3.5.2 Принцип работы

Принцип работы счетчика поясняется структурной схемой, приведенной на рисунке 3.2.

3.5.2.1 Плата счетчика

Токи и напряжения в линии переменного тока измеряются соответственно при помощи специальных датчиков (трансформаторов) тока и резистивных делителей напряжения. Преобразования величин выполняются с использованием шестиканального аналогоцифрового преобразователя (АЦП), которое осуществляет преобразование мгновенных значений входных аналоговых сигналов в цифровой код и передачу через последовательный синхронный интерфейс в МК. Значения цифрового кода АЦП поступают на последовательный синхронный порт микроконтроллера (МК). МК производит расчет среднеквадратичных значений токов и напряжений, активной, реактивной, полной мощностей и энергий, а также углов сдвига и частоты основной гармоники сигналов напряжения. МК осуществляет связь между всеми периферийными устройствами схемы.

Все электронные элементы счетчика расположены на одной печатной плате:

- модуль питания;

- резистивные делители напряжения;

- нагрузочные резисторы для трех датчиков тока;

- АЦП;

- МК;

- схема сброса;

- энергонезависимая память (ЭНОЗУ);

- жидкокристаллический индикатор (ЖКИ);

- кнопки управления (Кн);

- память FRAM с часами реального времени (ЧРВ);

- элементы телеметрических выходов (ТМ);

- индикаторы работы счетчика (И).

3.5.2.2 Модуль питания

Для питания счетчика используется импульсный обратноходовой преобразователь, преобразующий выпрямленные входные напряжения в напряжение необходимое для питания всех узлов счетчика. Для питания счетчика от резервного источника (РИП) используется низковольтный обратноходовой преобразователь, на который может быть подано резервное напряжение питания от 9 до 15 В. При отсутствии входных напряжений UA, UB, UC счетчик автоматически переключается на работу от РИП (если резервное питание подключено). При появлении входных напряжений UA, UB, UC РИП автоматически отключается.

Входные цепи РИП гальванически изолированы от остальных цепей на пробивное среднеквадратичное напряжение 4 кВ.

3.5.2.3 Измерительные датчики напряжения

Для согласования фазных напряжений с уровнями входных сигналов АЦП используются резистивные делители.

Фазные (линейные) напряжения подаются из МП через резистивные делители и приводятся к необходимому уровню входных сигналов для АЦП. В делителях применяются прецизионные резисторы.

3.5.2.4 Измерительные датчики тока

Электронная схема получает ток каждой фазы через трансформаторы тока, встроенные в счетчик. Вторичные обмотки трансформаторов включены на прецизионные нагрузочные сопротивления, в результате чего на входы АЦП подаются напряжения пропорциональные входным токам.

3.5.2.5 Преобразование и вычисление сигналов

АЦП осуществляет измерение мгновенных значений величин, пропорциональных фазным напряжениям и токам параллельно по шести ка налам, преобразование их в цифровой код и передачу по скоростному по следовательному каналу вычислителю МК.

Вычислитель МК по выборкам мгновенных значений напряжений и токов производит вычисление средних за период измерения значений нужных величин с учетом калибровочных коэффициентов по следующим формулам:

Для расчета среднеквадратичных значений напряжения и тока по каждой фазе используется формула

где КU , КI - калибровочные коэффициенты по данной фазе (вводится при калибровке);

N - число выборок в течение времени измерения;

Ui ,Ii - мгновенное значение выборки напряжения и тока.

Активная мощность в каждой фазе вычисляется по формуле

Активная мощность трехфазной сети:

где P - активная мощность по каждой фазе.

Полная мощность в каждой фазе трехфазной сети вычисляется по формуле

где UФ , IФ – среднеквадратичные значения напряжения и силы тока в соответствующей фазе.

Полная мощность трехфазной сети:

где S - полная мощность по каждой фазе.

Реактивная мощность по каждой фазе вычисляется по формуле

где SФ , РФ – полная и активная мощности в соответствующей фазе.

Реактивная мощность трехфазной сети:

где Q - реактивная мощность по каждой фазе.

Мощность потерь в цепях тока по каждой фазе вычисляется по формуле

где I - среднеквадратичные значения силы тока по каждой фазе;

RФА, RФВ, RФС – активное сопротивления линий передачи по каждой фазе.

Примечание – при RФА, RФВ, RФС =1 Ом мощность потерь равна удельной мощности потерь. При поверке счетчика R устанавливается равной 1 Ом (поверяется удельная энергия потерь).

Коэффициенты активной мощности вычисляется по формуле

где РФА, РФВ, РФС, - активная мощность в каждой фазе определенная по формуле (3.6), Вт;

SФА, SФВ, SФС - полная мощность в каждой фазе определенная по формуле (3.8), В А.

Р , S - суммарная активная и полная мощность соответственно;

Коэффициенты реактивной мощности вычисляются по формуле

где QФА, QФВ, QФС, - реактивная мощность определенная по формуле (3.10), вар.

Q , - суммарная реактивная мощность.

По коэффициентам активной и реактивной мощности определяется номер квадранта.

Распределение энергии по квадрантам приведено на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Диаграмма распределения активной и реактивной

энергии (мощности) по квадрантам

Для каждого из шести типов энергий рассчитываются пофазные значения, интегрированные на периоде 1 секунда:

- потребленной активной энергии, Аi, если вектор полной мощности фазы находится в I или IV квадрантах.

- отпущенной активной энергии Ае, если вектор полной мощности фазы находится во II или в III квадрантах.

- потребленной реактивной энергии Ri , если вектор полной мощности фазы находится в квадрантах III или IV.

- отпущенной реактивной энергии Re , если вектор полной мощности фазы находится в квадрантах I или II.

- потребленной (отпущенной) активной энергии потерь Li (Le), если вектор полной мощности фазы находится в I или IV (II или III) квадрантах соответственно.

На основе вычисленных энергий каналов вычислителя МК выдает сигналы об энергопотреблении на импульсные выходы, которые могут быть подключены к системе АСКУЭ.

В энергонезависимой памяти МК, записана информация необходимая для правильного функционирования счетчика:

управляющая программа счетчика;

калибровочные коэффициенты;

параметры конфигурации;

пароли и маски доступа счетчика;

параметры тарификации.

3.5.2.6 Память FRAM с часами реального времени

Все необходимые данные для обеспечения сохранности результатов многотарифных вычислений содержатся в энергонезависимой памяти FRAM, расположенной на основной плате счетчика. Эти данные включают:

- накопители 6 каналов учета по тарифам и суммарно;

- значения 6 каналов учета суммарно последней команды фиксации;

- текущие максимумы мощностей 6 каналов учета по тарифам;

- значение мощностей 6 каналов учета за последний 3-х минутный интервал;

- активные записи текущего времени усреднения профилей нагрузок;

Указатели на текущие записи журналов, месячных и суточных 6 каналов учета по тарифам и суммарно;

Отсчет времени и ведение календаря осуществляют часы реального времени (ЧРВ) размещенные в одном корпусе с FRAM. Для работы ЧРВ при отсутствии питания используется литиевая батарея напряжением 3 В.

3.5.2.7 Память ЭНОЗУ

Энергонезависимая память большого объема ЭНОЗУ предназначена для:

- хранения данных профилей нагрузки по 4 каналам учета (Ai, Ae, Ri, Re) с заданным временем усреднения.

- значения накопителей за 24 предыдущих месяца 6 каналов учета по тарифам и суммарно;

- значения накопителей за 45 предыдущих суток 6 каналов учета по тарифам и суммарно;

- максимальную мощность на заданном времени усреднения за 24 предыдущих месяца 6 каналов учета по тарифам;

- журналы на 100 записей каждый с фиксацией даты и времени события: программирования изменяемых параметров; выхода за допуск параметров сети; отрицательных результатов самодиагностики.

3.5.2.8 Интерфейс счетчика

Счетчик обеспечивает обмен информацией с внешними устройствами обработки данных в зависимости от модификации через оптический порт и интерфейс в соответствии с ГОСТ Р МЭК 61107-2001.

Обмен данными одновременно через оптический порт и интерфейс невозможен.

Все контакты интерфейсов гальванически изолированы от остальных цепей на пробивное среднеквадратичное напряжение 4 кВ.

Оптический порт сконструирован в соответствии с ГОСТ Р МЭК 61107-2001. ОП предназначен для локальной связи счетчика через оптическую головку, подключенную к последовательному порту ПЭВМ.

Модификации счетчиков, имеющие в составе интерфейс EIA232, можно напрямую подключать к последовательному порту ПЭВМ.

Модификации счетчиков, имеющие в составе интерфейс EIA485, позволяют объединить не менее 31 устройства (счетчика) на одну общую шину.

3.5.2.9 Импульсные выходы

В счетчике имеется четыре электрических импульсных выхода (ТМ1…ТМ4). Выхода реализованы на транзисторах с "открытым" коллектором и предназначены для коммутации напряжения постоянного тока. Номинальное напряжение питания (102) В, максимально допустимое 24 В. Величина коммутируемого номинального тока равна (101) мА, максимально допустимая 30 мА. Выхода могут быть использованы в качестве основного передающего выходного устройства с параметрами по ГОСТ Р 52320-2005, ГОСТ Р 52322-2005 (ГОСТ Р 52323-2005).

Все импульсные выходы гальванически изолированы от остальных цепей на пробивное среднеквадратичное напряжение 4 кВ.

3.5.2.10 Жидкокристаллический индикатор

ЖКИ используется для отображения измеренных и накопленных величин, вспомогательных параметров и сообщений. Для удобства просмотра вся индицируемая информация разделена на отдельные группы. Каждая группа может содержать различное число параметров.

Просмотр осуществляется пользователем с помощью кнопок (Кн).

Выводимая на ЖКИ информация приведена на рисунке 3.4

3.5.2.11 Световые индикаторы

В счетчике имеются два световых индикатора (СИ), работающих с частотой основного передающего устройства. Верхний световой индикатор отображает активную энергию, нижний - реактивную энергию. Световые индикаторы могут быть использованы для поверки счетчика.