Измеритель мощности для ваттоутера

Итак, тему я эту задумал давно, где-то год назад. Довольно много экспериментировал с проектом "Open energy monitor" на Ардуино. Ребятам кстати огромное спасибо, ими была проделана большая работа и масса экспериментов, которые они не поленились опубликовать в доступном виде. За это время я немного разобрался в тонкостях измерения мощности, как в железной части, так и в программной. Библиотека от Open energy monitor была существенно переработана и интегрирована в скетч.
Из основных изменений.
- Количество выборок измерения тока и напряжения удалось увеличить почти в 3 раза.
- переработан алгоритм детектирования начала и конца сбора сэмплов. Из-за несовершенства этого алгоритма возникали спонтанные всплески измеренных значений мощности, порядка 10-20 Вт. При том что реально потребляемая мощность была неизменна. Особенно эти всплески мешали на малой мощности потребления.
- Средняя точка, 2,5 В, относительно которой производятся измерения переменки, теперь не вычисляется софтверно, а измеряется непосредственно с помощью АЦП. Это позволило освободить программное время для дополнительных выборок и улучшило точность и стабильность измерения.
В совокупности, с учётом сделанных изменений в хардверной и софтовой частях, удалось добиться удовлетворительной точности (и главное стабильности) измерения на малых мощностях, что необходимо для контроля слива излишков ЭЭ. потребляемой мощности. Для этого есть обычные счётчики эл. энергии. Делался измеритель с прицелом на управление ваттроутером. Вариантов ваттроутеров у меня накопилось уже три, с разными способами регулирования. Но об этом потом. Эта тема про измеритель.
Так вот, для управления излишками ЭЭ есть специфические требования, которым к сожалению ни одно из устройств измерения мощности (из известных мне) не отвечает. Например, это измерение активной мощности со знаком. Вроде пустячок, а далеко не все измерители это могут. Второе требование, это вывод активной мощности в доступном для обработке виде. Для меня разобраться с последовательным портом вывода данных ардуино было проще чем с модбасом чужих счётчиков. Третье требование - вывод активной мощности на ваттроутер не реже 1 раза в 100 мс. Это необходимо для удовлетворительной скорости регулирования сброса излишков электроэнергии.
В результате получился измеритель, отвечающий моим запросам
Итак, что он может.
- Измеряет активную мощность ЭЭ с учётом её направления, то есть со знаком.
- Ток rms
- Напряжение rms
- Коэффициент мощности
- Отображает полученную информацию на ЖК дисплее 16х2
- Передаёт значения активной мощности в сериал порт для использования внешними устройствами.
- Имеет на борту RS-485 для передачи значения потребляемой мощности устройствам, находящимся на достаточно больших расстояниях.
- Предусмотрено место для установки радиомодуля HC-11 433 МГц опять же для передачи активной мощности внешним устройствам.
- При подключении измерителя к PC через USB строится график потребляемой мощности в реальном времени.
- Время выдачи значений активной мощности 100 мс
- Время усреднения 4 периода.
- Собственная потребляемая мощность 4 Вт.
- Максимальный измеряемый ток 5 А. (Можно получить любое максимальное значение изменением нагрузочного резистора и коэффициента в программе)
- Преобразование АЦП 10 бит
- Используемый датчик тока 1:1000, Кольцо. (Да, неинвазивный датчик удобнее, но тороидальный без разреза имеет меньший сдвиг фазы на малых нагрузках. К тому же мы не каждый день снимаем - одеваем датчики тока.)
- Шумы +-2 Вт (при потребляемой мощности 1130 Вт, см приложения)
- Частота выборок 140 выборок / 20 мс.

Пока всё, чуть позже выложу схему.

 

Схема, PCB и перечень элементов с расчётом их цены из расчёта покупки менее 100 шт. в приложении. Если кто из форумчан захочет повторить, на здоровье, поделюсь герберами и скетчем.


Заказал изготовление 10 плат, думаю что через месяц-другой будет осязаемая версия.
Да, под него даже корпус предусмотрен, алюминиевый профиль. Поэтому размеры платы немного больше чем это необходимо.

 

Проект коммерческий? Интересует приобретение готового изделия.

 

Весьма достойная схема. Но пару мелких замечаний озвучу:

• Неплохо было бы добавить резисторы порядка 100R...1k между средними точками диодов VD1, VD2 и аналоговыми входами. Иначе трудно гарантировать, что при перегрузке основной ток пойдет через VD1, VD2, а не через диоды защиты от статики на входах мк.
  
• Резистор R2 хорошо бы уменьшить. В даташите на Atmega328 (Atmel-42735B-ATmega328/P_Datasheet_Complete-11/2016, стр 399, Figure 33-42. AREF External Reference Current vs. VCC) сказано, что при 5В в пин Aref втекает порядка 145 мкА. На резисторе R2 = 1 кОм этот ток создаст заметное падение напряжения, что нежелательно.

 

@Grey404, Проект как видите открытый, но если нужно готовое изделие, можно в личку.

 

Скажите, а эти значения выбраны исходя из каких требований? Вы изучали поведение наших счетчиков электроэнергии? При таких значениях, какая часть отданной энергии может быть засчитана как потреблённая типичным однонаправленным счетчиком?

 

Эти значения получены путём долгих экспериментов и являются компромиссом между временем переходного процесса сброса избыточной мощности, устойчивости системы и возможностей микроконтроллера.

Изучал то что было под рукой, меркурий 200.

- Время выдачи значений активной мощности 100 мс
- Время усреднения 4 периода
Эти параметры влияют скорее на точность подсчёта мощности, и скорость выхода на режим исполнительного устройства. Если предположить что исполнительное устройство, утилизирующее излишки ЭЭ идеальное, то количество отданной в сеть ЭЭ будет зависить только от того как часто включают- выключают нагрузку в доме, как резко и часто меняется выработка ЭЭ грид инвертором. Могу сказать точно, что время переходного процесса восстановления нулевого потребления из сети при ступенчатом изменении нагрузки в моей системе составляет 2-3 секунды. Хочу подчеркнуть, не у измерителя мощности, а в системе управления, частью которой является измеритель.
В основном же количество унесённой в сеть ээ зависит от способа регулирования.
Ступенчатое подключение балластной нагрузки даст худший результат.
Пропорциональное управление гораздо предпочтительней в этом смысле.
Далее идёт фазовое регулирование.
И самый лучший способ управления утилизацией излишков, теоретически позволяющий выйти почти в ноль потребления, это линейное преобразование, если так можно выразиться. Например латр с электроприводом, не будь он столь медлительным, был бы почти идеальным вариантом. Есть ещё электронный латр, который регулирует выходное синусоидальное напряжение ШИМом. При этом потребляемый ток у такого устройства тоже синусоидальный. Когда я закончу испытания, расскажу об этом подробнее.

 

Если я правильно понимаю, ваша система регулирует нагрузку, сравнивая текущую мощность с нулем.

В принципе система могла бы проводить коррекцию сразу же, скачком, добавляя или убавляя нужную мощность балласта. Но для этого надо точно знать зависимость мощности в балласте от величины воздействия. А с учетом того, что сопротивление балласта заметно зависит от его температуры, это превращается в непростую задачу.

Напрашивается некое комбинированное управление: при больших скачках мощности система мгновенно, хоть и не совсем точно, отрабатывает их, а затем регулирует остаток в ноль.

 

Совершенно верно.

да, была такая мысль. Но тогда система должна знать, какой мощности балласт к ней подключён. Теряется гибкость. В принципе, сейчас регулированием занимается довольно успешно пропорционально-интегральное звено. Вот пропорциональная составляющая и отрабатывает резкие изменения.

 

Пришли 10 плат.
Так что если кто хочет порукодельничать, вэлкам.
Напомню, измерение с усреднением активной мощности производится на протяжении 4 полных периодов 50 Гц, затем пакет выдаётся в сериал, на RS-485, на экран LCD16x2, на радиомодуль HC-11, на экран ардуиновской консоли в виде потока значений либо в виде графика. Кому как удобнее. Передача происходит каждые 100 мс. Этого достаточно даже для того чтобы видеть пусковые токи холодильника и прочих подобных агрегатов. Можно использовать для сбора статистики потребления, генерации, для измерения мощности конкретного прибора, для работы ваттроутера, для передачи на другую плату ардуино. В общем штука довольно универсальная.
Да, на LCD выводятся значения не только мощности, но и тока, напряжения и коэффициента мощности.
Можно применить стандартную библиотеку от open energy monitor, либо залить мой скетч, сделанный специально под эту плату.

 

Собрал первые две платы измерителей мощности.

Мне нравится как они работают. Показания не скачут, измеряют достаточно точно. Есть куда ещё стремиться, но это оставлю на будущее.
При переходе на целочисленные вычисления удалось увеличить частоту сэмплирования ещё в 2 раза. Теперь за 4 периода сетевого напряжения происходит 1058 выборок.
На первом видео работа измерителей без нагрузки. Ноль тока и мощности стоит как вкопанный.



Корпус для измерителя мощности:

 

На втором видео работа измерителя мощности с резистивной нагрузкой около 500 Вт.

 

Сколковцы придумали классную штуку, измеритель типа твоего, только он пишет всё что творится в доме, дальше выделяет в столбик нагрузки, а ты потом присваиваешь им имена. Не думал о таком?

 

У меня задача более узкая нежели у Сколковцев, минимизировать потребление всего дома. Поэтому нет, не думал . Интересно, они что, на каждую розетку измеритель поставили ?

 

Нет, измеряют несколько дней общее. Дальше программа выделяет нагрузки по мощности, заносит их в столбик, если за это время одна и та же нагрузка (повторяется мощность) включалась/выключалась, повторяемость указывается уже в строке.
Например дома у тебя работает холодильник, ТВ, свет (несколько точек, допустим 5 комнат с разными мощностями), вот измерив всё это за сутки прога выведет тебе 7 нагрузок, на этом всё режим обучения закончен, тебе останется присвоить этим нагрузкам имена. Дальше в любой момент времени ты будешь знать что осталось включенным дома.