СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В МНОГОФАЗНЫХ СЕТЯХ С ЗАЩИТОЙ ОТ ХИЩЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ИХ ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК G01R22/00 G01R11/00 

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

Известен и широко применяется в многофазных цепях переменного тока способ измерения электрической энергии, состоящий в преобразовании среднего значения суммы мгновенных мощностей фаз в частоту вращательного движения и последующем подсчете числа оборотов в качестве результата измерения [1, 2]
До настоящего времени основным средством измерения электрической энергии у многофазных потребителей являются индукционные счетчики, содержащие преобразователь среднего значения суммы мгновенных мощностей фаз в частоту вращательного движения подвижной системы и счетчик числа оборотов [1] Эти многофазные счетчики чувствительны к направлению суммарной мощности фаз и при отсутствии стопора обратного хода обладают свойством реверсивности, однако они не защищены от хищений при инвертировании направления мощности в одной или части фаз на участке цепи, используемом для измерения.

Широко применяется также способ измерения электрической энергии, состоящий в формировании сигналов суммарной мощности фаз, пропорциональных среднему значению суммы мгновенных мощностей фаз в виде произведений фазных тока и напряжения, преобразовании сигнала суммарной мощности фаз в частоту импульсного сигнала с последующим подсчетом числа импульсов в качестве результата измерения. При этом применяют как раздельное во времени [3] так и одновременное [4] формирование сигналов мгновенной мощности каждой из фаз и формирование суммарного сигнала мощности фаз соответственно путем их суммирования и последующего усреднения или непосредственного формирования среднего из их временной последовательности.

Известны многофазные счетчики электрической энергии статической системы, реализующие указанный способ и содержащие для первой его разновидности преобразователи фазных токов и фазных напряжений, перемножители, сумматор, преобразователь суммарного сигнала в частоту импульсного сигнала и счетчик импульсов с отсчетным устройством [3] Другой разновидностью реализации известного способа являются многофазные счетчики электрической энергии, содержащие преобразователи фазных токов и фазных напряжений, мультиплексоры, перемножитель, усредняющий блок, преобразователь в частоту импульсного сигнала и счетчик импульсов с отсчетным устройством [4]
Недостатком известного способа и устройств, его реализующих, является отсутствие защищенности результата измерения электрической энергии в случае намеренного его искажения (хищения) посредством изменения на противоположное направления мощности одной или части фаз, например, инвертированием фазового угла тока по отношению к фазному напряжению на участке цепи, используемом для измерения.

У потребителя энергии имеется возможность создать такие режимы работы счетчика, например, подключением к участкам цепей, используемых для измерения, специальных приспособлений (так называемые "отмотчики"), создающих на этих участках ток противоположного направления току нагрузки, или, например, изменением на противоположную фазировки токовой цепи одной или нескольких фаз. Это приводит к изменению знака активной мощности этих фаз и соответствующему уменьшению суммарной активной мощности фаз или даже изменению ее знака. При использовании индукционных счетчиков, не снабженных стопорами обратного хода, последнее дает возможность, задав большой ток "отмотчика", добиться изменения знака суммарной мощности фаз и в течении нескольких часов свести к нулю накопленные показания за многие месяцы.

Для многофазных счетчиков электрической энергии индукционной и статической системы, использующих известные способы измерения, наиболее распространенным способом вмешательства с целью хищения является изменение на противоположную фазировки токовой цепи не всех, а только одной или части фаз. Это не обязательно приводит к изменению знака суммарной мощности фаз, но позволяет существенно уменьшить ее величину. Так, в симметричной трехфазной цепи изменение фазировки токовой цепи одной фазы уменьшает суммарную мощность втрое. Видимость работоспособности счетчика при этом сохраняется, что увеличивает трудоемкость обнаружения такого хищения и, кроме того, требует высокой квалификации контролеров. Возможности для такого вида хищения возрастают в случае использования выносных измерительных трансформаторов тока, клеммы которого в отличие от входных клемм счетчика легко доступны потребителю.

Хищение указанным методом оказывается возможным и в случае применения известных реверсивных счетчиков, учитывающих энергию прямого и обратного направления и использующих для его определения знак среднего значения сигнала суммарной мощности фаз.

Известен счетчик электрической энергии для раздельного измерения потоков энергии в обоих направлениях [5] содержащий аналоговый перемножитель, интегратор, преобразователь напряжения в частоту и детектор направления мощности. Недостатком этого устройства является отсутствие защищенности результата измерения от вмешательства с целью хищения.

Известен также прибор для измерения электрической энергии [6] предназначенный для определения направления передачи электрической энергии и измерения ее расхода в трехфазной сети, содержащей три аналоговых коммутатора, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки информации в виде микропроцессора и отсчетного устройства. Недостатком устройства является отсутствие защищенности результата измерения от вмешательства с целью хищения электрической энергии путем изменения направления мощности в одной или части фаз.

Известен счетчик электрической энергии для трехфазных цепей с контролем вмешательства с целью хищения, содержащей два аналоговых коммутатора, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки информации в виде микропроцессора и отсчетного устройства [7] В этом счетчике контролируется намеренный обрыв параллельной цепи счетчика. Недостатком устройства является отсутствие защищенности результата измерения от вмешательства путем изменения направления мощности в одной или части фаз на участке цепи, используемом для измерения.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является способ измерения электрической энергии в многофазной сети, включающий формирование сигналов мгновенной мощности каждой фазы, их последующее суммирование и усреднение, определение знака суммарной мощности, формирование сигнала мощности нагрузки, преобразование сигнала мощности нагрузки в частоту импульсного сигнала и последующий подсчет числа импульсов для каждого значения суммы усредненных мгновенных мощностей фаз в качестве результата измерения [8] Реализующее этот способ устройство для измерения активной энергии в трехфазных цепях переменного тока содержит аналоговые перемножители сигналов, первый и второй сумматоры, первый и второй блоки вычисления модуля, первый и второй компараторы нулевого уровня, фильтр низких частот, преобразователь напряжения в частоту и блок обработки информации.

Данное устройство предназначено для измерения энергии в симметричной многофазной сети с возможной рекуперацией электрической энергии в импульсно-реверсивном режиме, для чего в устройстве определяется полярность (знак) сигнала, соответствующего суммарной мгновенной мощности (ее направление), и ее учет при цифровом усреднении частотного импульсного сигнала, пропорционального суммарной мгновенной мощности. Принцип действия известного устройства не позволяет ни выявлять, ни устранять последствия вмешательства в его работу с целью хищения путем изменения на противоположную фазы тока в цепи одной или нескольких фаз. Для реализованного в этом устройстве трехпроводного трехфазного счетчика электрической энергии изменение фазировки тока одной из фаз не обязательно приводит к изменению суммарной мощности всех трех фаз и соответственно не может быть обнаружено имеющимися средствами. При распространении известного решения на случай четырехпроводного трехфазного счетчика электрической энергии изменение фазировки токовой цепи одной из фаз происходит только уменьшением суммарной мощности всех фаз без изменения ее знака. При симметричной по фазам нагрузке в этом случае учитывается только одна треть действительно потребленной энергии.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение степени защищенности результата измерения активной электрической энергии в многофазных сетях для различных алгоритмов учета направления мощности нагрузки в случае попытки хищения путем инвертирования мощности одной или нескольких фаз на участке цепи, используемом для измерения.

Поставленная задача решается тем, что в первом варианте предлагаемого способа измерения электрической энергии в многофазных сетях с защитой от хищения, включающем формирование сигналов мгновенной мощности каждой фазы, их последующее усреднение и суммирование, формирование сигнала мощности нагрузки, преобразование сигнала мощности нагрузки в частоту импульсного сигнала и последующий подсчет числа импульсов для каждого значения знака сигнала суммы усредненных мгновенных мощностей фаз в качестве результата измерения, дополнительно формируют сигналы модулей средних значений мгновенных мощностей фаз, которые затем суммируют, а результат используют в качестве сигнала мощности нагрузки.

Во втором варианте предлагаемого способа измерения электрической энергии в многофазных сетях с защитой от хищений, включающем формирование сигналов мгновенной мощности каждой фазы, их последующее усреднение и суммирование, формирование сигнала мощности нагрузки, преобразование сигнала мощности нагрузки в частоту импульсного сигнала и последующий подсчет числа импульсов для каждого значения знака сигнала суммы усредненных мгновенных мощностей фаз в качестве результата измерения, дополнительно определяют знаки усредненных мгновенных мощностей фаз, по их значению производят знаковое инвертирование соответствующих мгновенных мощностей фаз, полученные сигналы суммируют и усредняют, а результат используют в качестве сигнала мощности нагрузки.

В устройстве, реализующем первый вариант предлагаемого способа и содержащего первый, n-й перемножители, первые входы которых соединены соответственно с первой, n-й входными клеммами напряжения, а вторые входы с соответственно с первой, n-й входными клеммами тока, первый и второй сумматоры, первый и второй блоки вычисления модуля, выходы которых подключены к соответствующим входам первого сумматора, компаратор нулевого уровня, выход которого соединен с первым входом блока обработки информации, первый фильтр низких частот, преобразователь напряжения в частоту, выход которого соединен с вторым входом блока обработки информации, дополнительно введены второй, n-й фильтры низких частот, третий, n-й блоки вычисления модуля, выходы которых подключены к соответствующим входам первого сумматора, входы первого, n-го фильтров низких частот соединены с выходами соответственно первого, n-го перемножителей, а выходы подключены к входам соответственно первого, n-го блоков вычисления модуля и к соответствующим входам второго сумматора, выход которого подключен к входу компаратора нулевого уровня, выход первого сумматора соединен с входом преобразователя напряжения в частоту.

В устройстве, реализующем второй вариант предлагаемого способа и содержащем первый, n-й перемножители, первые входы которых соединены соответственно с первой, n-й входными клеммами напряжения, вторые входы соответственно с первой, n-й входными клеммами тока, первый и второй сумматоры, первый и второй компараторы нулевого уровня, первый фильтр низких частот, блок обработки информации, первый вход которого соединен с выходом первого компаратора нулевого уровня, дополнительно введены интегратор, гистерезисный компаратор, первый, n-й управляемые инверторы, первый, n-й логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, третий, (n + 1)-й компараторы нулевого уровня, второй, n-й фильтры низких частот, причем выходы первого, n-го перемножителей соединены соответственно с первыми входами первого, n-го управляемых инверторов и входами первого, n-го фильтров низких частот, выходы которых подключены соответственно к входам второго, (n + 1)-го компараторов нулевого уровня и к соответствующим входам второго сумматора, соединенного своим выходом с входом первого компаратора нулевого уровня, выходы первого, n-го управляемых инверторов соединены с соответствующими входами первого сумматора, выход которого через интегратор соединен с входом гистерезисного компаратора, выходы второго, (n + 1)-го компараторов нулевого уровня подключены соответственно к первым входам первого, n-го логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами первого, n-го управляемых инверторов, а вторые входы подключены к выходу гистерезисного компаратора, который также соединен с вторым входом блока обработки информации.

Объединение технических решений, относящихся к вариантам способа и реализующих его вариантов устройств в одну заявку связано с тем, что все они решают одну и ту же задачу повышают степень защищенности результата измерения активной электрической энергии в многофазных сетях при попытке хищения путем инвертирования мощности одной или нескольких фаз на участке цепи, используемом для измерения. При этом оба предлагаемых варианта способа и реализующих их устройств решают поставленную задачу принципиально одним и тем же путем: сигнал, характеризующий мощность многофазной нагрузки и преобразуемый в частоту импульсного сигнала, число которых характеризует результат измерения, в отличие от известных решений формируют в виде суммы модулей усредненных мгновенных мощностей фаз, что обеспечивает независимость сигнала мощности нагрузки от направления активной мощности в каждой отдельной фазе.

Предлагаемые варианты способа отличаются друг от друга последовательностью и составом операций формирования сигнала мощности нагрузки, которые тем не менее эквивалентны по достигаемому результату, обеспечивающему независимость сигнала мощности нагрузки от направления активной мощности в каждой отдельной фазе и затрудняющему возможность хищения электрической энергии. Устройства, реализующие последовательность операций соответствующих вариантов предлагаемого способа, также равноценны по достигаемому техническому результату, заключающемуся в снижении чувствительности результата измерения к возможному вмешательству в его работу с целью хищения электрической энергии указанным выше способом. Кроме того, устройство по второму варианту предлагаемого способа позволяет оптимальным (с точки зрения минимизации погрешностей измерения и аппаратурных затрат) образом реализовать операции усреднения, формирования модуля и преобразования в частоту импульсного сигнала и повысить точность измерения электрической энергии как в сравнении с известным устройством, так и с устройством по первому варианту предлагаемого способа.

По указанным причинам сущность изобретений по каждому из вариантов способа и реализующих их устройств является равноценной, а существенные отличия, обеспечивающие требуемое сочетание технических характеристик, с учетом общих с известным решением признаков не могут быть объединены обобщающими или альтернативными признаками и потому представлены в виде независимых объектов.

За счет указанной совокупности отличительных признаков предлагаемые варианты способа и реализующих их устройств затрудняют возможность искажения результата измерения в многофазных счетчиках электрической энергии с целью ее хищения, заключающегося в преднамеренном или случайном изменении на противоположную направления мощности на участке цепи, используемом для измерения. Это обеспечивается в конечном счете тем, что в отличие от известных устройств сигнал мощности нагрузки, преобразуемый в частоту и характеризующий суммарную мощность всех фаз, формируется в виде суммы модулей фазных мощностей, а операция формирования суммы усредненных мощностей фаз является необходимой только для определения направления измеряемой электрической энергии многофазной цепи в случае необходимости его учета. В устройствах, реализующих предлагаемые варианты способа, для определения направления измеряемой электрической энергии служат первый сумматор и первый компаратор нулевого уровня, выходной сигнал которого используется в блоке обработки информации для разнесения измеренной электрической энергии по направлениям. Указанные отличительные признаки не используются в известных устройствах аналогичного назначения.

Предлагаемая реализация преобразования суммарной мощности мгновенной мощности всех фаз в частоту импульсного сигнала позволяет обеспечить работоспособность при любом из двух возможных направлений средней многофазной мощности в измеряемой цепи, а при различных режимах работы блока обработки информации проводить либо раздельное измерение энергии прямого и обратного направления (работать в реверсивном режиме), либо измерение модуля проходящей по цепи мощности, т.е. расширить функциональные возможности в сравнении с известным устройством.

На фиг. 1 приведена функциональная схема многофазного счетчика электрической энергии, реализующего первый вариант предлагаемого способа измерения электрической энергии с защитой от хищений; на фиг. 2 функциональная схема многофазного счетчика электрической энергии, реализующего второй вариант предлагаемого способа; на фиг. 3 функциональная схема возможной реализации блока обработки информации для раздельного измерения потоков электрической энергии обоих направлений; на фиг. 4 функциональная схема возможной реализации блока обработки информации для измерения среднего потока электрической энергии для потребителей с возможной ее рекуперацией; на фиг. 5 функциональная схема возможной реализации блока обработки информации для измерения модуля прошедшей через измеряемую цепь электрической энергии.

Устройство, реализующее первый вариант предлагаемого способа измерения электрической энергии, содержит (фиг. 1) первый 1₁, n-й 1_n перемножители, на первые входы которых подаются сигналы, пропорциональные напряжениям соответствующих фаз U₁, U_n, а на вторые - сигналы, пропорциональные фазным токам I₁, I_n. Выходы перемножителей соединены соответственно с входами первого 2₁, n-го 2_n фильтров низких частот, выходы которых подключены к соответствующим входам второго сумматора 3, в свою очередь выход которого через компаратор нулевого уровня 4 соединен с первым входом блока обработки информации 5. Первый, n-й входы первого сумматора 6 соединены с выходами соответственно первого 7₁, n-го 7_n блоков вычисления модуля, входы которых подключены к выходам соответствующих фильтров низких частот 2₁, 2_n. Выход первого сумматора 6 через преобразователь напряжения в частоту 8 соединен с вторым входом блока обработки информации 5.

Устройство, реализующее второй вариант предлагаемого способа измерения электрической энергии, содержит первый 1₁, n-й 1_n перемножители, на первые входы которых подаются сигналы, пропорциональные напряжениям соответствующих фаз U₁, U_n, а на вторые сигналы, пропорциональные фазным токам I₁, I_n. Выходы перемножителей соединены соответственно с входами первого 2₁, n-го 2_n фильтров низких частот, выходы которых подключены к соответствующим входам второго сумматора 3, в свою очередь выход которого через первый компаратор нуля 4 соединен с первым входом блока обработки информации 5. Устройство также содержит первый сумматор 6, к входам которого подключены соответственно выходы первого 9₁, n-го 9_n управляемых инверторов, первые входы которых соединены с выходами соответственно первого 1₁, n-го 1_n перемножителей. Выходы первого 2₁, n-го 2_n фильтров низких частот через второй 10₁, (n+1)-й 10_n компараторы нулевого уровня подключены соответственно к первым входам первого 11₁, n-го 11_n логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выходы которых соединены с вторыми входами соответственно первого 9₁, n-го 9_n управляемых инверторов. Выход первого сумматора 6 через последовательно включенные интегратор 12 и гистерезисный компаратор 13 соединен с вторыми входами первого 11₁, n-го 11_n логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и с вторым входом блока обработки информации 5.

Блок обработки информации для раздельного измерения потоков электрической энергии обоих направлений (фиг. 3) содержит первый 14 и второй 15 счетчики импульсов, подключенные своими входами к соответствующим выходам демультиплексора 16, управляющий вход которого является первым входом блока обработки информации, а сигнальный вход вторым его входом. Выходы первого 14 или второго 15 счетчиков импульсов соединены с входами соответственно первого 17 и второго 18 отсчетных устройств.

Блок обработки информации 5 для измерения среднего потока электрической энергии обоих направлений (фиг. 4) содержит реверсивный счетчик 19, выход которого соединен с входом отсчетного устройства 20. Вход управления направления счета и счетный вход реверсивного счетчика 19 являются соответственно первым и вторым входами блока обработки информации.

Блок обработки информации 5 для измерения модуля прошедшей через измеряемую цепь электрической энергии (фиг. 5) содержит счетчик импульсов 21, соединенный своим выходом с входом отсчетного устройства 22. При этом вход счетчика импульсов 21 является вторым входом блока обработки информации, первый же его вход при этом не используется.

Измерение электрической энергии, осуществляемое в соответствии с первым вариантом предлагаемого способа, поясняется на примере работы устройства, его реализующего (фиг. 1). Первый 1₁, n-й 1_n перемножители, на первые входы которых подаются сигналы, пропорциональные напряжениям фаз U₁, U_n, а на вторые сигналы, пропорциональные фазным токам I₁, I_n, формируют на своих выходах сигналы, пропорциональные мгновенной мощности соответствующих фаз W₁, W_n. С помощью первого 2₁, n-го 2_n фильтров низких частот из сигналов мгновенной мощности фаз W₁, W_n формируются средние значения этих сигналов в виде напряжений постоянного тока, пропорциональных активной мощности соответствующих фаз P₁, P_n. Из этих сигналов второй сумматор 3 формирует сигнал суммы усредненных мгновенных мощностей фаз P, знак S_p которого определяет компаратор нулевого уровня 4. Первый 7₁, n-й 7_n блоки вычисления модуля формируют модели соответствующих усредненных мгновенных мощностей токов фаз суммируемых с помощью первого сумматора 6, выходной сигнал которого образует сигнал мощности нагрузки Преобразователь напряжения в частоту 8 преобразует сигнал мощности нагрузки в пропорциональный ему по частоте импульсный сигнал F_p. Выходной импульсный сигнал F_p преобразователя напряжения в частоту и выходной сигнал S_p знака мощности поступают соответственно на второй и первый входы блока обработки информации 5, который осуществляет накопление, хранение и отображение числа накопленных импульсов с выхода преобразователя напряжения в частоту 8, характеризующего измеренное количество электрической энергии. Поскольку сигнал мощности нагрузки, формируемый в виде суммы модулей мощности фаз, не зависит от направления мощности в каждой из фаз, то частота выходного сигнала преобразователя напряжения в частоту 8 не будет изменяться при попытке изменения на противоположную направления мощности одной или нескольких фаз.

При этом предлагаемый многофазный счетчик позволяет проводить измерение энергии в соответствии с различными встречаемыми в практике алгоритмами учета ее направления (знака): раздельное измерение потоков электрической энергии обоих направлений по сети (например, для межсистемного учета), измерение среднего потока электрической энергии для потребителей с возможной ее рекуперацией и, наконец, измерение модуля прошедшей через измеряемую цепь электрической энергии для потребителей, у которых отсутствует возможность ее рекуперации. Реализация этих алгоритмов при наличии указанных выше логических сигналов F_p и S_p хотя и требует некоторого различия в выполнении блока обработки информации, но форма выполнения последнего не влияет на результат решения основной решаемой задачи и потому не относится к числу существенных признаков. Для раздельного учета энергии разного направления блок обработки информации 5 содержит (фиг. 3) два счетчика импульсов 14 и 15. Импульсный выходной сигнал преобразователя напряжения в частоту F_p через демультиплексор 16, управляемый знаковым сигналом S_p, поступает на счетные входы первого 14 или второго 15 счетчиков импульсов, содержимое которых отображается соответственно первым 17 и вторым 18 отсчетными устройствами и характеризует многофазную активную мощность прямого и обратного направления. Для потребителей с возможной рекуперацией электрической энергии в блоке обработки информации 5 используется (фиг. 4) реверсивный счетчик 19, направление счета которым импульсных сигналов F_p управляется знаковым сигналом S_p, а содержимое реверсивного счетчика 19 отображается отсчетным устройством 20 и характеризует разницу между потребленной и возвращенной в сеть электрической энергией. В третьем наиболее распространенном случае, когда у потребителей отсутствует возможность рекуперации электрической энергии, целесообразно, чтобы счетчик производил измерение ее модуля, что позволяет затруднить хищение электрической энергии при намеренном изменении ее направления во всех или части фаз. В этом случае блок обработки информации 5 содержит (фиг. 5) только счетчик импульсов 21 и относительное устройство 22, характеризующее потребленную многофазную активную энергию. При этом неудачной будет попытка скомпенсировать мощность, потребляемую многофазной нагрузкой, подключением к токовой цепи одной или части фаз приспособлений типа "отмотчик" или несанкционированным изменением полярности подключения последовательной (токовой) цепи.

Очевидно, что возможно также построение блока обработки информации, совмещающего все три перечисленные функции, при условии введения переключения режима работы.

Измерение электрической энергии, осуществляемое в соответствии с вторым вариантом предлагаемого способа, поясняется на примере работы устройства, его реализующего (фиг. 2). Так же, как и в первом варианте, первый 1₁, n-й 1_n перемножители из соответствующих напряжений фаз U₁, U_n и фазных токов I₁, I_n формируют на своих выходах сигналы W₁, W_n, пропорциональные мгновенной мощности соответствующих фаз. С помощью первого 2₁, n-го 2_n фильтров низких частот из сигналов мгновенной мощности фаз формируются сигналы P₁, P_n, пропорциональные активной мощности соответствующих фаз. Из этих сигналов второй сумматор 3 формирует сигнал суммарной мощности фаз P, знак S_p которой определяется с помощью первого компаратора нулевого уровня 4.

В устройстве по второму варианту способа формирование сигнала мощности нагрузки совмещено с преобразованием этого сигнала в частоту импульсного сигнала. При этом сигнал мгновенной мощности каждой фазы W₁, W_n с выхода соответствующего перемножителя 1₁ 1_n предварительно подвергается знаковому инвертированию с помощью управляемых инверторов 9₁, 9_n в соответствии с выражением

где S_pi знаковая компонента усредненного сигнала мгновенной мощности i-й фазы P_i, формируемая (i + 1)-м компаратором нулевого уровня, причем S_pi 1 при P_i > 0, S_pi -1 при P_i <0. То есть, коэффициент передачи управляемых инверторов 9₁, 9_n с первого входа на выход по модулю не изменяется, а изменяется по знаку в зависимости от значения двоичного управляющего сигнала S_pi на их вторых входах, притом значение коэффициентов передачи управляемых инверторов 9₁, 9_n устанавливается таким, чтобы знак среднего значения их выходного сигнала не зависел от изменения полярности среднего значения (постоянной составляющей) выходных сигналов соответствующих перемножителей 1₁, 1_n. Для этого компараторы нуля 10₁, 10_n, определяющие полярность активной мощности соответствующей фазы S_p1, S_pn, своими выходными сигналами через первый 11₁, n-й 11_n логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ устанавливают необходимые для названного условия значения коэффициентов передачи управляемых инверторов 9₁, 9_n. Результат знакового инвертирования на выходе управляемых инверторов 9₁, 9_n эквивалентен по среднему значению результату вычисления модуля. Для реализации операции усреднения сигнала суммы результатов знакового инвертирования применяется интегратор 12, выходной сигнал которого соответствует сигналу мощности нагрузки (с учетом пропорциональности этого сигнала времени). При этом интегратор 12 также участвует и в преобразовании сигнала мощности нагрузки в частоту импульсного сигнала. При ненулевом значении среднего значения сигнала на выходе второго сумматора 6 напряжение на выходе интегратора 12 увеличивается или уменьшается и определяет одно из двух возможных состояний гистерезисного компаратора 13. Значение выходного сигнала этого элемента, устанавливающееся при увеличении напряжения на выходе интегратора 12 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 13 принимает свое второе значение. В свою очередь, второе состояние сохраняется после этого как при значениях напряжения на выходе интегратора 12, меньших нижнего порога, так и при больших, но не превышающих верхнего порога срабатывания. Выходной сигнал гистерезисного компаратора 13 изменяет состояния первого 9₁, n-го 9_n управляемых инверторов соответственно через первый 11₁, n-й 11_n логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ таким образом, что для какой-либо одной из двух возможных полярностей среднего значения сигнала на выходе второго сумматора 6 при достижении напряжения на выходе интегратора 12 верхнего порога срабатывания гистерезисного компаратора 13 его изменившийся выходной сигнал переключает состояния первого 9₁, n-го 9_n управляемых инверторов, что приводит к уменьшению напряжения на интеграторе 12. Постоянная интегрирования интегратора выбирается такой, чтобы при максимальном значении сигнала мощности нагрузки на выходе сумматора 6 изменение напряжения на выходе интегратора 12 было по крайней мере вдвое меньше разности верхнего и нижнего порогов срабатывания гистерезисного компаратора 13 (ширина петли гистерезиса). При соблюдении указанных условий и неизменном направлении средней мощности в измеряемой сети в течение времени, не меньшем постоянной времени первого 2₁, n-го 2_n фильтров низких частот, отрицательная обратная связь, осуществляемая соединением выхода гистерезисного компаратора 13 через первый 11₁, n-й 11_n логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ управляющих входов соответственно первого 9₁, n-го 9_n управляемых инверторов, обеспечивает поддержание напряжения на выходе интегратора 12 внутри диапазона, ограниченного верхним и нижним порогами срабатывания гистерезисного компаратора 13 (ширины петли гистерезиса), т.е. соблюдается условие отрицательности обратной связи по частоте. При этом форма выходного напряжения интегратора 12 близка к пилообразной с размахом, равным ширине петли гистерезиса гистерезисного компаратора 13, а средняя частота импульсного сигнала F_p на выходе последнего пропорциональна среднему значению постоянной составляющей сигнала на выходе второго сумматора 6 или сигналу мощности нагрузки. В сети переменного тока указанный параметр характеризует активную мощность, т.е. учитывает и коэффициент мощности.

Для правильной работы устройства необходимо наличие гистерезиса передаточной характеристики преобразования у гистерезисного компаратора 13. Другое используемое в литературе название таких элементов регенераторный компаратор, реализуемый на одном или двух компараторах с обязательным введением элементов с положительной обратной связью [9] Хорошо известными являются и методы стабилизации порогов срабатывания и ширины петли гистерезиса.

Управляемые инверторы 9₁, 9_n, реализующие операцию знакового инвертирования и функционирующие в соответствии с описанным выше алгоритмом, являются хорошо известным элементом аналоговой вычислительной техники и его реализация описана в литературе [10, 11]
Предлагаемая реализация второго варианта способа обеспечивает низкую чувствительность результата преобразования в частоту импульсного сигнала к аддитивным составляющим аппаратурной погрешности основных элементов, обеспечивающих преобразование в частоту импульсного сигнала и прежде всего интегратора 12 и гистерезисного компаратора 13. При двойном интегрировании сигнала мгновенной мощности (в прямом и обратном направлении) погрешность преобразования в частоту пропорциональна квадрату отношения уровней рабочего (полезного) и приведенных к выходу аддитивного паразитного сигналов независимо от характера (потенциального или токового) входного сигнала интегратора. Возможные источники аддитивных ошибок на выходе интегратора или порогов срабатывания гистерезисного компаратора проявляются на фоне больших по величине уровней указанных порогов независимо от значения измеряемой мощности нагрузки, т.е. проявляются в частотном выходном сигнале в виде относительной погрешности. Это позволяет расширить диапазон преобразования мощности в частоту с нормированной величиной относительной погрешности до 2 3 декад изменения измеряемой мощности и при этом сохранить работоспособность при любом направлении мощности всех фаз.

Описанную реализацию второго варианта предлагаемого способа целесообразно выполнить по блочному принципу, как это показано на фиг. 2, где каждый обведенный пунктиром блок является преобразователем мощности одной фазы в частоту импульсного сигнала [10] Многофазный счетчик при такой реализации агрегируется из однотипных преобразователей мощности в частоту по числу фаз сети и при необходимости учета направления суммарной измеряемой энергии может содержать второй сумматор 3 и компаратор нулевого уровня 4. При этом преобразователь одной из фаз (на фиг. 2 первой фазы) выделяется в качестве ведущего, интегратор и гистерезисный компаратор которого используются для преобразования сигнала мощности нагрузки в частоту импульсного сигнала, а в преобразователях других фаз эти элементы не используются. Такие преобразователи мощности в частоту выпускаются в настоящее время серийно в виде одной интегральной микросхемы (например, интегральная схема UAO1ПС1 и ее последующие аналоги Киевского завода "Квазар", Украина) и имеют все необходимые входы и выходы для построения многофазных счетчиков с указанными свойствами. Токовый характер выходного сигнала управляемого инвертора 9 такой схемы позволяет обеспечить формирование сигнала мощности нагрузки простым объединением выходов этих элементов преобразователей всех фаз и выполнить тем самым функцию первого сумматора 6.

Использование: в электроизмерительной технике, для учета электрической энергии в многофазных цепях переменного тока при различных алгоритмах учета ее направления. Сущность: первый вариант способа предполагает формирование сигналов мгновенной мощности каждой фазы, их усреднение и последующее суммирование, формирование сигнала мощности нагрузки, его преобразование в частоту импульсного сигнала и последующий подсчет числа импульсов с учетом знака сигнала суммарной мощности фаз. Формируют модули средних значений мгновенной мощности фаз, сумма которых является сигналом мощности нагрузки. Соответствующее устройство содержит два сумматора, компаратор нулевого уровня, преобразователь напряжения в частоту и блок обработки информации, а в канале каждой фазы - перемножитель, фильтр низких частот и блок вычисления модуля. Во втором варианте способа определяют знаки усредненных мгновенных мощностей фаз, по их значению производят знаковое инвертирование соответствующих мгновенных мощностей фаз, результаты суммируют и среднее значение полученного сигнала используют в качестве сигнала мощности нагрузки. В реализующем устройстве формирование сигнала мощности нагрузки совмещено с преобразованием последнего в частоту импульсного сигнала, для чего оно дополнительно содержит интегратор и гистерезисный компаратор, а в канале каждой фазы - управляемый инвертор, компаратор нулевого уровня и логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Изобретение позволяет защитить результат измерения при попытке хищения путем инвертирования напряжения мощности одной или нескольких фаз. 4 с.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ измерения электрической энергии в многофазных сетях с защитой от хищений, включающий формирование сигналов мгновенной мощности каждой фазы, их последующее усреднение и суммирование, формирование сигнала мощности нагрузки, преобразование сигнала мощности нагрузки в частоту импульсного сигнала и последующий подсчет числа импульсов для каждого значения знака сигнала суммы усредненных мгновенных мощностей фаз в качестве результата измерения, отличающийся тем, что дополнительно формируют сигналы модулей средних значений мгновенных мощностей фаз, которые затем суммируют, а результат используют в качестве сигнала мощности нагрузки. 2. Способ измерения электрической энергии в многофазных сетях с защитой от хищений, включающий формирование сигналов мгновенной мощности каждой фазы, их последующее усреднение и суммирование, формирование сигнала мощности нагрузки, преобразование сигнала мощности нагрузки в частоту импульсного сигнала и последующий подсчет числа импульсов для каждого значения знака сигнала суммы усредненных мгновенных мощностей фаз в качестве результата измерения, отличающийся тем, что дополнительно определяют знаки усредненных мгновенных мощностей фаз, по их значению производят знаковое инвертирование соответствующих мгновенных мощностей фаз, полученные сигналы суммируют и усредняют, а результат используют в качестве сигнала мощности нагрузки. 3. Устройство для измерения электрической энергии в многофазных сетях с защитой от хищений, содержащее первый, n-й перемножители, первые входы которых соединены соответственно с первой, n-й входными клеммами напряжения, а вторые входы соответственно с первой, n-й входными клеммами тока, первый и второй сумматоры, первый и второй блоки вычисления модуля, выходы которых подключены к соответствующим входам первого сумматора, компаратор нулевого уровня, выход которого соединен с первым входом блока обработки информации, первый фильтр низких частот, преобразователь напряжения в частоту, выход которого соединен с вторым входом блока обработки информации, отличающееся тем, что оно содержит второй, n-й фильтры низких частот, третий, n-й блоки вычисления модуля, выходы которых подключены к соответствующим входам первого сумматора, входы первого, n-го фильтров низких частот соединены с выходами, соответственно, первого, n-го перемножителей, а выходы подключены к входам соответственно первого, n-го блоков вычисления модуля и к соответствующим входам второго сумматора, выход которого подключен к входу компаратора нулевого уровня, выход первого сумматора соединен с входом преобразователя напряжения в частоту. 4. Устройство для измерения электрической энергии в многофазных сетях с защитой от хищений, содержащее первый,n-й перемножители, первые входы которых соединены соответственно с первой, n-й входными клеммами напряжения, вторые входы соответственно с первой, n-й входными клеммами тока, первый и второй сумматоры, первый и второй компараторы нулевого уровня, первый фильтр низких частот, блок обработки информации, первый вход которого соединен с выходом первого компаратора нулевого уровня, отличающееся тем, что оно содержит интегратор, гистерезисный компаратор, первый, n-й управляемые инверторы, первый, n-й логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, третий, (n + 1)-й компараторы нулевого уровня, второй, n-й фильтры низких частот, причем выходы первого, n-го перемножителей соединены соответственно с первыми входами первого, n-го управляемых инверторов и входами первого, n-го фильтров низких частот, выходы которых подключены соответственно к входам второго, (n + 1)-го компараторов нулевого уровня и к соответствующим входам второго сумматора, соединенного своим выходом с входом первого компаратора нулевого уровня, выходы первого, n-го управляемых инверторов соединены с соответствующими входами первого сумматора, выход которого через интегратор соединен с входом гистерезисного компаратора, выходы второго, (n+1)-го компараторов нулевого уровня подключены соответственно к первым входам первого, n-го логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами первого, n-го управляемых инверторов, а вторые входы подключены к выходу гистерезисного компаратора, который также соединен с вторым входом блока обработки информации.