Розділ 2. Практичні і теоретичні засади створення багатотарифних лічильниківна сучасній елементній базі

В даний час поставка приладів обліку електроенергії є досить прибутковим і перспективним бізнесом. Вартість якісних лічильників вітчизняного виробництва близько $700. В нашій країні випускається декілька марок добрих електролічильників, тим не менш, часто вибирають встановлювати імпортні прилади обліку електроенергії.

Вони значно дорожче вітчизняних, але мають велику надійність, гнучкість, кращий дизайн. При збільшенні конкуренції на ринку електронних лічильників буде відбуватися подальше підвищення якості вітчизняних приладів.

Електронний лічильник в Росії досить молодий. Перший трифазний електронний лічильник був внесений до Державного реєстру метрологічних засобів в 1987 році, а перший однофазний - в 1991. Але досі енергетики роблять багато зауважень по надійності вітчизняних електролічильників. Забезпечивши високу якість розробки і виробництва на підставі аналізу помилок підприємств,

які займалися розробкою подібної продукції, будь яка фірма може стати лідером виробництва і продажів лічильників високої| європейської якості.

Старі індукційні лічильник електричної енергії малі, безумовно, підвищений ресурс роботи. До цих пір на багатьох підстанціях знаходяться прилади, які віро і правдою прослужили більше 30 років. Звичайно, вони давно морально і фізично застаріли. Необхідна їх поступова заміна на сучасні прилади обліку електроенергії. Але головна причина в модернізації парку електролічильників - це підвищення вимог до точності обліку електроенергії і необхідності автоматизації обліку енергоспоживання. Індукційні лічильники мають всього один накопичувальний механізм, який вимагає ручного зйому показань. Інформацію про швидкість зміни енергоспоживання від індукційних лічильників можна отримати тільки контролем лічильних імпульсів на виході лічильника за допомогою пристрою збору передачі даних (ПЗПД). Подібні системи дуже громіздкі. На кожен вимірювальний імпульсний вихід лічильника необхідно провести дріт, що йде з підстанції в приміщенні АСУ підприємства. Навпаки, електронні лічильники можна пов'язувати групами по 128 приладів та провести на АСУ одну біфілярного пару від кожної групи.

Основні відмінності індукційних і електронних лічильників наведені в табл.2.1.

Таблиця 2.1

Основні відмінності індукційних і електронних лічильників		Електронні лічильники
Основні параметри	Індукційні лічиль-ники	Електронні лічильники
Надійність, ресурс роботи	Дуже велийкий ресурс	Вимагає профілактики кожні6... 10 р
Ціна	Достатньо низька	На багато вище чим в індукційних
Облікактивної і реактивноїенергії	Окремі лічильники активної та реактивної енергії	Облік активної і реактивної енергії в одному лічильнику
Число тарифів	Один тариф	Можливе будь-яке число тарифів .Звичайно2—8. Точність до 1 хв
Класточності лічильника	2	1.0:0.5:0.2
Вихідний інтерфейс	Парні імпульсні виходи	RS-485, CAN, l-Red, Рахункові імпульсні виходи
Облік електроенергії	УСПД	УСПД.будь-яке АСКУЭ
Індикація величини струму, інапруги, потужності та ін.	Немає	Є
Зрізи потужності	Немає	1—2 незалежних массиви (дискретність1.. .60 хв), час зберігання до100.суток
Зберігання даних	Немає	Спожита енергія за добу, за місяць, за рік
Вимірювальні величиини	Немає	Потужність, струм, напруга, частота
Використання в АСКУЭ	Немає	I будь сучасні АСКОЕ
Службова інформація	Немає	Є

Вимірюваної величини

Електронний лічильник маючи безпосередній доступ до вихідних даних електричної мережі (струм, напруга), може обчислювати безліч параметрів якості електроенергії. У внутрішній пам'яті лічильника накопичується інформація про фазних параметрах, активної та реактивної складової, компонентах прямого і зворотного струму, зрізи потужності, службова інформація. Основні параметри, які можна вважати безпосередньо з лічильника або по інтерфейсу за допомогою ПК, приведені в табл. 2.2.

Таблиця 2.2

Параметри контролюючої системи	Позначення	Одиниця вимірювання.	Лічильний механізм
Пофазнана пруга	U1.U2,U3	В	—
Пофазный струм	I1,U2,I3	А	—
Пофазна і суммарна активна потужність	Р1,Р2, РЗ, SP	Вт	—
Пофазна і суммарна Реактивнапотужність	Q1 Q2, Q3, SQ	Вар	—
Пофазная и сумарна повна потужність	S1, S2, S3, SS	Вар	—
Пофазна і сумарна активна накопичена енергія	ЕА1+, ЕА2+,  ЕАЗ+, ЕА1-,  ЕА2- ,  ЕАЗ-, ESA+,  ESA-	кВт∙г	—
Пофазна і сумарна реактивна накопичена енергія	ER1+,ER2+, ER3+, ER1-, ER2-, ER3-, ESR+, ESR-	кВар∙г	—
Повна активна накопиченаенергія	А+,А-	кВт∙г	А+,А-
Повна реактивна накопичена енергія	R+, R-	кВар∙г	R+, R-
Накопичена енергія за добу, за тарифами (акти-вна / реактивна)	Е1+,Е1-	кВт∙г/кВар∙г	—
Накопиченаенергія за місяць, по тарифам (активна / реактивна)	Е2+, Е2-	кВт∙г/кВар∙г	—
Напруга резервної батареї живлення	U6	В	—
Частота живлення мережі	FC	Гц	—
Кут зсуву фаз (фактор потужності)		градус (cosφ)	—
Температура в середині корпуса	т	°С	—

Виходячи з необхідних параметрів, розроблені різні модифікації електролічильників. Лічильники можуть мати різні класи точності - 1,0; 0,5; 0,2 [1). За напрямком обліку електроенергії вони можуть бути односпрямованим і двонаправленими. Прилади можуть мати різну комбінацію інтерфейсів зв'язку з ПК, різні кількісні показники по зрізах накопичення енергії і тарифами. Прилади можуть випускатися на різний діапазон робочих температур, звичайним є діапазон -20 ° С. .. +70 ° С, розширений становить -40° С. . +70 ° С. Лічильники можуть відстежувати час і число випадків аварійного зниження напруги живлення, іншу службову інформацію.

Типова структурна схема багатофазного електролічильника показана на рис. 2.1.Вимірюваний струм кожної фази трифазної напруги надходить через контактну колодку лічильника, на відповідні струмові трансформатори. Струмовий трансформатор складається з двох обмоток, намотаних на пермалоєвому кільцевому осерді. Через первинну обмотку, яка складається з 1 .. .7 витків, протікає струм первинного кола. В залежності від модифікацій електролічильника, максимальний вимірюваний струм первинного кола може бути 1 ... 50 А. У вторинну обмотку струм передається із зменшенням в 500 ... 3000 разів, зменшення визначається коефіцієнтом трансформації конкретного трансформатора струму. Одна з основних вимог до струмових трансформаторів - дуже висока точність передачі струму у вторинну обмотку (не гірше 0,1%) у всьому робочому діапазоні вимірюваних струмів. Вторинну обмотку трансформатора навантажують на резистор, з падіння напруги на ньому судять про протікаючий струм в первинній обмотці трансформатора. Опір резистора навантаження вибирають, виходячи з максимально допустимого сигналу на вході операційного підсилювача або АЦП.

Рис 2.1. Структурна схема багатофазного електролічильника

Замість трансформатора струму можна використовувати котушку Роговського. Принцип її роботи докладно описаний у відповідній літературі. Струмові шунти, широко вживані в однофазних лічильниках, тут не підходять.

Операційні підсилювачі (ОП) необхідно встановлювати в лічильниках з великим динамічним діапазоном вимірювання струму. Якщо ж діапазон вимірювання струму лежить в межах 1:1000, попереднє посилення можна не застосовувати. Достатній динамічний діапазон сучасних АЦП (12 ... 16 розрядів) забезпечує впевнене вимірювання струмів для лічильника класу точності 0,5. У лічильниках більш високого класу додаткове посилення сигналу з виходу токового трансформатора просто необхідно. Можливі два варіанти застосування попередніх операційних підсилювачів. У першому варіанті застосовують ОП з регульованим коефіцієнтом підсилення (10/100 раз). Вимірювач сигналу, який безперервно аналізує рівень вхідного струму, автоматично встановлює необхідний коефіцієнт посилення ОУ. Інший варіант припускає використання двох каналів АЦП для кожного токового входу. На один вхід АЦП надходить сигнал безпосередньо з навантажувального резистора, на другий - посилений в ОП сигнал. По першому входу АЦП аналізує сигнал при великих рівнях вхідного струму, по другого входу - при малих.

Трифазна напруга надходить на відповідний резистивний дільник напруги, він необхідний для сполучення рівня вхідного вимірюваного напруги з максимальним допустимим рівнем вхідного сигналу АЦП.

На робочому діапазону напруги лічильники поділяються на два види. Лічильники безпосереднього включення в електричну мережу з напругою 3x380 В (між фазою і нейтраллю 220 В) встановлюють на побутових мережах електричної енергії. Електролічильники обчислюють дійсні значення вимірюваних параметрів мережі, в яку вони підключені.

Трансформаторні лічильники на напругу 3х100 В (між фазою і нейтраллю напруга 57 В) використовують на великих підстанціях розподілу електричної енергії. На підстанціях напругу 10 кВ і вище знижується за допомогою вимі-рювальних трансформаторів до рівня 57 В для контролю напруги мережі та обліку електроенергії. При відомих понижуючих коефіцієнтах трансформації напруги струму і використовуючи показання електролічильника, обчислюють дійсні значення вимірюваних параметрів у силових фідерах.

Всі три фази напруги надходять на вхід джерела живлення. Це джерело повинен зберігати працездатність при одночасному зникненні напруги на одній або двох фазах. Діапазон зміни живлячої напруги повинен бути не менше ± 20%. Для підвищення надійності приладу джерело живлення повинен бути працез-датним при зниженні напруги живлення до половини номінального. Через високі вимоги до вимірювальних приладів зазвичай використовують імпульсні джерела живлення, вони мають малі габарити і вага, більш високий ККД, широкий діапазон вхідної напруги живлення. Їх зручно використовувати для одержання декількох гальванічно ізольованих вихідних напруг.

Багатофазний випрямляч може бути зібраний по будь-якій з схем, показаних на рис 2.2 і 2.3.

Рисунок 2.2. Випрямляч

Рисунок 2.3. Багатофазний випрямляч

Випрямляч по рис 2 допускає роботу джерела живлення від будь-якої з двох фаз або нейтралі і однієї з фаз. Випрямляч по рис. 2.3 може використовуватися тільки в лічильниках безпосереднього включення, де допускається живлення від однієї з фаз і нейтралі.

Відзначимо, що випрямляч по рис. 2.2 може бути зібраний з двох однофазних діодних мостів.

Для збільшення ресурсу роботи лічильника в ньому необхідно використовувати танталові конденсатори. У таких конденсаторів ефективність використання об'єму до 18 разів краще відповідного показника алюмінієвих конденсаторів, танталові конденсатори мають велику надійність, що пов'язано з технологією виробництва, а також з практично повною відсутністю старіння. При використанні алюмінієвих конденсаторів втрата ємності в процесі експлуатації може стати істотною проблемою. Так, широко розповсюджені конденсатори серій К50 зазвичай мають гарантований термін напрацювання 5000 год. В результаті їх має вистачити на сім місяців безперервної роботи приладу, при декларованому міжповірочних інтервалів шість років. Це може бути однією з причин того, що, за оцінкою енергетиків, середній термін роботи вітчизняних електронних лічильників становить 4 .. .5 років.

Якщо не вдається уникнути використання алюмінієвих конденсаторів, наприклад, високовольтних в джерелі живлення, необхідно застосовувати прилади Longlife серії ВХА. Такий конденсатор буде справно служити протягом усього терміну служби лічильника - 30 років.

Монітор живлення використовується для збільшення стійкості програм­ного забезпечення лічильника. Цей вузол контролює зниження напруги у вторинному колі джерела, або, що ще краще, пропажа напруги в первинному колі У простому випадку при зниженні вихідної напруги до +4,75 В монітор харчування подає команду керуючому контролеру для підготовки його до переходу в сплячий режим або до відключення.

Багатовходовий аналого-цифровий перетворювач (АЦП) призначений для перетворення аналогових сигналів від датчиків струму і напруги в цифровий. В залежності від вибору схеми вимірювання струму необхідно мати АЦП на шість або дев'ять каналів. На входи АЦП надходять двополярні сигнали, що висуває додаткові вимоги до вибору необхідної мікросхеми. Як правило, в більшості додатків досить 16-розрядного АЦП. АЦП з меншим динамічним діапазоном складно використовувати при вимірюванні малих струмів. При використанні перетворювача більшої розрядності молодші розряди забиває шум, який не дозволяє реалізувати переваги багаторозрядного АЦП.

Джерело опорного рівня (ДОР) забезпечує підвищену температурну стабільність АЦП в лічильниках високого класу (клас 0,5 і вище). Якщо у вибраному АЦП є вбудований ДОР, необхідно перевірити документацію на АЦП і переконатися, що стабільність вбудованого ДОР не гірше 30 ррм/°С. Якщо ДОР в АЦП не задовольняє цій вимозі, необхідно застосувати зовнішній, з точністю не гірше зазначеної, наприклад аналогічний стабілітрону LM285BXZ-1.2, який в діапазоні температур -40 ... +85 °С має нестабільність 30 ррm/°С.