Пристрій для автоматичного контролю режимів розподілу струмів в низьковольтних електричних мережах

Реферат: Винахід належить до галузі вимірювальної техніки і призначений для безконтактного виміру величин струмів в низьковольтних розподільних мережах змінного струму напругою 0.4 кВ і передачі результатів виміру по безпровідній мережі. Пристрій для автоматичного контролю режимів розподілу струмів в селищних електричних мережах містить струмовий датчик, який з’єднаний з пристроєм бездротової передачі даних, блок керування, яким підключений до локальної обчислюваної мережі (ЕОМ), причому датчик струму виконаний у вигляді магнітопроводу, утвореного двома феритовими півкільцями, охоплюючими провідник із струмом. Пристрій бездротової передачі містить приймально-передавальна антену, вихід якої підключений до приймача НВЧ-коливань, вихід якого підключений до входу ключа, що подає живлення від випрямляча, підключеного до виходу першої обмотки первинного перетворювача, намотаної на розімкнений тороїдальний феритовий сердечник, на входи другого випрямляча з операційним підсилювачем, який отримує живлення від другої обмотки первинного перетворювача, намотаної на розімкнений тороїдальний феритовий сердечник, до виходу другого випрямляча з операційним підсилювачем підключений аналого-цифровий перетворювач, до виходу якого підключений мікроконтролер, до виходу якого підключений радіопередавач, до виходу якого підключений посилювач НВЧ-коливань, вихід якого підключений до приймально-передавальної антени. Блок керування має мікроконтролер, що містить радіопередавач, на перший вхід якого подається команда управління (КУ), до другого входу підключений приймач НВЧ-коливань, підключений до приймально-передавальної антени, UA 102026 C2 (12) UA 102026 C2 а до виходу вищезазначеного радіопередавача підключений підсилювач НВЧ, вихід якого підключений до приймально-передавальної антени. UA 102026 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі вимірювальної техніки і призначений для безконтактного виміру величин струмів у низьковольтних розподільних мережах змінного струму напругою 0,4 кВ і передачі результатів виміру по безпровідній мережі. Пристрій може бути також використаний для виміру струмів в окремих провідниках і інших мережах, в яких небажане або неможливе врізання струмової обмотки в послідовний силовий ланцюг. В умовах постійного зростання споживання електроенергії (ЕЕ) в промисловості і в побуті і посилення державної політики енергозбереження велике значення придбаває зниження так званих комерційних втрат електроенергії в електричних мережах, що є однією з істотних складових енергозбереження. Значну частину комерційних втрат складають розкрадання електроенергії, що придбавають останніми роками загрозливі масштаби. Найбільше число розкрадань і найбільші об'єми електроенергії, що викрадається, мають місце в побутовому секторі, в частковості, в селищних розподільних мережах. Причинами цього є, з одного боку, постійне зростання тарифів на електроенергію при одночасному зростанні об'єму її споживання і зниженні платоспроможності населення, а з іншого боку - відносна доступність і простота здійснення того або іншого способу розкрадання електроенергії, недосконалість конструкцій приладів обліку, первинних і вторинних схем їх комутації, незадовільний технічний стан вимірювальних трансформаторів струму і трансформаторів напруги, відсутність правової бази для притягнення до відповідальності розкрадачів електроенергії і т.д. Детальна інформація про способи розкрадання ЕЕ і способах боротьби з цими розкраданнями є в електронному підручнику [1]. У книзі узагальнені наявні відомості про способи розкрадання електроенергії і практику їх застосування. Головна мета книги - інформувати фахівців енергозабезпечуючих організацій і органів Ростехнадзора, допомогти їм у вирішенні проблеми виявлення і припинення розкрадань електроенергії. Усі матеріали цієї книги актуальні для електрозабезпечуючих організацій і споживачів ЕЕ України. Досить детально ця ситуація викладена також в патенті на корисну модель "Структурна схема визначення місць несанкціонованого підключення до ліній електропередачі" [2], прийнятий за найближчий аналог. У патенті запропоновано технічне рішення, засноване на застосуванні датчиків струму, що розміщуються певним способом на лінії електропередачі. При цьому структурна схема, згідно з патентом, забезпечена пристроями бездротової передачі даних, що в подальшому обробляються на ЕОМ. Очевидно, що датчик струму не повинен мати первинної обмотки, що включається послідовно в силовий ланцюг. Реалізація способу контролю відповідно до [2] представляється дуже громіздкою при врізанні датчиків струму в силові ланцюги в місцях підключення споживачів. Крім того, наявність великої кількості з'єднань знижує надійність роботи системи і ускладнює обслуговування розподільних мереж. Відомо також застосування датчиків Холла для безконтактного виміру струмів [3]. Датчики струму прямого посилення використовують ефект Холла. Магнітна індукція і напруга Холла створюються вимірюваним первинним струмом, який необхідно перетворити у вихідний струм датчика. Струм управління подається за допомогою стабілізованого джерела струму. Датчики струму компенсаційного типу, що використовують ефект Холла, називають ще датчиками з нульовим потоком, тобто з 100 %-м зворотнім зв'язком. У своєму пристрої вони мають вбудований компенсаційний ланцюг, за допомогою якого характеристики датчиків струму, що використовують ефект Холла, можуть бути істотно поліпшені. До недоліків цих датчиків необхідно віднести: - необхідність наявності зовнішніх стабілізованих джерел постійного струму управління; - відсутність можливості автоматичного безконтактного зчитування і обробки інформації. Відомим також є технічне рішення визначення місць несанкціонованого підключення за допомогою переносних струмовимірювальних кліщів, якими періодично вимірюють струми в загальній лінії електропередачі в місцях підключення споживачів і в самих відгалуженнях до споживачів. Цей спосіб дозволяє визначати практично усі місця несанкціонованого підключення і величину електроенергії, що викрадається. Істотними недоліками цього способу є: - відсутність постійного контролю за розподілом струмів в лінії електропередачі і в приєднаннях споживачів; 1 UA 102026 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 - іноді має місце складність доступу до намічених точок виміру і пов'язана з цим необхідність використання спеціальної техніки, наприклад автовишок; - відсутність можливості автоматичного зчитування і обробки інформації [5]. Відомий датчик струму, заснований на застосуванні магнітодіодів [4]. Датчик струму на основі використання магнітодіодів складається з магнітопроводу, що охоплює дріт з вимірюваним струмом, і двох магнітодіодів VD1 і VD2, розміщених в проміжках магнітопроводу і сполучених з входом підсилювача. Одну частину магнітопроводу складають дві паралельні пластини, між якими розташовано два постійні магніти, дотичні однойменними полюсами з кожним з пластин. Інша частина магнітопроводу є системою з проміжками, в яких розташовані магнітодіоди. Система поміщена в діелектричну обойму. Датчик поміщається в діамагнітний діелектричний корпус. За відсутності струму в дроті на магнітодіодах потенціометром R1 задаються однакові падіння напруги, визначувані магнітною індукцією в проміжках магнітопроводу, що задається постійними магнітами. Робоча точка кожного з магнітодіодів вибирається на лінійній ділянці вольтамперноі характеристики. При цьому напруга на виході диференціальної схеми дорівнює нулю. З появою в дроті вимірюваного струму змінюється магнітна індукція в проміжках магнітопроводу, внаслідок чого змінюється падіння напруги на магнітодіодах і на виході диференціального ОП з'являється напруга відповідної полярності, пропорційна вимірюваному струму. Ця напруга, посилена ОП, є вихідним сигналом датчика струму. При зміні напряму вимірюваного струму змінюється знак напруги на виході датчика струму, тобто він реагує як на величину, так і на напрям вимірюваного струму. Резистори R2 і R3 служать для обмеження струмів магнітодіодів, резистори R4 і R6 - для обмеження вхідних струмів ОП, резистори R5 і R7 - для регулювання коефіцієнта передачі датчика струму. Для підвищення точності виміру магнітопровід виконаний з магнітом'якого матеріалу, а постійні магніти - з магнітодіелектрика. Описаний датчик має наступні недоліки: - необхідність наявності зовнішнього стабілізованого джерела постійного струму; - відсутність можливості автоматичного зчитування і обробки інформації; - температурна нестабільність датчика струму, що вимагає періодичної корекції робочої точки ОП. В основу винаходу поставлено задачу розробки удосконаленого датчика змінного струму для визначення, перетворення в цифрову форму і передачі по радіоканалу величини струму в контрольованих ділянках лінії електропередачі, використовуючи сучасні компоненти і системи, що дозволить безконтактно вимірювати величини струмів і передавати результати вимірів по безпровідній мережі. Для виконання поставленої задачі пристрій для автоматичного контролю режимів розподілу струмів в селищних електричних мережах містить струмовий датчик, який з’єднаний з пристроєм бездротової передачі даних, блок керування, яким підключений до локальної обчислюваної мережі (ЕОМ), та виконаний у вигляді магнітопроводу, утвореного двома феритовими півкільцями, охоплюючими провідник із струмом, який відрізняється тим, що до його складу входить приймально-передавальна антена, вихід якої підключений до приймача НВЧ-коливань, вихід якого підключений до входу ключа, що подає живлення від випрямляча, підключеного до виходу першої обмотки первинного перетворювача, намотаної на розімкнений тороїдальний феритовий сердечник, на входи другого випрямляча з операційним підсилювачем, аналого-цифрового перетворювача, мікроконтролера, радіопередавача, підсилювача НВЧ-коливань, до виходу якого підключена приймально-передавальна антена, а вхід якого підключений до виходу радіопередавача, вхід якого підключений до другого виходу мікроконтролера, вхід якого підключений до виходу аналого-цифрового перетворювача, вхід якого підключений до виходу випрямляча з операційним підсилювачем, вхід якого підключений до другої обмотки первинного перетворювача, намотаної на розімкнений тороїдальний феритовий сердечник. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де фіг. 1 - структурна схема струмового датчика с приймально-передавальним пристроєм; фіг. 2 - електрична схема вузла приймальнопередавального пристрою зі смуговою антеною. Пристрій має провідник 1 з вимірюваним струмом J, що охоплюється магнітопроводом, що складається з двох феритових півкілець 2. На верхньому півкільці розташовуються дві обмотки, одна з яких 3 забезпечує роботу випрямляча 5, а друга 4 є вимірювальною. Випрямляч 5 забезпечує живлення усієї схеми датчика напругою від 2,5 до 5 вольт. До складу датчика струму входять приймально-передавальна антена 6, приймач НВЧсигналу 7, ключ 8, випрямляч 5 (блок живлення датчика), випрямляч з операційним 2 UA 102026 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 підсилювачем 9, аналого-цифровий перетворювач 10, мікроконтролер 11 з радіопередавачем 12, підсилювач НВЧ-коливань 13. До складу управляючого пристрою (блока управління) входять приймально-передавальна антена 6, приймач НВЧ-коливань (приймач інформації) 14, що передається датчиком струму, мікроконтролер 15, що включає радіопередавач, підсилювач потужності в області надвисоких частот 16. При подачі команди управління починає працювати радіопередавач, який входить в блок мікроконтролера 15, випромінюючи електромагнітні коливання в діапазоні НВЧ (частота, що не ліцензується, 868 МГц), які посилюються підсилювачем потужності 16. Ці коливання електромагнітного поля сприймаються приймально-передавальна (смуговою) антеною 6 датчика і приймачем НВЧ-сигналу 7. Приймально-передавальні антени 6 виконані на стеклотекстолітовій платі завтовшки 1,2 мм з рознесеними плечима. До одного плеча антен підключений чвертьхвильовий трансформатор, що дозволяє здійснити перехід від низькоомного хвильового опору антени 6 до високоомного входу ключа 8. Поява сигналу на виході блока 7 призводить до спрацьовування ключа 8 та подачі живлення на входи інших блоків, що входять до складу датчика струму. Як ключ може бути використаний однополюсний ключ ADG774A [6]. Блок 7 є підсилювачем і випрямлячем НВЧ-коливань, що формує напругу живлення ключа 8. Випрямляч НВЧ-коливань зібраний за схемою з подвоєнням напруги на діодах VD1 і VD2 (може використовуватися діодна збірка HSMS2822), і на конденсаторах С1 і С2. Конструктивно конденсатори С1 і С2 виконані у вигляді широких пластин фольги. Конденсатор С3 згладжує високочастотні пульсації на клемах живлення елементів датчика, діод VD3 служить для розв'язки випрямляча датчика від зовнішнього джерела живлення при програмуванні мікроконтролера кодового датчика. При появі напруги живлення починають працювати усі блоки, що входять до складу датчика струму. Первинний перетворювач (фіг. 1) є розімкненим феритовим тороїдальним сердечником 2, на верхній половині якого є дві обмотки 3 і 4. Обмотка 3 формує напругу живлення, що подається на вхід випрямляча 5. Ця напруга індукується магнітним потоком, що викликається струмом J. Напруга з виходу випрямляча 5 подається на входи блоків 9÷13, забезпечуючи їх роботу. Обмотка 4 є вимірювальною. Напруга з обмотки 4 подається на вхід випрямляча 9 з операційним підсилювачем. Вихід випрямляча 9 підключений до входу операційного підсилювача (AD 8932), вихід якого, у свою чергу, підключений до входу 12-розрядного аналого-цифрового перетворювача 10 (IMC AD7274), [7]. Посилений дискретний сигнал надходить на вхід блока обробки і передачі інформації. Цей блок є інтегральною мікросхемою MC68HC908RF2, до складу якої входять універсальний мікроконтролер 11 з вбудованим радіопередавачем 12 [8, 9]. До виходу радіопередавача підключений підсилювач НВЧ-коливань 13, вихід якого підключений до приймально-передавальної антени 6. Радіопередавач 12, що входить до складу мікросхеми, виконаний у вигляді незалежного блока, що не має сигнальних зв'язків з мікроконтролером. Це дозволяє використовувати мікроконтролер для управління радіопередавачем за рахунок зовнішніх зв'язків. Сигнал з аналого-цифрового перетворювача 10, надходить в мікроконтролер 11, в постійній пам'яті якого знаходиться номер датчика струму, що займає 12 біт пам'яті (три десяткові числа від 000 до 999). На початку роботи датчика струму в оперативний запам'ятовуючий пристрій мікроконтролера вноситься спочатку номер датчика з постійного запам'ятовуючого пристрою, потім додається інформація про поточне значення струму J, що надходить з аналого-цифрового перетворювача 10. З виходу мікроконтролера на вхід радіопередавача 12, надходить інформаційний сигнал (бітовий рядок), що містить службову інформацію, а також інформацію про номер датчика струму і про значення струму J. Цей сигнал випромінюється радіопередавачем блока 75 у вигляді амплітудно-модульованого сигналу (глибина модуляції 100 %) на частоті 434 МГц, що не ліцензується, і приймається радіоприймальним пристроєм 16 пристрою управління. Після детектування інформація надходить в блок мікроконтролера з радіопередавачем 75, пристрою управління для обробки. У пам'яті мікроконтролера ця інформація зберігається протягом доби і за запитом (або періодично) прямує в ЕОМ, для подальшої обробки інформації, де з урахуванням дати і часу доби використовується оперативним персоналом для цілей обліку і планування. Як приймальний пристрій можна використовувати приймальну частину ІМС ADF7020 або ADF7025, що працюють в діапазоні частот, що не ліцензується, від 433 до 982 МГц. [10]. 3 UA 102026 C2 5 10 15 20 25 Роз'ємний корпус датчика повинен виготовлятися з діелектричного, діамагнітного матеріалу. Уся електронна частина датчика розташовується у верхній частині складеного корпусу. У нижній частині розташовується тільки нижнє півкільце тороїдального магнітопроводу. При цьому передача сигналу від пристрою управління на зчитування інформації з датчиків струму і передача інформації від датчиків струму здійснюється на різних частотах в дуплексному режимі. На частоту 868 МГц налагоджений радіопередавач пристрою управління і радіоприймач датчика струму, на частоту 434 МГц налагоджені радіопередавач датчика струму і радіоприймач пристрою управління. У датчику можуть бути використані будь-які вбудовувані мікроконтролери, аналого-цифрові перетворювачі, приймально-передавальні антени з відповідними характеристиками. Перелік посилань 1. 101 sposob.ru/, 101sposob.ru/vvedenie.html, 101 способ хищения электроэнергии. М.: Ростехэнергонадхор. Учебник, 2005 р., 107 с. 2. Патент на корисну модель, № 47879, Україна, "Структурна схема визначення місць несанкціонованого підключення до лінії електропередачі". 3. edu.dvgups.ru/METDOC/…/INF…/2.htm. Датчики тока на основе эффекта Холла. 4. Г.А. Егиазарян, В.И. Стафеев. Магнитодиоды, магнитотранзисторы и их применение. М.: Радио и связь, 1987 г. 95 с. 5. www. chauvin-arnoux.ru/clamps_description.htm. Токовые клещи. 6. Электронные компоненты и системы, № 1, К.: Фирма VD MAIS, 2006 г. 7. Электронные компоненты и системы, № 12, К.: Фирма VD MAIS, 2004 г. 8. Электронные компоненты и системы, № 4, К.: Фирма VD MAIS, 2001 г. 9. Ремизевич Т.В. Микроконтроллеры для встраиваемых приложений. От общих подходов к семействам НС05 b HC08 фирмы Motorola, M.: "Додэка", 2000, 272 с. 10. Электронные компоненты и системы, № 8, К.: Фирма VD MAIS, 2005 г. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 Пристрій для автоматичного контролю режимів розподілу струмів в селищних електричних мережах, що містить струмовий датчик, який з′єднаний з пристроєм бездротової передачі даних, блок керування, яким підключений до локальної обчислюваної мережі (ЕОМ), причому датчик струму виконаний у вигляді магнітопроводу, утвореного двома феритовими півкільцями, охоплюючими провідник із струмом, який відрізняється тим, що пристрій бездротової передачі містить приймально-передавальну антену, вихід якої підключений до приймача НВЧ-коливань, вихід якого підключений до входу ключа, що подає живлення від випрямляча, підключеного до виходу першої обмотки первинного перетворювача, намотаної на розімкнений тороїдальний феритовий сердечник, на входи другого випрямляча з операційним підсилювачем, який отримує живлення від другої обмотки первинного перетворювача, намотаної на розімкнений тороїдальний феритовий сердечник, до виходу другого випрямляча з операційним підсилювачем підключений аналого-цифровий перетворювач, до виходу якого підключений мікроконтролер, до виходу якого підключений радіопередавач, до виходу якого підключений посилювач НВЧ-коливань, вихід якого підключений до приймально-передавальної антени, а блок керування має мікроконтролер, що містить радіопередавач, на перший вхід якого подається команда управління (КУ), до другого входу підключений приймач НВЧ-коливань, підключений до приймально-передавальної антени, а до виходу вищезазначеного радіопередавача підключений підсилювач НВЧ, вихід якого підключений до приймальнопередавальної антени. 4 UA 102026 C2 Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5