Электронный многотарифный счетчик электрической энергии

1 Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для многотарифного учета потребляемой энергии и создания автоматизированных систем по сбору, учету и контролю информации о потребленной электрической энергии и организации предоплаты за потребляемую электрическую энергию. Предшествующий уровень техники Известен многотарифный счетчик электрической энергии [1], содержащий микроконтроллер, устройство для считывания и записи информации с помощью кредитной карточки,индикатор на жидких кристаллах, сигнальное устройство и испытательный выход. Счетчик осуществляет многотарифный учет с возможностью предоплаты, имеет режим программирования и удобную индикацию показаний. Недостатками известного счетчика являются относительно низкий класс точности, дороговизна, отсутствие контроля несанкционированного доступа к колодке подключения, отсутствие возможностей управления нагрузкой и многотарифного учета потребленной энергии с превышением заданной предельной мощности. Известен многотарифный счетчик электрической энергии [2], выбранный за прототип и содержащий микроконтроллер, супервизор микроконтроллера, интерфейс связи, энергонезависимое запоминающее устройство с таймером, преобразователь мощности, токовый трансформатор, делитель напряжения, два электромеханических отсчетных устройства, испытательный выход и клеммную колодку. Счетчик осуществляет многотарифный учет, легко комплексируется в автоматизированную систему учета электроэнергии, является программируемым устройством, сохраняет всю накопленную информацию при отключении питания. Недостатками известного счетчика являются недостаточные потребительские свойства,а именно: малоинформативная индикация (существует возможность отображения на индикаторах информации только двух значений потребленной энергии, а в энергонезависимой памяти счетчика в процессе работы накапливается более 50 значений, характеризующих энергопотребление), отсутствие возможности предоплаты за электроэнергию, отсутствие контроля несанкционированного доступа к клеммной колодке подключения (отсутствие контроля попыток воровства электроэнергии). Сущность изобретения Задачей, решаемой предлагаемым техническим решением, является создание многотарифного счетчика электрической энергии с улучшенными потребительскими свойствами. Технический результат, заключающийся в обеспечении улучшенных потребительских свойств, достигается тем, что многотарифный 2 счетчик электрической энергии, содержащий микроконтроллер, первый выход/вход которого соединен со входом/выходом энергонезависимого запоминающего устройства с таймером, а первый выход соединен со входом супервизора микроконтроллера, выход которого соединен с первым входом микроконтроллера, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами интерфейса связи, первый выход которого соединен со вторым входом микроконтроллера, третий вход которого соединен с выходом преобразователя мощности, первый вход которого соединен с выходом делителя напряжения, два входа которого подключены к первой паре контактов клеммной колодки, а второй и третий входы соединены соответственно с первым и вторым выходами токового трансформатора, первый и второй входы которого подключены ко второй паре контактов клеммной колодки, к третьей паре контактов которой подключены два входа/выхода интерфейса связи, а к четвертой паре контактов подключен испытательный выход,вход которого подключен к четвертому выходу микроконтроллера, снабжен зуммером, индикатором на жидких кристаллах, устройством для считывания и записи информации с помощью электронной карточки и устройством фиксации несанкционированного доступа к клеммной колодке, выход которого соединен с четвертым входом микроконтроллера, пятый выход которого соединен со входом зуммера, первая группа выходов соединена с соответствующими входами индикатора на жидких кристаллах, а вторая группа выходов подключена к соответствующим входам устройства для считывания и записи информации с помощью электронной карточки, вход/выход которого соединен со вторым выходом/входом микроконтроллера. Указанная совокупность признаков позволяет обеспечить улучшенные потребительские свойства за счет усовершенствования алгоритма(программы) управления работой многотарифного счетчика. Описание чертежей На чертеже представлена структурная схема многотарифного счетчика электрической энергии. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Электронный многотарифный счетчик электрической энергии содержит микроконтроллер 1, первый выход/вход которого соединен со входом/выходом энергонезависимого запоминающего устройства 2 с таймером, а первый выход соединен со входом супервизора 3 микроконтроллера 1, выход которого соединен с первым входом микроконтроллера 1. Второй и третий выходы микроконтроллера 1 соединены соответственно с первым и вторым входами интерфейса 4 связи, первый выход которого соединен со вторым входом микроконтроллера 3 1. Третий вход микроконтроллера 1 соединен с выходом преобразователя 5 мощности, первый вход которого соединен с выходом делителя 6 напряжения. Вход делителя 6 напряжения подключен к первой паре контактов клеммной колодки 7. Второй и третий входы преобразователя 5 мощности соединены соответственно с первым и вторым выходами токового трансформатора 8, первый и второй входы которого подключены ко второй паре контактов клеммной колодки 7, к третьей паре контактов которой подключены два входа/выхода интерфейса связи (4), а к четвертой паре контактов подключен испытательный выход (9), вход которого подключен к четвертому выходу микроконтроллера (1). Пятый выход микроконтроллера 1 соединен со входом зуммера 10. Первая группа выходов микроконтроллера 1 соединена с соответствующими входами индикатора 11 на жидких кристаллах, а вторая группа выходов подключена к соответствующим входам устройства 12 для считывания и записи информации с помощью электронной карточки 13, вход/выход которого соединен со вторым выходом/входом микроконтроллера 1. Четвертый вход микроконтроллера 1 соединен с выходом устройства 14 фиксации несанкционированного доступа к клеммной колодке 7. Микроконтроллер 1 выполнен на большой интегральной схеме БИС ТР 87 С 52 (АТ 89 С 52) [3]. Интерфейс 4 связи выполнен на преобразователе МАХ 487 Е [4]. Супервизор 3 микроконтроллера 1 выполнен на микросхеме МАХ 813 L [5]. Энергонезависимое запоминающее устройство 2 с таймером выполнено нa DS1994 F[6]. Преобразователь 5 мощности выполнен на микросхеме МС-ПП 1 (КР 1095 ПП 1), изготовитель: завод Орбита г. Калуга. Делитель 6 напряжения представляет собой два последовательно соединенных резистора. Испытательный выход 9 выполнен на транзисторной оптопаре АОТ 127 А. Устройствo 14 доступа к клеммной колодке 7 выполнено на микропереключателе МП-7. Индикатор 11 на жидких кристаллах выполнен на индикаторе на жидких кристаллах производства НПО "Интеграл", г. Минск. Устройство 12 для считывания и записи информации с помощью электронной карточки 13 выполнено на устройстве считывающем,НПО "Интеграл", г. Минск. Токовый трансформатор 8 может быть выполнен по технической документации [7]. Клеммная колодка 7 может быть выполнена по технической документации [8]. Зуммер 10 выполнен на звуковом преобразователе ЗП 3. Многотарифный счетчик электрической энергии работает следующим образом. Работой всех функциональных узлов многотарифного счетчика управляет микроконтроллер 1 по оп 002050 4 ределенному алгоритму, реализованному в программе для микроконтроллера 1, которая записана в памяти последнего. Напряжение сети,подаваемое на клеммную колодку 7 через делитель 6 напряжения, подается на первый вход преобразователя 5 мощности, на второй вход которого подается сигнал с выхода токового трансформатора 8, по первичной обмотке которого протекает потребляемый ток. Преобразователь 5 мощности, осуществляя перемножение входных сигналов (напряжение и ток), преобразует их в последовательность выходных импульсов, частота которых пропорциональна произведению входных сигналов, т.е. электрической мощности переменного тока. Микроконтроллер 1, на вход которого поступает эта частота, интегрируя ее за определенные промежутки времени, подсчитывает потребленную энергию за эти промежутки времени. Запоминающее устройство 2 с таймером по определенному программному алгоритму осуществляют часы реального времени и календарь, с помощью которых микроконтроллер реализует многотарифный учет потребляемой энергии в зависимости от времени суток, дня, недели, месяца года (сезона), учитывая праздничные дни. Тарифное расписание (время действия каждого тарифа) записывается в запоминающее устройство 2 с таймером и сохраняется при пропадании (отключении) питания. Потребленная электрическая энергия по каждому из тарифов, подсчитанная микроконтроллером 1, сохраняется в энергонезависимом запоминающем устройстве 2 с таймером. Причем, сохраняются как суммарные показания по каждому из тарифов, так и потребления по всем тарифам за каждый месяц в течение одного года. Помимо этого, в счетчике ведется многотарифный учет энергии, потребление которой происходило с превышением заданного предела (лимита) мощности, величина которого может произвольно задаваться и храниться в энергонезависимом запоминающем устройстве 2 с таймером. Супервизор 3 микроконтроллера 1 значительно повышает надежность работы многотарифного счетчика. Управляя входом сброса микроконтроллера 1, супервизор 3 обеспечивает надежное включение/выключение микроконтроллера 1 при подаче/пропадании (или нахождении вне допустимых пределов) питания и перезапуск программы микроконтроллера 1 при потере последним контроля за ходом работы (программный "мертвый" цикл). Микроконтроллер 1 выходным сигналом супервизору 3 сигнализирует последнему о полном контроле за ходом работы счетчика,что предотвращает генерацию супервизором 3 сигнала сброса микроконтроллера 1. Через интерфейс 4 связи в микроконтроллер 1 поступают командные запросы и параметры режимов работы счетчика (тарифное расписание, праздничные дни, лимит мощности, режим работы индикатора 11 на жидких кристаллах и т.п.), в соот 5 ветствии с которыми микроконтроллер 1 выполняет те или иные действия и через интерфейс 4 связи сообщает о результатах выполнения этих команд, о состоянии многотарифного счетчика и накопленной информации о потребленной энергии. Причем, обмен информацией через интерфейс 4 связи может осуществляться в любой момент времени. Инициирование обмена всегда осуществляет управляющее устройство, подключаемое к интерфейсу связи 4 (например, персональный компьютер), а многотарифный счетчик - пассивное устройство, которое только отвечает на адресуемые только ему команды и запросы. Логический протокол обмена - ASCII протокол с проверкой контрольной суммы всей посылки. Многотарифный счетчик электрической энергии имеет свой неизменяемый уникальный двенадцатисимвольный идентификатор и изменяемый тринадцатисимвольный пароль, через которыйосуществляется доступ к нему. Тридцатисимвольный пароль, в свою очередь, состоит из пятисимвольного группового пароля и восьмисимвольного индивидуального пароля. Все команды делятся на две группы: индивидуальные для одного многотарифного счетчика, у которого совпадает индивидуальный пароль с паролем в теле команды с последующим ответом от счетчика, и групповые (широковещательные) для группы счетчиков электрической энергии с одинаковым групповым паролем, совпадающим с групповым паролем в теле команды, без ответа от счетчика об исполнении. В набор команд входят команды,позволяющие изменять групповые и индивидуальные пароли каждому счетчику электрической энергии. Устройство 14 фиксации несанкционированного доступа к клеммной колодке 7 вырабатывает сигнал при снятии крышки и доступe к клеммной колодке многотарифного счетчика. По этому сигналу счетчик фиксирует время и дату, обращаясь к программному календарю и часам, реализованным на базе энергонезависимого запоминающего устройства 2 с таймером, и сохраняет эти данные в энергонезависимом запоминающем устройстве 2 с таймером так, что в любой момент времени можно будет проконтролировать соответствующей командой чтения даты снятия крышки через интерфейс 4 связи. Также в энергонезависимом запоминающем устройстве 2 с таймером сохраняется дата и время подачи питания на многотарифный счетчик с возможностью последующего чтения этой даты через интерфейс 4 связи. Электронная карточка 13 служит для программирования режимов работы многотарифного счетчика, снятия показаний о потреблении и организации возможности предоплаты за потребляемую электрическую энергию. Карточка,воспринимаемая счетчиком электрической энергии, бывает двух типов: технологическая,служащая для программирования стандартных установок и режимов работы счетчика, исполь 002050 6 зующаяся на этапе изготовления и отладки счетчика и подходящая к любому счетчику, и индивидуальная оплатная карточка, использующаяся при эксплуатации счетчика электрической энергии потребителем. Данный тип карточки и осуществляет предоплату за энергию,съем информации о потреблении, сравнении на соответствие или изменение тех или иных режимов работы многотарифного счетчика электрической энергии. Причем, электронная карточка 13 может быть запрограммирована на выполнение как сразу всех операций (предоплата,съем, сравнение/коррекция), так и на любую их комбинацию. На электронную карточку записывается двенадцатисимвольный идентификатор,совпадающий с уникальным идентификатором счетчика, поэтому она будет работать только со"своим" счетчиком и ни с каким другим. Программирование электронных карточек и занесение в них информации о "купленных" кВтч и дате "покупки" должно осуществляться в пунктах оплаты за электрическую энергию. После того, как электронная карточка 13 вставлена в устройство 12 считывания и записи информации, с помощью электронной карты происходит проверка корректности записанной информации и на соответствие карточки 13 счетчику электрической энергии. Далее, в зависимости от запрограммированных операций в многотарифный счетчик заносится информация о "купленных" кВт часах по каждому из тарифов, которая запоминается в энергонезависимом запоминающем устройстве 2 с таймером и используется при работе многотарифного счетчика, происходит сравнение/коррекция режимов работы многотарифного счетчика с режимами работы, записанными на электронную карточку 13, и на карточку 13 заносятся дата и информация о потребляемой энергии на текущую дату по каждому из тарифов для последующей оплаты. Карточка 13 может вставляться в счетчик сколько угодно раз для снятия последней информации о потреблении (оплата и сравнение/коррекция происходят только первый раз). Вся информация, заносимая на карточку 13 многотарифным счетчиком и в пунктах оплаты,кодируется соответствующим способом для защиты от несанкционированных действий. Далее, при работе счетчика электрической энергии и потреблении электрической энергии происходит уменьшение оставшихся кВт часов соответствующих тарифов с сохранением остатков в энергонезависимом запоминающем устройстве 2 с таймером, и при достижении нулевого значения многотарифный счетчик сигнализирует об этом периодическим звуковым сигналом зуммера 10, и, если разрешено применение штрафного тарифа, то он включается и потребление энергии фиксируется по штрафному тарифу, что отображается на табло индикатора 11 на жидких кристаллах. При наступлении штрафного тарифа существует возможность 7 отключать энергию от потребления безусловно или при условии превышения им установленного лимита мощности. Данная возможность программируется через интерфейс 4 связи или с помощью электронной карточки 13 и выполнима только при совместной эксплуатации многотарифного счетчика со стандартным устройством защитного отключения. На табло индикатора 11 на жидких кристаллах в процессе функционирования многотарифного счетчика выводится следующая разнообразная информация о потреблении по каждому из тарифов: как суммарном так и помесячном; текущие дата, время и тариф, при котором потребляется энергия, превышаются ли при текущем потреблении установленные лимит мощности и месячный лимит энергии, результаты работы с электронной карточкой 13. Работой индикатора 11 на жидких кристаллах полностью управляет микроконтроллер 1, периодически раз в две секунды или при потреблении очередных двух Втчас, обновляя информацию на табло индикатора 11 на жидких кристаллах. При нормальном режиме вывода информации о потребленной электрической энергии на табло индикатора 11 периодически через шесть секунд выводится следующая информация: потребленная энергия по льготному тарифу всего (суммарная за все время работы) и за текущий месяц, потребленная энергия по основному тарифу всего (суммарная за все время работы) и за текущий месяц, потребленная энергия по пиковому тарифу всего (суммарная за все время работы) и за текущий месяц, потребленная энергия по штрафному тарифу всего суммарная за все время работы) и за текущий месяц и потребленная энергия по всем тарифам за текущий месяц. Причем, последнее показание отображается всегда, а отображение предыдущих показаний как командой через интерфейс 4 связи, так и с помощью электронной карточки 13 в зависимости от использования того или иного тарифа, законодательно установленного на сегодняшний день. Для расширенного режима отображения надо использовать кнопку, установленную на корпусе многотарифного счетчика. При каждом нажатии кнопки дополнительно к предыдущим девяти показаниям о потреблении энергии последовательно отображаются: энергия по льготному тарифу, потребленная с превышением лимита мощности, энергия по основному тарифу, потребления с превышением лимита мощности, энергия по пиковому тарифу,потребленная с превышением лимита мощности и энергии по льготному, основному, пиковому и штрафному тарифам, потребленные за каждый предыдущий месяц в течение последних одиннадцати календарных месяцев с индикацией месяца и года. Сигнал с выхода микроконтроллера 1 позволяет управлять генерацией периодических сигналов для зуммера 10, издающего звуковые 8 сигналы. Звуковые сигналы генерятся при следующих событиях: снятии крышки с клеммной колодки 7, наступлении нового временного тарифа, израсходовании оплаченной энергии по текущему тарифу и потреблении очередных восьми Втчасов. Поскольку сигнал с выхода микроконтроллера 1 управляет работой испытательного выхода 9, выходной сигнал испытательного выхода 9 можно использовать для управления внешним по отношению к счетчику электронным устройством, осуществляющим управление нагрузкой потребления. Анализируя информацию о процессе потребления и оплате за потребленную энергию, микроконтроллер реализует различные режимы такого управления: нагрузка всегда включена; нагрузку отключать безусловно при окончании оплаченной энергии по текущему тарифу; либо отключать при окончании оплаты по текущему тарифу при условии потребления энергии с превышением установленного лимита мощности и наоборот. Режим работы управления нагрузкой задается через интерфейс связи (4) или с помощью электронной карточки. Разработан и испытан опытный образец многотарифного счетчика электрической энергии. Опытная эксплуатация образца показала его практическую пригодность для промышленного использования. Источники информации 1. Рекламный проспект фирмы ASELSAN"Электрический счетчик с кредитной карточкой". Турция, P.O. Box 101 - 06172 YENIMAHALLE - ANKARA - TYRKEY, phone: (90-132) 385-19-00, telex: 44518-44422, fax: (90-312) 35419-46. 2. Рекламный проспект Нижегородского завода им. Фрунзе "Счетчик электрической энергии двухтарифный многофункциональный СЭБ - 2 А, "Россия, 1996, 603600, Н.Новгород,ГСП - 299, пр. Гагарина, 174 (РЛ 69/СЭБ - 2 А 03.96). 3. Каталог INTEL. 8 - Bit Embedded Controller Handbook 1989, стр. 8-115-8-131. 4. Каталог MAXIM 1995 NEW REALEASES DATA BOOK, Volume 4, стр. 2-159-2174. 5. Каталог MAXIM 1995 NEW REALEASES DATA BOOK, Volume 4, стр. 5-47-5-56. 6. Каталог DALLAS Semiconductor, 1992 1993 PRODUCT DATA BOOK, стр. 12-35-12-57. 7. Техническая документация ЛИМГ. 671 111. 004 ТВ. 702. 004 завода им. Фрунзе, г. Н.Новгород. 8. Техническая документация ИЛГШ 685442.037 СБ завода им. Фрунзе, г. Нижний Новгород. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Электронный многотарифный счетчик электрической энергии, содержащий микроконтроллер (1), первый выход/вход которого соединен со входом/выходом энергонезависимого запоминающего устройства (2) с таймером, а первый выход соединен со входом супервизора(3), выход которого соединен с первым входом микроконтроллера (1), второй и третий выходы которого соединены с первым и вторым входами интерфейса (4) связи, первый выход которого соединен со вторым входом микроконтроллера (1), третий вход микроконтроллера (1) соединен с выходом преобразователя (5) мощности, первый вход которого соединен с выходом делителя (6) напряжения, два входа которого подключены к первой паре контактов клеммной колодки (7), а второй и третий входы преобразователя мощности (5) соединены соответственно с первым и вторым выходами токового трансформатора (8), первый и второй входы которого подключены ко второй паре контактов 10 клеммной колодки (7), к третьей паре контактов которой подключены два входа/выхода интерфейса связи (4), а к четвертой паре контактов подключен испытательный выход (9), вход которого подключен к четвертому выходу микроконтроллера (1), отличающийся тем, что он снабжен зуммером (10), индикатором (11) на жидких кристаллах, устройством (12) для считывания и записи информации с помощью электронной карточки (13) и устройством (14) фиксации несанкционированного доступа к клеммной колодке (7), выход которого соединен с четвертым входом микроконтроллера (1), при этом пятый выход микроконтроллера (1) соединен со входом зуммера (10), первая группа выходов соединена с соответствующими входами индикатора (11) на жидких кристаллах, а вторая группа выходов подключена к соответствующим входам устройства (12) для считывания и записи информации с помощью электронной карточки (13), вход/выход которого соединен со вторым выходом/входом микроконтроллера (1).