствующим измерительным приборам, выполненным с возможностью учета расхода энергоносителя, например электричества или газа, а выходами - к соответствующим проводам электросети переменного тока, а также центральное УСПД, входы которого подключены к проводам электросети, а выход - к каналу связи с лицами, заинтересованными в учете расхода энергоносителей, при этом каждое терминальное УСПД содержит микроконтроллер, вход которого является входом данного терминального УСПД, и первый блок сопряжения, выходы которого являются выходами данного терминального УСПД, центральное УСПД содержит второй блок сопряжения, входы которого являются входами центрального УСПД, аналого-цифровой преобразователь и блок внешнего интерфейса, выход которого является выходом центрального УСПД, отличающаяся тем, что в состав каждого терминального УСПД введен блок формирования импульсного хоппинг-сигнала с несущей частотой, изменяющейся по псевдослучайному закону в пределах выбранного рабочего диапазона частот, при этом вход блока формирования импульсного хоппинг-сигнала подключен к выходу микроконтроллера, а выход - ко входу первого блока сопряжения, в состав центрального УСПД введен блок обработки импульсного хоппинг-сигнала, выход которого подключен ко входу блока внешнего интерфейса, а вход к выходу аналого-цифрового преобразователя, вход которого подключен к выходу второго блока сопряжения.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что блок формирования импульсного хоппинг-сигнала содержит последовательно соединенные таймер, генератор случайных чисел, формирователь несущей частоты, формирователь импульсных посылок и усилитель мощности, выход которого является выходом блока формирования импульсного хоппинг-сигнала, при этом второй выход генератора случайных чисел подключен ко второму входу формирователя импульсных посылок, третий вход которого является входом блока формирования импульсного хоппинг-сигнала.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что блок обработки импульсного хоппинг-сигнала содержит формирователь фазового сдвига и решающий блок, выполненные, соответственно, с К выходами и К входами, а также К блоков быстрого преобразования Фурье, первые входы которых объединены между собой и являются входом блока обработки импульсного хоппинг-сигнала, вторые входы подключены к соответствующим выходам формирователя фазового сдвига, а выходы - к соответствующим входам решающего блока, выход которого является выходом блока обработки импульсного хоппинг-сигнала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике электросетевой передачи сигналов от контролируемых объектов к центральной станции и может быть использовано в автоматизированных системах коммерческого учета расхода электроэнергии (АСКУЭ), а также в системах автоматического сбора данных по расходу воды, газа и других аналогичных параметров (далее, в системах учета расхода энергоносителей).

Известна система сбора и передачи данных по патенту US №6021137, Н04J 13/02, содержащая центральное устройство сбора и передачи данных (УСПД), связанное по телефонной сети и/или по радиолинии с лицами, заинтересованными в получении информации о расходе энергоносителей. В известную систему входят также терминальные УСПД, выполненные с возможностью приема данных от измерительных приборов-расходомеров и передачи этих данных по электросети переменного тока в центральное УСПД. Центральное УСПД формирует сигнал опроса, предназначенный для синхронизации работы терминальных УСПД, который по электросети поступает в терминальные УСПД. В ответ указанные терминальные УСПД поочередно передают в центральное УСПД показания подключенных к ним измерительных приборов-расходомеров.

Недостатком указанной системы является высокая стоимость терминальных УСПД, обусловленная необходимостью сложной цифровой обработки принимаемого сигнала опроса для синхронизации работы входящих в систему терминальных УСПД.

С целью устранения указанного недостатка вышеупомянутого аналога предложена система по патенту RU №2246136, G08В 25/06, Н04В 3/54, отличающаяся тем, что в центральное УСПД и в каждое терминальное УСПД введен компаратор с гистерезисом, опорный вход которого подключен к нейтрали электросети, а сигнальный вход - к одному из фазных проводов электросети. Моменты переключения состояния компаратора служат командой начала передачи или приема очередного бита информации либо просто увеличения на единицу содержимого внутреннего счетчика полупериодов сетевого напряжения.

Наряду с вышеупомянутым компаратором как центральное УСПД, так и каждое терминальное УСПД содержит:

- блок сопряжения, связанный с указанными выше фазным проводом и нейтралью электросети;

- первую цепь, состоящую из последовательно соединенных полосового фильтра и аналого-цифрового преобразователя (АЦП);

- вторую цепь, состоящую из последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и фильтра нижних частот;

- процессорный блок.

Вход каждого полосового фильтра и выход каждого фильтра нижних частот подключены к соответствующим выходу и входу блока сопряжения, а выход АЦП и вход ЦАП центрального УСПД и каждого терминального УСПД подключены соответственно ко входу и выходу соответствующего процессорного блока, вход прерывания которого подключен к выходу соответствующего компаратора.

Компараторы выделяют моменты, когда сетевое напряжение становится равным нулю, и формируют таким образом синхронную для всех входящих в систему УСПД последовательность меток времени.

Центральное УСПД периодически посылает по электросети синхросигнал, который принимается одновременно всеми терминальными УСПД. Интервалы, в течение которых осуществляются передача и прием синхросигналов, перемежаются с интервалами передачи по электросети от терминальных УСПД данных, принятых ими от измерительных приборов-расходомеров. Центральное УСПД записывает полученные данные в память и через внешний интерфейс отсылает их лицам, заинтересованным в коммерческом учете расхода соответствующих энергоносителей.

Для модуляции сигнала синхронизации используется метод фазовой манипуляции несущей частоты.

В терминальных УСПД процессорное устройство представляет собой обычный микроконтроллер, выполненный с возможностью съема данных с соответствующего измерительного прибора-расходомера и передачи его по цепи. Центральное УСПД отличается от терминальных УСПД наличием более мощного процессорного устройства.

Описанная выше система является ближайшим аналогом предложенной системы сбора и передачи данных по электросети переменного тока.

Ее недостатками являются:

- малая дальность действия и низкая помехозащищенность, являющиеся следствием низкой энергетической эффективности используемого метода модуляции синхросигнала и применения широкополосных фильтров;

- низкая надежность работы системы, являющаяся следствием двухстороннего характера обмена данными между центральным УСПД и терминальными УСПД.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанных недостатков.

Предметом изобретения является система электронного учета расхода энергоносителей, содержащая терминальные УСПД, подключенные входами к соответствующим измерительным приборам, выполненным с возможностью учета расхода энергоносителя, например электричества или газа, а выходами - к соответствующим проводам электросети переменного тока, а также центральное УСПД, входы которого подключены к проводам электросети, а выход - к каналу связи с лицами, заинтересованными в учете расхода энергоносителей, при этом каждое терминальное УСПД содержит микроконтроллер, вход которого является входом данного терминального УСПД, и первый блок сопряжения, выходы которого являются выходами данного терминального УСПД, центральное УСПД содержит второй блок сопряжения, входы которого являются входами центрального УСПД, аналого-цифровой преобразователь и блок внешнего интерфейса, выход которого является выходом центрального УСПД, при этом в состав каждого терминального УСПД введен блок формирования импульсного хоппинг-сигнала с несущей частотой, изменяющейся по псевдослучайному закону в пределах выбранного рабочего диапазона частот, при этом вход блока формирования импульсного хоппинг-сигнала подключен к выходу микроконтроллера, а выход - ко входу первого блока сопряжения, в состав центрального УСПД введен блок обработки импульсного хоппинг-сигнала, выход которого подключен ко входу блока внешнего интерфейса, а вход к выходу аналого-цифрового преобразователя, вход которого подключен к выходу второго блока сопряжения.

Частными существенными признаками изобретения являются следующие.

Блок формирования импульсного хоппинг-сигнала содержит последовательно соединенные таймер, генератор случайных чисел, формирователь несущей частоты, формирователь импульсных посылок и усилитель мощности, выход которого является выходом блока формирования импульсного хоппинг-сигнала, при этом второй выход генератора случайных чисел подключен ко второму входу формирователя импульсных посылок, третий вход которого является входом блока формирования импульсного хоппинг-сигнала.

Блок обработки импульсного хоппинг-сигнала содержит формирователь фазового сдвига и решающий блок, выполненные соответственно с К выходами и К входами, а также К блоков быстрого преобразования Фурье (далее - блоков БПФ), первые входы которых объединены между собой и являются входом блока обработки импульсного хоппинг-сигнала, вторые входы подключены к соответствующим выходам формирователя фазового сдвига, а выходы - к соответствующим входам решающего блока, выход которого является выходом блока обработки импульсного хоппинг-сигнала.

Задачей настоящего изобретения является создание системы электронного учета расхода энергоносителей, которая отличалась бы от ближайшего аналога значительно большими дальностью действия, помехозащищенностью и надежностью в работе.

Обеспечиваемый технический результат заключается в реализации технологии прыгающих частот и в обеспечении более высокого, чем в ближайшем аналоге, отношения сигнал / помеха, что, в конечном счете, определяет более высокие показатели эффективности предлагаемой системы.

Суть изобретения поясняется на фиг.1 - 5.

На фиг.1 представлена обобщенная структурная схема предлагаемой системы.

На фиг.2 показана структурная схема терминального УСПД.

На фиг.3 показана структурная схема центрального УСПД.

На фиг.4 приведена структурная схема блока формирования импульсного хоппинг-сигнала.

На фиг.5 показана структурная схема блока обработки импульсного хоппинг-сигнала.

На фиг.1 - 5 использованы следующие обозначения: 1 - измерительный прибор; 2 - терминальное УСПД; 3 -электросеть; 4 - центральное УСПД; 5 - микроконтроллер; 6 - блок формирования импульсного хоппинг-сигнала; 7 - формирователь импульсных посылок; 8 - таймер; 9 - генератор случайных чисел; 10 - формирователь несущей частоты; 11-усилитель мощности; 12 - первый блок сопряжения; 13 - второй блок сопряжения; 14 - АЦП; 15 - блок обработки импульсного хоппинг-сигнала; 16 - блок БПФ; 17 - формирователь фазового сдвига; 18 - решающий блок; 19 - блок внешнего интерфейса.

Рассматриваемая система электронного учета расхода энергоносителей (фиг.1) содержит центральное УСПД 4, выполненное с возможностью подключения к каналу связи с лицами, заинтересованными в правильном коммерческом учете расхода энергоносителей. К центральному УСПД 4 подключены через электросеть 3 переменного тока терминальные УСПД 2, ко входу каждого из которых подключен измерительный прибор 1, учитывающий расход соответствующего энергоносителя. Например, в качестве измерительного прибора 1 может быть использован счетчик электроэнергии.

Каждое терминальное УСПД 2 (фиг.2) содержит последовательно соединенные микроконтроллер 5, вход которого является входом данного терминального УСПД 2, блок 6 формирования импульсного хоппинг-сигнала и первый блок 12 сопряжения, выходы которого являются выходами данного терминального УСПД 2.

Центральное УСПД 4 (фиг.3), в свою очередь, содержит последовательно соединенные второй блок 13 сопряжения, входы которого являются входами центрального УСПД 4, АЦП 14, блок 15 обработки импульсного хоппинг-сигнала и блок 19 внешнего интерфейса, выход которого является выходом центрального УСПД 4, подключаемым к каналу связи (телефонной линии или радиоканалу) с лицами, заинтересованными в учете расхода энергоносителей.

Блок 6 формирования импульсного хоппинг-сигнала (фиг.4) входит в состав каждого терминального УСПД 2 и содержит последовательно соединенные таймер 8, генератор 9 случайных чисел, формирователь 10 несущей частоты, формирователь 7 импульсных посылок и усилитель 11 мощности, выход которого является выходом блока 6 формирования импульсного хоппинг-сигнала. При этом второй выход генератора 9 случайных чисел подключен ко второму входу формирователя 7 импульсных посылок, третий вход которого является входом блока 6 формирования импульсного хоппинг-сигнала.

Блок 15 обработки импульсного хоппинг-сигнала (фиг.5) входит в состав центрального УСПД 4 и содержит формирователь 17 фазового сдвига, решающий блок 18, выполненные соответственно с К выходами и К входами, а также К блоков 16 БПФ, первые входы которых объединены между собой и образуют вход блока 15 обработки импульсного хоппинг-сигнала, вторые входы подключены к соответствующим выходам формирователя 17 фазового сдвига, а выходы - к соответствующим входам решающего блока 18, выход которого является выходом блока 15 обработки импульсного хоппинг-сигнала.

Большинство показанных на фиг.1 и фиг.2 блоков предлагаемой системы электронного учета расхода энергоносителей используются в системе, являющейся ближайшим аналогом настоящего изобретения (патент RU №2246136, G08В 25/06, Н04В 3/54).

Новыми существенными признаками являются:

- введение в терминальные УСПД 2 блока 6 формирования импульсного хоппинг-сигнала, выполненного с возможностью подключения своим входом - к выходу микроконтроллера 5, а выходом - к нейтрали и фазному проводу электросети переменного тока (через первый блок 12 сопряжения);

- введение в центральное УСПД 4 блока 15 обработки импульсного хоппинг-сигнала, выполненного с возможностью подключения через блок 19 внешнего интерфейса к каналу связи с лицами, заинтересованными в учете расхода энергоносителей.

Блок 6 формирования импульсного хоппинг-сигнала (фиг.4) и блок 15 обработки импульсного хоппинг-сигнала (фиг.5) реализованы в радиоканальной аппаратуре охранной сигнализации "Риф Стринг RS-202", серийно выпускаемой предприятием-заявителем (Сертификат соответствия РОСС U.ME96.H02160).

Набор блоков 16 БПФ, выходы которых подключены к решающему блоку 18, широко применяется в системах передачи данных, использующих хоппинг-сигналы. В частности, такое техническое решение применено в ранее запатентованных предприятием-заявителем системах (RU №2228275, В60R 25/10, G08В 25/10, G08В 29/16, RU №2278415, G08В 25/10, G08В 29/12, Н04В 1/713 и в ряде других аналогичных систем).

Таким образом, все используемые в предлагаемой системе элементы хорошо известны. Поэтому возможность ее практической реализации не вызывает сомнений.

Предлагаемая система электронного учета расхода энергоносителей работает следующим образом.

Передача показаний измерительных приборов 1 осуществляется с помощью терминальных УСПД 2 по электросети 3 с использованием прыгающих частот - хоппинг-сигнала. Указанный хоппинг-сигнал поступает в центральное УСПД 4. В отличие от ближайшего аналога, в котором транспортная магистраль является двусторонней, в рассматриваемой системе передача осуществляется только в одном направлении - от терминальных УСПД 2 в центральное УСПД 4. Это позволяет существенно упростить реализацию системы и повысить надежность ее работы.

Снимаемые с каждого измерительного прибора 1 показания по расходу данного вида энергоносителя, например показания счетчика электроэнергии, подаются на вход микроконтроллера 5, который преобразует показания измерительного прибора 1 к виду, необходимому для передачи по электросети 3. Показания измерительного прибора 1 могут быть дополнены идентификационным номером терминального УСПД 2 и кодом контрольной суммы. Всю эту кодовую информацию микроконтроллер 5 передает в блок 6 формирования импульсного хоппинг-сигнала на один из входов формирователя 7 импульсных посылок.

Частоты, на которых осуществляется передача данных от терминального УСПД 2 по электросети 3, задаются по случайному закону.

Для этого таймер 8, входящий в состав блока 6 формирования импульсного хоппинг-сигнала (фиг.4), периодически запускает генератор 9 случайных чисел.

По команде таймера 8 генератор 9 случайных чисел формирует двоичный код Z случайного числа. Случайные числа Z должны быть равномерно распределены в установленных при программировании границах. Последовательность и алгоритм формирования случайных чисел генератором 9 случайных чисел определяется при программировании. М разрядов двоичного кода случайного числа Z генератор 9 случайных чисел подает в формирователь 10 несущей частоты, а N разрядов двоичного кода числа Z - в формирователь 7 импульсных посылок. То есть, на формирователь 10 несущей частоты поступает код m, значение которого находится в пределах от 1 до 2 ^М. По этому коду формирователь 10 несущей частоты формирует псевдослучайную частоту F_m, значение которой определяется по формуле (1):

где F₀ - минимальная частота (при m=1);

F - заданный при программировании шаг сетки частот.

Сформированная частота F_m поступает на первый вход формирователя 7 импульсных посылок. N разрядов кода Z, поступающих на второй вход формирователя 7 импульсных посылок, образуют код n, значение которого находится в пределах от 0 до (2^N-1). Код n определяет форму сигнала при передаче хоппинг-сигналов, несущих данные, полученные терминальным УСПД 2 от данного измерительного прибора 1. В начале передачи сообщения данного терминального УСПД 2 формируется маркер. При формировании маркера длительность импульсных посылок Т сформированной частоты F_m может быть постоянна, а интервал времени Т_n между этими импульсными посылками может быть определен по формуле (2):

Очевидно, что в том случае, когда все разряды случайного числа Z отводятся для кодирования несущей частоты, то есть N=0, код n всегда будет нулевым. В соответствии с формулой (2) в этом случае между импульсными посылками будет интервал Т _n, равный Т - продолжительности импульсной посылки.

В формирователе 7 импульсных посылок формируются сообщения терминального УСПД 2. В начале сообщения передаются разряды маркера. Как упоминалось выше, маркер используется для передачи кодов m и n хоппинг-сигнала, соответствующих сформированному генератором 9 случайных чисел случайному числу Z. За маркером следует информационная часть, отражающая показания данного измерительного прибора 1 и, возможно, идентификационный код терминального УСПД. Затем в сообщении передается контрольная сумма.

На выходе формирователя 7 импульсных посылок формируется импульсная посылка хоппинг-сигнала, которая после усиления в усилителе 11 мощности через первый блок 12 сопряжения поступает в электросеть 3 и передается по ней в центральное УСПД 4 - на входы второго блока 13 сопряжения.

Принятая вторым блоком 13 сопряжения импульсная посылка дискретизуется по уровню и по времени в АЦП 14 и поступает в блок 15 обработки импульсного хоппинг-сигнала (фиг.5) - на входы К блоков 16 БПФ, выполняющих функцию узкополосной цифровой фильтрации с шагом F и периодом интегрирования, равным длительности импульсной посылки Т. По окончании интегрирования восстановить исходную импульсную посылку, передаваемую терминальным УСПД 2, удается только в том случае, когда начало импульсной посылки достаточно близко к началу периода интегрирования в блоке 16 БПФ. Для выполнения этого условия выходные сигналы с выхода АЦП 14 подаются параллельно на все К блоков 16 БПФ, в которых времена начала интервалов интегрирования сдвинуты друг относительно друга на время Т/К. Тогда хотя бы в одном из блоков 16 БПФ момент начала периода интегрирования будет отличаться не более, чем на ±0,5Т/К от начала импульсной посылки данного терминального УСПД 2. Сдвиг начала интервала периода интегрирования в блоках 16 БПФ осуществляет формирователь 17 фазового сдвига.

Если на центральное УСПД 4 поступает импульсная посылка хоппинг-сигнала от одного из терминальных УСПД 2, то за время приема маркера хотя бы в одном из блоков 16 БПФ (в котором момент начала периода интегрирования отличается от начала импульсной посылки не более чем на ±0,5Т/К) будут правильно определены значения несущей частоты F _m и интервала T_n между импульсными посылками принимаемого хоппинг-сигнала. После этого начинается этап сопровождения принимаемого хоппинг-сигнала в решающем блоке 18.

Функции решающего блока 18 несколько различаются в тех системах, которые используют в сообщениях терминальных УСПД 2 передачу идентификационного кода терминального УСПД 2, и в системах, не требующих такой передачи.

Если в сообщениях терминальных УСПД 2 передается идентификационный код терминального УСПД 2, то в информации от блока 16 БПФ с правильным определением значений m и n выделяется идентификационный код терминального УСПД 2 и значения показаний измерительного прибора 1. По этим кодам решающий блок 18 подсчитывает контрольную сумму и сравнивает ее с контрольной суммой, полученной в сообщении. При несовпадении контрольных сумм сообщение считается недостоверным и отбрасывается. А если контрольные суммы совпадают, то решающий блок 18 передает идентификационный код терминального УСПД 2 и значение показаний измерительного прибора 1 в блок 19 внешнего интерфейса.

В сообщениях терминальных УСПД 2 может отсутствовать идентификационный код. В этом случае необходимо, чтобы генератор 9 случайных чисел, входящий в состав блока 6 формирования импульсного хоппинг-сигнала, по сигналам таймера 8 выдавал бы случайные числа в соответствии с псевдослучайным алгоритмом, зависящим от идентификационного кода данного терминального УСПД 2. С другой стороны, решающий блок 18, входящий в состав блока 15 обработки импульсного хоппинг-сигнала, должен включать в свой состав запоминающий блок, в котором должны храниться идентификационные коды каждого терминального УСПД 2, и генератор случайных чисел, аналогичный генератору 9 случайных чисел, входящему в состав каждого терминального УСПД 2. После приема каждого сообщения и определения терминального УСПД 2, пославшего данное сообщение, в решающем блоке 18, помимо подсчета контрольной суммы, происходит выделение из запоминающего блока значения идентификационного кода, соответствующего данному терминальному УСПД 2, и формирование очередного случайного числа с использованием псевдослучайного алгоритма с учетом выделенного идентификационного кода. Это случайное число запоминается в запоминающем блоке данного решающего блока 18. При поступлении в решающий блок 18 очередного сообщения случайное число, определенное по несущей частоте F _m и интервалу T_n между импульсными посылками принятого хоппинг-сигнала, сравнивается с каждым из случайных чисел, хранящихся в запоминающем блоке. При совпадении случайных чисел и контрольных сумм решающий блок 18 передает идентификационный код терминального УСПД 2 и значение показаний измерительного прибора 1 в блок 19 внешнего интерфейса.

Блок 19 внешнего интерфейса, роль которого может играть телефонный модем при использовании телефонного канала связи либо радиомодем при использовании радиоканала, преобразует полученную информацию в формат (протокол), принятый для данного канала связи для передачи лицам, заинтересованным в учете расхода данных видов энергоносителей.

По каналу связи информационное сообщение, содержащее идентификационный номер и показания измерительного прибора 1, учитывающего расход данного вида энергоносителя, передается лицам, ведущим учет расхода этого энергоносителя.

Дальнейшие действия, связанные с использованием этой информации, не относятся к предмету настоящего изобретения.

Поскольку при быстром преобразовании Фурье осуществляется интегрирование за достаточно большой промежуток времени Т, короткие случайные помехи в хоппинг-сигнале не оказывают существенного влияния на качество приема. Это позволяет осуществлять передачу хоппинг-сигналов по электросети 3 на очень большие расстояния, делая систему практически неуязвимой к промышленным помехам.

Однако промышленные помехи могут быть и продолжительными во времени при распространении их на какую-то полосу частот. Но особенностью заявляемой системы является использование для передачи данных от любого терминального УСПД 2 частот, которые меняются при каждой передаче. Следовательно, если длительные помехи исказят одно из переданных данным терминальным УСПД 2 сообщение, то с большой вероятностью следующие сообщения данного терминального УСПД 2 будут приняты центральным УСПД 4 без искажений. То есть, существенных потерь информации не могут вызвать ни кратковременные, ни продолжительные помехи.

Поскольку съем данных с измерительных приборов 1, передача их по электросети 3, обработка в центральном УСПД 4 и передача результатов потребителям осуществляются постоянно с частотой, устанавливаемой при программировании, становится возможным применение гибких тарифных планов коммерческого учета расхода энергоносителей, в частности варьирование оплаты в дневное и ночное время или изменение тарифа в зависимости от нагрузки. Односторонний характер передачи данных и отсутствие синхронизации упрощают техническую реализацию системы, делают ее более надежной в работе, а применение узкополосной фильтрации в сочетании с хоппинг-сигналом позволяет снизить влияние шумов и помех, следствием чего является увеличение дальности действия и помехозащищенности системы.

Таким образом, решается поставленная задача изобретения по созданию системы электронного учета расхода энергоносителей, которая позволяет реализовать сбор данных от измерительных приборов, учитывающих расход энергоносителей. При этом такая система не требует синхронизации и обладает значительно большими по сравнению с ближайшим аналогом дальностью действия, помехозащищенностью и надежностью в работе.