Умные электронные счетчики
Электронный счетчик — это устройство, которое преобразует аналоговый сигнал в частоту импульсов, которые затем подсчитываются для определения количества потребляемой энергии. Они имеют много преимуществ по сравнению с индукционными счетчиками, так как отсутствуют вращающиеся элементы. Это позволяет им быть более надежными и обеспечивать более широкий диапазон входных напряжений. Кроме того, они легко вписываются в системы учета потребления энергии, позволяют организовать многотарифные системы учета и имеют режим ретроспективы, который позволяет просмотреть количество потребленной энергии за определенный период. Они также измеряют потребляемую мощность и обладают многими дополнительными сервисными функциями. Все эти функции определяются программным обеспечением микроконтроллера, который является неотъемлемой частью современных электронных счетчиков электроэнергии. Конструктивно, электросчетчик состоит из корпуса с клеммной колодкой, измерительного трансформатора тока и печатной платы, на которой установлены все электронные компоненты.
Из чего состоят электронные счетчики?
Основными составляющими электронного счетчика сегодня являются: трансформатор тока, ЖКИ, источник питания для электронной схемы, микроконтроллер, часы реального времени, телеметрический выход, супервайзер, управляющие органы и оптический порт (при необходимости).
ЖК индикатор - это многосегментный символьно-цифровой дисплей, который используется для указания режимов работы, информации о потребляемом электрическом токе, текущей даты и времени. Источник питания обеспечивает энергией микроконтроллер и другие элементы электронной схемы. В свою очередь, супервайзер непосредственно связан с источником питания, контролирует изменения входного напряжения и формирует сигнал сброса микроконтроллера при включении и отключении питания.
Электронный счетчик использует часы реального времени для отсчета текущей даты и времени. Для оффлоадинга микроконтроллера, в некоторых электронных счетчиках микроконтроллер может передать данные функции на отдельную микросхему, такую как DS1307N. Это позволяет микроконтроллеру использовать высвободившиеся мощности на более важные задачи. Телеметрический выход может использоваться для подключения к системе АСКУЭ или к компьютеру через RS485/RS232 преобразователь. Оптический порт, если он есть в электронном счетчике, может использоваться для снятия информации напрямую со счетчика или для его программирования. Микроконтроллер является главным компонентом электронного счетчика, который может представлять микросхемы компании Microchip (PIC-контроллер), например AVR128DB, а также от других производителей, таких как ATMEL или NEC.
В России также появится умный счетчик электроэнергии с полностью российским дизайном на базе отечественного микроконтроллера К1921ВК01Т производства НИИ электронной техники (АО «НИИЭТ») в рамках программы по обеспечению импортозамещения в промышленности Российской Федерации, которая реализуется в стране.
32-разрядный универсальный микроконтроллер с расширенными функция-ми по управлению электроприводом построен на базе процессорного ядра архитектуры ARM Cortex-M4F с производительностью 125 DMIPS с поддержкой операций с плавающей запятой, с 1 Мбайт Flash-памятью, 192 Кбайт встроенного ОЗУ, поддержкой интерфейсов Ethernet 10/100, CAN, UART, SPI, I2C. Имеет в своем составе двенадцать 2-канальных 12-разрядных АЦП с режимами цифрового компаратора для каждого из каналов и контроллер интерфейса USB 2.0 Device / Host с физическим уровнем PHY.
АО «НИИЭТ» – один из ведущих производителей электронных компонентов в России. Предприятие специализируется на разработке и производстве сложных изделий микроэлектроники: микроконтроллеров, микропроцессоров, цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, интерфейсных интегральных микросхем, СВЧ-транзисторов и модулей усиления мощности СВЧ-диапазона. Постоянное улучшение качества выпускаемой продукции – одно из наиболее приоритетных направлений политики руководства нашей компании. Предприятие входит в состав ГК «Элемент».
БУЛАТ — российская компания-разработчик и производитель телекоммуникационного и ИТ-оборудования, а также решений в сфере Интернета вещей и промышленного интернета. Компания входит в Концерн «АВТОМАТИКА» Радиоэлектронного кластера ГК «РОСТЕХ» и является дочерним обществом ПАО «Ростелеком».
Микроконтроллер является основным компонентом в электронном счетчике, выполняющим большую часть функций. Благодаря своей функции преобразования АЦП, микроконтроллер преобразует сигнал с трансформатора тока в цифровой формат, обрабатывает его и выводит результат на цифровой дисплей. Также микроконтроллер управляет работой интерфейсов и принимает команды от элементов управления. Все возможности микроконтроллера зависят от установленного программного обеспечения (ПО) и технического задания для его разработки. Без ПО микроконтроллер становится бесполезным блоком пластмассы и кремния. Поэтому различные производители стараются улучшить функциональность электронных счетчиков, добавляя новые "фишки". Например, некоторые электронные счетчики могут контролировать состояние электросети и передавать эту информацию в диспетчерские центры.
Функция ограничения мощности часто встречается в электросчётчиках. Это значит, что, если потребитель использует слишком много электричества, электросчётчик отсоединяет его от сети. Для этого внутри электросчётчика ставят контактор на нужный ток. Также отключение может произойти, если потребитель превзошёл свой лимит электроэнергии или не оплатил её заранее. Кстати, некоторые электросчётчики имеют встроенные считыватели пластиковых карт, через которые можно пополнить баланс за электричество.
С чего начиналось АСКУЭ
Появление АСКУЭ (автоматизированной системы контроля учета электроэнергии) связано с развитием доступных микропроцессорных устройств, но высокая цена последних делала системы учета доступными только для крупных промышленных предприятий. Разработку АСКУЭ проводили целые НИИ. Задача состояла в:
- оборудовании индукционных счетчиков электрической энергии датчиками оборотов;
- создании устройств, способных подсчитывать поступающие импульсы и передавать полученный результат в ЭВМ;
- хранении в ЭВМ результатов подсчета и формировании отчетных документов.
Первые системы учета были очень дорогими, ненадежными и малоинформативными комплексами, но они заложили основу для создания АСКУЭ следующих поколений.
Современное АСКУЭ
С появлением персональных компьютеров и электронных электросчётчиков система автоматизированного учёта электроэнергии (АСКУЭ) получила значительный толчок в развитии. Большой вклад в этот процесс внесло внедрение сотовой связи, которое позволило создать беспроводные системы, устранив проблему организации каналов связи.
Основная задача АСКУЭ заключается в сборе данных о потоках электроэнергии на всех уровнях напряжения в центрах управления. Полученные данные обрабатываются, что позволяет составлять отчеты о потреблении или отпуске электроэнергии и анализировать, и прогнозировать потребление и генерацию энергии. Кроме того, производится анализ стоимостных показателей и осуществляются расчеты за потребленную электрическую энергию.
Для создания системы АСКУЭ нужно:
- Установить в точках учёта энергии высокоточные средства учёта — электронные счётчики
- Передать цифровые сигналы в так называемые «сумматоры», обладающие памятью.
- Создать систему связи (обычно для этого используют GSM – связь), которая обеспечит дальнейшую передачу информации на местные (на предприятии) и на верхние уровни.
- Организовать и оснастить центры обработки информации современными компьютерами и программным обеспечением.
Организация АСКУЭ
В простейшей схеме организации АСКУЭ можно выделить несколько отдельных основных уровней:
Первый уровень – это уровень сбора информации. На этом уровне находятся электросчётчики и разные устройства, измеряющие параметры системы. Это могут быть разные датчики с выходом для подключения интерфейса RS-485 или датчики, подключенные к системе через специальные аналого-цифровые преобразователи. Важно знать, что можно использовать не только электронные электросчётчики, но и обычные индукционные, снабженные преобразователями количества оборотов диска в электрические импульсы. В системах АСКУЭ для соединения датчиков с контролерами используют интерфейс RS-485. Входное сопротивление приемника информационного сигнала по линии интерфейса RS-485 обычно равно 12 кОм. Так как мощность передатчика ограничена, это создает ограничение и на количество приемников, подключенных к линии. Согласно спецификации интерфейса RS-485 с учетом согласующих резисторов приёмник может вести до 32 датчиков.
Второй уровень – это связующий уровень. На этом уровне расположены различные контролеры необходимые для транспортировки сигнала. В схеме АСКУЭ представленной на рисунке элементом второго уровня является преобразователь, преобразующий электронный сигнал с линии интерфейса RS-485 на линию интерфейса RS-232, это нужно для считывания данных компьютером либо управляющим контролером. Если требуется соединение более 32 датчиков, тогда в схеме на этом уровне появляется устройства, называемые концентраторы.
На третьем уровне происходит сбор, обработка и хранение данных. Компьютер, контролер или сервер являются элементами этого уровня. Они должны иметь специальное ПО для настройки компонентов системы. Сейчас почти все электросчётчики электронные имеют интерфейс для подключения к системе АСКУЭ. Даже те, которые не обладают такой функцией, могут быть оснащены оптическим портом для локального снятия показаний на месте установки электросчётчика через ПК.
Индукционные счетчики vs умные счетчики электроэнергии
Как мы увидели выше, электросчётчик сегодня — это сложное электронное устройство. Однако не следует полагать, что только электросчётчики электронные подходят для дистанционного снятия показаний (это основная цель систем АСКУЭ). Счетчики с буквой «Д» в маркировке, например, СР3У-И670Д, имеют телеметрический выход (импульсный датчик), который передаёт по двухпроводной линии связи данные о активной (реактивной) энергии через счетчик в систему дистанционного сбора и анализа данных.
Мы можем рассмотреть работу импульсного датчика, который установлен на боковой панели электросчётчика. Индукционный счётчик имеет алюминиевый диск, скорость вращения которого зависит от потребляемой мощности нагрузки. Количество оборотов диска является численной характеристикой, которую можно преобразовать в импульсы и передать в линию связи. Счётчики с встроенными датчиками имеют параметр, который показывает количество импульсов на 1 кВт*ч. Измерительный трансформатор является источником импульсов, периодически пересекая металлический сектор, насаженный на ось диска. Импульсы поступают на схему датчика и передаются в линию связи. Датчик получает питание через эту же линию связи. Импульсный датчик, например, Е870, можно установить на любой индукционный счётчик.
Датчик Е870 работает по другому принципу, чем описанный ранее. Для его работы на диск электросчётчика наносится черный сектор. Датчик – преобразователь содержит фотосветодиодную головку – пару фотодиод – светодиод. Датчик располагается внутри счётчика так, что головка смотрит на диск. Светодиод излучает сигнал, который отражается от диска и попадает на фотодиод. Из-за черного сектора диска, сигнал имеет прерывистый характер. Электронная схема на логических элементах фиксирует эти прерывания, преобразовывает и отправляет в линию связи ряд импульсов. Частота этих импульсов зависит от скорости вращения диска и потребляемой мощности и видна по индикаторному светодиоду. На другом конце линии связи приемное устройство получает эти импульсы, считает их количество за заданный интервал времени и выводит полученный результат на устройство показа информации. Таким образом, осуществляется дистанционное чтение показаний электросчётчика. Так были построены первые системы удаленного сбора информации. Однако возникает естественный вопрос – выше мы рассматривали интерфейсы RS 485 и RS 232, а здесь имеем ряд импульсов.
Значит, мы не можем подключить индукционные счётчики к АСКУЭ (автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии), которую мы рассматривали ранее? На самом деле, это не так сложно. Достаточно сделать адаптер, который преобразует импульсы в интерфейс RS 232. Это не требует сложной электроники. Но в этом нет особого смысла. Индукционные счётчики устаревают и используются только для локального учета. Для современных систем АСКУЭ нужны умные электронные счётчики. Они лучше индукционных по информационным и сервисным возможностям. Сейчас при создании новой системы АСКУЭ ставят «умные» счетчики, которые могут передавать данные по разным каналам связи. Раньше же использовались старые приборы учета с механизмами. Данные от них шли к УСПД (устройство сбора и передачи данных) через импульсный выход. Это было дорого и ненадежно. От каждого счетчика нужно было тянуть два провода к УСПД2. Если провода повредились, данные терялись и показания в ЦОИ (центр обработки информации) не соответствовали реальности. Такие системы АСКУЭ были критически ненадежны и неточны.
АСКУЭ на умных счетчиках
Система АСКУЭ, основанная на «умных» счетчиках, дает поставщику возможность получать актуальную и достоверную информацию о том, сколько электроэнергии потребляют абоненты, подключенные к системе АСКУЭ, автоматически и одновременно собирать данные с приборов учета, следить за энергопотреблением и ограничивать мощность для любого абонента при необходимости, удаленно отключать и включать электроснабжение абонента в зависимости от его задолженности, быстро обнаруживать незаконные подключения или подключения без учета электричества, контролировать технические и коммерческие потери электроэнергии. Если связь в системе АСКУЭ прерывается по какой-либо причине, данные о потреблении электричества сохраняются как в счетчиках, так и в УСПД на определенный период времени и могут быть дособраны после восстановления связи. Кроме того, система АСКУЭ помогает решить проблему доступа контролеров к приборам учета потребителей.
Абоненты, которые используют систему АСКУЭ, могут быть спокойны за точность и правильность показаний с их приборов учета для расчетов за потребленную электрическую энергию. Система АСКУЭ исключает ошибки при ручном снятии показаний. Также абонент может запросить данные о показаниях своего счетчика и расходах электричества за нужный период из базы данных системы АСКУЭ в случае спорных ситуаций.
Современные системы автоматизированного сбора, контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ) характеризуются точностью и достоверностью собираемой информации, а также высоким уровнем надежности и безопасности (хранения и обработки данных). Эти системы выгодны как для поставщиков электроэнергии, так и для ответственных потребителей.
