А. Абрамов, И. Матейчук, Д. Панфилов, М. Плавич

    Еще несколько лет назад контроль потребления и сбережение электроэнергии не были столь актуальны. Всех вполне устраивали цены на электроэнергию и соответствующая система ее учета на базе электромеханических (индукционных) счетчиков. Принцип их работы основан на подсчете количества оборотов диска, вращающегося в бегущем магнитном поле. Частота вращения пропорциональна мощности, а количество оборотов потребляемой электроэнергии. Такие счетчики просты, надежны и дешевы.

    При переходе России на рыноч-ные отношения, у поставщиков электроэнергии возникла проблема контроля и управления ее потреблением. В свою очередь, потребитель заинтересован в том, чтобы не переплачивать. В результате, стало необходимо увеличение сервисных функций счетчиков. Поставщикам необходим оперативный доступ ко всей информации о количестве проданной электроэнергии на данный момент и дистанционный контроль. Потребитель заинтересован в экономии электроэнергии за счет использования различных тарифов (дневной, ночной и так далее) и в удобном способе оплаты. Альтернатива этому применение электронных платежей, вплоть до установления картридеров непосредственно в сами счетчики для оплаты.

    Современные механические счетчики не могут справиться с поставленными задачами, при условии оптимального соотношения цена/качество. Поэтому необходим новый подход к системам учета электроэнергии и проведения платежей.

    В настоящее время, при стремительном развитии микроэлектроники и снижении цен на электронные компоненты, цифровые системы управления постепенно вытесняют своих аналоговых конкурентов. Это, в первую очередь обусловлено большим разнообразием микроконтроллеров и резким снижением их стоимости. Одно из главных преимуществ цифровых систем управления на базе микроконтроллеров это гибкость и многофункциональность, достигаемые не аппаратно, а программно, не требуя дополнительных материальных затрат. Переход на микроконтроллерное управление счетчиков электрической энергии имеет ряд преимуществ, в первую очередь, повышение точности и надежности, а так же многофункциональность, достигаемая за счет малых аппаратных затрат.

    В зависимости от требований, современные цифровые счетчики должны в любой момент времени оперативно передавать требуемые данные по различным каналам связи на диспетчерские пункты энергоснабжающих предприятий для оперативного контроля и экономических расчетов потребления электроэнергии.

    Для расчета электрической энергии, потребляемой за определенный период времени, необходимо интегрировать во времени мгновенные значения активной мощности. Для синусоидального сигнала мощность равна произведению напряжения на ток в сети в данный момент времени. На этом принципе работает любой счетчик электрической энергии. На рис. 1 показана блок-схема электромеханического счетчика.

Рис. 1. Блок-схема электромеханического счетчика электрической энергии

    Реализация цифрового счетчика электрической энергии (рис. 2) требует специализированных ИС, способных производить перемножение сигналов и предоставлять полученную величину в удобной для микроконтроллера форме. Например, преобразователь активной мощности в частоту следования импульсов. Общее количество пришедших импульсов, подсчитываемое микроконтроллером, прямо пропорционально потребляемой электроэнергии.

Рис. 2. Блок-схема цифрового счетчика электрической энергии

    Не менее важную роль играют всевозможные сервисные функции, такие как дистанционный доступ к счетчику, к информации о накопленной энергии и многие другие. Наличие цифрового дисплея, управляемого от микроконтроллера, позволяет программно устанавливать различные режимы вывода информации, например, выводить на дисплей информацию о потребленной энергии за каждый месяц, по различным тарифам и так далее.

    Для выполнения некоторых нестандартных функций, например, согласования уровней, используются дополнительные ИС. Сейчас начали выпускать специализированные ИС преобразователи мощности в частоту и специализированные микроконтроллеры, содержащие подобные преобразователи на кристалле. Но, зачастую, они слишком дороги для использования в коммунально-бытовых индукционных счетчиках. Поэтому многие мировые производители микроконтроллеров разрабатывают специализированные микросхемы, предназначенные для такого применения.

    Перейдем к анализу построения простейшего варианта цифрового счетчика на наиболее дешевом (менее доллара) 8-разрядном микроконтроллере Motorola. В представленном решении реализованы все минимально необходимые функции. Оно базируется на использовании недорогой ИС преобразователя мощности в частоту импульсов КР1095ПП1 и 8-разрядного микроконтроллера MC68HC05KJ1 (рис. 3). При такой структуре микроконтроллеру требуется суммировать число импульсов, выводить информацию на дисплей и осуществлять ее защиту в различных аварийных режимах. Рассматриваемый счетчик фактически представляет собой цифровой функциональный аналог существующих механических счетчиков, приспособленный к дальнейшему усовершенствованию.

Рис. 3. Основные узлы простейшего цифрового счетчика электроэнергии

    Сигналы, пропорциональные напряжению и току в сети, снимаются с датчиков и поступают на вход преобразователя. ИС преобразователя перемножает входные сигналы, получая мгновенную потребляемую мощность. Этот сигнал поступает на вход микроконтроллера, преобразующего его в Вт╥ч и, по мере накопления сигналов, изменяющего показания счетчика. Частые сбои напряжения питания приводят к необходимости использования EEPROM для сохранения показаний счетчика. Поскольку сбои по питанию являются наиболее характерной аварийной ситуацией, такая защита необходима в любом цифровом счетчике.

    Алгоритм работы программы (рис. 4) для простейшего варианта такого счетчика довольно прост. При включении питания микроконтроллер конфигурируется в соответствии с программой, считывает из EEPROM последнее сохраненное значение и выводит его на дисплей. Затем контроллер переходит в режим подсчета импульсов, поступающих от ИС преобразователя, и, по мере накопления каждого Вт╥ч, увеличивает показания счетчика.

Рис. 4. Алгоритм работы программы

    При записи в EEPROM значение накопленной энергии может быть утеряно в момент отключения напряжения. По этим причинам значение накопленной энергии записывается в EEPROM циклически друг за другом через определенное число изменений показаний счетчика, заданное программно, в зависимости от требуемой точности. Это позволяет избежать потери данных о накопленной энергии. При появлении напряжения микроконтроллер анализирует все значения в EEPROM и выбирает последнее. Для минимальных потерь достаточно записывать значения с шагом 100 Вт╥ч. Эту величину можно менять в программе.

    Схема цифрового вычислителя показана на рис. 5. К разъему X1 подключается напряжение питания 220 В и нагрузка. С датчиков тока и напряжения сигналы поступают на микросхему преобразователя КР1095ПП1 с оптронной развязкой частотного выхода. Основу счетчика составляет микроконтроллер MC68HC05KJ1 фирмы Motorola, выпускаемый в 16-выводном корпусе (DIP или SOIC) и имеющий 1,2 Кбайт ПЗУ и 64 байт ОЗУ. Для хранения накопленного количества энергии при сбоях по питанию используется EEPROM малого объема 24С00 (16 байт) фирмы Microchip. В качестве дисплея используется 8-разрядный 7-сегментный ЖКИ, управляемый любым недорогим контроллером, обменивающийся с центральным микроконтроллером по протоколу SPI или I²C и подключаемый к разъему Х2.

    Реализация алгоритма потребовала менее 1 Кбайт памяти и менее половины портов ввода/вывода микроконтроллера MC68HC05KJ1. Его возможностей достаточно, чтобы добавить некоторые сервисные функции, например, объединение счетчиков в сеть по интерфейсу RS-485. Эта функция позволит получать информацию о накопленной энергии в сервисном центре и отключать электричество в случае отсутствия оплаты. Сетью из таких счетчиков можно оборудовать жилой многоэтажный дом. Все показания по сети будут поступать в диспетчерский центр.

    Определенный интерес представляет собой семейство 8-разрядных микроконтроллеров с расположенной на кристалле FLASH-памятью. Поскольку его можно программировать непосредственно на собранной плате, обеспечивается защищенность программного кода и возможность обновления ПО без монтажных работ.

Рис. 5. Цифровой вычислитель для цифрового счетчика электроэнергии

    Еще более интересен вариант счетчика электроэнергии без внешней EEPROM и дорогостоящей внешней энергонезависимой ОЗУ. В нем можно при аварийных ситуациях фиксировать показания и служебную информацию во внутреннюю FLASH-память микроконтроллера. Это к тому же обеспечивает конфиденциальность информации, чего нельзя сделать при использовании внешнего кристалла, не защищенного от несанкционированного доступа. Такие счетчики электроэнергии любой сложности можно реализовать с помощью микроконтроллеров фирмы Motorola семейства HC08 с FLASH-памятью, расположенной на кристалле.

    Переход на цифровые автоматические системы учета и контроля электроэнергии вопрос времени. Преимущества таких систем очевидны. Цена их будет постоянно падать. И даже на простейшем микроконтроллере такой цифровой счетчик электроэнергии имеет очевидные преимущества: надежность за счет полного отсутствия трущихся элементов; компактность; возможность изготовления корпуса с учетом интерьера современных жилых домов; увеличение периода поверок в несколько раз; ремонтопригодность и простота в обслуживании и эсплуатации. При небольших дополнительных аппаратных и программных затратах даже простейший цифровой счетчик может обладать рядом сервисных функций, отсутствующих у всех механических, например, реализация многотарифной оплаты за потребляемую энергию, возможность автоматизированного учета и контроля потребляемой электроэнергии.

Литература

1. Рожков Е. Электронные счетчики электроэнергии бытового и промышленного назначения // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 1998. ╧ 1. С. 2932.
2. Рожков Е. Новые электронные средства для учета электроэнергии // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 1999. ╧ 1. С. 4243.
3. Аганичев А., Панфилов Д., Плавич М. Цифровые счетчики электрической энергии // Chip news. 2000. #2. С. 18-22.

Тел.: 785 0150,
факс: 785 0180
E-mail: rdp001@email.mot.com