Высоковольтный счетчик электрической энергии прямого включения Российский патент 2023 года по МПК G01R21/00 G01R21/06 

Заявляемое устройство относится к измерительной технике, а именно к цифровым приборам измерения электрической энергии в сетях переменного тока промышленной частоты при напряжениях от 6 до 35 кВ.

Существующие высоковольтные счетчики прямого включения и получающие распространение высоковольтные электронные трансформаторы наряду с несомненными преимуществами (отсутствие ферромагнитных трансформаторов напряжения и тока, подверженных влиянию электромагнитных импульсов и изменению ферромагнитных характеристик, влияющих на погрешность измерения электрических параметров, меньшие габариты и массу), имеют серьёзный недостаток, заключающийся в том, что для проведения периодического контроля метрологических характеристик требуется либо снятие устройства с линии и транспортировка в специализированную лабораторию, либо (по меньшей мере) отключение устройства от нагрузки и питающей сети и подключение к передвижной метрологической (поверочной) установке, обеспечивающей необходимые воздействия по напряжению и току.

Известно устройство для измерения переменного тока в высоковольтной цепи с дистанционной передачей информации (см. патент RU № 115923, МПК G01R 19/00, опубликован 10.05.2012 г.), , содержащее источник питания, датчик тока, выполненный в виде измерительного шунта, включенного параллельно и имеющего непосредственный контакт с токопроводом, на котором производится измерение, и передатчик, при этом передача информации о величине измеряемого тока производится посредством аппаратуры связи по оптическому каналу или радиоканалу, а само устройство находится под потенциалом высокого напряжения в зоне отсутствия магнитных и электрических полей, отличающееся тем, что в него дополнительно введены микроконтроллер связи, содержащий аналогово-цифровой преобразователь, а также промежуточный или базовый сервер, низкочастотная катушка индуктивности, ограничитель перенапряжения, фильтрующий элемент источника питания с резервирующим конденсатором и стабилизирующий элемент источника питания, при этом источник питания выполнен в виде низковольтного трансформатора тока, включенного в токопровод, на котором производится измерение, причем обмотка низковольтного трансформатора тока параллельно подключена к ограничителю перенапряжения и через последовательно соединенные фильтрующий и стабилизирующий элементы источника питания к микроконтроллеру связи, а измерительный шунт последовательно соединен с низкочастотной катушкой индуктивности и также подключен к микроконтроллеру связи, при этом микроконтроллер связи соединен посредством аппаратуры связи и оптического канала или радиоканала с промежуточным или базовым сервером, причем микроконтроллер связи выполнен с возможностью «бесшовного» интегрирования устройства в автоматизированные системы управления, учета и контроля электроэнергии объекта энергетики, а само устройство расположено снаружи токопровода и размещено внутри экранирующего герметичного кожуха.

Известное устройство обеспечивает надежность работы при воздействии коммутационных и атмосферных перенапряжений в высоковольтной цепи, а также помех, наведенных токами короткого замыкания, имеет небольшие массогабаритные параметры, однако для его плановых поверок требуется отключение устройства от нагрузки и питающей сети, что связано с существенными трудозатратами, а в определенных случаях невозможно.

Известен прибор учета высоковольтный (см. патент RU № 2727051, МПК G01R 21/00, G01D 4/00, опубликован 17.07.2020 г.), содержащий измерительные модули с оптическими выходами для передачи данных, источники питания, цепь тока каждого измерительного модуля подключена в соответствующий провод сети, а цепь напряжения подключена между этим проводом и точкой измерения напряжения сети, при этом по меньшей мере один из измерительных модулей дополнительно осуществляет обработку данных, получаемых от других измерительных модулей, отличающийся тем, что каждый измерительный модуль содержит передающий и приемный оптоэлектронные модули, комбинированный оптический кабель, содержащий оптические волокна и токоведущие жилы, при этом токоведущие жилы включены в цепь напряжения, а каждое оптическое волокно включено между передающим и приемным модулями соответствующих измерительных модулей и образует оптическую цепь с помощью оптических соединителей, размещаемых в зонах подключения цепей напряжения.

Известный прибор учета позволяет исключить влияние внешних климатических и электромагнитных помех и увеличивает скорость обмена данными, однако контроль его метрологических характеристик невозможен без отключения от сети.

Известен способ контроля работоспособности счетчика активной электрической энергии (ЭЭ) (см. патент RU 2775865, МПК G01R22/06, G01R21/06, G01R35/04, опубликован 11.07.2022 г.) при котором 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. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение метрологической надежности, упрощение конструкции и возможность выполнения автоматического контроля работоспособности счетчика без прерывания контролируемой электрической цепи.

Данный способ не обеспечивает контроля МХ измерителей напряжения, тока и реактивной мощности, а также не определяет МХ в установленном диапазоне питающих напряжений. Патент не определяет структуру счетчика и диапазоны изменения тестового воздействия. Кроме того, при параметрическом отказе делителя напряжения в канале измерителя напряжения фиктивные мощности также измеряются с погрешностью, что не позволяет применить данный патент для поверки счетчиков.

Известны принятые в качестве ближайшего аналога интеллектуальные приборы учета электроэнергии РиМ384.ХХ (см. https://www.ao-rim.ru/public/files/cat_cnt_rim384/dat/RE_RiM_384.pdf), представляющие собой конструктивно идентичные высоковольтные счетчики электрической энергии прямого включения для электрических сетей напряжением 6/10кВ, монтирующиеся непосредственно на провода линии электропередач (ЛЭП) и измеряющие активную, реактивную и полную энергию в точке присоединения, а также токи, напряжения, фазовые сдвиги и другие энергетические параметры электрических цепей. Счетчики состоят из однофазных счетчиков электрической энергии, объединенных информационным радиоканалом, по которому счетчики обмениваются информацией и вычисляют значения активной, реактивной и полной энергии трехфазной сети. Каждый однофазный счетчик имеет следующие функциональные части:

a) измеритель напряжения, состоящий из высоковольтного делителя напряжения и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) двойного интегрирования;

b) измеритель тока, состоящий из индуктивного датчика тока и АЦП двойного интегрирования;

c) вычислительное устройство, обеспечивающее из отсчетов АЦП вычисление мгновенной мощности, активной, реактивной и полной энергии, эффективных значений напряжений и токов, а также фазовых сдвигов, частоты сети и других параметров, определенных в технической документации;

d) управляющий микроконтроллер, обеспечивающий хранение результатов измерений, обмен данными по различным интерфейсам, ведение журналов и другие функции счетчика;

e) часы реального времени;

f) датчики температуры, магнитного поля и электронные пломбы;

g) интерфейсы для обмена данными между компонентами счетчика, дистанционным дисплеем и автоматизированной системой контроля и учета потребления электрической энергии (АИИСКУЭ);

h) Источник питания, выполненный на конденсаторе отбора мощности, выпрямительном мосту, ограничителе и импульсных преобразователях напряжения, заряжающих буферный накопитель энергии (суперконденсатор), обеспечивающий питание устройства при перерывах в энергоснабжении.

Счетчик устанавливается непосредственно на провода ЛЭП, что исключает возможность несанкционированного вмешательства в работу счетчика и предотвращает возможность хищения энергии. Подключение счетчика производится при помощи прокалывающих зажимов. Датчики тока выполнены разъемными, что позволяет устанавливать счетчик в любом месте ЛЭП. Для визуального считывания информации счетчик снабжен дистанционным дисплеем, получающего информацию с измерительных блоков по радиоканалу.

Известные счетчики электроэнергии обеспечивают высокую точность измерений, возможность их установки непосредственно на опорах ЛЭП, однако для контроля метрологических параметров счетчика на месте эксплуатации требуется их отключение от ЛЭП и подключение к специализированному стенду контроля метрологических параметров.

Задачей заявляемого технического решения является обеспечение контроля метрологических характеристик устройства без проведения отключения устройства от сети и использования внешних измерительных приборов.

Техническим результатом, реализуемым при помощи заявляемого устройства, является возможность производить контроль метрологических характеристик устройства без проведения отключения устройства и применения внешних измерительных приборов и генераторов воздействий, что значительно сокращает трудоемкость контроля метрологических характеристик, позволяет исключить перерывы энергоснабжения, связанные с проведением поверки, а также осуществить непрерывную самодиагностику измерительной части устройства, исключая этим возможность неправильного учета электрической энергии.

Технический результат достигается за счет того, что высоковольтный счетчик электрической энергии прямого включения, содержащий:

a) измеритель напряжения, состоящий из высоковольтного делителя напряжения и АЦП двойного интегрирования;

b) измеритель тока, состоящий из индуктивного датчика тока и АЦП двойного интегрирования;

c) вычислительное устройство, обеспечивающее из отсчетов АЦП вычисление, по меньшей мере, мгновенной мощности, активной, реактивной и полной энергии, эффективных значений напряжений и токов, а также фазовых сдвигов, частоты сети. Вычислительное устройство может являться частью управляющего микроконтроллера;

d) управляющий микроконтроллер, обеспечивающий хранение результатов измерений, обмен данными по различным интерфейсам, ведение журналов и другие функции счетчика;

e) часы реального времени;

f) датчики температуры, магнитного поля и электронные пломбы;

g) интерфейсы для обмена данными между компонентами счетчика, дистанционным дисплеем и АИИСКУЭ;

h) источник питания, выполненный на конденсаторе отбора мощности, выпрямительном мосту, ограничителе напряжения и импульсных преобразователях напряжения, заряжающих буферный накопитель энергии (суперконденсатор), обеспечивающий питание устройства при перерывах в энергоснабжении,

дополнительно содержит:

i) схему контроля длительности паузы тока через конденсатор отбора мощности, включающую в себя измерительный резистор, два компаратора и таймер для определения длительности паузы тока отбора мощности;

j) схему задания тестового сигнала измерителя тока, включающую в себя дополнительную обмотку на датчике тока и формирователь тестового сигнала тока.

При этом компараторы, таймер и источник тестового сигнала могут быть выполнены на функциональных блоках управляющего микроконтроллера счетчика.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема устройства высоковольтного счетчика электрической энергии прямого включения.

Высоковольтный счетчик электрической энергии прямого включения содержит:

- измеритель 1 напряжения, состоящий из высоковольтного делителя 2 напряжения и АЦП 3 двойного интегрирования;

- измеритель 4 тока, состоящий из индуктивного датчика 5 тока и АЦП 6 двойного интегрирования;

- вычислительное устройство 7;

- управляющий микроконтроллер 8;

- часы 9 реального времени;

- датчики температуры 10, магнитного поля 11 и электронные пломбы 12;

- интерфейсы 13 для обмена данными между компонентами счетчика, дистанционным дисплеем и АИИСКУЭ;

- источник 14 питания, выполненный на конденсаторе 15 отбора мощности и импульсных преобразователях 16 напряжения;

- схему 17 контроля длительности паузы тока через конденсатор отбора мощности, включающую в себя измерительный резистор 18, два компаратора 19 и таймер 20;

схему 21 задания тестового сигнала измерителя тока, включающую в себя дополнительную обмотку 22 на датчике тока и формирователь 23 тестового сигнала тока;

энергонезависимое постоянное запоминающее устройство 24;

выпрямительный мост 25;

ограничитель 26 напряжения.

Представленные на схеме значения напряжений обозначают:

Uвх – входное напряжение счетчика;

Uн – напряжение нагрузки;

Uо – напряжение ограничителя.

Изменения, внесенные в конструкцию заявляемого устройства, позволяют помимо обеспечения высокой точности измерений, возможность контроля метрологических характеристик самого прибора непосредственно на месте установки без отключения от сети.

Контроль метрологических характеристик (МХ) измерителя 1 напряжения заключается в том, что входное напряжение (Uвх) измеряется при помощи конденсатора 15 отбора мощности преобразователя 16 напряжения источника 14 питания и ограничителей 26 напряжения преобразователя 16 напряжения, входящих в состав источника 14 питания, при этом:

- в процессе производства при калибровке прибора измеряется длительность интервала, при котором ток через конденсатор 15 отбора мощности равен нулю, то есть входное напряжение (Uвх) меньше напряжения ограничения;

- поскольку ток через конденсатор 15 отбора мощности в течение этого интервала равен нулю, напряжение на конденсаторе в течение этого интервала не изменяется, а напряжение на входе ограничителя 26 равно разности входного напряжения и напряжения на конденсаторе 15 отбора мощности;

по известному входному напряжению и измеренной длительности интервала отсутствия тока рассчитывается и фиксируется в энергонезависимой памяти 24 напряжение ограничения преобразователя 16 напряжения источника 14 питания;

температурная зависимость напряжения ограничителя 26 также определяется в процессе калибровки по выходному сигналу датчика температуры 10 и сохраняется в энергонезависимой памяти 24;

- при контроле МХ канала напряжения на месте эксплуатации измеряется длительность интервала отсутствия тока через конденсатор 15 отбора мощности, далее по длительности этого интервала и известному напряжению ограничения источника 14 питания рассчитывается входное напряжение (Uвх), действующее во время теста контроля МХ, а по отклику измерителя 1 напряжения определяется погрешность измерения напряжения и сравнивается с допустимым пределом погрешности. Таким образом, погрешность измерения напряжения может быть определена без проведения отключения прибора учета от сети и перерыва в энергоснабжении потребителя.

Поверку измерительной схемы заявляемого технического решения осуществляют следующим образом:

- схема 17 контроля длительности паузы тока через конденсатор 15 отбора мощности позволяет определить действительное значение напряжения на входе счетчика благодаря тому, что в составе источника 14 питания имеется ограничитель 16 напряжения для защиты импульсного преобразователя 16 напряжения, при этом, если ток нагрузки преобразователя 16 отсутствует или имеет малую величину, кривая тока протекающего через конденсатор 15 отбора мощности имеет участок, в течение которого этот ток равен нулю. В течение этого интервала входное напряжение (Uвх) меньше напряжения ограничения. Длительность интервала нулевого значения тока зависит от соотношения амплитуды входного напряжения и величины напряжения ограничения и не зависит от величины емкости конденсатора 15 отбора мощности.

Амплитуда входного напряжения, напряжение ограничения источника питания и длительность интервала нулевого тока связаны следующим выражением: Um=2Uo/(1-cos(ωτ)), где:

Um — амплитуда входного напряжения;

Uo — напряжение ограничения источника питания;

ω — круговая частота сети;

τ — длительность интервала нулевого значения тока конденсатора отбора мощности.

Поскольку напряжение ограничения может быть определено при калибровке устройства в процессе производства, данное соотношение позволяет определить величину входного напряжения при проведении контроля метрологических характеристик на месте эксплуатации и по величине отклика АЦП 3 измерителя 1 напряжения определить погрешность измерителя напряжения.

Дополнительная обмотка 22 в датчике 5 тока в совокупности с формирователем 23 тестового сигнала тока позволяет определить погрешность измерителя 4 тока следующим образом:

- при подаче тестового сигнала тока на дополнительную обмотку 22 на выходе датчика 5 тока изменяется напряжение, которое может быть измерено АЦП 6 и данное изменение сравнивается со значением, полученным при калибровке устройства в процессе производства. Частота тестового сигнала тока равна частоте одной из четных гармоник сети и отклик на тестовый сигнал выделяется цифровым фильтром, реализованным программно в микроконтроллере 8 счетчика.

Заявляемое техническое решение позволяет осуществлять контроль метрологических характеристик высоковольтного счетчика электрической энергии прямого включения без его отключения от электрической сети, упрощая процесс эксплуатации и обеспечивая своевременную замену счетчика в случаях его неисправности.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к цифровым приборам измерения электрической энергии в сетях переменного тока промышленной частоты при напряжениях от 6 до 35 кВ. Технический результат – возможность производить контроль метрологических характеристик устройства без отключения устройства и применения внешних измерительных приборов и генераторов воздействий. Результат достигается тем, что предложенный высоковольтный счетчик электрической энергии прямого включения в отличие от прототипа дополнительно содержит схему контроля тока через конденсатор отбора мощности, включающую в себя измерительный резистор, два компаратора и таймер для определения длительности паузы тока отбора мощности, схему задания тестового сигнала измерителя тока, включающую в себя дополнительную обмотку на датчике тока и формирователь тестового сигнала тока. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Высоковольтный счетчик электрической энергии прямого включения, содержащий:

- измеритель напряжения, состоящий из высоковольтного делителя напряжения и АЦП двойного интегрирования;

- измеритель тока, состоящий из индуктивного датчика тока и АЦП двойного интегрирования;

- вычислительное устройство, обеспечивающее из отсчетов АЦП вычисление, по меньшей мере, мгновенной мощности, активной, реактивной и полной энергии, эффективных значений напряжений и токов, а также фазовых сдвигов, частоты сети;

- управляющий микроконтроллер, обеспечивающий хранение результатов измерений, обмен данными по различным интерфейсам, ведение журналов и другие функции счетчика;

- часы реального времени;

- датчики температуры, магнитного поля и электронные пломбы;

- интерфейсы для обмена данными между компонентами счетчика, дистанционным дисплеем и автоматизированной информационно-измерительной системой контроля и учёта электроэнергии (АИИСКУЭ);

- источник питания, выполненный на конденсаторе отбора мощности и импульсных преобразователях напряжения, заряжающих буферный накопитель энергии, представляющий собой суперконденсатор, обеспечивающий питание устройства при перерывах в энергоснабжении,

отличающийся тем, что дополнительно содержит:

- схему контроля тока через конденсатор отбора мощности, включающую в себя измерительный резистор, два компаратора и таймер для определения длительности паузы тока отбора мощности;

- схему задания тестового сигнала измерителя тока, включающую в себя дополнительную обмотку на датчике тока и формирователь тестового сигнала тока.

2. Высоковольтный счетчик электрической энергии прямого включения по п.1, отличающийся тем, что компараторы, таймер и источник тестового сигнала выполнены на функциональных блоках управляющего микроконтроллера счетчика.