Способ контроля метрологических характеристик многофункциональных счетчиков электрической энергии и устройство для его реализации Российский патент 2023 года по МПК G01R35/04 G01R22/10 G01R21/06 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в счетчиках электрической энергии.

В настоящее время широкое распространение получили многофункциональные счетчики электрической энергии (СЭЭ), в том числе т. н. «Сплит-счетчики», отличающиеся от классических СЭЭ тем, что измерительный блок и блок индикации разнесены в пространстве, при этом измерительный блок размещается в труднодоступном для абонента месте, например, на опоре ЛЭП, а блок индикации — у абонента. Такая конфигурация обеспечивает максимальную защиту от хищений СЭЭ, но вызывает сложности при периодическом контроле метрологических характеристик счетчика (поверке) в процессе эксплуатации, поскольку при традиционном способе поверки счетчик необходимо снять с места эксплуатации, установить в поверочную установку, задать нормированные тестовые воздействия, определить погрешности измерения параметров и принять решение о возможности дальнейшей эксплуатации, оформив соответствующие документы. При массовом внедрении многофункциональных СЭЭ это приводит к большим трудозатратам и длительным перерывам в энергоснабжении потребителей.

Существуют способы контроля метрологических характеристик СЭЭ на месте эксплуатации, при которых в процессе осуществления контроля потребитель отключается от счетчика, а вместо него подключается нагрузочное устройство, обеспечивающее нормированное тестовое воздействие по току. Данный метод не обеспечивает контроль погрешностей при изменении напряжения в установленном диапазоне, а также не обеспечивает контроль температурной погрешности измерителя, что ограничивает временные рамки проведения поверки сезоном, при котором окружающая температура в месте установки измерительного блока не выходит за границы нормальных условий поверки (как правило, 23±5ºС).

Известен счетчик электроэнергии со встроенной виртуальной нагрузкой (см. патент CN № 205844511U, МПК G01R 35/04, опубликован 28.12.2016 г.), в котором контроль работоспособности счетчика выполняют с помощью дополнительного измерительного элемента, встроенного в счетчик, при этом используют источник тока, создающий фиктивную мощность, так же встроенный в счетчик.

Также известен способ проверки работоспособности счетчика (см. патентную заявку CN № 107121659A, МПК G01R 35/04, опубликован 01.09.2017 г.), в котором выполняют следующие действия:

1) к счетчику подключают внешнее контрольное устройство (дополнительный измерительный элемент), переводят счетчик в режим тестирования;

2) с помощью контрольного устройства проводят измерение тока и напряжения в цепях тока и напряжения счетчика, определяют количество измеренной энергии, передают полученные данные на основной измерительный блок счетчика;

3) рассчитывают мощность в режиме реального времени, соответствующую измеренным значениям напряжения и тока, определяют мощность, измеренную счетчиком в заданном интервале времени по количеству импульсов на импульсном выходе счетчика, сравнивают мощности, измеренные счетчиком и контрольным устройством, вычисляют погрешность счетчика;

4) измеренное значение погрешности счетчика отображают в режиме реального времени на дисплее счетчика, оно может быть загружено на компьютер через выделенный интерфейс данных, автоматически генерируя архив отчета о тестировании и реализуя функцию просмотра, запроса, отчета и печати результата контроля;

5) счетчик генерирует ток, создающий фиктивную мощность для счетчика, что позволяет выполнять проверку счетчика при незначительной нагрузке или при ее отсутствии.

Оба описанных выше решения предполагают способ контроля работоспособности счетчика путем измерения фиктивной (или суммарной) мощности с помощью дополнительного измерительного элемента (встроенного или внешнего). При этом показания дополнительного измерительного элемента сопоставляют с показаниями основного измерительного элемента счетчика, значительная разница показаний свидетельствует о нарушении работоспособности счетчика.

Недостатком известных решений является то, что необходимость использования дополнительного измерительного элемента, выполняющего функцию эталонного счетчика, усложняет конструкцию счетчика, снижает его метрологическую надежность, при этом контроль работоспособности не позволяет выявить несанкционированное вмешательство в работу счетчика, например, путем изменения параметров датчиков тока и/или напряжения. Кроме того, необходимые действия при контроле работоспособности выполняют вручную, то есть контроль проводит оператор эпизодически, что увеличивает возможный недоучет энергии из-за значительных интервалов времени между циклами контроля.

Известен принятый в качестве ближайшего аналога способ контроля работоспособности счетчика активной электрической энергии (см. патент RU № 2775865 C1, МПК G01R 22/06, G01R 21/06, G01R 35/04, опубликован 11.07.2022 г.), реализуемый в счетчике электрической энергии, содержащем цепи тока и напряжения, подключенные к контролируемой электрической цепи, сигналы от которых поступают на измерительные входы измерительного элемента, создающего выходные сигналы, пропорциональные активной энергии, измеряемой путем интегрирования активной мощности по времени, и имеющего другие функциональные элементы (запоминающее устройство, дисплей, испытательный выход, устройство передачи данных и другие устройства), а также дополнительный источник тестового сигнала, формирующий заданное значение фиктивной мощности, и программное обеспечение с функцией контроля работоспособности.

В известном способе для контроля работоспособности счетчика измеряют активную мощность электрической цепи, подают тестовый сигнал, измеряют суммарную активную мощность, определяют измеренную фиктивную активную мощность, погрешность измерения фиктивной активной мощности, сравнивают погрешность измерения фиктивной активной мощности с предельной погрешностью и формируют информацию о результате контроля работоспособности счетчика.

Известное решение обеспечивает возможность выполнения автоматического контроля работоспособности счетчика без прерывания контролируемой электрической цепи.

Однако использование известного решения не обеспечивает контроля метрологических характеристик измерителей напряжения, тока и реактивной мощности, а также не определяет метрологические характеристики в установленном диапазоне питающих напряжений. Кроме того, при параметрическом отказе измерителя напряжения фиктивные мощности также измеряются с погрешностью, что не позволяет применять известный способ для поверки счетчиков.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является возможность контроля метрологических характеристик счетчика электрической энергии без снятия его с места эксплуатации, а также без существенного усложнения конструкции счетчика и снижения его метрологической надежности.

Технические результаты, достигаемые при осуществлении заявляемого изобретения, заключаются в возможности выполнения автоматического контроля метрологических характеристик счетчика в процессе его использования (без снятия с места эксплуатации), расширении номенклатуры контролируемых параметров, а также в повышении метрологической надежности счетчика (источник тестового воздействия требуемой точности, создающий фиктивную мощность, имеет достаточно высокую надежность).

Технические результаты достигаются тем, что для контроля метрологических характеристик счетчика электрической энергии осуществляют следующие действия:

- измеряют напряжения, токи, мощности и температуру в корпусе измерителя при отсутствии тестовых сигналов;

- при помощи реле управления нагрузкой отключают потребителя;

- подают команду включения ограничителя напряжения и измеряют амплитуду напряжения положительного и отрицательного полупериодов на ограничителе, при этом параметры ограничителя определены при производстве и сохранены в памяти счетчика;

- на вход АЦП канала напряжения подают тестовый сигнал напряжения (ТСН) такой величины и фазы, которая в сумме с действующим напряжением питания соответствует верхней границе рабочего диапазона напряжения счетчика;

- определяют отсутствие самохода по значениям активной и реактивной мощностей, которые должны быть менее порога чувствительности для данного класса счетчиков;

- на вход АЦП канала напряжения подают ТСН такой величины и фазы, которая в сумме с действующим напряжением питания соответствует нижней границе рабочего диапазона напряжения счетчика;

- на вход АЦП канала тока подают тестовый сигнал тока (ТСТ), соответствующий значению стартового тока, определяют фиктивную стартовую мощность, которая должна быть выше порога чувствительности;

- на вход АЦП канала напряжения подают ТСН такой величины и фазы, которая в сумме с действующим напряжением питания соответствует значению напряжения счетчика при калибровке в процессе производства;

- последовательно изменяя амплитуду и фазу ТСТ в соответствии с величинами тока, установленными в нормативной документации, определяют изменение измеренных значений параметров для каждой поверочной точки;

- сравнивая величину изменений измеренных значений параметров со значениями, измеренными в процессе изготовления счетчика, определяют текущую погрешность измерения.

Технические результаты также достигаются тем, что многофункциональный счетчик электрической энергии, содержащий:

- датчики напряжения по количеству измеряемых фаз;

- датчики тока по количеству измеряемых фаз;

- АЦП для оцифровки значений напряжения и тока;

- вычислительное устройство для расчета мощностей и действующих значений напряжений и токов;

- микроконтроллер для управления всеми узлами счетчика, интегрирования, хранения результатов измерения, обеспечения информационных каналов связи с оперативной и энергонезависимой памятью и встроенным программным обеспечением;

- реле управления нагрузкой;

- часы реального времени с автономным источником питания;

- двунаправленный канал связи для управления счетчиком и для передачи показаний;

- источник питания, обеспечивающий работу счетчика в расширенном рабочем диапазоне напряжений,

дополнительно содержит следующие функциональные узлы:

- дополнительные обмотки, выполненные в датчиках тока;

- ограничитель напряжения и источник тестового сигнала напряжения (ТСН);

- источник тестового сигнала тока (ТСТ);

- коммутаторы, подключающие источники тестовых сигналов к входам датчиков напряжения и тока, при этом ограничитель напряжения подключается к входу напряжения каждого канала счетчика, и источник тестового сигнала напряжения подключается к выходу делителя напряжения, источник тестового сигнала тока подключается к дополнительной обмотке датчика тока.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная конструктивная схема многофункционального счетчика электрической энергии.

Многофункциональный счетчик электрической энергии содержит

1 - ограничитель напряжения

2 – датчик тока с дополнительной обмоткой

3 – реле управления нагрузкой

4 – источник тестового сигнала напряжения

5 – АЦП канала напряжения

6 - АЦП канала тока

7 – источник тестового сигнала тока

8 – двунаправленный канал связи для управления счетчиком и для передачи показаний

9 – микроконтроллер

10 – источник питания счетчика

11 – температурный датчик

12 – часы реального времени

13 – энергонезависимая память микроконтроллера

Способ контроля метрологических характеристик многофункциональных счетчиков электрической энергии осуществляют следующим образом.

Непосредственно в процессе производства счетчики после калибровки подвергают дополнительному тесту контроля метрологических характеристик (МХ), по результатам которого в энергонезависимую память 13 микроконтроллера 9 записываются значения изменений измеряемых параметров при воздействии тестовых сигналов и предельно допустимые значения этих изменений для каждой контрольной точки. Указанные значения являются критериями работоспособности счетчика при контроле МХ на месте эксплуатации.

В течение всего периода эксплуатации контроль МХ СЭЭ производят через заданные временные промежутки, осуществляя следующие действия:

- измеряют напряжения, токи, мощности и температуру в корпусе измерителя СЭЭ при отсутствии тестовых сигналов;

- производят отключение потребителя в реле 3 управления нагрузкой;

- подают команду включения ограничителя 1 напряжения и измеряют амплитуду напряжения положительного и отрицательного полупериодов на ограничителе 1 напряжения, при этом параметры ограничителя 1 напряжения определены при производстве и сохранены в памяти счетчика;

В случаях, когда измеренная амплитуда напряжения положительного полупериода укладывается в допустимые пределы, делается вывод о соответствии измерителя напряжения заявленным параметрам и переходят к следующим действиям. В противном случае проведение дальнейших действий не производится, поскольку все мощности будут измерены с погрешностью не менее погрешности канала напряжения, делается вывод о несоответствии счетчик требованиям по эксплуатации.

- на вход АЦП 5 канала напряжения от источника 4 подают тестовый сигнал напряжения (ТСН) такой величины и фазы, которая в сумме с действующим напряжением питания соответствует верхней границе рабочего диапазона напряжения счетчика;

- определяют отсутствие самохода по значениям активной и реактивной мощностей, которые должны быть менее порога чувствительности для данного класса счетчиков;

- на вход АЦП 5 канала напряжения от источника 4 ТСН подают ТСН такой величины и фазы, которая в сумме с действующим напряжением питания соответствует нижней границе рабочего диапазона напряжения счетчика;

- на вход АЦП 6 канала тока подают тестовый сигнал тока (ТСТ) от источника 7 ТСТ, соответствующий значению стартового тока, определяют фиктивную стартовую мощность, которая должна быть выше порога чувствительности;

- на вход АЦП 5 канала напряжения от источника 4 подают ТСН такой величины и фазы, которая в сумме с действующим напряжением питания соответствует значению напряжения счетчика при калибровке в процессе производства;

- последовательно изменяя амплитуду и фазу ТСТ в соответствии с величинами тока, установленными в нормативной документации, определяют изменение измеренных значений параметров, например, фиктивные мощности для каждой поверочной точки;

- сравнивая величину изменений измеренных значений параметров со значениями, измеренными в процессе изготовления счетчика, определяют текущую погрешность измерения.

Если определенная погрешность не превышает установленную предельно допустимую, в энергонезависимую память 13 микроконтроллера 9 счетчика записывается информация, разрешающая использование счетчика и дату очередной поверки, отличающуюся от текущей на величину межповерочного интервала (МПИ), после чего включается реле 3 управления нагрузкой. Если погрешность измерения превышает предельно-допустимую, отправляется сообщение по каналу 8 связи о непригодности счетчика к эксплуатации.

В случаях, когда температура (определяемая при помощи температурного датчика 11) в корпусе измерителя в процессе поверки выходит за пределы нормальных условий для поверки, предел допустимой погрешности корректируется с учетом установленного допустимого температурного коэффициента счетчика.

Для многофазных счетчиков контроль МХ всю последовательность действий производят поочередно для каждой фазы.

Все указанные действия осуществляют автоматически под управлением встроенного программного обеспечения.

Заявляемое техническое решение позволяет осуществлять контроль метрологических характеристик многофункционального счетчика электрической энергии без его демонтажа из электрической сети, упрощая процесс эксплуатации и обеспечивая своевременную замену счетчика в случаях его неисправности.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в счетчиках электрической энергии. Техническим результатом при реализации заявленного решения является возможность контролировать метрологические характеристики счетчика в процессе его использования (без снятия с места эксплуатации), расширение номенклатуры контролируемых параметров, а также повышение метрологической надежности счетчика (источник тестового воздействия требуемой точности, создающий фиктивную мощность, имеет достаточно высокую надежность). 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ контроля метрологических характеристик счетчика электрической энергии, включающий следующую последовательность действий:

- измерение напряжений, токов, мощности и температуры в корпусе измерителя при отсутствии тестовых сигналов;

- отключение потребителя при помощи реле управления нагрузкой;

- подачу команды включения ограничителя напряжения и измерение амплитуды напряжения положительного и отрицательного полупериодов на ограничителе, при этом параметры ограничителя определены при производстве и сохранены в памяти счетчика;

- подачу на вход АЦП канала напряжения тестового сигнала напряжения (ТСН) такой величины и фазы, которая в сумме с действующим напряжением питания соответствует верхней границе рабочего диапазона напряжения счетчика;

- определение отсутствия самохода по значениям активной и реактивной мощностей, которые должны быть менее порога чувствительности для данного класса счетчиков;

- подачу на вход АЦП канала напряжения ТСН такой величины и фазы, которая в сумме с действующим напряжением питания соответствует нижней границе рабочего диапазона напряжения счетчика;

- подачу на вход АЦП канала тока тестового сигнала тока (ТСТ), соответствующего значению стартового тока, определение фиктивной стартовой мощности, которая должна быть выше порога чувствительности;

- подачу на вход АЦП канала напряжения ТСН такой величины и фазы, которая в сумме с действующим напряжением питания соответствует значению напряжения счетчика при калибровке в процессе производства;

- определение изменения измеренных значений параметров для каждой поверочной точки путем последовательного изменения амплитуды и фазы ТСТ в соответствии с величинами тока, установленными в нормативной документации;

- определение текущей погрешности измерения сравнением величины изменений измеренных значений параметров со значениями, измеренными в процессе изготовления счетчика.

2. Многофункциональный счетчик электрической энергии, содержащий:

- датчики напряжения по количеству измеряемых фаз;

- датчики тока по количеству измеряемых фаз;

- АЦП для оцифровки значений напряжения и тока;

- вычислительное устройство для расчета мощностей и действующих значений напряжений и токов;

- микроконтроллер для управления всеми узлами счетчика, интегрирования, хранения результатов измерения, обеспечения информационных каналов связи с оперативной и энергонезависимой памятью и встроенным программным обеспечением;

- реле управления нагрузкой;

- часы реального времени с автономным источником питания;

- двунаправленный канал связи для управления счетчиком и для передачи показаний;

- источник питания, обеспечивающий работу счетчика в расширенном рабочем диапазоне напряжений,

также дополнительно содержащий следующие функциональные узлы:

- температурный датчик, соединенный с микроконтроллером через источник питания;

- дополнительные обмотки, выполненные в датчиках тока;

- ограничитель напряжения и источник тестового сигнала напряжения (ТСН);

- источник тестового сигнала тока (ТСТ);

- коммутаторы, подключающие источники тестовых сигналов к входам датчиков напряжения и тока, при этом ограничитель напряжения подключается к входу напряжения каждого канала счетчика и источник тестового сигнала напряжения подключается к выходу делителя напряжения, источник тестового сигнала тока подключается к дополнительной обмотке датчика тока.