Счетчик электрической энергии

1 Область, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к устройствам для измерения и контроля потребляемой электроэнергии и предназначено для выполнения указанных функций с обеспечением гарантированных платежей потребителями электроэнергии и предотвращения несанкционированного ее использования (хищения). Уровень техники Известно большое число различных современных устройств для измерения потребляемой электроэнергии с использованием полупроводниковых логических элементов и элементов импульсной техники, преобразователей информации (сигналов одного вида в другой), в том числе аналого-цифровых (например, патент США 3947763 от 1976 г., US Сl 342/142, Int.Cl. GO1R 11/32). Известны и более современные измерители потребляемой электроэнергии с программируемыми компонентами, включающие в себя микроконтроллер, элементы памяти, дисплей,интерфейс. Такие измерители, помимо прочего,реагируют определенным образом на отклонения тока или напряжения в ту или иную сторону заданного диапазона (например, патент США 5315 235 от 1994 г., US Сl 324/116, Int. Cl. G 01R 19/16). Разработаны и программируемые, с развитой логикой действия, измерители электроэнергии, преимущественно для промышленных объектов (см., например, Европейский патентЕР 0857978 А 2 от 12.08.1998 (заявлен 21.02.1992),Int. Cl. G 01R 22/00; его аналог патент США 5631843 от 20.05.1997 (заявлен 6.06.1996). Подобного уровня измерители известны в том числе с использованием уплотненных цепей аналого-цифровых преобразователей (например,патент США 5544089 от 1996 г. (заявлен 7.06.1995), US Cl 364/492, Int. Cl G 06F 17/00). Упомянутые технические решения предназначены для использования преимущественно в высокоразвитых странах (с соответствующим уровнем культуры потребителей различного рода услуг), в частности, для точного измерения потребляемой электроэнергии на промышленных и прочих достаточно мощных предприятиях (в том числе с неравномерной загрузкой электрических сетей). Вместе с тем, во многих странах мира,прежде всего в развивающихся, включая страны, образовавшиеся на территории бывшего СССР, существует проблема оплаты коммунальных услуг, в частности потребляемой электроэнергии. Для решения этой проблемы многие известные компании разработали и производят электронные счетчики, пропускающие электроэнергию потребителям только после ее оплаты. Потребитель, у которого установлен такой счетчик, оплачивает электроэнергию и получает электронную карту (smart card), в память которой внесена оплаченная потребителем 2 сумма. Далее потребитель вставляет электронную карту в счетчик, который запоминает оплаченную сумму и позволяет потребителю получить соответствующее количество электроэнергии. К указанным компаниям, занимающимся такими счетчиками, в частности, относятся:(Израиль). - см., например, специализированный журнал по вопросам измерительной техникиLtd., p.p. 24-25,27,28-29. Существующие счетчики - индивидуального пользования. Каждый такой счетчик содержит реле для отключения потребителя (после израсходования им оплаченного количества электроэнергии), дисплей (показывающий оставшуюся к данному моменту сумму, на которую потребитель еще может получить электроэнергию), интерфейс, узел считывания информации с электронной карты, датчик регистрации параметров электрического тока и процессор,который запоминает информацию с электронной карты, рассчитывает количество израсходованных потребителем электроэнергии и соответствующей суммы, рассчитывает и передает на дисплей информацию об оставшейся сумме,запоминает и передает по требованию на интерфейс информацию об изменении во времени параметров электрического тока за последние шесть месяцев, дает команду реле на отключение потребителя, когда у него израсходована вся оплаченная сумма - см., например, техническое описание к такому счетчику (Pre-Payment MultiRate Programmable Power Meter) разработки компании Nisko Project ElectronicsCommunications Ltd., 1995 (выдержки и чертеж приведены в приложении к настоящей заявке). Однако, такие счетчики имеют высокую цену (100-500 долларов США), и поэтому дополнительные средства, собранные с их помощью, не позволяют окупить в приемлемое время затраты на приобретение и монтаж этих счетчиков. Компании D.M.S. Motors Ltd. (Великобритания) и Dak-Techn Ltd. (Израиль) разработали приставки к существующим индукционным счетчикам, которые также обеспечивают отпуск электроэнергии после предварительной оплаты. Эти приставки дешевле электронных счетчиков,но все же стоят вместе с индукционными счетчиками 70-90 долларов США, и срок их окупаемости также неприемлем. Указанные электронные счетчики и индукционные счетчики с приставками устанавливаются либо в квартирах, либо в подъезде. В обоих случаях у потребителя имеется возможность использовать электроэнергию без оплаты(похищать электроэнергию), проложив провод мимо счетчика. Однако для злоумышленника легче и менее рискованно похищать электроэнергию, если счетчик установлен в квартире, а размещать счетчики в подъездах нецелесообразно, так как в ряде случаев похищают и/или выводят из строя уже сами счетчики. По этим причинам электронные счетчики и приставки к индукционным счетчикам не нашли широкого применения. Сущность изобретения Целью настоящего изобретения является исключение указанных недостатков известных технических решений, т.е. создание счетчика потребляемой электроэнергии с ее предоплатой,приемлемой для потребителя стоимости, с одновременным исключением возможности хищения электроэнергии недобросовестными потребителями. Поставленная цель достигается предлагаемым счетчиком, предназначенным для надежного одновременного обслуживания многих потребителей, с возможной установкой одного устройства на подъезд, дом или поселок (аул,кишлак и т.п.). Предлагаемый счетчик, как и известный того же класса, имеет считыватель информации(например, с электронной карты (smart card,дисплей для выдачи информации (в частности,для показа оставшейся суммы платежа), интерфейс для передачи внешнему устройству информации об изменениях параметров электрического тока за определенное время, процессор для расчета величин израсходованной электроэнергии, произведенных платежей, сумм оставшихся средств, а также для управления функциональными элементами счетчика. Но, в отличие от известных, предлагаемый счетчик имеет мультиплексор, подключенный к выходам группы датчиков параметров тока (количество не менее числа обслуживаемых потребителей) и по выходу связанный с общим процессором для передачи последнему информации о параметрах потребляемого тока от каждого датчика в функции времени. Счетчик имеет также подключенный к выходам процессора общий командаппарат для передачи команд процессора группам реле (в количестве не менее числа обслуживаемых потребителей) для отключения соответствующего потребителя от электросети в случае достижения расхода электроэнергии указанным потребителем заданного значения (уровня). При описанном решении обеспечивается снижение стоимости счетчика, приходящейся на одного потребителя, по крайней мере, за счет того, что интерфейс, дисплей, считывающее устройство и процессор используются один на множество потребителей, и становится экономически целесообразным широкое применение таких счетчиков. Для повышения точности из 003601 4 мерения параметров электрического тока каждый датчик может быть снабжен трансформатором тока, а между мультиплексором и процессором включается аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с частотой включений, достаточной для обеспечения заданного класса точности регистрации параметров тока во времени. В случае невозможности и/или нецелесообразности использования АЦП с частотой включений, достаточной для регистрации параметров тока с заданной точностью, датчик снабжается трансформатором тока, линейным генератором импульсов и счетчиком импульсов, последний из которых через мультиплексор связан с процессором.- Для упрощения конструкции датчик параметров тока может быть снабжен шунтом- причем выход последнего через оптический разделитель цепей (оптическую пару) связан со счетчиком импульсов;- по выходу связанным с процессором через мультиплексор, с обеспечением повышения безопасности эксплуатации. Для предотвращения попыток несанкционированных подключений потребителей к электросети и/или воздействий на элементы счетчика, последние смонтированы в одном боксе,(защищенном от различных видов воздействий),соединенном индивидуальными проводами с помещениями потребителей, находящихся под индивидуальным контролем. При расположении потребителей на значительном расстоянии друг от друга (в частности, в сельской местности),когда соединение потребителей со счетчиком индивидуальным проводом экономически нецелесообразно, счетчик- выполнен с размещением в центральном боксе и персональных боксах для каждого потребителя,- причем в центральном боксе установлены элементы, общие для всех потребителей и приемопередатчик,- а персональные боксы расположены в непосредственной близости от каждого потребителя тока в труднодоступном месте, и в них установлены датчики параметров тока, реле и устройства для обеспечения связи между персональными и центральными боксами. В последнем случае, для предотвращения хищения электроэнергии присоединением к электросети на участке между центральным и персональными боксами, в дополнение к датчикам в персональных боксах, на входе в счетчик в центральном боксе также размещен датчик параметров тока, а счетчик снабжен устройством для подачи аварийного сигнала и отключения потребителей в случае превышения разницы количеств электроэнергии, вошедшей в счетчик,и электроэнергии, зафиксированной датчиками персональных боксов за тот же период времени. 5 При этом боксы снабжены устройствами для подачи звукового сигнала, отключения от электросети потребителя и передачи аварийного сигнала поставщику электроэнергии в случае несанкционированного вскрытия боксов (воздействия на боксы) счетчика (или участок электросети, находящийся под контролем счетчика). Предлагаемым техническим решением(при расположении потребителей на значительном расстоянии друг от друга) предусмотрено предотвращение сверхнормативных потерь электроэнергии на основе способа, в соответствии с которым:- измеряют количество энергии, поступившей в счетчик за фиксированный промежуток времени,- определяют суммарное количество электроэнергии, зафиксированной датчиками в персональных боксах за этот же промежуток времени,- определяют уровень фактических потерь(разность между количеством электроэнергии,поступившей в счетчик, и суммарным количеством электроэнергии, зафиксированной датчиками персональных боксов за тот же промежуток времени),- сравнивают результат определения фактических потерь с уровнем допустимых потерь,- отключают потребителей и подают аварийные сигналы в случае превышения фактических потерь допустимого уровня. Сравнительный анализ предлагаемого счетчика и известных технических решений аналогичного назначения показывает, что первый имеет новизну, промышленную применимость, изобретательский уровень, а поэтому заслуживает правовой защиты в виде патента. Перечень фигур чертежей На фиг. 1 - показана структурная схема базового варианта предлагаемого счетчика; на фиг. 2 - структурная схема счетчика с АЦП и трансформаторами тока датчиков параметров тока; на фиг. 3 - фрагмент структурной схемы счетчика с трансформатором тока датчика, линейным генератором импульсов и счетчиком импульсов; на фиг. 4 - фрагмент структурной схемы с шунтом датчика параметров тока, линейным генератором импульсов, оптическим разделителем цепей и счетчиком импульсов; на фиг. 5 - схема размещения основных частей счетчика при расположении потребителей на значительном расстоянии друг от друга. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Предлагаемый счетчик в базовом варианте(фиг. 1) содержит датчики 1 параметров электрического тока (напряжение и ток), изменяющихся во времени. Количество датчиков не менее числа n подключенных потребителей. Выходы датчиков 11-1n подключены ко входам 6 мультиплексора 2, по выходу связанного с микропроцессором 3 для последовательного считывания последним показаний датчиков (показания из двоичных счетчиков в количестве, равном числу потребителей) и записи результатов в энергонезависимую память (необходимую для хранения текущих показаний в случае отключения от электроэнергии). К микропроцессорам подключен и считыватель 4 информации со smart-card о сумме платежа, предварительно внесенного каждым потребителем за пользование электроэнергией. К микропроцессору 3 подключен также дисплей 5 для выдачи информации, в частности об оставшейся сумме платежа каждого потребителя (соответствующей количеству киловаттчасов электроэнергии, которую потребитель может еще израсходовать). Далее, к микропроцессору подключен интерфейс 6 для передачи по требованию информации внешнему устройству. Наконец, к выходам микропроцессора подключен общий командоаппарат 7, в частности, в виде дешифратора из двоичного кода в позиционный и усилителя с выходным током, достаточным для нормального функционирования включенного в его цепь реле(или полупроводникового ключа) 8, предназначенного для включения электропитания каждого потребителя, предварительно оплатившего электроэнергию, а в случае достижения расхода электроэнергии конкретным потребителем заданного значения указанное реле (ключ) 8 обеспечит отключение исчерпавшего свой лимит потребителя от электросети (всего в счетчике установлено n реле или ключей 81-8n, соответствующих каждому подключенному к счетчику потребителю). Для повышения точности измерения параметров электрического тока, каждый датчик может быть снабжен трансформатором тока 9 и усилителем 10 (фиг. 2), а между мультиплексором 2 и микропроцессором 3 включается аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с частотой включений, обеспечивающей регистрацию параметров тока во времени с наперед заданной точностью. В случае невозможности и/или нецелесообразности использования АЦП с частотой включений, достаточной для регистрации параметров тока с заданной точностью, датчик снабжается трансформатором тока 9 (фиг. 3),линейным генератором импульсов 12 и счетчиком импульсов 13, последний из которых через мультиплексор связан с микропроцессором 3. Вместо трансформатора тока может быть применен шунт 14 (фиг. 4), связанный с линейным генератором импульсов 12; при этом выход последнего через оптический разделитель 15 цепей (оптическую пару) связывается со счетчиком импульсов 13, по выходу связанным с микропроцессором 3 через мультиплексор. Указанный генератор 12, индивидуальный для каждого потребителя, предназначен для 7 преобразования численного значения поступающей электроэнергии в последовательность импульсов заданной длительности, следующих с интервалом, пропорциональным значению активной мощности (соответственно - поступающей электроэнергии). Для предотвращения попыток несанкционированных подключений потребителей к электросети и/или воздействий на элементы счетчика, последние смонтированы в одном боксе (защищенном от различных видов воздействий),соединенном индивидуальными проводами с помещениями потребителей, находящихся под индивидуальным контролем. При расположении потребителей на значительном расстоянии друг от друга (в частности,в сельской местности), когда соединение потребителей со счетчиком индивидуальным проводом экономически нецелесообразно, счетчик- выполнен с размещением в центральном боксе 16 и персональных боксах 171-17n для каждого потребителя,- причем в центральном боксе установлены элементы, общие для всех потребителей (в частности, функциональные элементы 1, 3, 4, 5), и приемопередатчик 18,- а персональные боксы 171-17n расположены в непосредственной близости от каждого потребителя тока 191-19n в труднодоступном месте, и в них установлены датчики 1 параметров тока, в частности, элементы 141-14n, 121-12n,131-13n, реле 81-8n и устройства 181-18n для обеспечения связи между персональными и центральными боксами. В последнем случае, для предотвращения хищения электроэнергии присоединением к электросети на участке между центральным и персональным боксами, в дополнение к датчикам в персональных боксах, на входе в счетчик в центральном боксе также размещен датчик параметров тока, а счетчик снабжен устройством 20, 201-20n для подачи аварийного сигнала и отключения потребителей, когда разница между количеством электроэнергии, вошедшей в счетчик, и электроэнергии, израсходованной потребителями (зафиксировано датчиками персональных боксов) за тот же период времени превысит допустимое значение. При этом боксы снабжены устройствами для подачи звукового сигнала отключения от электросети потребителя и передачи аварийного сигнала поставщику электроэнергии в случае несанкционированного вскрытия боксов (воздействия на боксы) счетчика (или участок электросети, находящийся под контролем счетчика). Работа счетчика осуществляется следующим образом. Для нормального функционирования системы получения электроэнергии потребители предварительно оплачивают электроэнергию в банке, который фиксирует в персональных smart-cards количество энергии, оплаченной каждым потребите 003601 8 лем. Для пользования электроэнергией потребители вставляют smart-cards в счетчик. Микропроцессор с помощью приемного устройства фиксирует в соответствующей ячейке памяти сумму платежа, произведенного каждым потребителем, и тарифный коэффициент, соответствующий этому потребителю. После этого микропроцессор включает реле (или его бесконтактный эквивалент - полупроводниковый ключ), т.е. электропитание тех потребителей,которые оплатили электроэнергию. Во время работы счетчика микропроцессор совместно с мультиплексором последовательно опрашивает все датчики, которые передают параметры электрического тока в аналоговой форме, в частности АЦП. Последний преобразует их в цифровую форму и передает микропроцессору. Цикл опроса повторяется с частотой включений, достаточной для обеспечения заданного класса точности счетчика. Подобная частота позволяет микропроцессору вычислить с требуемой точностью количество электроэнергии, полученной каждым потребителем, и передать в его ячейку информацию о параметрах поступившего к нему электрического тока, количестве израсходованной электроэнергии, использованных и оставшихся сумм платежей с учетом временных тарифов. Если потребитель использовал всю сумму предварительного платежа (и не позаботился о следующем платеже), микропроцессор с помощью командоаппарата (и соответствующего реле) отключает этого потребителя от системы электропитания (электросети). Потребитель имеем возможность в любой момент проверять оставшуюся в его активе часть суммы платежа за электроэнергию. Для этого он должен вставить в счетчик smart-card, после чего микропроцессор выдаст на дисплей оставшуюся часть суммы платежа, оставшуюся в ячейке памяти этого потребителя. В другом варианте исполнения счетчика датчик параметров тока, содержащий трансформатор тока (или шунт), линейный генератор импульсов и счетчик импульсов (количество которых пропорционально количеству поступающей электроэнергии), передает информацию о параметрах электрического тока и количестве поступившей энергии через мультиплексор непосредственно микропроцессору. При этом импульсы, формируемые каждым генератором 12, через оптическую развязку(в исполнении счетчика с шунтом), для исключения гальванической связи между электросетью и микропроцессором, попадают в счетчик 13 импульсов (двоичный), опрашиваемый микропроцессором с заданным интервалом времени(с заданной периодичностью). Каждый раз после считывания показаний счетчик 13 обнуляется во избежание переполнения. Результаты считывания суммируются в ячейке памяти потребителя и сравниваются со значением оплаченной электроэнергии. В этом варианте пере 9 дача информации может осуществляться с достаточно низкой частотой. Это позволяет передавать информацию от датчиков через мультиплексор к микропроцессору с помощью приемопередатчиков при размещении элементов счетчика в различных (в центральном и персональных для каждого потребителя) боксах на значительном расстоянии друг от друга. Но именно при таком размещении элементов счетчика и потребителей появляется более благоприятная для злоумышленников возможность хищения электроэнергии присоединением к электрической сети между центральным и индивидуальными (персональными) боксами. Для предотвращения хищения электроэнергии с помощью специальных устройств, установленных в боксах, подаются звуковые сигналы, сигнал отключения от электросети потребителей и аварийный сигнал поставщику электроэнергии в случае несанкционированного вскрытия бокса счетчика(или воздействия на боксы) или воздействия на участок электросети, находящийся под контролем счетчика. Указанная функция (предотвращение хищения) обеспечивается передачей в микропроцессор информации о количестве электроэнергии, поступившей на вход счетчика,и общего количества электроэнергии, зафиксированной датчиками в персональных блоках за определенный промежуток времени, и последующим сравнением этих значений. При хищении электроэнергии разность между указанными измеренными количествами электроэнергии будет больше допустимого предела, приводя к указанным выше действиям системы. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Счетчик электрической энергии, обеспечивающий прекращение ее подачи при достижении заданного (оплаченного) расхода, содержащий- датчики параметров электрического тока,изменяющихся во времени, и реле для отключения потребителя электроэнергии от электросети,- считыватель информации со смарт-карты о сумме платежа, предварительно внесенного каждым потребителем за пользование электроэнергией,- дисплей для выдачи информации,- интерфейс для передачи по требованию информации внешнему устройству,- связывающий в систему указанные функциональные элементы процессор для расчета величины израсходованной электроэнергии,суммы произведенных потребителем платежей,определения сумм оставшихся (неиспользованных) средств потребителя, а также для управления функциональными элементами счетчика,отличающийся тем, что- содержит дополнительно (n-1) датчиков параметров электрического тока и (n-1) реле для отключения потребителей электроэнергии, где n- общее число указанных датчиков и реле, по меньшей мере, равное числу потребителей,- мультиплексор, подключенный к выходам датчиков параметров тока и по выходу связанный с процессором для передачи последнему информации о параметрах потребляемого каждым потребителем тока в функции времени,- подключенный к выходам процессора командоаппарат для передачи команд процессора реле соответствующего потребителя для отключения его от электросети в случае достижения расхода электроэнергии указанным потребителем заданного значения (уровня),- при этом считыватель информации выполнен с возможностью фиксирования со смарткарты каждого потребителя суммы платежа,предварительно внесенного каждым потребителем. 2. Счетчик по п.1, в котором датчик параметров тока снабжен трансформатором тока, а между мультиплексором и процессором включен аналого-цифровой преобразователь с частотой включений, достаточной для обеспечения заданного класса точности регистрации параметров тока во времени. 3. Счетчик по п.1, в котором датчик параметров тока снабжен трансформатором тока,линейным генератором импульсов и счетчиком импульсов, а последний через мультиплексор связан с процессором. 4. Счетчик по п.1, в котором датчик параметров тока снабжен шунтом, связанным с линейным генератором импульсов, причем выход последнего через оптический разделитель цепей связан со счетчиком импульсов, по выходу связанным с процессором через мультиплексор, с обеспечением повышения безопасности эксплуатации. 5. Счетчик по п.1, функциональные элементы которого смонтированы в одном боксе,соединенном индивидуальными проводами с помещениями потребителей, находящихся под индивидуальным контролем, с предотвращением попыток несанкционированных подключений потребителей к электросети и/или воздействий на элементы счетчика. 6. Счетчик по п.1, который при расположении потребителей на значительном расстоянии друг от друга выполнен с размещением в центральном боксе и персональных боксах для каждого потребителя, причем в центральном боксе установлены элементы, общие для всех потребителей, и приемопередатчик, а персональные боксы расположены в непосредственной близости от каждого потребителя тока в труднодоступном месте и в них установлены датчики параметров тока, реле и устройства для обеспечения связи между персональными и центральными боксами. 7. Счетчик по п.6, в котором датчик параметров тока размещен в центральном боксе на входе в счетчик, а последний снабжен также устройством для подачи аварийного сигнала и отключения потребителей в случае превышения допустимого значения разности между количеством электроэнергии, вошедшей в счетчик, и электроэнергии, зафиксированной датчиками персональных боксов за тот же период времени. 8. Счетчик по пп.5, 6, в котором его бокс(боксы) снабжен (снабжены) устройством (устройствами) для подачи звукового сигнала, отключения от электросети потребителей и передачи аварийного сигнала поставщику электроэнергии в случае несанкционированного вскрытия бокса (воздействия на боксы) счетчика (участок электросети, находящийся под контролем счетчика). 9. Способ предотвращения сверхнормативных потерь электроэнергии при использовании счетчика по п.6, при котором- измеряют количество энергии, поступившей в счетчик за фиксированный промежуток времени,- определяют суммарное количество электроэнергии, зафиксированной датчиками в персональных боксах за этот же промежуток времени,- определяют уровень фактических потерь(разность между количеством электроэнергии,поступившей в счетчик за некоторый промежуток времени, и суммарным количеством электроэнергии, зафиксированной датчиками персональных боксов за тот же промежуток времени),- сравнивают результат определения фактических потерь с уровнем допустимых потерь,- отключают потребителей и подают аварийные сигналы в случае превышения фактических потерь допустимого уровня.