Цифровые счетчики электрической энергии

До недавнего времени проблема, связанная с измерением расхода электроэнергии, сводилась к применению электромеханических счётчиков, принцип работы которых основан на подсчёте количества оборотов металического диска, вращающегося в бегущем магнитном поле, которое, в свою очередь, создаётся двумя электромагнитами. Магнитный поток первого должен быть пропорционален току, текущему через нагрузку, а поток второго — напряжению. При этом частота вращения диска линейно пропорциональна мощности, а количество его оборотов — потребляемой энергии.

Стремительное развитие микроэлектроники наметило качественный переворот в области создания промышленных и бытовых систем контроля, который, в первую очередь, связан с использованием встраиваемых систем управления на базе микроконтроллеров. Тенденция к подобному переходу обусловлена, с одной стороны, постоянным снижением цен на микроконтроллеры и расширением их ассортимента, и с другой, теми преимуществами, которыми цифровые системы управления обладают по сравнению с их существующими аналогами. Применительно к счётчикам электроэнергии (СЭ), очевидные преимущества, связанные с переходом на микроконтроллерное управление, можно обобщить следующим образом:

В цифровых СЭ достижим практически любой класс точности, при условии выбора соответствующей элементной базы и алгоритмов обработки информации. Отсутствие трущихся механических частей значительно повышает надёжность устройства.

Обработка аналоговой информации в цифровом виде принципиально позволяет одновременно определять как активную, так и реактивную составляющие мощности, что является важным, например, при учёте распределения энергии в трёхфазных сетях.

Появляется возможность создания многотарифных счётчиков. При работе такого СЭ значение накопленной энергии записывается в накопительный буфер текущего тарифа. Выбор текущего тарифа осуществляется автоматически. Например, “льготный” тариф может быть установлен на ночное время и на праздничные дни; “пиковый” тариф — на время от 13:00 до 15:00 в будние дни; “штрафной” тариф, может включаться при превышении установленных лимитов мощности и энергии; в остальное время действует “основной” тариф.

В цифровых СЭ несложно реализовать внешний интерфейс, по которому можно считывать показания счётчиков, изменять тарифы, производить диагностику и управление. Такие счётчики могут быть организованы в единую сеть с централизованным доступом. Например, все СЭ в жилом доме объединяются по внешнему интерфейсу и через модем выходят на телефонную линию. Таким образом, связываясь по телефонной сети, можно программировать или считывать информацию с любого СЭ в доме.

Цифровой СЭ может осуществлять статистические исследования, например, вычислять среднюю мощность потребления нагрузкии и её дисперсию, а также хранить информацию о накопленной энергии за произвольные промежутки времени. Например, в бытовом СЭ можно реализовать сохранение накопленной информации за год по каждому из предшествующих 11 месяцев и сделать просмотр этой информации доступным для пользователя. Использование накопленной статистической информации для прогнозирования и управления распределением энергоресурсов может в значительной степени повысить эффективность работы энергосистемы в целом.

Применение цифровой базы делает возможным создание автоматизированной изолированной системы потребления, учёта, распределения энергии и платежей. В такой системе может быть, например, предусмотрена предварительная оплата электроэнергии. Пользователь, в этом случае, заранее оплачивает определённое количество энергии. Информация об оплате либо непосредственно поступает на счётчик по внешнему интерфейсу, либо может быть записана на специальную электронную карточку, индивидуальную для каждого пользователя. Карточка программируется в пункте оплаты, после чего записанная информация считывается СЭ с помощью встроенного картридера. Если лимит купленной энергии будет исчерпан, а новая оплата не внесена, счётчик отключает пользователя от энергосети. Таким образом в подобной системе исключается задолженность платежей за электроэнергию.

Цифровые СЭ могут выполняться в различных конструктивных исполнениях. Масса и объём цифровых СЭ значительно меньше электромеханических. Применение цифровых дисплеев позволяет значительно повысить удобство представления информации для пользователя.

Следует отметить, что стоимость СЭ на микроконтроллерном управлении в настоящее время несколько выше стоимости механических СЭ. Однако в перспективе следует ожидать значительного снижения цены первых.

Расчёт энергии, потребляемой за определённый промежуток времени любой нагрузкой, требует интегрирования текущих значений активных мощностей в течение всего времени измерения. В электромеханических СЭ это осуществляется механическим счётчиком. В цифровых СЭ необходимо реализовать постоянное суммирование вычисленной величины активной мощности за определённые промежутки времени.

В общем случае, значение потребленной энергии выражается формулой:

(1)

где p(t) — значение мгновенной мощности в момент времени t; T — время измерения.

При синусоидальных формах тока и напряжения в сети

p(t) = u(t) * i(t) = Umsint * Imsin(t + ) = UIcos – UIcos(2t + ),

(2)

где u(t) и i(t) — мгновенные значения, соответственно, напряжения и тока в сети; U_m и I_m — амплитудные значения напряжения и тока; U и I — действующие значения напряжения и тока (U = U_m/ 2; I = I_m/ 2); j — угол сдвига фаз между током и напряжением. Интегрирование выражения (2) по периоду даёт значение активной потребляемой мощности:

P = UIcos = Scos [Вт]

(3)

где S = UI — полная мощность потребления [ВА].

Реактивная мощность в этом случае определяется следующим образом:

Q = UIsin = Ssin [ВАР]

(4)

Для вычисления любых мощностей (P, Q, S) в цифровых счётчиках необходимо измерять любые два значения из четырёх величин P, Q, S, . Это принципиально невозможнореализовать в электромеханическом СЭ из-за их конструктивных особенностей.

Рис. 1. Варианты подключения микроконтроллеров к цепям измерения мощности

На рис. 1 и 2 приведены структурные схемы цифровых СЭ, позволяющих реализовать необходимые измерения.

Рис. 2. Блок-схема простейшего СЭ

Наиболее просто схемотехнически это реализуется с помощью процессоров цифровой обработки сигналов (Digital Signal Processor — DSP), осуществляющих все необходимые преобразования с помощью измерения мгновенных значений тока и напряжения в дискретные промежутки времени. В этом случае на входы DSP подаются сигналы, пропорциональные значениям тока и напряжения в цепи, снимаемые с соответствующих датчиков (рис. 1а). Дискретизированные значения тока и напряжения (I_i и U_i) обрабатываются далее для получения параметров P, Q, S,φ. Например, значение активной мощности P может быть получено, согласно формуле (1), как среднеарифметическое произведений дискретных значений тока (I_i) и напряжения (U_i) в последовательной выборке по периоду измеряемого сигнала:

(5)

где N — количество отсчётов в одном периоде измеряемого сигнала; f_D — частота дискретизации; f_C — частота сети.

Очевидно, что точность измерения растёт с увеличением частоты дискретизации, что, в свою очередь, ведёт к усложнению программного обеспечения, поскольку обработка производится в реальном времени. Кроме этого, недостатком таких систем, на сегодняшний день, является их относительно высокая стоимость.

21. Рабочие характеристики асинхронного двигателя. КПД и коэффициент мощности АД.

Рабочими характеристиками называют зависимости основных показателей работы двигателя от мощности на валу при неизменном (чаще всего номинальном) напряжении и частоте сети. Основными показателями можно считать скорость вращения ротора n₂, момент на валу двигателя М₂, ток статора I₁, коэффициент полезного действия h, коэффициент мощности cosj₁. Область построения характеристик ограничивается режимами, близкими к номинальному.

Скорость вращения можно определить через скольжение по известным соотношениям для Г-образной схемы замещения.

,

,

Для двигателей со степенью защиты IP44 и степенью охлаждения IC01

,

где D_а1<0,5 м – внешний диаметр статора.

.

На рабочем участке характеристики скорость меняется слабо (s_ном£0,02…0,06).

Зависимость момента на валу от мощности на рабочем участке близка к линейной.

.

Зависимость КПД от нагрузки определяется, в первую очередь, тем, что потери асинхронной машины можно условно разделить на постоянные и переменные, т.е. зависящие и не зависящие от нагрузки.

К постоянным потерям обычно относят магнитные и механические потери:

DР_М+DР_мех»С_П

В действительности и те, и другие потери незначительно уменьшаются с ростом нагрузки.

Переменные потери состоят из потерь в обмотках DР_ЭЛ1+DР_ЭЛ2»С_ЭI² и добавочных потерь DР_Д»С_ДI.

Если считать ток линейно зависящим от мощности на валу, т.е. I»C_PР₂, то выражение для КПД запишется так:

.

Зависимость имеет максимум, практическим критерием нахождения которого может служить равенство постоянных и переменных потерь.

При проектировании стремятся так подобрать параметры машины, чтобы максимум КПД приходился на наиболее вероятную нагрузку.

Из рисунка видно, что работа при малой нагрузке для асинхронного двигателя крайне неэффективна.

Коэффициент мощности cosj может быть определен по схеме замещения асинхронной машины. Из рисунка видно, что cosj резко падает при уменьшении нагрузки. Для его повышения целесообразно уменьшать напряжение при холостом ходе и малой нагрузке (например, переключением с треугольника на звезду).

22. Технология клиент/сервер. Функции и варианты технологии клиент/сервер.

Одна из моделей взаимодействия компьютеров в сети получила название «клиент-сервер» (Рис. 1.). Каждый из составляющих эту архитектуру элементов играет свою роль: сервер владеет и распоряжается информационными ресурсами системы, клиент имеет возможность воспользоваться ими.

Рис. 1. Архитектура «клиент-сервер»

Сервер базы данных представляет собой мультипользовательскую версию СУБД, параллельно обрабатывающую запросы, поступившие со всех рабочих станций. В его задачу входит реализация логики обработки транзакций с применением необходимой техники синхронизации - поддержки протоколов блокирования ресурсов, обеспечение, предотвращение и/или устранения тупиковых ситуаций.

В ответ на пользовательский запрос рабочая станция получит не «сырье» для последующей обработки, а готовые результаты. Программное обеспечение рабочей станции при такой архитектуре играет роль только внешнего интерфейса (Front - end) централизованной системы управления данными. Это позволяет существенно уменьшить сетевой трафик, сократить время на ожидание блокированных ресурсов данных в мультипользовательском режиме, разгрузить рабочие станции и при достаточно мощной центральной машине использовать для них более дешевое оборудование.

Как правило, клиент и сервер территориально отделены друг от друга, и в этом случае они входят в состав или образуют систему распределенной обработки данных.

Для современных СУБД архитектура «клиент-сервер» стала фактически стандартом. Если предполагается, что проектируемая информация будет иметь архитектуру «клиент-сервер», то это означает, что прикладные программы, реализованные в ее рамках, будут иметь распределенный характер, т. е. часть функций приложений будет реализована в программе-клиенте, другая - в программе-сервере. Основной принцип технологии «клиент-сервер» заключается в разделении функций стандартного интерактивного приложения на четыре группы:

· функции ввода и отображения данных;

· прикладные функции, характерные для предметной области;

· фундаментальные функции хранения и управления ресурсами (базами данных);

· служебные функции.

Исходя из этого деления любое приложение может состоять из следующих компонентов:

компонент представления (функции 1-й группы);

прикладной компонент (функции 2-й группы);

компонент доступа к информационным ресурсам (функции 3-ей группы и протокол их взаимодействия).

Различия определяются четырьмя факторами:

· какие виды программного обеспечения в логических компонентах;

· какие механизмы программного обеспечения используются для реализации функций трех групп;

· как логические компоненты распределяются компьютерами в сети;

· какие механизмы используются для связи компонент между собой.

Исходя из этого, рассмотрим четыре подхода, реализованные в моделях технологии «клиент-сервер».

FS-модель

Базовая для локальных сетей персональных компьютеров. Применялась для разработки информационных систем на базе FoxPRO, Clipper, Paradox.

Основные свойства:

· выделяется файл-сервер для реализации услуг по обработке файлов других узлов сети; работает под управлением сетевых ОС;

· играет роль компонент доступа к информационным ресурсам;

· в остальных узлах функционирует приложение, в кодах которого совмещены компоненты представления и прикладной;

· протокол обмена - набор низкоуровневых вызовов.

Технология: запрос направляется на файловый сервер, который передает СУБД, размещенной на компьютере-клиенте, требуемый блок данных. Вся обработка осуществляется на компьютере-клиенте.

Недостатки:

· высокий сетевой трафик;

· небольшое число операций манипулирования;

· недостаточные требования к безопасности.

RDA-модель

Основные свойства:

· коды компонента представления и прикладного компонента совмещены и выполняются на компьютере-клиенте;

· доступ к информационным ресурсам обеспечивается операторами непроцедурного языка SQL.

Технология:

· клиентский запрос направляется на сервер, где функционирующее ядро СУБД обрабатывает запрос и возвращает результат (блок данных) клиенту. Ядро СУБД выполняет пассивную роль;

· инициатор манипуляций с данными - программы на компьютере-клиенте.

Достоинства:

· процессор сервера загружается операциями обработки данных;

· уменьшается загрузка сети, т.к. по сети передаются запросы на языке SQL;

· унификация интерфейса «клиент-сервер» в виде языка SQL; использование его в качестве стандарта общения клиента и сервера.

Недостатки:

· удовлетворительное администрирование приложений в RDA-модели невозможно из-за совмещения в одной программе различных по своей природе функций (представления и прикладных).

DBS-модель

Реализована в реляционных СУБД Informix, Ingres, Oracle.

Основные свойства:

· основа модель-механизм хранимых процедур - средство программирования SQL-сервера;

· процедуры хранятся в словаре базы данных, разделяются между несколькими клиентами и выполняются на компьютере, где функционирует SQL-сервер;

· компонент представления выполняется на компьютере-клиенте;

· прикладной компонент и ядро СУБД на компьютере-сервере базы данных.

Достоинства:

· возможность централизованного администрирования;

· вместо SQL-запросов по сети передаются вызовы хранимых процедур, что ведет к снижению сетевого трафика.

Недостатки:

· в большинстве СУБД недостаточно возможностей для отладки и типизирования хранимых процедур;

· ограниченность средств для написания хранимых процедур.

На практике чаще используется разумный синтез RDA- и DBS-моделей для построения многопользовательских информационных систем.

AS-модель

Основные свойства:

· на компьютере-клиенте выполняется процесс, отвечающий за интерфейс с пользователем;

· этот процесс, обращаясь за выполнением услуг к прикладному компоненту, играет роль клиента приложения (АС);

· прикладной компонент реализован как группа процессов, выполняющих прикладные функции, и называется сервером приложения (AS);

· все операции над БД выполняются соответствующим компонентом, для которого AS - клиент.

RDA- и DBS-модели имеют в основе двухзвенную схему разделения функций. В RDA-модели прикладные функции отданы клиенту, в DBS-модели их реализация осуществляется через ядро СУБД. В RDA-модели прикладной компонент сливается с компонентом представления, в DBS-модели интегрируется в компонент доступа к ресурсам.

В AS-модели реализована трехзвенная схема разделения функций, где прикладной компонент выделен как важнейший изолированный элемент приложения, имеющий стандартизированные интерфейсы с двумя другими компонентами.

AS-модель является фундаментом для мониторов обработки транзакций.

23. Электромеханические системы измерительных приборов. Класс точности. Абсолютная и относительная погрешности измерения.