Факультет управления и системной инженерии, Университет Мигеля Эрнандеса, Авда. Университет Де ла С/Н, 03202, Эльче, Испания

Аннотация

В данной статье представлено микроустройство для мониторинга, контроля и управления электрическими нагрузками в домашних условиях. 
Ключевая идея заключается в том, чтобы максимально уплотнить электронную конструкцию, чтобы установить ее в розетку Schuko. Кроме того, электронная розетка Schuko (электронный микроприбор + розетка Schuko) имеет функцию связи с центральным блоком и другими микроприборами по существующим линиям электропередачи. 
Используя существующие линии электропередачи, предлагаемое устройство может быть установлено в новых зданиях или в старых. Основное назначение этого устройства заключается в мониторинге, контроле и управлении электрическими нагрузками для экономии энергии и предотвращения аварий, вызванных различными устройствами (например, утюгом), используемыми в домашних условиях. 
Разработанное интеллектуальное устройство основано на однофазном многофункциональном счетчике энергии производства Analog Devices (ADE7753) для измерения потребления электрической энергии и последующей передачи ее с помощью последовательного интерфейса. 
Для передачи информации об измерении тока в ADE7753 использовался ультраплоский SMD-преобразователь тока с разомкнутым контуром на интегральной схеме, основанный на принципе эффекта Холла производства Lem (FHS-40P/SP600). Кроме того, каждое интеллектуальное устройство оснащено интеллектуальным приемопередатчиком PL-3120 производства LonWorks для выполнения программы пользователя, связи с ADE7753 через последовательный интерфейс и передачи информации на центральный блок по линии электропередачи. 
Результаты экспериментов показывают точность измерений, выполненных с помощью разработанного интеллектуального устройства.

1. Введение

Строительство представляет собой стратегически важный сектор для Европейского союза (ЕС), обеспечивающий строительство и инфраструктуру, от которых зависят многие сектора экономики. Сектор предоставляет построенные активы, на долю которых приходится 49,6% валового накопления основного капитала ЕС (GFCF). В 2007 году была запущена инициатива lead market для Европы. В качестве целей этой инициативы рассматривались шесть рынков: электронное здравоохранение, защитный текстиль, устойчивое строительство, переработка отходов, биопродукты и возобновляемые источники энергии. В соответствии с ЕС, устойчивое строительство можно определить как новую и устойчивую парадигму разработчиков с новыми решениями. Инвесторы, строительная отрасль, профессиональные службы, отраслевые поставщики и другие соответствующие стороны сталкиваются с проблемой достижения устойчивого развития с учетом экологических, социально-экономических и культурных проблем.

Эта новая парадигма охватывает проектирование и управление зданиями и сооруженными объектами, резкое повышение энергоэффективности зданий, выбор материалов, улучшение эксплуатационных характеристик зданий, а также взаимодействие с городским и экономическим развитием и управлением. Рынок строительства часто подразделяется на жилой, нежилой и инфраструктурный [1]. Одной из тенденций на рынке жилой недвижимости, о которой сообщает “Ускорение развития рынка устойчивого строительства в Европе”, является внедрение систем управления зданиями совместно с информационно-коммуникационными технологиями, которые позволили бы жильцам контролировать большее разнообразие функций для повышения комфорта, экономии энергии и облегчения дистанционного наблюдения и управления приборами, оборудованием и системами безопасности.

Жилой сектор является одним из крупнейших потребителей энергии в Европе. Потребление электроэнергии в жилом секторе для ЕС-27 выросло на 18,49% в период 1999-2009 годов, с 708,176 ГВт-ч в 1999 году до 839,111 ГВт-ч в 2009 году и на 3,53% в период 2007-2009 годов (рисунок 1). Крупнейшими потребителями электроэнергии в домохозяйствах ЕС-27 являются системы электрического отопления (18,8%), холодильные приборы (15,3%), освещение (10,8%) и системы нагрева воды (8,6%)  (Рисунок 2) [2].

Растущий спрос на электроэнергию обусловлен множеством различных факторов, в том числе:

• Все большее проникновение традиционных приборов (например, посудомоечных машин, сушильных машин, кондиционеров, персональных компьютеров, DVD-плееров, широкополосного оборудования, беспроводных телефонов и т.д.), многие из которых приводят к потерям в режиме ожидания.
• Более широкое использование традиционного оборудования: больше часов просмотра телевизора, больше часов использования персонального компьютера (благодаря некоторой дистанционной работе и более широкому использованию Интернета), больше часов использования стиральных машин и горячей воды.
• Увеличилось количество двух- или трехкомпонентных приборов, в основном телевизоров и холодильников / морозильников.
• Больше домов на одну семью, в каждом из которых есть некоторые базовые приборы, и более крупных домов и квартир. Это приводит к большему освещению, большему количеству систем отопления и охлаждения и, что не менее важно, к тому, что пожилое население требует более высоких температур в помещениях и обогрева в течение всего дня зимой и охлаждения летом, а также проводит больше времени дома.

ИКТ приобретают все большее значение с точки зрения потребления электроэнергии, составляя в 2007 году до 13% в жилом секторе (+2% по сравнению с 2004 годом). Это связано с более широким проникновением некоторых технологий (т.е., компьютеров, телевизионных приставок, модемов, внешних источников питания), а также с сильным проникновением новых технологий в связи с трансформацией рынка (т.е. цифровое телевидение, ЖК- и плазменные дисплеи с большими экранами и широкополосная связь). На потребление в режиме ожидания приходится 5,9% потребления электроэнергии в домах ЕС, почти столько же, сколько на компьютеры и посудомоечные машины вместе взятые. Сокращение такого рода потребления является предметом Регламента ЕС по экологическому дизайну, и это станет важным фактором достижения экономии энергии к 2020 году (источник Европейская комиссия – Объединенный исследовательский центр, Институт окружающей среды и устойчивого развития).

Энергоэффективность в зданиях в настоящее время развивается в двух различных направлениях: пассивное жилье и интеллектуальное жилье. Первое относится к простым надежным системам, которые обеспечивают исключительно низкое энергопотребление за счет интеграции доступных эффективных решений. Для последнего требуется платформа ИКТ, которая объединяет высокотехнологичные решения для повышения энергоэффективности. В этих двух направлениях представлены разные инновационные разработки, но оба они сосредоточены на повышении теплоизоляции зданий, системах климат-контроля внутри помещений и рекуперации энергии, а также системах автоматизации зданий. Автоматизация зданий направлена на комплексную оптимизацию контроля и производительности подсистем здания, таких как вентиляция, отопление и охлаждение, освещение и электронное оборудование. Такая интеграция подсистем позволяет зданиям автоматически адаптироваться к изменяющимся потребностям и условиям в ответ на внутренние или внешние условия. Реакция на изменения условий достигается с помощью технологий зондирования и мониторинга. Устройство, представленное в этой статье, можно рассматривать как строительную подсистему для мониторинга, контроля и управления электрическими нагрузками в домашних условиях и зданиях.

Термин “интеллектуальный датчик” впервые был использован в середине 1980-х годов. Интеллектуальный датчик определяется Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE) в стандарте IEEE 1451.2 как датчик, который обеспечивает функции, выходящие за рамки тех, которые необходимы для создания правильного представления измеряемой или контролируемой величины. Эта функция обычно упрощает интеграцию датчика в приложения в сетевой среде. Кроме того, интеллектуальный датчик должен включать определенные функциональные возможности, такие как обработка, связь и интеграция в соответствии с классификацией, приведенной в [3]. Концепция интеллектуального датчика расширяется до более высокого уровня, когда принимается во внимание наличие цифровых микроконтроллеров или процессоров сигнала в качестве подсистемы обработки. С практической точки зрения возможно использовать несколько из этих подсистем в одном пакете, чтобы можно было использовать различные типы интеллектуальных датчиков. Интеллектуальные датчики становятся многообещающей технологией в большом количестве областей применения: для оценки частоты в режиме реального времени с высоким разрешением в энергосистемах [4]; для мониторинга потребления электроэнергии в режиме реального времени с возможностями связи на большие расстояния [5]; для оценки динамики движения, наклона и параметров вибрации на звеньях промышленного робота-манипулятора на основе двух основных датчиков: кодирующего устройства и трехосного акселерометра [6]; для измерения транспирации растений с использованием пяти основных датчиков (температура воздуха, температура листьев, относительная влажность воздуха, относительная влажность растений и освещенность окружающей среды) [7]. Устройство, представленное в этой статье, может быть классифицировано как интеллектуальный датчик с возможностью приведения в действие, поскольку электрические нагрузки могут включаться / выключаться устройствами в соответствии с программой пользователя и / или командой, отправленной центральным блоком управления. Принимая во внимание эту возможность управления, устройство определяется как “интеллектуальное устройство”.

От рабочего места до дома различные типы конечных пользователей ежедневно используют различные типы устройств / инструментов. Необходимость доступа к информации, касающейся этих устройств / инструментов, привела к резкому развитию технологий [8]. В рамках эволюции эффективный мониторинг производительности и дистанционное управление этими устройствами в настоящее время представляют первостепенный интерес для многих коммерческих и промышленных предприятий. Благодаря достижениям в области электроники и сетей связи возможность получать информацию и даже управлять устройствами под рукой по существующим линиям электропередачи становится желанной как для широкой публики, так и для профессионалов.

В данной статье представлен дизайн и разработка интеллектуального устройства для мониторинга, контроля и управления электрическими нагрузками в домашних условиях. Статья состоит из двух разделов: в первом подробно описывается счетчик энергии интеллектуального узла и связь между встроенным процессором счетчика энергии и между интеллектуальным датчиком и центральным блоком; а во втором показаны экспериментальные результаты, полученные с использованием прототипа интеллектуального устройства.

Более того, это устройство можно было бы использовать не только дома. Оно могло бы быть очень эффективным в промышленности, применяющей ту же идею (включение / выключение нагрузок в соответствии с определенными критериями) или даже управляющими устройствами (приложение теории управления), где требуется большая пропускная способность [9].

2. Обзор системы

Предлагаемая структура системы обеспечивает мониторинг, контроль и управление электрическими нагрузками в здании / доме на основе связи по существующим линиям электропередачи (новые провода не требуются) [5]. Систему можно было бы разделить на интеллектуальные узлы и центральный блок. Интеллектуальный узел мог бы отслеживать параметры тока, напряжения и энергии, чтобы сообщать центральному блоку о потреблении электрической нагрузки в режиме реального времени. Центральный блок будет анализировать информацию совместно с правилами, предоставленными пользователем, для выполнения таких действий, как отключение нагрузки и / или отправка информационных сообщений о перегрузке пользователю. В следующих разделах подробно описывается счетчик энергии интеллектуального узла и связь между встроенным процессором счетчика энергии и между интеллектуальным датчиком и центральным блоком.

2.1. Счетчик энергии

Крупные компании-производители высокопроизводительных полупроводников недавно разработали серию интегральных схем возрастающей сложности и большей емкости, специально для измерения энергии, передаваемой нагрузке, подключенной к сети переменного тока. Эти схемы (энергетические мониторы) представляют собой смешанные процессоры (цифровые / аналоговые), которые предоставляют информацию об используемой энергии (активной, реактивной и кажущейся), а затем передают ее с использованием выходных импульсов переменной частоты или стандартного последовательного протокола. Большинство схем имеют два входа, один из которых пропорционален напряжению нагрузки, а другой пропорционален току, который циркулирует через нагрузку. Основное функционирование заключается в оцифровке сигналов, которые связаны с напряжением и током в нагрузке, и их умножении, так что результат пропорционален мощности в нагрузке [10].

В этой статье мы выбрали устройство ADE7753 производства Analog Devices. Счетчик энергии имеет два полностью дифференциальных входных канала напряжения. Максимальное дифференциальное входное напряжение для входных пар V1P/V1N и V2P/V2N составляет 0,5 В. Однако каждый аналоговый входной канал (V1P/V1N и V2P/V2N) оснащен программируемым усилителем усиления (PGA) с возможными вариантами усиления 1, 2, 4, 8 и 16, записывающими соответственно биты от 0 до 2 и биты от 5 до 7 регистра усиления. Однако, используя биты 3 и 4 в регистре усиления, максимальное входное напряжение АЦП может быть установлено равным 0,5 В, 0,25 В или 0,125 В. [11]. В этом случае авторы настроили регистр усиления на максимальное входное напряжение АЦП 0,5 В в каждом канале.

2.2. Измерение тока

Четырьмя наиболее распространенными на сегодняшний день сенсорными технологиями для измерения тока являются: токовый шунт с низким сопротивлением, трансформатор тока (КТ), датчик эффекта Холла и катушка Роговски. Токовый шунт с низким сопротивлением обеспечивает хорошую точность при низкой стоимости, а измерение тока простое. С хорошим и недавним обзором современных методов измерения можно ознакомиться в [12]. Циглер и др. обобщили в двух таблицах: (i) производительность различных современных методов измерения с использованием семи характеристик (полоса пропускания, пропускная способность по постоянному току, точность, тепловой дрейф, изолированность, дальность действия и потери мощности) и (ii) стоимость и распространенные области применения.

Все четыре сенсорные технологии совместимы с выбранной микросхемой счетчика энергии (ADE7753). Требования к дизайну таковы: (i) технология измерения тока должна быть как можно меньше; (ii) входные каналы с максимальным дифференциальным напряжением ADE составляют 0,5 В; (iii) Возможность измерения тока до 16 А. Катушка Роговски в сочетании с цифровым интегратором предлагает конкурентоспособную по цене технологию измерения тока и может быть лучшим вариантом между четырьмя сенсорными технологиями, но основным недостатком является размер, поскольку разработанное нами решение должно помещаться в розетку Schuko. Технология шунтирования тока сопротивления является хорошим вариантом с учетом стоимости, но мы протестировали ее в лаборатории, и выделяемое тепло было слишком высоким для этого приложения. КТ также может быть приемлемым вариантом, но у него есть проблемы с насыщением. Решением проблемы насыщения является использование Mu-metal core CT, но Mu-metal core CTs требует нескольких точек калибровки как для текущего уровня, так и для изменений температуры. Наконец, авторы решили отказаться от этой сенсорной технологии. В качестве сенсорной технологии были выбраны датчики с эффектом Холла. В лаборатории были протестированы два датчика с эффектом Холла: FHS-40P/SP600 производства Lem и ACS712 производства Allegro. Производительность обоих датчиков была удовлетворительной, но в конечном итоге решение Lem было выбрано из-за стоимости.

FHS-40P/SP600 – это ультраплоский SMD преобразователь тока с разомкнутым контуром на интегральной схеме, основанный на принципе эффекта Холла. Он воспринимает магнитное поле, генерируемое измеряемым током, и преобразует его в выходное напряжение. Ток, протекающий по длинному тонкому проводнику, создает плотность потока вокруг него (рисунок 3).

2.3. Формирование текущего сигнала

Как было прокомментировано ранее, выходное напряжение FHS-40P /SP600 должно быть настроено, чтобы его получала схема ADE7753. Для этого необходимо удалить постоянный компонент датчика тока, поскольку максимальный входной канал дифференциального напряжения ADE составляет ±0,5 В. Постоянный компонент может быть устранен с помощью базового фильтра верхних частот 0 Гц. Основным недостатком этого решения является то, что фильтр создает задержку в сигнале, которая влияет на правильную работу ADE7753. Поэтому фильтр нижних частот был разработан для противодействия эффекту задержки сигнала, создаваемому фильтром верхних частот. Конструкция двух фильтров должна соответствовать двум основным целям: (i) удалять компонент постоянного тока и; (ii) сводить к нулю общую задержку, создаваемую двумя фильтрами. С учетом этих требований был рассчитан RC-фильтр верхних частот: C₂₄ = 470 нФ, R₂₈ = 220 КОм и θ₁ = 1,76, а также RC-фильтр нижних частот: C₃₈ = 100 нФ, R₃₈ = 1 КОм и θ₂ = -1,79 (рисунок 4).

2.4. Измерение напряжения

Резистивный делитель напряжения был разработан для снижения линейного напряжения до ± 0,5 В, поскольку канал входного напряжения ADE7753 имеет максимальное дифференциальное напряжение ±0,5 В. Ослабление линейного напряжения осуществляется простым резистивным делителем, как показано на рисунке 4. Топология сети такова, что согласование фаз между входным каналом 1 и входным каналом 2 сохраняется. Как видно из рисунка 4, частота этой сети в 3 дБ определяется R₃₁ = 1 KΩ и C₂₇ = 33 нФ. Это связано с тем, что R₃₃ – R₃₅ = 225 K Ω намного больше, чем R₃₁ = 1 KΩ.

2.5. Распределенная система управления

Линия электропередачи была выбрана в качестве физического транспортного средства из-за следующих преимуществ: установленная линия электропередачи может использоваться в качестве канала связи; отсутствуют помехи для других устройств (как в случае с радиосвязью); есть возможность разместить распределенные интеллектуальные модули в любом месте (в электрической розетке); нет необходимости в дополнительном источнике питания (обычно в шинной кабельной системе domotic имеется постоянное напряжение, генерируемое источником питания и распределяемое по всему домотическая сеть). Основной недостаток линии электропередачи связан с электрическим шумом, создаваемым бытовой техникой и /или находящимися рядом электрическими шкафами.

Многие, но не все производители систем автоматизации дома и зданий продают модули, которые могут обмениваться данными по линии электропередачи. Основная причина выбора LonWorks PL-3120 заключается в том, что в нем используется технология сигнализации с двумя несущими частотами для обеспечения превосходной надежности связи при наличии источников помех. Благодаря функции двойной несущей частоты последние две попытки подтвержденных сервисных сообщений отправляются с использованием вторичной несущей частоты. Таким образом, в A-диапазоне и при использовании подтвержденной услуги с тремя повторными попытками (всего четыре попытки) первые две попытки отправляются с использованием основной несущей частоты 86 кГц. Если для завершения транзакции требуются последние две попытки, они отправляются (и подтверждаются) с использованием вторичной несущей частоты 75 кГц. Аналогично, для работы в C-диапазоне первичная и вторичная частоты составляют 132 кГц и 115 кГц соответственно. Для того, чтобы PL-3120 мог использовать оба варианта несущей частоты, необходимо выполнить минимум две повторные попытки.

Ядром разработанной нами системы является LonWorks PL-3120 [13]. Интеллектуальные приемопередатчики PL-3120 объединяют процессорное ядро Neuron с приемопередатчиком линии электропередачи, совместимым с ANSI/EIA-709.2, в рамках одной интегральной схемы (IC), устраняя необходимость во внешнем приемопередатчике. Процессорное ядро Neuron состоит из трех процессоров. Этим процессорам назначены следующие функции: (i) Процессор 1 – это процессор уровня MAC, который обрабатывает уровни 1 и 2 7-уровневого стека протоколов LonTalk; (ii) Процессор 2 – это сетевой процессор, который реализует уровни с 3 по 6 стека протоколов LonTalk; (iii) Процессор 3 – это процессор приложений. Оно выполняет код, написанный пользователем, вместе со службами операционной системы, вызываемыми пользовательским кодом. Основным языком программирования, используемым приложениями, является Neuron C, производное от языка ANSI C, оптимизированное и усовершенствованное для приложений распределенного управления Lonworks.

PL-3120 оснащен 12 выводами ввода-вывода, которые могут быть сконфигурированы для работы в одном или нескольких из 38 предопределенных стандартных режимов ввода-вывода. Сочетание широкого спектра моделей ввода-вывода с двумя встроенными таймером/счетчиками позволяет PL 3120 взаимодействовать с прикладными схемами, используя минимальную внешнюю логику или разработку программного обеспечения. PL-3120 также оснащен полнодуплексным аппаратным интерфейсом UART, поддерживающим скорость передачи данных до 115 кбит/с, и интерфейсом SPI, который работает со скоростью до 625 кбит/с. В этом приложении 8 контактов ввода-вывода (от IO2 до IO10) были сконфигурированы для обмена информацией с ADE7753.

Интерфейс последовательного периферийного интерфейса (SPI) был выбран для связи с PL-3120 (сконфигурирован как ведущий в шине SPI) и ADE7753 (сконфигурирован как ведомый в шине SPI). Короче говоря, выбранный режим конфигурации PL-3120 – это режим Neurowire master, в котором вывод IO8 является тактовым (управляется PL-3120), вывод IO9 всегда выводится (последовательный вывод данных), а IO10 всегда вводится (последовательный ввод данных), как видно на рисунке 4. Более того, вывод IO7 PL-3120 был сконфигурирован как вывод выбора для включения режима последовательной связи ADE7753.

Остальные контакты были сконфигурированы следующим образом: (i) вывод IO2 был сконфигурирован как цифровой выход для сброса ADE7753; (ii) вывод IO3 был определен как цифровой вход для контроля того, был ли в ADE7753 выдан ранее запрограммированный запрос на прерывание; (iii) вывод IO4 сконфигурирован как цифровой вход и подключен к выходу SAG ADE7753 для контроля входа источника питания в ADE7753; (iv) вывод IO5 сконфигурирован в качестве цифрового входа для контроля обнаружения пересечения нуля (мы не используем этот сигнал напрямую, поскольку мы обнаруживаем пересечение нуля через регистр состояния прерывания ADE7753); (v) вывод IO6 сконфигурирован как цифровой вход и подключен к CF-выходу ADE7753 с целью калибровки; (vi) вывод IO11 сконфигурирован как цифровой выход для управления реле (включение /выключение нагрузки). Схематическую схему подключения PL-3120 и ADE7753 можно увидеть на рисунке 5.

В режиме связи ADE7753 ожидает операции записи в свой регистр связи. Данные, записанные в регистр связи, указывают, будет ли следующая операция последовательной передачи данных операцией чтения или записи, а также к какому регистру осуществляется доступ. Короче говоря, регистр связи ADE7753 имеет длину в один байт: бит 7 определяет, будет ли следующая операция передачи данных операцией чтения или записи, бит 6 зарезервирован, а биты с 5 по 0 используются для обращения к регистру ADE7753, к которому необходимо получить доступ. В этой конструкции PL-3120, сконфигурированный в режиме Neurowire master, использует функции io_in() и io_out() из языка программирования Neuron C [14]. Neuron C – это язык программирования на основе ANSI C, предназначенный для чипов Neuron и интеллектуальных приемопередатчиков, таких как PL-3120.

Интеллектуальное устройство для мониторинга, контроля и управления электрической нагрузкой можно рассматривать как устройство Lonworks, поскольку PL-3120 используется для передачи данных от / к другим устройствам и центральному блоку. Для этого сетевые переменные для мониторинга I_RMS, V_RMS, мгновенной мощности, активной мощности, реактивной мощности, активной энергии, реактивной энергии, частоты и для управления подключением электрической нагрузки определяются в программе, которая выполняется на всех отдельных интеллектуальных устройствах.

3. Результаты эксперимента

Для оценки производительности электронного прототипа была создана установка с различными типичными нагрузками для тестирования системы (рисунок 6). Для управления этим интеллектуальным устройством использовался центральный компьютер с учетом того, что в ближайшем будущем его заменит центральный блок управления на базе микроконтроллера с системой человеко-машинного интерфейса (HMI) (графический ЖК-дисплей с сенсорными технологиями). Прикладная программа для проверки функциональных возможностей интеллектуального устройства считывает следующие данные: I_{среднеквадратичное}значение_,среднеквадратичное значение V, а также активную, реактивную и кажущуюся энергию и управляет реле, используемым для включения / выключения нагрузки (,,, таблица 1,,,).

Эксперимент по измерению точности измерений, производимых разработанным устройством, проводился с использованием нагрузки с двумя известными показателями энергопотребления (нагрузкой является масляный радиатор с 2 настройками нагрева I и II) (Таблица 1) и измерителя мощности CW120 производства Yokogawa. Реальное измерение I_{среднеквадратичного} значения более или менее совпадает с измерением, полученным с помощью разработанного интеллектуального устройства. Кроме того, активная и кажущаяся энергия была измерена с помощью разработанного устройства и анализатора энергии для сравнения измерений и вычисления погрешности (Таблица 2). ADE7753 обеспечивает интеграцию сигнала активной мощности путем непрерывного накопления его во внутреннем нечитаемом 49-разрядном регистре энергии [11]. Регистр активной энергии (AENERGY[23:0]) представляет собой старшие 24 бита этого внутреннего регистра. Это накопление или суммирование по дискретному времени эквивалентно интегрированию в непрерывном времени, а период дискретной выборки времени (T) для регистра накопления ADE7753 составляет 1,1 мкс (4 /CLKIN, где CLKIN на логическом входе ADE7753 обеспечивает источник синхронизации. Рекомендуемая тактовая частота составляет 3,579545 МГц). Соотношение между накопленными ватт-часами и количеством, считанным с AENERGY, может быть определено по количеству активной энергии, накопленной за время при данной нагрузке:

где время накопления может быть определено по периоду цикла линии, измеряемому ADE7753 в регистре PERIOD (Период), и количеству полупериодических циклов линии в накоплении, фиксируемому регистром LINECYC.

ADE7753 обеспечивает интеграцию сигнала видимой мощности таким же образом, как и сигнала активной мощности, как это было описано выше. Регистр кажущейся энергии (VAENERGY[23:0]) представляет собой старшие 24 бита этого внутреннего регистра. Взаимосвязь между накопленным VAh и количеством, считанным с VAENERGY, может быть определена по количеству активной энергии, накопленной с течением времени при данной нагрузке:

Кажущаяся и активная мощность, обеспечиваемая ADE7753, не имеют одинакового масштабирования и, следовательно, не могут быть напрямую сопоставлены друг с другом.

4. Выводы

В этой статье представлено экономичное интеллектуальное устройство для мониторинга, контроля и управления электрическими нагрузками. Основными характеристиками являются: (i) Компактность конструкции, которая позволяет устанавливать его внутри розетки Schuko; (ii) Связь по существующей линии электропередачи (без новых проводов); (iii) Микросхема учета энергии и релейное управление нагрузкой (включение / выключение). Основное применение разработанного устройства заключается в экономии электрической энергии в домашних условиях и предотвращении аварий, вызванных различными электрическими устройствами (такими как утюг), используемыми в домашних условиях. 
Разработка интеллектуальных алгоритмов управления для экономии энергии и предотвращения аварий – одна из следующих работ авторов. Разработанный интеллектуальный датчик пришлось разделить на две печатные платы (ПХД) из-за размера компонентов соединительной схемы. Для установки интеллектуального устройства в розетку Schuko необходимо учитывать отсутствие одной розетки, чтобы найти источник питания и соединительную плату для трех или четырех других интеллектуальных устройств. На рисунке 7 показаны печатные платы и функциональные блоки в типичной установке внутри розетки Schuko.

Благодарности

Эта работа была частично поддержана Европейской комиссией (эксперимент FP7-ECHORD MAAT) и правительством Испании в рамках проектов DPI2011-29660-C04-04 и PRI-AIBDE-2011-1219.

Ссылки и примечания

1. Европейская комиссия. Ускорение развития рынка устойчивого строительства в Европе – Ведущая рыночная инициатива “Устойчивое строительство”. Доступно онлайн: http://ec.europa.eu/enterprise/policies/innovation/policy/leadmarketinitiative/files/construction_taskforce_report_en.pdf (дата обращения 21 ноября 2011 года).
2. Бертольди П.; Атанасиу Б. Тенденции потребления электроэнергии и эффективности в Европейском союзе – Отчет о состоянии 2009; Европейская комиссия -Объединенный исследовательский центр, Институт окружающей среды и устойчивого развития, Подразделение по возобновляемым источникам энергии: Брюссель, Бельгия, 2009. [Google Scholar]
3. Ривера Дж.; Эррера Г.; Чакон М.; Акоста П.; Каррильо М. Улучшенный алгоритм прогрессивного полинома для самонастройки и оптимального отклика в интеллектуальных датчиках. Sensors 2008, 11, 7410-7427.
4. Гранадос-Либерман, Д.; Ромеро-Тронкосо, Р.Дж.; Кабал-Епес, Э.; Осорнио-Риос, Р.А.; Франко-Гаска, Л.А. Интеллектуальный датчик реального времени для оценки частоты с высоким разрешением в энергосистемах. Датчики 2009, 11, 7412-7429.
5. Лин, З.-Т.; Чжэн, Дж.; Джи, Ю.-С.; Чжао, Б.-Х.; Цюй, Ю.-Г.; Хуан, Х.-Д.; Цзян, Х.-Ф. EMMNet: сеть датчиков для мониторинга счетчиков электроэнергии. Датчики 2010, 10, 6307-6323.
6. Родригес-Донат, К.; Моралес-Веласкес, Л.; Осорнио-Риос, Р.А.; Эррера-Руис, Г.; Ромеро-Тронкосо, Р.Дж. Интеллектуальный датчик на основе ПЛИС для извлечения динамических параметров и параметров вибрации в звеньях промышленных роботов. Датчики 2010, 10, 4114-4129.
7. Миллан-Альмараз, Дж.Р.; Ромеро-Тронкосо, Р.Дж.; Гевара-Гонсалес, Р.Г.; Контрерас-Медина, Л.М.; Каррильо-Серрано, Р.В.; Осорнио-Риос, Р.А.; Дуарте-Гальван, К.; Риос-Алькарас, М.А.; Торрес-Пачеко, И. Интеллектуальный датчик на основе ПЛИС для оценки динамики транспирации растений в режиме реального времени. Датчики 2010, 10, 8316-8331.
8. Чанг, У.-Ф.; Ву, Ю.-К.; Чиу, К.-В. Разработка веб-системы удаленного контроля нагрузки. Инт. Дж. Электр. Power Energy Syst. 2006, 28, 401-407. 
9. Грасиа, Л.; Перес-Видаль, С. Новая схема управления для визуального управления. Int. J. Управление автоматическим. Syst. 2009, 7, 764-776. 
10. Рамирес-Муньос, Д.; Моро-Перес, Д.; Санчес Морено, Дж.; Касанс-Берга, С.; Кастро Монтеро, Э. Проектирование и экспериментальная проверка интеллектуального датчика для измерения энергии и энергопотребления в однофазной сети переменного тока. Измерение 2009, 42(3), 412-419.
11. Технический паспорт Analog Devices ADE7753 Rev. C. Доступен онлайн: http://www.analog.com/linebreaken/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ade7753/products/product.html (дата обращения 21 ноября 2011 года).
12. Циглер С.; Вудворд Р. К.; Айу Х.Х.-К.; Борле Л.Дж. Современные методы измерения: обзор. IEEE Sensor J. 2009, 9, 354-376. 
13. Эшелон. Справочник данных интеллектуального приемопередатчика линии электропередачи PL 3120 / PL 3150. Доступно онлайн: http://www.echelon.com (дата обращения 22 ноября 2011 года).
14. Echelon. Руководство программиста Neuron C. Доступно онлайн: http://www.echelon.com (дата обращения 21 ноября 2011 года).
15. Rogowski, W.; Steinhaus, W. Die messung der magnetischen spannung. Арх. Elektrotech. 1912, 1, 141–150. 

© 2012 авторами; лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0 /.)