RU2695451C1 - Интеллектуальный счётчик электрической энергии статический - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к электронно-цифровой электроизмерительной технике, устройствам контроля, учёта и анализа производства или потребления электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях переменного тока, может быть использовано в различных отраслях экономики, науки и техники, на объектах электроэнергетики и у потребителей (пользователей) электрической энергии, в автоматизированных информационно-измерительных системах контроля и учёта электрической энергии и других видов энергоресурсов, массового сбора данных и информации с различных оконечных устройств, включая счётчики, датчики, сенсоры и детекторы по видам энергоресурсов, движения, положения и совершаемых действий, а также иных интеллектуальных технических средств и их централизованной программной обработки. Устройство содержит корпус, сетевой выпрямитель, стабилизатор опорных напряжений электропитания, микроконтроллер управления электропитанием и первоначального сброса, резервный источник электропитания, зажимную плату цепей электропитания и нагрузки, измерительные элементы напряжения и тока по числу фаз и нейтрали, модули аналоговой обработки входных дифференциальных сигналов напряжения и тока, операционных усилителей аналоговых сигналов с программируемым усилением и обратной связью, многоканальных аналогово-цифровых преобразователей, включающих интеграторы, компараторы, сумматоры, цифроаналоговые преобразователи и обратную связь, модули цифровой обработки входных цифровых потоков, децимации цифровых сигналов, фазовой компенсации, цифровых фильтров, включающих высокочастотные, основной частоты, низкочастотные и избирательные фильтры гармонических составляющих, модули автоматической калибровки цифровых сигналов, цифровой сигнальный микропроцессор с шинами адреса, данных и управления, модули тактирования опорных сигналов, гальванической изоляции цифровых сигналов, выходных периферийных интерфейсов, выходного импульсного телеметрического сигнала, выходного импульсного испытательного сигнала, метрологической энергонезависимой памяти, гальванической изоляции межпроцессорного взаимодействия, центральный микропроцессор управления, приложений и прикладных программ, модули построения тактового сигнала, первичных часов единого времени, автономного источника электропитания часов единого времени, синхронизации счётной логики, задающего частотного генератора, интерфейса электронного отсчётного устройства, отображения информации, интерфейса управления, сенсорной панели клавиатуры и кнопки пользователя, модули интерфейса энергонезависимых запоминающих устройств, энергонезависимой памяти штатных и срочных событий, энергонезависимой памяти автоматической самодиагностики, энергонезависимой памяти коммуникационных соединений, интерфейса дополнительных функций, датчиков мониторинга штатных и срочных событий, датчиков автоматической самодиагностики, датчиков температуры, давления и влажности, датчиков внешнего воздействия, датчиков вскрытия (вмешательства), датчиков технологического расхода (хищения), шлюза цифровых коммуникационных интерфейсов, коммуникационного интерфейса нижнего уровня, цифровых беспроводных технологий связи ближнего радиуса действия с низким энергопотреблением, первого цифрового коммуникационного интерфейса верхнего уровня, цифровых беспроводных технологий связи дальнего радиуса действия, второго цифрового коммуникационного интерфейса верхнего уровня, цифровой ближней бесконтактной связи и радиочастотной идентификации, интерфейса индикации функционирования, оптических RGB-светодиодов индикации, дифференциальный трансформатор, модули мониторинга цепи переменного тока, чувствительных элементов, силового ключа дифференциальной защиты с полюсными контактами по числу фаз и нейтрали. Технический результат - расширение функциональных возможностей, повышение точности, дискретности и скорости синхронизированных векторных измерений базовых параметров цепи переменного тока. 2 ил.

Description

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к электронно-цифровой электроизмерительной технике, в частности, к устройствам контроля, учета и анализа производства или потребления электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях переменного тока, может быть использовано в различных отраслях экономики, науки и техники, на объектах электроэнергетики и у потребителей (пользователей) электрической энергии, в автоматизированных информационно-измерительных системах контроля и учета энергоресурсов, управления и распределения энергоресурсов, массового сбора данных и информации с различных оконечных устройств, включая счетчики, датчики, сенсоры и детекторы по видам энергоресурсов, движения, положения и совершаемых действий, а также иных интеллектуальных технических средств и их централизованной программной обработки.

Известен счетчик электрической энергии, содержащий датчики напряжения и тока, соединенные с перемножителем-преобразователем, выход которого подключен к микропроцессору, связанному с блоком памяти, устройство предоплаты, включая средство приема электронных денег в виде электронных карт и директивную кнопку, подключенные к микропроцессору, выход которого соединен с дисплеем и вакуумным выключателем с приводом, управляемым микропроцессором, отключающим нагрузку потребителя от сети. Счетчик позволяет отслеживать платежи за электроэнергию посредством сравнения с данными по оплате, занесенными в блок памяти, и производить отключение потребляемой мощности при наличии задолженности и неуплате, (патент RU 2098835 С1, МПК G01R 11/00, дата публикации 10.12.1997)

Недостатком указанного счетчика электрической энергии является отсутствие оперативного мониторинга состояния цепи переменного тока и контроля цепи нагрузки, выполняющих функции защиты электрических цепей переменного тока от коротких замыканий, утечки электрического тока и перегрузок, а также возможности ее защитного отключения при выявленных неполадках.

Известно устройство учета электрической энергии содержащее преобразователь электрической мощности в частоту импульсов, суммирующее устройство, индикатор, ключ, блок управления, блок сигнализации и блок контроля диспетчера. Блок управления содержит обнаружитель отклонения амплитуды напряжения поставляемой электрической энергии от требований ГОСТ, первый инвертор, элемент ИЛИ, обнаружитель отклонения частоты напряжения поставляемой электрической энергии от требований ГОСТ, второй инвертор, первый и второй сигнализаторы и первое и второе регистрирующие устройства. Блок сигнализации содержит спутниковый приемник, электронные часы, первый и второй элементы И, блок памяти и передающее устройство, блок контроля диспетчера содержит последовательно соединенные приемное устройство и индикатор. Технический результат указанного устройства учета электрической энергии заключатся в расширении информативности (патент RU 2503016 С1, МПК G01R 22/00, дата публикации 27.12.2013).

Известно устройство учета электрической энергии, содержащее преобразователь электрической мощности в частоту импульсов, суммирующие устройства, индикаторы, ключи, инверторы, элемент ИЛИ, регистрирующие устройства, сигнализаторы, обнаружитель отклонения амплитуды напряжения поставляемой электрической энергии от требований ГОСТ, обнаружитель отклонения частоты напряжения поставляемой электрической энергии от требований ГОСТ и устройство вычисления процентного отношения. Технический результат указанного устройства учета электрической энергии заключатся в расширение функциональных возможностей путем обеспечения раздельного учета качественной, некачественной и общей потребляемой электрической энергии с нахождением процентного отношения качественной к некачественной электроэнергии и индикации этого отношения (патент RU2509313 С1, МПК G01R 22/00, дата публикации 10.03.2014).

Общими недостатками указанных счетчиков электрической энергии являются невысокая точность, дискретность и малая скорость измерения физических величин (отсутствие мгновенных и среднеквадратичных значений) и заниженные функциональные возможности, обусловленные тем, что учет расхода (потребления) электрической энергии реализован независимо от контроля качества электрической энергии. В них одинаково учитывается общий суммарный объем расхода (потребления) качественной электрической энергии, соответствующей нормам и требованиям ГОСТ и некачественной электрической энергии им не соответствующей. В них не реализованы функции идентификации случайных искажений напряжения и тока, сигнализации, регистрации, аппаратного и документального подтверждения отклонений показателей качества электрической энергии от установленных норм и требований ГОСТ.

Наиболее близким по наличию конструктивных признаков к заявляемому изобретению является счетчик электрической энергии, содержащий цепь нагрузки, блок измерения мощности, датчики напряжения и тока, перемножитель-преобразователь, микропроцессор, блок памяти, часы реального времени, гальванический элемент, узел контроля работоспособности гальванического элемента, набор программируемых таймеров, многоуровневый пороговый элемент, блок защиты, содержащий дифференциальный трансформатор, блок управления защитным отключением, чувствительный элемент и функциональный преобразователь, привод блока отключения, ключ, модуль отключения и модуль включения, дисплей, PLC модем и блок электропитания счетчика, (патент RU 2298192 С1, МПК G01R 11/00, дата публикации 27.04.2007).

Недостатком этого технического решения являются невысокая точность, дискретность и малая скорость измерений физических величин и ограниченные функциональные возможности, так как устройство не поддерживает функции контроля качества электрической энергии, раздельного учета качественной, некачественной и суммарной электрической энергии, идентификации случайных искажений напряжения и тока, сигнализации, регистрации, аппаратного и документального подтверждения отклонений показателей качества электрической энергии от установленных норм и требований ГОСТ, оперативного мониторинга штатных и срочных событий, автоматической самодиагностики элементов схемы устройства, регистрации высокоинформативных признаков дезагрегации (распознавания) электроприборов (устройств, оборудования), включенных в электрическую цепь нагрузки, массового сбора данных и информации с различных оконечных устройств, включая счетчики, датчики, сенсоры и детекторы по видам энергоресурсов, движения, положения и совершаемых действий, а также иных технических средств и их централизованной программной обработки в режиме единого времени, приема-передачи результатов измерений, дискретных сигналов (команд) управления и регулирования, контроля, учета и анализа энергопотребления с использованием двунаправленных (синхронных) цифровых каналов беспроводных технологий связи на ближние и глобальные расстояния.

Техническая задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в наибольшем расширении функциональных возможностей счетчиков электрической энергии и повышении точности, дискретности и скорости комплексных векторных измерений физических величин параметрических сигналов цепи переменного тока.

Для решения этой технической задачи предлагается интеллектуальный счетчик электрической энергии статический, содержащий корпус, зажимную плату присоединений цепи сетевого источника электропитания и цепи нагрузки, измерительные элементы напряжения и тока, цифровой сигнальный микропроцессор, модуль тактирования опорных сигналов, модуль метрологической энергонезависимой памяти, модуль построения тактового сигнала, модуль первичных часов единого времени, автономным источник электропитания, дифференциальный трансформатор, модуль мониторинга состояния цепи переменного тока, модуль чувствительных элементов, модуль силового ключа дифференциальной защиты с полюсными контактами по числу фаз и нейтрали, сетевой выпрямитель, входы которого по числу фаз и нейтрали соединен с цепью сетевого источника электропитания, а выходы соединены с входами модуля стабилизатора величин опорных напряжений электропитания, первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы которого соединены с соответствующими шинами по уровням опорных напряжений электропитания элементов схемы устройства, вход-выход модуля стабилизатора величин опорных напряжений электропитания соединен с первым входом-выходом модуля микроконтроллера управления электропитанием и первоначального сброса, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом модуля резервного источника электропитания, выходы измерительных элементов напряжения и тока по числу фаз и нейтрали соединены соответственно с сигнальными входами модулей аналоговой обработки входных дифференциальных сигналов напряжения и тока, первые выходы которых соединены соответственно с первыми сигнальными входами модулей многоканальных аналогово-цифровых преобразователей, а вторые выходы соединены с первыми сигнальными входами модулей операционных усилителей аналоговых сигналов тока с программируемыми коэффициентами усиления и элементами обратной связи, вторые выходы которых соединены с вторыми сигнальными входам модулей многоканальных аналогово-цифровых преобразователей, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей цифровой обработки входных цифровых потоков, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей децимации цифровых сигналов, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей фазовой компенсации, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей цифровых фильтров, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей автоматической калибровки цифровых сигналов, выходы которых соединены соответственно с первым, третьим, пятым и седьмым сигнальными входами цифрового сигнального микропроцессора, второй, четвертый, шестой и восьмой управляющие входы-выходы шин адреса, данных и управления которого соединены с соответствующими управляющими входами-выходами модулей аналоговой обработки входных дифференциальных сигналов напряжения и тока, модулей операционных усилителей аналоговых сигналов тока с программируемыми коэффициентами усиления и элементами обратной связи, модулей, многоканальных аналогово-цифровых преобразователей, модулей цифровых фильтров и модулей автоматической калибровки цифровых сигналов, девятый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с входами-выходами модуля тактирования опорных сигналов, десятый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с первым входом-выходом модуля гальванической изоляции цифровых сигналов, второй, третий и четвертый входы-выходы которого соединены соответственно с входами-выходами модуля выходных периферийных интерфейсов, модуля выходных импульсных телеметрических сигналов и модуля выходных импульсных испытательных сигналов, одиннадцатый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с входом-выходом периферийного модуля метрологической энергонезависимой памяти, двенадцатый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с первым входом-выходом модуля построения тактового сигнала, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом модуля первичных часов единого времени, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом автономного источника электропитания, тринадцатый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с первым входом-выходом периферийного модуля гальванической изоляции цифровых сигналов периферийных интерфейсов и цифровых управляющих сигналов межпроцессорного взаимодействия, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ, второй вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом модуля построения тактового сигнала, третий вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с первым входом-выходом модуля синхронизации счетной логики, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом модуля задающего частотного генератора, второй вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом первичных часов единого времени, четвертый выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с входом модуля интерфейса электронного отсчетного устройства, выход которого соединен с входом модуля визуализации и отображения информации, пятый вход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с выходом модуля интерфейса управления, входы которого соединены с выходами сенсорной панели клавиатуры и сенсорной кнопки пользователя, шестой вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с первым входом-выходом модуля интерфейса энергонезависимых запоминающих устройств, второй, третий и четвертый входы-выходы которого соединены соответственно с модулем энергонезависимой памяти штатных и срочных событий, модулем энергонезависимой памяти автоматической самодиагностики технического состояния элементов схемы устройства и модулем энергонезависимой памяти коммуникационных соединений, седьмой управляющий вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с управляющим входом-выходом модуля силового ключа дифференциальной защиты с полюсными контактами по числу фаз и нейтрали, исполнительные элементы которого коммутируют цепь нагрузки, вход дифференциального трансформатора по числу фаз и нейтрали соединен соответственно с выходом со стороны цепи сетевого источника электропитания и выходом со стороны цепи нагрузки, выход дифференциального трансформатора соединен с сигнальным входом модуля оперативного мониторинга состояния цепи переменного тока, выход которого соединен с сигнальным входом модуля чувствительных элементов, выходы которого соединен с сигнальным входом модуля силового ключа дифференциальной защиты с полюсными контактами по числу фаз и нейтрали, восьмой вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с первым входом-выходом модуля интерфейса дополнительных функций, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой входы-выходы которого соединены соответственно с модулем датчиков штатных и срочных событий, модулем датчиков автоматической самодиагностики технического состояния элементов устройства, модулем датчиков температуры, давления, влажности, модулем датчиков внешнего воздействия, модулем датчиков вскрытия/вмешательства, модулем датчиков технологического расхода/хищения электрической энергии, девятый вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с первым входом-выходом периферийного модуля шлюза цифровых коммуникационных интерфейсов сетевого и прикладного уровней, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом модуля цифрового коммуникационного интерфейса нижнего уровня, второй, третий и четвертый входы-выходы которого соединены соответственно с модулями цифровых беспроводных технологий связи ближнего радиуса действия с низким энергопотреблением, третий вход-выход периферийного модуля шлюза цифровых коммуникационных интерфейсов сетевого и прикладного уровней соединен с первым входом-выходом первого модуля цифрового коммуникационного интерфейса верхнего уровня, второй, третий и четвертый входы-выходы которого соединены соответственно с модулями цифровых беспроводных технологий связи дальнего радиуса действия, четвертый вход-выход периферийного модуля шлюза цифровых коммуникационных интерфейсов сетевого и прикладного уровней соединен с первым входом-выходом второго модуля цифрового коммуникационного интерфейса верхнего уровня, второй и третий вход-выход которого соединены соответственно с модулями цифровой ближней бесконтактной связи и радиочастотной идентификации, десятый выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с входом модуля интерфейса индикации функционирования, выходы которого соединены соответственно с оптическими RGB-светодиодами индикации.

Предлагаемый интеллектуальный счетчик электрической энергии статический может быть осуществлен с использованием имеющейся элементной базы интегральных микросхем, микроконтроллеров и микропроцессоров, средств и каналов двунаправленных (синхронных) беспроводных технологий связи, существующего оборудования и известных материалов. Других технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками при проведении поиска по научно-технической литературе и патентной документации заявителем не обнаружено. Поэтому заявитель считает, что предложение по данной заявке соответствует критериям охраноспособности изобретения «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан неисключающий пример осуществления функциональной блок-схемы предлагаемого трехфазного интеллектуального счетчика электрической энергии статического, на фиг. 2 - функциональная блок-схема взаимодействия интеллектуальных счетчиков электрической энергии статических со смежными информационными системами.

На фигурах обозначены: 1 - корпус; 2 - сетевой выпрямитель (AC/DC); 3 - стабилизатор величин опорных напряжений электропитания (DC/DC); 4 - микроконтроллер управления электропитанием и первоначального сброса; 5 - резервный источник электропитания; 6 - зажимная плата присоединения цепей сетевого источника электропитания и нагрузки; 7, 8, 9 и 10 - измерительные элементы напряжения и тока по числу фаз и нейтрали; 11, 12, 13 и 14 - модули аналоговой обработки входных дифференциальных сигналов напряжения и тока (AFE); 15, 16, 17 и 18 - модули операционных усилителей аналоговых сигналов тока (PGA) с программируемым коэффициентом усиления и элементами обратной связи; 19, 20, 21 и 22 - модули многоканальных аналогово-цифровых преобразователей (ADC), содержащие интеграторы, компараторы, сумматоры, цифро-аналоговые преобразователи (DAC) и элементы обратной связи; 23, 24, 25 и 26 - модули цифровой обработки входных цифровых потоков (DFE); 27, 28, 29 и 30 - модули децимации цифровых сигналов (DB); 31, 32, 33 и 34 - модули фазовой компенсации (PC); 35, 36, 37 и 38 - модули цифровых фильтров (DF), содержащие высокочастотные фильтры (HPF), базовые фильтры основной частоты (FF), низкочастотные фильтры (LPF) и избирательные фильтры гармонических составляющих (HF), 39, 40, 41 и 42 - модули автоматической калибровки цифровых сигналов; 43 - цифровой сигнальный микропроцессор (DSP) с шинами адреса, данных и управления на ядре с ARM Cortex-M архитектурой и программируемой цифровой обработкой параметрических показателей цепи переменного тока, количественных и качественных характеристик электропотребления; 44 - модуль тактирования опорных сигналов; 45 - модуль гальванической изоляции цифровых сигналов; 46 - модуль выходных периферийных интерфейсов; 47 - модуль выходного импульсного телеметрического сигнала; 48 - модуль выходного импульсного испытательного сигнала; 49 - модуль метрологической энергонезависимой памяти; 50 - модуль гальванической изоляции цифровых сигналов периферийных интерфейсов и цифровых управляющих сигналов (команд) межпроцессорного взаимодействия; 51 - центральный микропроцессор (CPU) управления, приложений и прикладных аналитических программ; 52 - модуль построения тактового сигнала; 53 - модуль первичных часов единого времени; 54 - автономный источник электропитания первичных часов единого времени; 55 - модуль синхронизации счетной логики, 56 - модуль задающего частотного генератора; 57 - модуль интерфейса электронного отсчетного устройства; 58 - модуль визуализации и отображения информации; 59 - модуль интерфейса управления; 60 - сенсорная панель клавиатуры; 61 - сенсорная кнопка пользователя; 62 - модуль интерфейса энергонезависимых запоминающих устройств с возможностью расширения памяти; 63 - модуль энергонезависимой памяти штатных и срочных событий, 64 - модуль энергонезависимой памяти автоматической самодиагностики технического состояния элементов схемы устройства; 65 - модуль энергонезависимой памяти коммуникационных соединений; 66 - модуль интерфейса дополнительных функций с возможностью расширения функций; 67 - модуль датчиков оперативного мониторинга штатных и срочных событий; 68 - модуль датчиков автоматической самодиагностики технического состояния элементов устройства; 69 - модуль датчиков температуры, давления и влажности; 70 - модуль датчиков внешнего воздействия; 71 - модуль датчиков вскрытия/вмешательства; 72 - модуль датчиков технологического расхода/хищения электрической энергии; 73 - модуль шлюза цифровых коммуникационных интерфейсов сетевого и прикладного уровней; 74 - модуль цифрового коммуникационного интерфейса нижнего уровня, связывающий 75, 76 и 77 - модули цифровых беспроводных технологий связи ближнего радиуса действия с низким энергопотреблением (WPAN, WLAN); 78 -модуль первого цифрового коммуникационного интерфейса верхнего уровня, связывающий 79, 80 и 81 - модули цифровых беспроводных технологий связи дальнего радиуса действия (WMAN, WWAN, LPWAN); 82 - модуль второго цифрового коммуникационного интерфейса верхнего уровня, связывающий 83 и 84 - модули цифровой ближней бесконтактной связи (NFC) и радиочастотной идентификации (RFID); 85 - модуль интерфейса индикации функционирования, включающий 86, 87, 88 и 89 - оптические RGB-светодиоды индикации; 90 - дифференциальный трансформатор; 91 - модули оперативного мониторинга состояния цепи переменного тока, 92 - модули чувствительных элементов; 93 - модуль силового ключа дифференциальной защиты с полюсными контактами по числу фаз и нейтрали; 94 - цепь нагрузки, 95 - интеллектуальный счетчик электрической энергии статический (Smart meter); 96 - внутренняя (локальная) информационная система нижнего уровня (Local); 97 -устройства цифровой ближней бесконтактной связи и радиочастотной идентификации (NFC, RFID); 98 - внешняя (глобальная) информационная система верхнего уровня (Global); 99 - подсистема базовых станций (BSS); 100 - сетевая и коммутационная подсистему (NSS); 101 - центр сбора и обработки информации (Data Center), включающий сервер цифровой обработки и хранения данных, входящей и исходящей информации (Data Base), сервер приложений и прикладных аналитических программ (Application), общедоступный Web-сервер с ведением лицевых счетов потребителей (пользователей); 102 - всемирная система информационных сетей (Internet, Ethernet) для двунаправленной (синхронной) приема-передачи данных и информации; 103 - интуитивно понятный пользовательский интерфейс (User Interface). Прием-передача, ввод и вывод данных и информации, управляющих сигналов (команд) между интеллектуальными счетчиками электрической энергии статическими и потребителями (пользователями) совершается исключительно в инкапсулированном (защищенном) виде. Устройство работает следующим образом:

В нормальном рабочем режиме полюсные контакты по числу фаз и нейтрали силового ключа 93 дифференциальной защиты замкнуты и цепь 94 нагрузки подключена к цепи сетевого источника питания, о чем свидетельствует визуально наблюдаемый оптический RGB-светодиод индикации 86 красного цвета.

Дифференциальный трансформатор 90 обеспечивает оперативный мониторинг состояния цепи переменного тока, основанного на интегральной оценке изменений дифференциальных токов и магнитных потоков на входе со стороны цепи сетевого источника питания и на выходе со стороны цепи 94 нагрузки. Первичным преобразователем сигналов защиты является дифференциальный трансформатор 90, первичные обмотки которого по числу фаз и нейтрали подключены на входе со стороны цепи сетевого источника питания и на выходе со стороны цепи 94 нагрузки, а вторичные обмотки через модуль 91 оперативного мониторинга состояния цепи переменного тока и модуль 92 чувствительных элементов, соединены с модулем 93 силового ключа дифференциальной защиты с полюсными контактами по числу фаз и нейтрали, обеспечивающими защитное отключение цепи 94 нагрузки.

Результаты оперативного мониторинга состояния цепи переменного тока поступают на седьмой вход-выход центрального микропроцессора (CPU) 51 управления, приложений и прикладных аналитических программ, который в соответствии с заданной программой осуществляет их контроль, анализ, обработку, накопление и хранение, а в случае необходимости, формирует управляющий сигнал (команду) на защитное отключение цепи 94 нагрузки.

Если к токоведущим частям электроприборов (устройств, оборудования) никто не прикасается и отсутствуют повреждения в изоляции проводников, тогда в первичных обмотках по числу фаз и нейтрали на входе и на выходе наводятся равные встречно направленные токи и магнитные потоки, в результате чего токи во вторичных обмотках дифференциального трансформатора 90 будут равны нулю. В случае возникновения короткого замыкания или утечки тока, в первичных обмотках дифференциального трансформатора 90 происходит нарушение баланса токов и магнитных потоков и во вторичных обмотках возникает электрический ток, воздействующий через модуль 91 оперативного мониторинга состояния цепи переменного тока и модуль 92 чувствительных элементов на модуль 93 силового ключа дифференциальной защиты с полюсными контактами по числу фаз и нейтрали, исполняющих защитное отключение цепи 94 нагрузки. Цепь 94 нагрузки отключается от цепи сетевого источника электропитания, о чем свидетельствует визуально наблюдаемый оптический RGB-светодиод индикации 86 желтого цвета. Центральный микропроцессор (CPU) 51 управления, приложений и прикладных аналитических программ анализирует модули 91 оперативного мониторинга состояния цепи переменного тока и после устранения источника короткого замыкания или утечки тока подает сигнал (команду) на восстановление схемы электроснабжения, о чем свидетельствует визуально наблюдаемый оптический RGB-светодиод индикации 86 зеленого цвета. Модуль 91 оперативного мониторинга штатных и срочных событий фиксирует любые изменения характеристик цепи переменного тока, общее число включений и отключений цепи 94 нагрузки, дату, время, период, коды оператора и совершаемых действий.

Периферийные модуль 2 сетевого выпрямителя (AC/DC) и модуль 3 стабилизатора величин опорных напряжений электропитания (DC/DC) обеспечивают основное и многоуровневое электропитание всех электронных компонентов устройства и доступны для внешних цепей (5.0V, 3.3V, 2,5 V, 1.8V и 1.2V). Необходимые уровни электропитания формируют интегрированные регуляторы с низким собственным падением напряжения и опорными источниками электропитания, которые дополнительно буферизируются (преобразуются) в другие уровни электропитания узлов интегральных микросхем. Модуль 4 микроконтроллера управления электропитанием и первоначального сброса обеспечивает задержку включения цифровой части интегральных микросхем до 1 миллисекунды, а в случае падения напряжения электропитания ниже обусловленного уровня, запрещает работу интегральных микросхем. В случаях нарушения электроснабжения от сетевого источника электропитания модуль 4 автоматически подключает модуль 5 резервного источника электропитания на время, необходимое и достаточное для обеспечения электропитанием электронных компонентов штатных и срочных событий, нормального завершения режимов и процессов контроля, учета и анализа, а также коммуникаций для информирования потребителей (пользователей) о случившимся. Сетевой источник электропитания при этом отключен до момента восстановления схемы электроснабжения.

В нормальном рабочем режиме процесс измерений параметрических показателей цепи переменного тока, количественных и качественных характеристик электропотребления реализуется следующим образом: входные дифференциальные сигналы напряжения и тока, поступающие от интегральных измерительных элементов напряжения и тока, сначала проходят аналоговую обработку, затем оцифровываются и потом обрабатываются методами цифровой обработки сигналов.

Интегральные измерительные элементы 7, 8, 9 и 10 напряжения и тока по числу фаз и нейтрали выполняют комплексные векторные измерения сверхмалых физических величин всего спектра параметрических сигналов электрической цепи переменного тока, в том числе векторные мгновенные значения частоты (f), напряжения (U) и силы тока (I), а также гармонических составляющих n-ного порядка напряжения (Un) и тока (In). Интеллектуальный счетчик электрической энергии статический поддерживает различные виды интегральных измерительных элементов тока - измерительные трансформаторы, резистивные делители (шунты) и катушки Роговского.

С интегральных измерительных элементов 7, 8, 9 и 10 напряжения и тока по числу фаз и нейтрали весь спектр параметрических сигналов подается на входы модулей 11, 12, 13 и 14 аналоговой обработки входных дифференциальных сигналов напряжения и тока (AFE), где сначала происходит выделение основной, апериодической и гармонической составляющих спектра параметрических сигналов с заданной частотой полосы пропускания, подавляются импульсные и высокочастотные помехи, а затем совершается их аналоговая обработка и преобразование входных дифференциальных сигналов в частоту следования импульсов с программируемой коррекцией метрологических характеристик для минимизации погрешности и адаптации к дестабилизирующим факторам. Допустимый диапазон входных дифференциальных сигналов не должен превышать ±300 мВ.

Модули 15, 16, 17 и 18 операционных усилителей аналоговых сигналов тока (PGA) с программируемым коэффициентом усиления и элементами обратной связи в диапазоне кратности 1, 2, 4, 8 и 16 соответственно устанавливают допустимые диапазоны входных дифференциальных сигналов ±300, ±150, ±75, ±37,5 или 18,75 мВ. Для снижения программируемых порогов чувствительности мгновенных сверхмалых величин в измерительные каналы напряжения по числу фаз и нейтрали также могут быть дополнительно введены аналогичные модули операционных усилителей аналоговых сигналов напряжения (PGA) с подобными программируемыми коэффициентами усиления и элементами обратной связи (на фиг. 1 показаны пунктиром).

Обработанные и усиленные аналоговые параметрические сигналы поступают на входы модулей 19, 20, 21 и 22 многоканальных аналогово-цифровых преобразователей (ADC), содержащих интеграторы, компараторы с частотой выборки до 4 МГц, сумматоры, цифро-аналоговые преобразователи (DAC) и элементы обратной связи, где параметрические сигналы напряжения и тока, непрерывно изменяющиеся во времени, преобразуются в эквивалентные значения цифровых кодов.

Оцифрованные параметрические сигналы поступают на входы модулей 23, 24, 25 и 26 цифровой обработки входных цифровых потоков (DFE), где происходит синхронизация по времени входных цифровых потоков параметрических сигналов напряжения и тока.

Синхронизированные по времени цифровые потоки параметрических сигналов напряжения и тока поступают на входы модулей 27, 28, 29 и 30 децимации цифровых сигналов (DB), где происходит уменьшение частоты дискретизации параметрических сигналов напряжения и тока путем прореживания численных значений цифровых сигналов (отсчетов) в фиксированных временных интервалах (стробах) и преобразование входных цифровых потоков с частотой выборки до 4 МГц в цифровые потоки 16, 24 или 32-битных данных с частотой выборки до 8 кГц.

Стробированные отсчеты цифровых потоков параметрических сигналов напряжения и тока поступают на входы модулей 31, 32, 33 и 34 фазовой компенсации (PC), где происходит фазирование входных цифровых потоков параметрических сигналов напряжения и тока путем внесения в них фазовых сдвигов для целей минимизации погрешности и стабилизации параметров выходных цифровых потоков параметрических сигналов напряжения и тока.

После фазовой компенсации цифровые потоки параметрических сигналов напряжения и тока поступают на входы модулей 35, 36, 37 и 38 цифровых фильтров (DF), содержащих высокочастотные фильтры (HPF), устраняющих постоянную составляющую из входных цифровых потоков параметрических сигналов напряжения и тока, базовые фильтры основной частоты (FF) и низкочастотные фильтры (LPF), обеспечивающие нахождение значений периода момента перехода через ноль, фазовых частотных характеристик, значений активной и реактивной мощностей, а также избирательные фильтры гармонических составляющих (HF), где происходит нахождение значений гармонических составляющих активной и реактивной мощностей.

Отфильтрованные данные выходных цифровых потоков параметрических сигналов напряжения и тока поступают на входы модулей 39, 40, 41 и 42 автоматической калибровки цифровых сигналов, которые совокупностью операций оценивают погрешности измерений и устанавливают метрологические характеристики как соотношение между значениями измеренных величин и соответствующими значениями эталонных величин с поправками для измеренных величин.

Откалиброванные данные поступают на первый, третий, пятый и седьмой входы цифрового сигнального микропроцессора 43 с шинами адреса, данных и управления, где происходит конечная цифровая обработка потоков параметрических сигналов напряжения и тока и в соответствии с заданной программой алгебраическое вычисление, включая методы цифровой обработки сигналов и векторные методы расчетов интегральных и (или) интервальных параметрических показателей электрической цепи переменного тока, количественных и качественных характеристик электропотребления, включая, но не ограничиваясь:

а) параметры напряжения (U) - мгновенные и среднеквадратичные (действующие) значения частоты, фазного (линейного) напряжения, симметричных составляющих напряжения, коэффициентов искажения синусоидальности напряжения и n-ной гармонической составляющей напряжения;

б) параметры тока (I) -мгновенные и среднеквадратичные (действующие) значения силы тока, симметричных составляющих силы тока, коэффициентов искажения синусоидальности силы тока и n-ной гармонической составляющей силы тока;

в) параметры углов фазового сдвига (ϕ) - углы фазового сдвига между напряжением и током основной частоты, между симметричными составляющими напряжений и токов, а также между n-ными гармоническими составляющими напряжения и тока;

г) параметры электрической энергии - мгновенные и среднеквадратичные (действующие) векторные значения активной, реактивной и полной энергии в двух направлениях (прием и отдача), а также энергии потерь;

д) параметры электрической мощности - мгновенные и среднеквадратичные (действующие) векторные значения активной, реактивной и полной мощности в двух направлениях (прием и отдача) активной мощности по обратной и нулевой последовательностям, активной и реактивной мощности n-ных гармонических составляющих;

е) параметры качества электрической энергии - мгновенные и среднеквадратичные (действующие) значения отклонения частоты (Δf), отрицательного и положительного отклонения напряжения (δU(-), δU(+)) и тока (δI(-), δI(+)), кратковременной и длительной дозы фликера (Pst, PIt), коэффициентов гармонических составляющих напряжения до 50-го порядка (KU(n)) и тока (KI(n)), суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения (KU) и тока (KI), коэффициентов несимметрии напряжений (K2U, K0U) и тока (K2I, K0I) по обратной и нулевой последовательности, кратковременных и длительных прерываний напряжения (ΔtПР), провалов напряжения и длительность провалов напряжения (ΔtП), перенапряжения и длительность перенапряжений (ΔtПH);

ж) вспомогательные параметры - мгновенные и среднеквадратичные (действующие) значения напряжения и тока, активной мощности в диапазоне частот от 0 до 4 кГц и активной мощности в диапазоне основной частоты от 45 до 65 Гц, значения частоты и периода колебаний цепи переменного тока, момент пересечения синусоидой нуля, фазовую задержку, перенапряжения (SWELL), провалы напряжения (SAG), утечки тока и др.

Для автоматической коррекции программируемых метрологических характеристик, минимизации погрешности и адаптации к дестабилизирующим факторам со второго, четвертого, шестого и восьмого управляющих входов-выходов шин адреса, данных и управления цифрового сигнального микропроцессора 43 поступают управляющие сигналы (команды) на соответствующие управляющие входы-выходы модулей 11, 12, 13 и 14 аналоговой обработки входных дифференциальных сигналов напряжения и тока, модулей 15, 16, 17 и 18 операционных усилителей аналоговых сигналов тока с программируемыми коэффициентами усиления и элементами обратной связи, модулей 19, 20, 21 и 22 многоканальных аналогово-цифровых преобразователей, модулей 35, 36, 37 и 38 цифровых фильтров и модулей 39, 40, 41 и 42 автоматической калибровки цифровых сигналов.

Модуль 44 тактирования опорных сигналов, используя внешний тактовый сигнал, поступающий из модуля 52 построения тактового сигнала и модуля 56 задающего частотного генератора с тактовой частотой до 25 МГц, выполняет основные функции по задержке старта интегральных микросхем после разрешения модуля 4 микроконтроллера управления электропитанием и первоначального сброса для получения плавного запуска и формирования необходимых опорных сигналов (1 кГц, 4 МГц, 8 МГц и 25 МГц) аналоговой и цифровой частей интегральных микросхем.

Оперативные данные и информация о результатах векторных измерений, аналоговой и цифровой обработки и калибровки (градуировки) цифровых параметрических сигналов, векторных расчетов интегральных и (или) интервальных параметрических показателей электрической цепи переменного тока, количественных и качественных характеристик электропотребления сохраняются во внутренней памяти цифрового сигнального микропроцессора 43 с шинами адреса, данных и управления. Накопленные и сохраненные оперативные данные и информация из внутренней памяти цифрового сигнального процессора 43 с шинами адреса, данных и управления периодически переписывается в модуль 49 метрологической энергонезависимой памяти, предназначенной для длительного хранения метрологических оперативных данных и информации.

Для целей оперативного контроля, первичного и периодических испытаний (поверки) интеллектуального счетчика электрической энергии статического цифровой сигнальный микропроцессор 43 с шинами адреса, данных и управления через модуль 45 гальванической изоляции цифровых сигналов выдает на модуль 46 выходных периферийных интерфейсов, модуль 47 выходного импульсного телеметрического сигнала и модуль 48 выходного импульсного испытательного сигнала оперативные данные и дискретные импульсные сигналы постоянной счетчика, выраженной в числе импульсов на киловатт-час (имп/кВт⋅ч).

Модуль 46 выходных периферийных интерфейсов обеспечивает организацию связи, приема-передачи данных и информации, сопряжение цифрового сигнального микропроцессора 43 с шинами адреса, данных и управления с другими внешними периферийными цифровыми устройствами.

Модуль 47 выходного импульсного телеметрического сигнала обеспечивает оперативный контроль и передачу постоянной счетчика на внешние периферийные цифровые устройства. Число дискретных импульсов равно 3600 имп/кВт⋅ч и в нормальном рабочем режиме дублируется на визуально наблюдаемый оптический RGB-светодиод индикации 86 зеленого цвета.

Модуль 48 выходного импульсного испытательного сигнала используют для первичного и периодических испытаний (поверки) и передачи постоянной счетчика на испытательный (поверочный) стенд. Число дискретных импульсов равно 7200 имп/кВт и в режиме испытания (поверки) дублируется на визуально наблюдаемый оптический RGB-светодиод индикации 86 желтого цвета.

Все интегральные и (или) интервальные параметрические показатели цепи переменного тока, количественные и качественные характеристики электропотребления, а также оперативные данные и информация, хранящиеся в модуле 49 метрологической энергонезависимой памяти, через модуль 50 гальванической изоляции цифровых сигналов периферийных интерфейсов и цифровых управляющих сигналов межпроцессорного взаимодействия поступают на первый вход-выход центрального микропроцессора (CPU) 51 управления, приложений и прикладных аналитических программ.

Для целей уменьшения интермодуляционных искажений сигналов, обеспечения когерентности векторных измерений, задания рабочей частоты внутренних тактов и требуемых дискретных управляющих сигналов в заданные элементы схемы второй и третий входы-выходы центрального микропроцессора (CPU) 51 управления, приложений и прикладных аналитических программ соединены с модулем 52 построения тактового сигнала, модулем 53 первичных часов единого времени и автономным источником 54 электропитания первичных часов единого времени, модулем 55 синхронизации счетной логики и модулем 56 задающего частотного генератора, которые также служат образцами для всех устройств, средств, процессов, задач и решений дистанционного применения.

Визуализацию оперативных и архивных метрологических данных и информации в принятых единицах измерения, иной цифробуквенной и (или) графической информации, хранящейся в запоминающем устройстве интеллектуального счетчика электрической энергии статического, обеспечивают модуль 57 интерфейса электронного отсчетного устройства и модуль 58 визуализации и отображения информации (дисплей).

Модуль 59 интерфейса управления, сенсорная панель 60 клавиатуры и 61 сенсорная кнопка пользователя позволяют потребителю (пользователю) в нормальном рабочем режиме вводить (заносить) и (или) выводить (извлекать) оперативные и архивные данные и информацию и (или) дискретные управляющие сигналы.

Все накопленные и сохраненные во внутренней памяти центрального микропроцессора 51 управления, приложений и прикладных аналитических программ оперативные и архивные данные и информация через модуль 62 интерфейса энергонезависимых запоминающих устройств с возможностью расширения памяти периодически переписываются в соответствующие по назначению модуль 63 энергонезависимой памяти штатных и срочных событий, модуль 64 энергонезависимой памяти автоматической самодиагностики технического состояния элементов схемы устройства и модуль 65 энергонезависимой памяти коммуникационных соединений с произвольным доступом, предназначенных для длительного хранения оперативных данных и информации.

Оперативный комплексный мониторинг штатных и срочных событий, автоматическую самодиагностику технического состояния всех элементов устройства, управление и регулирование комплексных векторных измерений, автоматическую коррекцию программируемых метрологических характеристик для минимизации погрешности и адаптации к дестабилизирующим факторам обеспечивает модуль 66 интерфейса дополнительных функций с возможностью расширения функций включая, но не ограничиваясь модулем 67 датчиков штатных и срочных событий, модулем 68 датчиков автоматической самодиагностики технического состояния элементов устройства, модулем 69 датчиков температуры, давления, влажности, модулем 70 датчиков внешнего воздействия, модулем 71 датчиков вскрытия и (или) вмешательства, модулем 72 датчиков технологического расхода и (или) хищения электрической энергии, а также дискретных сигналов (команд) управления и регулирования, формируемых центральным микропроцессором (CPU) 51 управления, приложений и прикладных аналитических программ.

Информационный обмен между центральным микропроцессором (CPU) 51 управления, приложений и прикладных аналитических программ и модулями 74, 78 и 82 цифровых коммуникационных интерфейсов нижнего и верхнего уровней обеспечивает модуль 73 шлюза цифровых коммуникационных интерфейсов сетевого и прикладного уровней.

Модуль 74 цифровых коммуникационных интерфейсов нижнего уровня обеспечивает оперативное коммуникационное взаимодействие с модулями 75, 76 и 77 цифровых беспроводных технологий связи ближнего радиуса действия с низким энергопотреблением (WPAN, WLAN, LPWAN) включая, но не ограничиваясь BluetoothLE, ANT, ZigBee, PassiveWi-Fiи LoRa, и с заданной типологией беспроводных типовых сетей, организует внутреннюю (локальную) информационную систему управления и регулирования, приема-передачи оперативных и архивных данных и информации, которая обеспечивает фильтрацию информационных пакетов (входящих в сеть и исходящих из сети), оперативное прохождение информационных пакетов определенных форматов между интеллектуальным счетчиком электрической энергии статическим и различными оконечными устройствами, включая счетчики, датчики, сенсоры и детекторы по видам энергоресурсов, движения, положения и совершаемых действий, а также иных технических средств, в том числе, регистрации на физическом уровне высокоинформативных признаков и сигналов дезагрегации (распознавания образов) электроприборов (устройств, оборудования), включенных в электрическую цепь переменного тока и с использованием двунаправленных (синхронных) цифровых каналов беспроводных технологий связи и открытых стандартизированных протоколов информационного обмена.

Модуль 78 первого цифрового коммуникационного интерфейса верхнего уровня обеспечивает оперативное коммуникационное взаимодействие с модулями 79, 80 и 81 цифровых беспроводных технологий связи дальнего радиуса действия (WMAN, WWAN, LPWAN) включая, но не ограничиваясь, LoRa и GSM стандартов GPRS/EDGE/LTE/NB-IoT с незаменяемой встроенной e-SIM (embeddedSIM) в виде микросхемы, впаянной на монтажную плату при изготовлении и с заданной типологией беспроводных сетей организует внешнюю (глобальную) информационную систему управления и регулирования, приема-передачи оперативных и архивных данных и информации, которая обеспечивает фильтрацию информационных пакетов (входящих в сеть и исходящих из сети), оперативное прохождение информационных пакетов определенных форматов между интеллектуальным счетчиком электрической энергии статическим и смежными информационно-вычислительными комплексами высшего уровня для средств, процессов, задач и решений автоматизированных информационно-измерительных систем контроля и учета энергоресурсов (АИИС КУЭ) с использованием двунаправленных (синхронных) цифровых каналов беспроводной технологии связи и открытых стандартизированных протоколов информационного обмена.

Модуль 82 второго цифрового коммуникационного интерфейса верхнего уровня обеспечивает оперативное коммуникационное взаимодействие с модулями 83 цифровой ближней бесконтактной связи (NFC) и 84 радиочастотной идентификации (RFID) которые предоставляют дополнительные возможности обмена информационными пакетами между интеллектуальным счетчиком электрической энергии статическим и цифровыми мобильными устройствами потребителей (пользователей). Указанные технологии объединяют интерфейсы бесконтактной карты и считывателя стандарта ISO 14443, поддерживает связь с подобными устройствами и совместима с существующей инфраструктурой платежных систем, а также обеспечивает администрирование персонала производителей электрической энергии, сетевых компаний, поставщиков энергоресурсов и коммунальных услуг.

Прием-передача всех информационных пакетов, дискретных сигналов (команд) управления и регулирования, оперативных и архивных данных и информации, хранящихся в соответствующих по назначению модулях энергонезависимой памяти интеллектуального счетчика электрической энергии, с использованием двунаправленных (синхронных) цифровых каналов беспроводных технологий связи и открытых стандартизированных протоколов информационного обмена во внешней (глобальной) информационной системе совершается исключительно в инкапсулированном (защищенном) виде на смежный информационно-вычислительный комплекс высшего уровня для средств, процессов, задач и решений автоматизированных информационно-измерительных систем контроля и учета энергоресурсов (АИИС КУЭ).

В нормальном рабочем режиме через модуль 85 интерфейса индикации функционирования на визуально наблюдаемые оптические RGB-светодиоды индикации 86, 87, 88 и 89 дублируются запрограммированные штатные и срочные события, а также рабочие режимы и процессы функционирования интеллектуального счетчика электрической энергии статического.

Программно-аппаратные средства интеллектуального счетчика электрической энергии статического представляют собой готовые (обновляемые) программные продукты для средств, процессов, задач и решений, которые поддерживают:

а) большой спектр цифровых интерфейсов интеллектуальных технических средств, измерительных приборов и оконечных устройств, включая счетчики, датчики, сенсоры и детекторы по видам энергоресурсов, движения, положения и совершаемых действий, а также иных интеллектуальных технических средств;

б) дистанционный (удаленный) массовый сбор данных и информации с интеллектуальных технических средств, измерительных приборов и оконечных устройств, включая счетчики, датчики, сенсоры и детекторы по видам энергоресурсов, движения, положения и совершаемых действий;

в) прием-передачу дискретных сигналов управления и регулирования интеллектуальных технических средств, измерительных приборов и различных локальных оконечных устройств, включая счетчики, датчики, сенсоры и детекторы по видам энергоресурсов, движения, положения и совершаемых действий;

г) «online сервис» - массовый сбор данных и информации с интеллектуальных технических средств, измерительных приборов и различных локальных оконечных устройств, включая счетчики, датчики, сенсоры и детекторы по видам энергоресурсов, движения, положения и совершаемых действий, в режиме реального времени;

д) «облачную инфраструктуру» - для визуализации функционирования интеллектуальных технических средств, измерительных приборов и различных локальных оконечных устройств, включая счетчики, датчики, сенсоры и детекторы по видам энергоресурсов, движения, положения и совершаемых действий, где базовый набор функций предоставляется потребителям (пользователям) абсолютно бесплатно, сервис доступен в сети Интернет в любое время из любой точки мира;

е) «мобильные приложения для iOS и Android» - предоставляется потребителям (пользователям) абсолютно бесплатно, сервис доступен на смартфонах и планшетах в любое время из любой точки мира;

ж) открытые стандартизированные протоколы обмена данными и актуализацию новых модификаций протоколов;

з) статистику и аналитику использования различных видов энергоресурсов, энергоносителей и коммунальных услуг в режиме реального времени, расчет технологических расходов (потерь), формирование энергетических и ресурсных балансов, а также прогнозирование планового потребления на перспективу;

и) оперативные и архивные данные и информацию контроля показателей качества электрической энергии, других видов энергоресурсов и коммунальных услуг;

к) оперативные и архивные данные и информацию штатных и срочных событий, протоколов технологических режимов, уведомление о внерегламентных событиях, внештатных или аварийных ситуациях;

л) комплексные решения «под ключ» - железо, программное и аппаратное обеспечение от одного производителя;

м) регистрацию и сертификацию программно-аппаратных средств ИВК ВУ, регистрацию и сертификацию типа АИИС КУЭ;

н) добавление новых типов, марок и моделей интеллектуальных технических средств, измерительных приборов, различных локальных оконечных устройств, включая счетчики, датчики, сенсоры и детекторы по видам энергоресурсов, движения, положения и совершаемых действий, цифровых средств и каналов беспроводных технологий связи, техническая поддержка и обновление программного и аппаратного обеспечения;

о) интеграцию со смежными информационными системами производителей энергоресурсов, сетевых компаний, поставщиков энергоресурсов и коммунальных услуг, жилищными организациями, государственными контролирующими и надзорными органами, предоставление авторизованного доступа, передача показаний и специализированных отчетов;

п) распределенную кластерную архитектуру серверов «облачной инфраструктуры» с репликацией данных (надежность, резервирование), отсутствие расходов потребителей (пользователей) на установку, обслуживание серверов и лицензионных платежей за использование системы управления базами данных;

р) неограниченный потенциал расширения на программном уровне функциональных возможностей под уникальные специализированные требования потребителей (пользователей).

Для работы с внешней (глобальной) информационной системой в интеллектуальных счетчиках электрической энергии статических используется включая, но не ограничиваясь стандартизированный OASIS упрощенный сетевой протокол MQTT (MessageQueueTelemetryTransport). Протокол функционирует поверх TCP/IP и используется для обмена сообщениями между устройствами по принципу «издатель-подписчик» (publisher-subscriber), в котором отправители сообщений - издатели (publishers) напрямую не привязаны программным кодом отправки сообщений к подписчикам (subscribers).

Все сообщения делятся на один или несколько классов сообщений, которые абстрагированы от конкретных издателей и не содержат сведений о своих подписчиках. Модель «издатель-подписчик», как расширенный шаблон «наблюдатель», дополнительно содержит канал событий (eventchannel), специально предназначенный для оповещения о штатных и срочных событиях. Он содержится в событийно-ориентированном слое программных средств крупных информационных систем, которые поддерживают в своем API модель «издатель-подписчик» и близкую ему концепцию «очередь сообщений», что обеспечивает большую масштабируемость и более динамичную топологию сети. В отличии от сетевого протокола Modbus, сегодня обеспечивающего связь между устройствами, расположенными неподалеку друг от друга, MQTT обладает значительно большими возможностями и поддерживает работу не только в локальных сетях, но и в Интернете. Используя MQTT можно организовать обмен сообщениям между «вещами» в глобальных масштабах.

Преимущества сетевого протокола MQTT:

а) несложен в использовании и представляет собой программный блок без лишней функциональности, который может быть легко встроен в любую сложную интеллектуальную систему;

б) шаблон «издатель-подписчик» подходит для большинства решений интеллектуальных технических средств, измерительных приборов, различных локальных оконечных устройств, включая счетчики, датчики, сенсоры и детекторы по видам энергоресурсов, движения, положения и совершаемых действий, предоставляет возможность устройствам автономно выходить на связь и публиковать сообщения, которые не были заранее известны или предопределены;

в) несложен в администрировании;

г) понижена нагрузка на канал связи;

д) функционирование в условиях нестабильных каналов связи и иных проблем на линии;

е) никаких ограничений на форматы передаваемых данных.

Кроме того, в заявленном изобретении реализована программируемая функция оперативного контроля уровня потребляемой мощности с возможностью вручную по запросу потребителя (пользователя) либо автоматически (по воздуху) дистанционно ограничивать (отключать) процесс электроснабжения, в том числе, с использованием заданных лимитов регулирующих ступеней мощности, например, 500 Вт; 1500 Вт; 3000 Вт; 5000 Вт; 10000 Вт; 15000 Вт в жилых и нежилых помещениях жилищного сектора и 1500 Вт; 3000 Вт; 5000 Вт; 10000 Вт; 20000 Вт; 30000 Вт; 40000 Вт и 50000 Вт в жилых, нежилых и бытовых помещениях общественных и административных зданий, предприятий промышленности, среднего и малого предпринимательства.

Благодаря ряду нововведений и улучшений предлагаемый интеллектуальный счетчик электрической энергии статический превосходит существующие аналоги по целому ряду показателей:

а) высокая точность измерений 0,1% при динамическом диапазоне 1:5000;

б) широкая полоса пропускания с частотой выборки до 4 МГц;

в) число измерительных каналов достигает восьми, по четыре канала для напряжения и тока;

г) поддержка различных измерительных элементов тока (трансформаторы тока, резистивные делители (шунты), катушки Роговского);

д) измерение мгновенных и среднеквадратичных (действующих) значений частоты, напряжений и токов, активной и реактивной энергии, активной, реактивной и полной мощности;

е) установление показателей качества электрической энергии, в том числе, перенапряжений, провалов напряжений, токовых перегрузок и утечек тока;

ж) наличие интерфейса SPI, обеспечивающего двунаправленную приемопередачу данных, синхронизированных с тактовым (опорным) сигналом;

з) наличие интерфейса UART, обеспечивающего двунаправленный прием-передачу данных с использованием метода преобразования универсального асинхронного приема-передатчика;

и) наличие интерфейса USB «UniversalSerialBus», обеспечивающего двунаправленный обмен данными и электропитание периферийных цифровых устройств, сетевая архитектура которого позволяет к одному разъему подключать большое число периферийных цифровых устройств;

к) по одному из интерфейсов SPI/UART/USB обеспечивается организация связи, приема-передачи данных и информации, внешнее соединение, простое, надежное и высокоскоростное сопряжение цифрового сигнального микропроцессора (DSP) с шинами адреса, данных и управления 43, центрального микропроцессора (CPU) управления, приложений и прикладных аналитических программ 51 с другими внешними периферийными цифровыми устройствами.

Заявителем были изготовлены и успешно испытаны опытные образцы предлагаемого интеллектуального счетчика электрической энергии статического.

Раскрытый выше конкретный пример приведен для целей иллюстрирования и описания. Его не следует толковать как исчерпывающий или ограничивающий техническое решение. Возможны разнообразные модификации и изменения, следующие из раскрытой в настоящем описании идеи технического решения. Объем защиты определен прилагаемой формулой изобретения.

Claims (1)

1. Интеллектуальный счетчик электрической энергии статический, содержащий корпус, зажимную плату присоединений цепи сетевого источника электропитания и цепи нагрузки, измерительные элементы напряжения и тока, цифровой сигнальный микропроцессор, модуль тактирования опорных сигналов, модуль метрологической энергонезависимой памяти, модуль построения тактового сигнала, модуль первичных часов единого времени, автономный источник электропитания, дифференциальный трансформатор, модуль мониторинга состояния цепи переменного тока, модуль чувствительных элементов, модуль силового ключа дифференциальной защиты с полюсными контактами по числу фаз и нейтрали, отличающийся тем, что в него введены сетевой выпрямитель, входы которого по числу фаз и нейтрали соединены с цепью сетевого источника электропитания, а выходы соединены с входами модуля стабилизатора величин опорных напряжений электропитания, первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы которого соединены с соответствующими шинами по уровням опорных напряжений электропитания элементов схемы устройства, вход-выход модуля стабилизатора величин опорных напряжений электропитания соединен с первым входом-выходом модуля микроконтроллера управления электропитанием и первоначального сброса, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом модуля резервного источника электропитания, выходы измерительных элементов напряжения и тока по числу фаз и нейтрали соединены соответственно с сигнальными входами модулей аналоговой обработки входных дифференциальных сигналов напряжения и тока, первые выходы которых соединены соответственно с первыми сигнальными входами модулей многоканальных аналогово-цифровых преобразователей, а вторые выходы соединены с первыми сигнальными входами модулей операционных усилителей аналоговых сигналов тока с программируемыми коэффициентами усиления и элементами обратной связи, вторые выходы которых соединены с вторыми сигнальными входам модулей многоканальных аналогово-цифровых преобразователей, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей цифровой обработки входных цифровых потоков, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей децимации цифровых сигналов, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей фазовой компенсации, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей цифровых фильтров, выходы которых соединены с сигнальными входами модулей автоматической калибровки цифровых сигналов, выходы которых соединены соответственно с первым, третьим, пятым и седьмым сигнальными входами цифрового сигнального микропроцессора, второй, четвертый, шестой и восьмой управляющие входы-выходы шин адреса, данных и управления которого соединены с соответствующими управляющими входами-выходами модулей аналоговой обработки входных дифференциальных сигналов напряжения и тока, модулей операционных усилителей аналоговых сигналов тока с программируемыми коэффициентами усиления и элементами обратной связи, модулей многоканальных аналогово-цифровых преобразователей, модулей цифровых фильтров и модулей автоматической калибровки цифровых сигналов, девятый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с входами-выходами модуля тактирования опорных сигналов, десятый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с первым входом-выходом модуля гальванической изоляции цифровых сигналов, второй, третий и четвертый входы-выходы которого соединены соответственно с входами-выходами модуля выходных периферийных интерфейсов, модуля выходных импульсных телеметрических сигналов и модуля выходных импульсных испытательных сигналов, одиннадцатый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с входом-выходом периферийного модуля метрологической энергонезависимой памяти, двенадцатый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с первым входом-выходом модуля построения тактового сигнала, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом модуля первичных часов единого времени, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом автономного источника электропитания, тринадцатый вход-выход цифрового сигнального микропроцессора соединен с первым входом-выходом периферийного модуля гальванической изоляции цифровых сигналов периферийных интерфейсов и цифровых управляющих сигналов межпроцессорного взаимодействия, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ, второй вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом модуля построения тактового сигнала, третий вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с первым входом-выходом модуля синхронизации счетной логики, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом модуля задающего частотного генератора, второй вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом первичных часов единого времени, четвертый выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с входом модуля интерфейса электронного отсчетного устройства, выход которого соединен с входом модуля визуализации и отображения информации, пятый вход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с выходом модуля интерфейса управления, входы которого соединены с выходами сенсорной панели клавиатуры и сенсорной кнопки пользователя, шестой вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с первым входом-выходом модуля интерфейса энергонезависимых запоминающих устройств, второй, третий и четвертый входы-выходы которого соединены соответственно с модулем энергонезависимой памяти штатных и срочных событий, модулем энергонезависимой памяти автоматической самодиагностики технического состояния элементов схемы устройства и модулем энергонезависимой памяти коммуникационных соединений, седьмой управляющий вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с управляющим входом-выходом модуля силового ключа дифференциальной защиты с полюсными контактами по числу фаз и нейтрали, исполнительные элементы которого коммутируют цепь нагрузки, вход дифференциального трансформатора по числу фаз и нейтрали соединен соответственно с выходом со стороны цепи сетевого источника электропитания и выходом со стороны цепи нагрузки, выход дифференциального трансформатора соединен с сигнальным входом модуля оперативного мониторинга состояния цепи переменного тока, выход которого соединен с сигнальным входом модуля чувствительных элементов, выход которого соединен с сигнальным входом модуля силового ключа дифференциальной защиты с полюсными контактами по числу фаз и нейтрали, восьмой вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с первым входом-выходом модуля интерфейса дополнительных функций, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой входы-выходы которого соединены соответственно с модулем датчиков штатных и срочных событий, модулем датчиков автоматической самодиагностики технического состояния элементов устройства, модулем датчиков температуры, давления, влажности, модулем датчиков внешнего воздействия, модулем датчиков вскрытия/вмешательства, модулем датчиков технологического расхода/хищения электрической энергии, девятый вход-выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с первым входом-выходом периферийного модуля шлюза цифровых коммуникационных интерфейсов сетевого и прикладного уровней, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом модуля цифрового коммуникационного интерфейса нижнего уровня, второй, третий и четвертый входы-выходы которого соединены соответственно с модулями цифровых беспроводных технологий связи ближнего радиуса действия с низким энергопотреблением, третий вход-выход периферийного модуля шлюза цифровых коммуникационных интерфейсов сетевого и прикладного уровней соединен с первым входом-выходом первого модуля цифрового коммуникационного интерфейса верхнего уровня, второй, третий и четвертый входы-выходы которого соединены соответственно с модулями цифровых беспроводных технологий связи дальнего радиуса действия, четвертый вход-выход периферийного модуля шлюза цифровых коммуникационных интерфейсов сетевого и прикладного уровней соединен с первым входом-выходом второго модуля цифрового коммуникационного интерфейса верхнего уровня, второй и третий вход-выход которого соединены соответственно с модулями цифровой ближней бесконтактной связи и радиочастотной идентификации, десятый выход центрального микропроцессора управления, приложений и прикладных аналитических программ соединен с входом модуля интерфейса индикации функционирования, выходы которого соединены соответственно с оптическими RGB-светодиодами индикации.

Images