Разработка типового счетчика для интеллектуальных электрических сетей

Компании всего мира привлекают огромные возможности, таящиеся в области электросетей, по двум основным причинам. Во-первых, коммунальные предприятия США и Европы приступают к замене существующих 45% счетчиков, которая должна завершиться к 2015 г. Во-вторых, имеется огромный спрос на счетчики, связанный с увеличением числа потребителей, а также с ростом промышленности в таких развивающихся странах как Китай, Индия, Бразилия и т.д.

Согласно оценке [1], за период
2010—2015 гг. объем поставок интеллектуальных счетчиков составит 200 млн шт., что в денежном выражении эквивалентно 19,5 млрд долл. На рисунке 1, заимствованном из другого источника, дается почти та же оценка этой потребности.

Рис. 1. Рост рынка счетчиков за период 2008—2012 гг. (Источник: ABS Energy Research [2])

В статье описывается архитектура системы на кристалле (СнК) типового счетчика, которая, во-первых, предназначена для измерения потребляемой энергии, защиты от кражи электроэнергии, хронометрирования, отображения и передачи считанных данных, а, во-вторых, является основой построения будущих схем.

Возможности и модули, которые обсуждаются в данной статье, определяют лишь начальный этап создания измерительной СнК. Такие периферийные устройства как USB, Ethernet и т.д. прокладывают путь следующему поколению измерительных СнК, или т.н. интеллектуальных счетчиков. В настоящее время счетчик выполняет не только функции измерения, защиты и пр., но и многие другие задачи, например, взаимодействие с потребителем с помощью сенсорного дисплея, уведомляя о количестве потребленной энергии. Счетчики также контролируют многие домашние или офисные приложения, учитывая потребление каждого из них.

Потребитель имеет возможность управлять бытовой техникой по сети Ethernet. Так, находясь вне дома, можно включить, например, отопление за некоторое время до своего возвращения домой.

Технология автоматизации считывания показаний счетчиков проходит долгий путь развития. В настоящее время у пользователей появилась возможность устанавливать счетчики предварительной оплаты, считывать показания с помощью приемников IR/ZigBee, Ethernet или GPRS. Технология умных электросетей (Smart Grid) позволит применять счетчики для передачи данных, обнаружения ошибок и т.д.

Можно считать, что современные схемы счетчиков станут основой новых приложений интеллектуального учета расхода ресурсов.

Все указанные функции счетчика можно реализовать с помощью следующих составных блоков, показанных на рисунке 2:

1) внешнего аналогового интерфейса для измерения тока, напряжения (для счетчика электроэнергии) или тепла (для тепломера) или, возможно, выходного сигнала с аналоговых датчиков (для газомеров);

2) измерительного блока, в который поступает сигнал с датчиков расхода жидкости или газа;

3) защиты от кражи электроэнергии;

4) часов реального времени для хронометража;

5) периферийных устройств для внешней связи с трансиверами ZigBee, РЧ-трансиверами или другими СнК;

6) ядра для обработки данных и других задач;

7) памяти для хранения показаний счетчика, времени кражи и т.д.

Рис. 2. Составные блоки типового счетчика

Рассмотрим подробнее каждый из этих блоков.

Внешний аналоговый интерфейс

Счетчики электроэнергии измеряют входное напряжение, ток всех трех фаз и ток нейтрали для установления величины потребления. Эти значения измеряются с помощью современных трансформаторов и датчиков.

Все эти показатели поступают в аналоговый интерфейсный блок, состоящий из усилителя с программируемым коэффициентом усиления (УПКУ) (который может находиться и вне СнК), фильтров и АЦП (см. рис. 3). В УПКУ поступают необработанные данные с трансформаторов тока или датчиков, которые, в свою очередь, далее отправляются в АЦП после мультиплексирования.

Рис. 3. Блок-схема аналогового интерфейса счетчика

Мультиплексор может и не входить в состав АЦП, которые измеряют указанные величины и передают результаты ядру. Следует заметить, что в ряде случаев выходные сигналы трансформаторов тока и датчиков не находятся в рабочем диапазоне напряжений АЦП, и потому требуемая точность преобразования не достигается.

В таких случаях для изменения величины сигнала применяются УПКУ. В зависимости от нужд приложения и стоимости СнК эти усилители устанавливаются внутрь или вне СнК, поскольку у них относительно большое потребление и они генерируют шум внутри кристалла. Для устранения составляющей шума во входном сигнале используются фильтры.

Центральная частота полосового фильтра в счетчиках составляет 50…60 Гц. В однофазном счетчике электроэнергии используются два АЦП на СнК — один для тока, другой — для напряжения. Количество АЦП увеличивается на один преобразователь с каждой дополнительной фазой.

Выбор АЦП особенно труден в случае его использования в счетчике. Точность, потребление электроэнергии и скорость — главные факторы, определяющие этот выбор. Чаще всего выбирают между АЦП последовательного приближения (SAR) и сигма-дельта АЦП. Оба преобразователя имеют свои преимущества и недостатки.

Выбор между ними зависит, главным образом, от конкретного приложения и бюджета, выделенного на СнК. АЦП последовательного приближения принимают входной сигнал в определенный момент времени и сравнивают его с выходным сигналом внутреннего ЦАП, аппроксимируя его согласно полученному значению входного сигнала. Соответствующая величина выходного сигнала ЦАП оцифровывается и сохраняется в регистре SAR. АЦП последовательного приближения характеризуются хорошим разрешением, малой задержкой преобразования и достаточно широким входным диапазоном. Они весьма чувствительны к изменению величины входного напряжения канала. У них также очень широкая пропускная способность входного канала. Однако недостаток этого типа АЦП — в погрешности из-за нелинейности, вызванной необходимостью повторного вычитания и сравнения.

В современных сигма-дельта АЦП преобразование осуществляется с избыточной дискретизацией (передискретизацией), затем происходит фильтрация, усреднение и оцифровка сигнала. Время преобразования этих флэш-АЦП достаточно малое и составляет порядка нескольких наносекунд для 8-разрядных устройств. Однако выходной сигнал АЦП содержит большое количество ошибок. Для снижения шума преобразованный сигнал вычитается из входного [4].

Таким образом, у сигма-дельта АЦП лучшая шумовая характеристика, чем у АЦП типа SAR. Однако выбор АЦП типа SAR предпочтительнее в тех случаях, когда требуется быстрое срабатывание, малая задержка и многоканальная обработка данных.

Сигма-дельта АЦП применяются тогда, когда необходима высокая точность и разрешение для преобразования сигнала в условиях большого шума [5]. Как правило, в недорогих счетчиках используются АЦП последовательного приближения, тогда как в СнК с высокой производительностью применяются сигма-дельта АЦП, обеспечивая преобразование с малым шумом.

Расчет потребления и хранение данных

Ресурсоемкие вычисления, включая расчет потребления, как правило, выполняются процессором. К этим вычислениям относятся измерение активной и реактивной мощности, коэффициента нагрузки и средней мощности (см. рис. 4).

Рис. 4. Мгновенные значения напряжения, тока, мощности и прямая средней мощности

Активная мощность — это часть полной мощности, определяемая напряжением и током, фазы которых совпадают. Если эти две величины находятся не в одной фазе, их произведение определяет реактивную мощность. Сдвиг фаз между током и напряжением возникает из-за индуктивной или емкостной нагрузки.

Реактивная мощность не выполняет полезной работы, но вызывает дополнительный нагрев проводников. Для ее компенсации требуются трансформаторы высокого качества и более толстые провода, выдерживающие высокие токи и тепловую нагрузку, что повышает стоимость передачи электроэнергии. Объем потребленной электроэнергии (полной мощности) при этом равен отношению активной мощности к коэффициенту нагрузки (косинусу угла сдвига фаз).

После расчета коэффициента нагрузки вычисляется полная мощность. Активная мощность представляет собой произведение среднеквадратического значения токов и напряжений. В приложениях по измерению ядро СнК в т.ч. вычисляет среднеквадратическое значение токов и напряжений, их произведение и производит усреднение.

При создании измерительных систем выбирается ядро DSP, поскольку оно выполняет математические операции за очень малое время. Иногда ядро разгружается за счет дополнительного блока умножения с накоплением, который берет на себя наибольшую часть вычислений. При этом на ядро возлагаются такие функции как связь, отображение данных, мониторинг и т.д.

Объем памяти кристалла также играет большую роль в стоимости конечной системы. Объем запоминающего устройства может колебаться в пределах 256 байт…26 Кбайт ОЗУ и 8…264 Кбайт флэш-памяти в зависимости от приложения. В некоторых наиболее современных системах требуется до 2 Мбайт флэш-памяти и 512 Кбайт ОЗУ [9].

Логический блок

В состав этого блока входят такие модули как программируемые счетные устройства, компаратор, широтно-импульсный модулятор и т.д. Скорость потока газа или жидкости измеряется с помощью цифровых или аналоговых датчиков вращения.

В случае использования цифрового датчика его выходной сигнал поступает в модуль счетного устройства, которое регистрирует расход измеряемого ресурса. В случае аналогового датчика последовательность импульсов, поступающую в счетный модуль, генерируют компараторы.

Отображение и передача показаний счетчика

Еще одним важным аспектом измерительного приложения является отображение и передача считанных данных для учета потребления. Похоже, использование 7-сегментной панели ЖКД является наиболее распространенным методом отображения показаний счетчика. На ней указывается текущее показание, которое, например, записывается потребителем.

Если драйвер ЖКД не входит в состав системы на кристалле, она передает ему данные с помощью внешних интерфейсов I2C, SPI, UART и т.д. Считанные данные также передаются по беспроводному каналу на удаленный драйвер ЖКД или в регистрирующую систему с помощью ZigBee, IR и т.д. В таких случаях необходимо модулировать передаваемые данные до их отправки передатчику, что осуществляется, например, с использованием ШИМ-модулятора.

Защита от кражи и хронометраж

Защита от взлома очень важна в системах измерения, т.к. предохраняет поставщика от кражи электроэнергии потребителями за счет изменения показаний счетчика. Функцию обнаружения кражи энергии можно установить в СнК несколькими способами, но одним из наиболее эффективных из них является интеграция этой функции с часами реального времени.

Установление факта кражи, а также фиксация ее времени эффективно выполняется одним модулем. Любая попытка кражи записывается во внутреннюю память наряду с отметкой времени о происшедшем событии. Счетчик свидетельствует об этом факте мерцающим светодиодом или отображая информацию на ЖКД наряду с указанием времени, когда состоялась кража. В дальнейшем эти данные учитываются для коррекции показаний счетчика.

Кроме того, хронометраж играет ключевую роль в усреднении показаний счетчика. С этой целью ядру СнК подаются периодические сигналы от часов реального времени. В соответствии со спецификациями OMS (Open Metering System) ядро СнК выполняет операции усреднения через определенные интервалы времени в зависимости от приложения (см. табл. 1).

Таблица 1. Интервал, через который ядро выполняет усреднение в различных приложениях

Средний интервал времени	Минуты
Электроснабжение	15
Газоснабжение	60
Центральное отопление
Водоснабжение	1440
Приборы для распределения тепла
Учет электропотребления на нижестоящих ступенях распределения

Часы реального времени оснащены механизмом авторизованного доступа к регистрам этого блока, чтобы предотвратить любую попытку их взлома для отключения функции обнаружения кражи. Кроме того, часы реального времени должны обладать способностью работать в автономном режиме при сбое в электропитании. Однако в этом случае также необходимо предусмотреть схему с очень малым потреблением. В первую очередь, такая схема требуется в системах измерения расхода жидкости или газа, в которых счетчики питаются только от батарей. Таким образом, при разработке СнК необходимо предусмотреть: 1) автономное питание некоторых модулей в режиме останова системы; 2) время запуска ядра из режима останова; 3) обеспечение питания при выходе из режима останова.

Стандартным значением тока в режиме останова является 0,5 мкА, а типовые значения рабочего тока достигают 4,3 мА [6].

Литература

1. www.pikeresearch.com/research/smart-meters.

2. www.absenergyresearch.com.

3. MCF51EM256 Reference Manual & Datasheet//www.freescale.com.

4. Analog to Digital Convertors//http://en.wikipedia.org/wiki/Analog-todigital_converter.

5. Bonnie Baker. Choosing SAR vs High-Speed Sigma-Delta ADCs. EDN Article//www.edn.com/article/CA6313377.html.

6. Jin Zhu and Recayi Pecen. A Novel Automatic Utility Data Collection System using IEEE 802.15.4-Compliant Wireless Mesh Networks.

7. Metering Solutions from Freescale//www.freescale.com/metering.

8. KNX Smart Metering Solutions.

9. www.freescale.com/webapp/sps/site/overview.jsp?nodeId=02430Z6A10.