2.1. Технічні та метрологічні характеристики багато тарифних лічильників електричної енергії

В якостівимірювачавикористовуєтьсявисокопродуктивнийпроцесоробробкисигналів. Вимірювач часто є основною мікросхемою приладу, яка вимагає особливої уваги від розробників. Алгоритми обробки сигналів розглянуті в спеціальній літературі. Розробка власного вимірювача дозволяє реалізувати практично будь-які побажання замовника по вимірюванню параметрів якості електроенергії.

В даний час є готові сучасні недорогі вимірники, які випускаються серійно. Їх виробляють компанія Analog Devices і ряд інших фірм, що займаються розробкою мікросхем для лічильників електроенергії. Випускаються вимірювачі які мають вбудований багатовходовий АЦП і процесор обробки сигналу. Вони формують лічильні імпульси, деякі з них мають вбудовані джерела опорного рівня, вбудований термометр, монітор живлення. Застосування готового вимірювача істотно скорочує розробку нового приладу.

Прикладом готового вимірювача може служити мікросхема ADE7758 виробництва Analog Devices. Вимірювач в тій чи іншій мірі містить всі основні функціональні вузли - АЦП на три канали струму і три канали напруги, вимірювач параметрів, формувач імпульсних виходів, джерело опорного рівняв 30 ррm / ° С, вбудований монітор живлення. Мікросхема забезпечує функцію калібрування параметрів обчислювача, точність обчислення параметрів - до 0,1%. Керуючий контролер призначений для організації внутрішнього управління лічильником, він виконує всі сервісні функції приладу. Контролер забезпечує передачу даних з пам'яті лічильника в ПК і проводить обмін інформацією при калібруванні. Керуючий контролер виконує функцію накопичувального механізму лічильника. Він формує зрізи потужності і завантажує їх у зовнішню пам'ять, приймає інформацію з вимірювача, перетворює отриману цифрову інформацію в одиниці виміру СІ, здійснюється опитування кнопок управління і виводить необхідні дані на дисплей приладу.

Годинник реального часу (ГРЧ) призначений для ведення внутрішнього календаря. Повинна забезпечуватися висока точність - відхилення не більше 3c на добу. Існують мікросхеми годинників з внутрішнім каліброваним кварцовим резонатором. Якщо застосовувати годинник із зовнішнім резонатором, необхідною є програмне калібрування, інакше не можна отримати високу точність. Є схемні варіанти використання вбудованих годин в керуючому контролері. Цей варіант володіє тим же недоліком, що і при використанні зовнішнього резонатора. Але головне – споживання струму зовнішніми годинниками набагато менше, ніж у хороших управляючих контролерів в сплячому режимі. Висока економічність зовнішніх годинників значно знижує вимоги до батареї резервного живлення. Прикладом таких годин може служити мікросхема RTC-8564JЕ фірми Epson, її використання дозволить скоротити час розробки приладу і спростити процес регулювання та калібрування на етапі виробництва.

Батарея резервного живлення забезпечує роботу годинника реального часу при відмиканні мережевої напруги. Ємності батареї повинно вистачити не менше, ніж на 6 років зберігання приладу на складі. Як правило, «економія» на елементі живлення обертається надалі великими проблемами. При аналізі конструкцій відомих лічильників видно, що розробники зазвичай йдуть по шляху застосування великих батарей на напругу 3,6 В ємністю до 1 А∙г. У лічильниках необхідно використовувати літієві елементи з малим струмом саморозряджання, вони також мають кращі параметри по співвідношенню емність/об’єм. На відміну від лужних елементів, вони досить стабільно «тримають» напругу на протязі всього терміну служби. Після того, як елемент розрядиться, напруга на ньому швидко падає. Літієві елементи можуть працювати в досить широкому діапазоні температур, в якому не можуть функціонувати в сольові та лужні прилади. Зниження ємності літієвих елементів відбувається не більше ніж на 2...4% на рік, вони можуть зберігатися до 10 років і працювати при температурі +45°С.Прикладом можуть служити літієві елементи SL-350 фірми Sonnenschein, ER14250 фірми Minamoto, LS1425 фірми SAFT

Енергонезалежний зовнішній запам’ятовуючий пристрій зберігає різні поточні дані. В приладах високого класу цих даних набирається досить багато, що вимагає установки декількох ЗП, в них можна використовувати мікросхеми АТ24С512-10Р1-2.7 або аналогічні.

Дисплей, виконаний на основі багатоелементного семисегментного цифрового індикатора, призначений для виведення різної інформації (параметрів електроенергії, службових даних). Розроблено спеціалізовані РКІ, які призначені для установки їх в електролічильники, але останнім часом спостерігається тенденція використання більш універсальних приладів – багаторядкових рідкокристалічних дисплеїв (РКД). При незначних відмін-ностях в ціні сучасні РКД мають багато переваг. Їм характерна велика номенклатура за розмірами і типами, широке поширення, наявність підсвічування. Варіанти РКД мають передбачити багаторядковість, велике число символів, мають вбудований контролер управління дисплеєм, що забезпечує мала кількість ліній спряжень. В якості прикладу можна навести дворядковий індикатори з 16-ма символами в рядку - індикаторні панелі МТС-S16204RJXS - 01 фірми Microtips Technology або WH1602A-NGG-CP Winstar.

Основна функція дисплея - виконувати функцію індикатора сумуючого прист-рою. Час вимірювання підсумовуючого пристрою при максимальному навантаженні повинно бути:

• не менше 250 год на одну одиницю старшого розряду;

• не більше 15 хв на одиницю молодшого розряду.

Ємність обліку лічильного механізму повинна бути не менше 1500 год при максимальному навантаженні.

Додатково через систему меню на індикатор може виводитися різна службова інформація.

Кнопки управління призначені для виводу на дисплей внутрішньої інформації лічильника про багаточисленні параметри контрольованої мережі з внутрішньої пам'яті керуючого мікроконтролера і зовнішньої пам'яті. За допомогою двох кнопок з використанням яких або довготривалим натисканням можна реалізувати досить велике меню контролю даних.

Інтерфейс RS-485 є стандартним для використання у всіх трифазних електро­лічильниках. Він забезпечує передачу внутрішньої інформації з нього на персональний комп'ютер. Інтерфейс дозволяє забезпечити паралельне з'єднання інформаційних виходів до 125 лічильників за допомогою двох проводів і передачу інформації на відстані до 1,5 км на автоматизовані системи комерційного обліку електроенергіі (АСКОЕ). Як правило, нульова адреса приладу використовується для виконання спільної команди для групи лічильників. Це може бути команда «зафіксувати зріз потужності», «Встановити загальний час» і багато інших. Додатково до стандартного інтерфейсу багато лічильників високого класу для зв'язку з ПК мають інфрачервоний оптичний порт (1-Red). Це полегшує опера-тивне отримання інформації безпосередньо з лічильника без підключення до нього будь-яких проводів. Деякі прилади можуть мати й інші поширені інтерфейси, наприклад СAN.

Сигнал управління блоком вимкнення навантаження (БОН) використовується в лічильнику для управління навантаженням в фідерної лінії електропередачі. БОН дозволяє автоматично відключати фідер будь-якого енергоспоживача за будь-якими або заздалегідь заданими параметрами споживання електроенергії. В якості вимикачів електричної енергії можуть реалізовуватися різні системи автоматики, наприклад. ПЗВ (пристрій захисного відключення), високовольтні вакуумні вимикачі, керовані багатофазні вимикачі ПР88 та інші аналогічні пристрої, функція БОН закладена в багатьох типах лічильників. Відповідальність за зас-тосування цієї функції лежить на користувача приладу.

Формувач лічильних імпульсів для перетворення форми і частоти імпульсів, що поступають від вимірювача. Для збільшення надійності лічильні імпульси повинні мати достатньо малу тривалість. Для працездатності лічильника зі старими імпульсними ПЗПД тривалість імпульсів повинна бути не менше 100 мс. Формувач можна виконати на найпростішої ПЛІС, або використовувати будь-які мало-потужні мікроконтролери. По зовнішньому сигналі «Повірка» формувач повинен перейти в режим, при якому пропорційно збільшується число вихідних імпульсів. Одна з обов'язкових вимог до формувачів імпульсів забезпечення рівномірності послідовності формуючих імпульсів.

До імпульсів в робочому режимі пред'являються досить жорсткі вимоги, закладені в ГОСТ 30206-94. Число періодів з змін імпедансу вихідного кола передавального пристрою N повинно бути пов'язане з приростом виміряної енергії W, кВт*год, залежністю N = R*W де R - стала лічильника, імп/(кВтгод).

Значення сталої лічильника R повинне бути обмежене нерівністю:

1111/(К Р_МАХ) <K <12600/Р_НОМ,

де Р_мaх - максимальна потужність, яка вимірюється лічильником.

Випробувальні виходи лічильника повинні забезпечувати перевірку порогу чутливості за час, що не перевищує 10 хв.

З усього цього випливає, що лічильник обов'язково повинен мати режим по-вірки, який значно збільшує число лічильних імпульсів. Їх мінімальна тривалість і частота появи практично нічим не обмежується . Збільшене число р імпульсів значно прискорює етап калібрування та перевірки лічильників. У кінцевому підсумку це помітно скорочує час і вартість повірки державним метрологом.

Індикатор функціонування дозволяє спостерігати за функціонуванням лічильника. Зазвичай його виконують на світлодіоді. Для його роботи зручно використовувати імпульсні сигнали рахункового механізму. Якщо встановити чотири світлодіоди, можна отримати наочну візуальну інформацію про величину навантаження, характеру та обсягів реактивної складової, про направлення струму.

Імпульсні виходи електролічильників є деякими рудиментом, що залишився від індукційних приладів. В індукційних лічильниках облік електроенергії йшов з допомогою підрахунку імпульсів, відповідних деякого значення накопиченої енергії. Більше число імпульсів за фіксований проміжок часу означає більшу швидкість накопичення енергії. Рахункові імпульси призначені для передачі їх на пристрій збору передачі даних (ПЗПД). В даний час у зв'язку з електронним урахуванням електроенергії лічильні імпульси зазвичай використовуються тільки на етапі виробництва, при калібруванні та повірку лічильника метрологом.

Імпеданс вихідних кіл передавального пристрою лічильного механізму повинен бути не більше 200 Ом в замкнутому стані і не менше 50 кОм в стані «розімкнуте». Максимальний струм в стані «замкнутому» - 30 мА. Допустиме напруга в розімкнутому стані - 24 В. В якості оптронного ключа можна використовувати оптрони ТLР627-1 виробництва фірми Тоshibа або інші аналогічні.

Сигнал включення повірки переводить лічильник в цей режим, його можна включити і по комп'ютерному інтерфейсу, але тут може вплинути людський фактор. Якщо на виробництві працівник забуде перевести лічильник в робочий режим, він може залишитися в режимі повірки на лінії обліку, що призведе до не поправимих наслідків при обліку електроенергії.

Вимоги по чутливості лічильника вказані в ГОСТ 30206-94. Так, перевірку відсутності самоходу лічильника виробляють подачею напруги живлення за відсутності струму в ланцюзі. При цьому випробувальний вихід лічильника не повинен створювати більше одного імпульсу за будь-який час випробувань.

Чутливість лічильника повинна бути такою, щоб прилад регістрував покази при струмі, рівному 0,001 від номінального струму при коефіцієнта потужності, що дорівнює 1.

Лічильник повинен вимірювати енергію при поданій на нього потужності не менше розраховується за формулою Р = 0.0025 КР_ном, де К - клас точності лічильника, Рном – номінальне значення потужності, розраховане за номіналь-ним значенням струму і напруги, кВт.

Розглянута схема показує загальну структуру трифазного електронного лічильника. У зв'язку з швидкими темпами розвитку електроніки частина вузлів може бути поєднана в єдиному конструктивному елементі. На першому етапі розробки буває зручно трохи ускладнити апаратну частину приладу для того, щоб спростити розробку вбудованого програмного забезпечення. Це значно скоротить час на розробки нового приладу, прискорить вихід його на ринок. Всі вхідні і вихідні сигнали управління повинні мати оптрони розв'язку, витримуючи випробувальну напругу до 4 кВ. В інтерфейсі RS-485 необхідно використовувати досить швидкодіючі оптрони для забезпечення можливості роботи при великих швидкостях обміну з ПК, наприклад 4N3З, 4N355 та інші аналогічні. В інших колах, де швидкодія некритично, можна встановити дешевші повільні оптрони.