Для расчёта электрической энергии, потребляемой за определённый
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 счётчик электрической энергии. На рис. 1 показана
блок-схема электромеханического счётчика.
Рис. 1. Блок-схема электромеханического
счетчика электрической энергии
Реализация цифрового счётчика
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
счётчику, 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 потреблённой 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
счётчиках. Поэтому многие мировые производители микроконтроллеров
разрабатывают специализированные микросхемы, предназначенные для
такого применения.
Перейдём к анализу построения
простейшего варианта цифрового счётчика на наиболее дешёвом (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 её
защиту в различных аварийных режимах. Рассматриваемый счётчик фактически
представляет собой цифровой функциональный аналог существующих механических
счётчиков, 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 счётчика. Частые сбои напряжения
питания приводят к необходимости использования EEPROM для сохранения
показаний счётчика. Поскольку сбои по питанию являются наиболее
характерной аварийной ситуацией, такая защита необходима в любом
цифровом счётчике.
Алгоритм работы программы
(рис. 4) для простейшего варианта такого счётчика довольно прост.
При включении питания микроконтроллер конфигурируется в соответствии
с программой, считывает из EEPROM последнее сохранённое значение
и выводит его на дисплей. Затем контроллер переходит в режим подсчёта
импульсов, поступающих от ИС преобразователя, и, по мере накопления
каждого Вт·ч, увеличивает показания счётчика.
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 определённое число изменений показаний
счётчика, 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 разъёму 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 счётчика 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 объёма 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 разъёму 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 счётчиков 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 счётчиков можно оборудовать жилой многоэтажный
дом. Все показания по сети будут поступать в диспетчерский центр.
Определённый интерес представляет
собой семейство 8-разрядных микроконтроллеров с расположенной на
кристалле FLASH-памятью. Поскольку его можно программировать непосредственно
на собранной плате, обеспечивается защищённость программного кода
и возможность обновления ПО без монтажных работ.
Рис. 5. Цифровой вычислитель
для цифрового счетчика электроэнергии.
Ещё более интересен вариант
счётчика электроэнергии без внешней EEPROM и дорогостоящей внешней
энергонезависимой ОЗУ. В нём 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 защищённого от
несанкционированного доступа. Такие счётчики электроэнергии любой
сложности можно реализовать с помощью микроконтроллеров фирмы Motorola
семейства HC08 с FLASH-памятью, расположенной на кристалле.
Переход на цифровые автоматические
системы учёта и контроля электроэнергии — вопрос времени. Преимущества
таких систем очевидны. Цена их будет постоянно падать. И даже на
простейшем микроконтроллере такой цифровой счётчик электроэнергии
имеет очевидные преимущества: надёжность за счёт полного отсутствия
трущихся элементов; компактность; возможность изготовления корпуса
с учётом интерьера современных жилых домов; увеличение периода поверок
в несколько раз; ремонтопригодность и простота в обслуживании и
эксплуатации. При небольших дополнительных аппаратных и программных
затратах даже простейший цифровой счётчик может обладать рядом сервисных
функций, отсутствующих у всех механических, например, реализация
многотарифной оплаты за потребляемую энергию, возможность автоматизированного
учёта и контроля потребляемой электроэнергии.
|