Микропроцессорные счетчики электроэнергии

Микропроцессорные  
счетчики электроэнергии

Москва, 2017

В. И. Лебедев

УДК 621.317.785
ББК 31.221-5
 
Л33

Л33   В. И. Лебедев

Микропроцессорные счетчики электроэнергии. – М.: ДМК Пресс, 
2017. – 196 с.

ISBN 978-5-97060-457-1

В книге излагаются вопросы построения микропроцессорных (цифро
вых) счетчиков электрической энергии переменного тока, описываются 
принципы их функционирования, структурная организация, элементная 
база, средства поверки и защиты информации в них; приводятся примеры 
и технические характеристики счетчиков и рассматривается их применение в автоматизированных системах контроля и учета электроэнергии.

 Книга рассчитана на инженерно-технических работников, связанных с 

разработкой и эксплуатацией средств микропроцессорной и информационно-измерительной техники и их применением в энергетике и смежных 
областях, может быть полезна преподавателям, аспирантам, магистрантам и студентам старших курсов вузов соответствующих специальностей. 

УДК 621.317.785
ББК 31.221-5

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена 

в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного 
разрешения владельцев авторских прав.

Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку 

вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи 
с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с 
использованием книги.

                                                      © Лебедев В.И., 2017
ISBN 978-5-97060-457-1               © Оформление, издание, ДМК Пресс, 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие .............................................................................5

Глава 1. Архитектура счетчиков электроэнергии ..........................7
1.1. Общие сведения ................................................................................8
1.2. Классификация счетчиков ..........................................................13
1.3. Принципы функционирования счетчиков.............................15
1.4. Структурная организация счетчиков ......................................18
1.5. Погрешности счетчиков ...............................................................36
1.6. Средства поверки счетчиков .............................................................39
1.7. Средства защиты информации счетчиков .............................41

Глава 2. Элементная база счетчиков электроэнергии ..................53
2.1. Измерительные микросхемы ......................................................54
2.2. Микроконтроллеры .......................................................................60
2.3. Цифровые сигнальные процессоры .........................................63
2.4. Интерфейсы ......................................................................................72
Интерфейс «Токовая петля»...................................................................72
Интерфейс RS-485 .....................................................................................73
Интерфейс M-Bus ......................................................................................77
Интерфейс Ethernet ...................................................................................78
Интерфейс RS-232 .....................................................................................80
Интерфейс IrDA .........................................................................................81
Интерфейс I2C .............................................................................................82
Интерфейс SPI ............................................................................................85
Интерфейс USB ..........................................................................................85
2.5. Модемы...............................................................................................87
Модуляция сигналов .................................................................................88
Электросетевые модемы ........................................................................104
Радиомодемы .............................................................................................128
GSM-модемы ..............................................................................................132
2.6. Часы реального времени ........................................................... 138
2.7. Измерительные трансформаторы .......................................... 142

Глава 3. Примеры счетчиков электроэнергии и их применение 
в АСКУЭ .............................................................................. 155
3.1. Примеры счетчиков..................................................................... 156

Оглавление
4

Однофазные счетчики ............................................................................156
Трехфазные счетчики  .............................................................................158
Многофункциональные счетчики ......................................................160
3.2. Применение счетчиков в АСКУЭ .......................................... 165
АСКУЭ для ЖКХ .....................................................................................165
АСКУЭ в промышленности ..................................................................170
АСКУЭ в энергетике ...............................................................................173
АСКУЭ на транспорте ............................................................................174
Региональные АСКУЭ  ...........................................................................176
Национальные АСКУЭ ..........................................................................179

Заключение .......................................................................... 180

Глоссарий ............................................................................. 181

Список литературы ................................................................ 184

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время на производстве и в быту осуществляется замена традиционных индукционных счетчиков электрической энергии 
(ЭЭ) переменного тока на электронные цифровые (микропроцессорные), которые обеспечивают повышенную точность измерения 
ЭЭ, простоту калибровки, защиту от несанкционированного доступа, многотарифный учет ЭЭ, автоматическое считывание показаний, 
дистанционное управление нагрузкой потребителей, контроль качества ЭЭ и т. п. Микропроцессорные счетчики ЭЭ (МПСЭЭ) функционируют как автономно, так и в составе автоматизированных систем 
контроля и учета ЭЭ (АСКУЭ), являясь их наиболее массовыми элементами. Информация, получаемая в АСКУЭ посредством МПСЭЭ, 
позволяет управлять режимами электропотребления, определять и 
прогнозировать все составляющие баланса ЭЭ: выработку, потребление и потери ЭЭ на шинах при ее передаче, осуществлять финансовые расчеты и т. д. 
Микропроцессорный счетчик ЭЭ представляет собой специализированный промышленный компьютер, непрерывно функционирующий под управлением «жесткой» программы в течение длительного времени (среднее время наработки до отказа должно превышать 
50 000 часов), что предъявляет повышенные требования к надежности МПСЭЭ и их элементов. Базовыми элементами МПСЭЭ являются специализированные измерительные микросхемы, микроконтроллеры, цифровые сигнальные процессоры, интерфейсные микросхемы 
и модемы.
В книге комплексно изложены принципы построения МПСЭЭ, 
включающие их архитектуру и элементную базу, рассмотрены также 
вопросы поверки счетчиков и защиты информации при ее хранении 
и передаче по каналам связи в АСКУЭ; приведены оценки погрешностей счетчиков.
В первой главе приведены классификация, принципы функционирования и структурная организация МПСЭЭ, описаны средства 
их поверки и защиты данных в них; проанализированы погрешности 
счетчиков.
Вторая глава посвящена изложению схемотехнических принципов 
построения базовых элементов МПСЭЭ: измерительных микросхем, 
микроконтроллеров, цифровых сигнальных процессоров, интерфей

Предисловие
6

сных схем, модемов, измерительных трансформаторов тока и напряжения.
В третьей главе даны технические характеристики МПСЭЭ различных производителей и приведены примеры АСКУЭ на их основе.
В книге использованы публикации автора в научных и научно-технических журналах, материалах конференций и отчетах о НИР и 
ОКР, выполненных с участием автора, а также материалы лекций, 
прочитанных им в Институте повышения квалификации и переподготовки руководителей и специалистов «Кадры индустрии» Минпрома РБ и в Белорусском национальном техническом университете.
При написании книги использованы также информационные материалы организаций-разработчиков и предприятий-изготовителей 
МПСЭЭ и их компонентов. Следует отметить, что в этих материалах содержатся неполные данные о технических параметрах изделий. 
Более того, возможны изменения их номенклатуры и параметров за 
время написания книги. Справочные материалы книги не заменяют 
действующих технических условий и не являются юридическим документом для предъявления рекламаций.

СТРАНИЦА
ГЛАВА

АРХИТЕКТУРА 
СЧЕТЧИКОВ 
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
1

2
Элементная база счетчиков 
электроэнергии
53

3
Примеры счетчиков электроэнергии 
и их применение в АСКУЭ
155

Заключение
180

Глоссарий
181

Список литературы
184

Глава1.Архитектурасчетчиковэлектроэнергии
8

1.1. Общие сведения

С точки зрения вычислительной техники МПСЭЭ представляет собой специализированный промышленный компьютер, непрерывно 
функционирующий под управлением «жесткой» программы. Кроме 
измерения ЭЭ, такие приборы обеспечивают контроль ее качества, 
регистрацию аварийных ситуаций и перенапряжений в электрических сетях, а также управление и регулирование электропотребления [1–4]. По сравнению с традиционными индукционными (механическими и электромеханическими) приборами учета ЭЭ, эти 
счетчики обладают рядом преимуществ:
• повышенной точностью измерения ЭЭ;
• широкими возможностями измерений;
• возможностью контроля качества ЭЭ;
• возможностью учета потерь ЭЭ;
• простой калибровкой;
• защитой от несанкционированного доступа;
• автоматическим считыванием показаний;
• безопасностью (защитой информации);
• гибким фактурированием (возможностью многотарифного 
учета, предоплаты ЭЭ и т. п.); 
• возможностью управления нагрузкой потребителей.
Повышенная точность измерения. Как правило, погрешности 
индукционных счетчиков превышают 2%. В то же время погрешности МПСЭЭ достигают 0,2%. За счет более высокой точности они 
позволяют снизить небалансы энергосистем (при работе в составе 
АСКУЭ).
Широкие возможности измерений. Кроме измерения ЭЭ (активной, реактивной и полной), многие МПСЭЭ измеряют мгновенную и максимальную мощность (активную, реактивную и полную), 
фазные напряжения и токи, коэффициенты мощности и искажений 
синусоидальных кривых фазных напряжений и др.
Контроль качества ЭЭ. В ряде счетчиков имеется возможность 
контроля и отслеживания параметров качества ЭЭ (выхода за допустимые пределы сетевого напряжения и частоты, провалов и скачков напряжения, коэффициентов несимметрии напряжения и тока, 
несинусоидальности кривых напряжения и тока и т. п.). 
Учет потерь ЭЭ. Активные и реактивные потери ЭЭ и мощности 
в линиях электропередачи и силовых трансформаторах определяют

1.1.Общиесведения

ся в счетчиках по измеренным ими значениям тока и напряжения и 
заданным константам, учитывающим номинальные значения тока и 
напряжения, температурный коэффициент токоведущих элементов 
и др. 
Простая калибровка. Поскольку индукционный счетчик содержит подвижные элементы, то со временем требуется доводка или 
подгонка этих элементов для полного соответствия техническим 
требованиям. Это предполагает снятие счетчика и передачу его 
на калибровку. Старение элементов МПСЭЭ также требует его 
калибровки. Но использование энергонезависимой памяти в нем 
для хранения калибровочной информации существенно упрощает процесс калибровки. Он сводится к перезаписи калибровочных 
коэффициентов. Возможно также создание самокалибрующихся 
приборов.
Защита от несанкционированного доступа. Одной из главных 
проблем потребления ЭЭ является предотвращение ее хищения. 
Несанкционированное вмешательство в работу приборов учета направлено на уменьшение их показаний. В результате такого вмешательства некоторые механические или электромеханические счетчики работают в режиме вычитания, а не сложения. Другие, более 
старые модели с вращающимися дисками чувствительны к магнитным предметам, замедляющим их вращение, тем самым уменьшая 
показания счетчика ЭЭ. Используются и другие способы уменьшения показаний механических счетчиков. В МПСЭЭ предусмотрены 
специальные средства обнаружения и предотвращения хищений ЭЭ, 
основанные на выявлении «типовых» состояний, характерных для 
хищений ЭЭ [1]:
• асимметричная нагрузка (замыкание петли обратной связи на 
землю с целью блокировки снятия показаний счетчика);
• временное размыкание или шунтирование цепи счетчика;
• применение магнитных предметов для насыщения трансформатора тока или остановки счетчика;
• вандализм. 

При обнаружении преступного вмешательства счетчик может:
• остановить подачу ЭЭ;
• зафиксировать факт вмешательства в специальном журнале 
событий;
• передать сообщение в жилищно-коммунальную службу или в 
«Энергосбыт».

Глава1.Архитектурасчетчиковэлектроэнергии
10

Автоматическое считывание показаний. Одним из важных преимуществ МПСЭЭ перед механическими является автоматическое 
считывание показаний. Это исключает человеческий фактор, которому свойственны ошибки или даже злоупотребления, а также 
неудобства как для потребителя, так и для коммунальных служб, 
особенно при удаленном расположении приборов учета. 
Для автоматического считывания показаний счетчиков используют:
• специально создаваемые проводные линии (витые пары), считывание данных учета по которым обычно осуществляется по 
интерфейсу RS-485;
• существующие телефонные линии;
• существующие распределительные электрические сети;
• существующие сети сотовой связи типа GSM;
• существующие сети спутниковой связи;
• существующие волоконно-оптические линии связи. 
Электронные счетчики ЭЭ снабжают также оптическим портом 
(оптопортом) для считывания данных человеком-оператором по инфракрасному каналу, используемому в случае нарушения со счетчиком автоматической связи. 
Защита информации. По мере расширения области применении 
счетчиков ЭЭ растет также необходимость в безопасности хранения 
данных и технологий их передачи. Для коммунальных служб является 
весьма важным обеспечение целостности, доступности и конфиденциальности данных, собранных со счетчиков ЭЭ. Это достигается хранением данных в энергонезависимой памяти счетчиков и применением 
алгоритмов шифрования при их внешнем хранении. При передаче данных учета по каналам связи также применяют их шифрование. 
Гибкое фактурирование. Возможность многотарифного учета ЭЭ 
посредством МПСЭЭ дает ряд преимуществ, в частности потребителям предлагают более низкие тарифы, когда потребление идет в 
периоды минимальной нагрузки. Кроме того, значительный процент 
используемости энергоресурсов смещается за пределы периодов 
максимальной нагрузки из-за высоких тарифов, установленных в 
эти периоды времени. Это способствует выравниванию графиков 
потребления ЭЭ. 
Для реализации многотарифного учета МПСЭЭ содержат часы 
реального времени и календарь для ежедневного отслеживания потребления ЭЭ.

1.1.Общиесведения

Ряд модификаций счетчиков дает возможность внесения предоплаты за потребление ЭЭ. Для этого потребитель заранее покупает 
магнитную карточку с фиксированным количеством единиц ЭЭ. Эта 
карточка вставляется в счетчик, что обеспечивает возможность снабжения ЭЭ в течение заданного периода времени. Такая предоплата 
снижает затраты на выставление счетов для коммунальных служб 
и дает возможность потребителям планировать свои ежемесячные 
расходы. 
Управление нагрузкой потребителей. В МПСЭЭ имеется возможность снижения электропотребления вплоть до отключения 
потребителя в случае задолженности по уплате за ЭЭ. В системах 
регулирования энергопотребления МПСЭЭ выполняют функции 
датчиков сигналов, используемых для выработки управляющих воздействий на средства подачи ЭЭ.
Счетчики программируют на предприятии-изготовителе. Их 
программное обеспечение (ПО) обеспечивает конфигурирование 
счетчиков и считывание с них данных, определение уровня доступа 
пользователей к их функциям, удаленный доступ по каналам связи, 
внесение изменений в их ПО, создание отчетов и файлов баз данных в компьютере, определение конфигурации системы, поддержку 
связи по цифровым интерфейсам и модемам. 
Счетчики функционируют как автономно, так и в составе автоматизированных систем контроля и учета ЭЭ (АСКУЭ), представляющих собой распределенные информационно-измерительные 
системы, предназначенные для измерения ЭЭ и дистанционного 
сбора, накопления, обработки и индикации показаний счетчиков 
ЭЭ. В англоязычной литературе их называют автоматизированными 
системами для считывания показаний счетчиков (Automated Meter 
Reading, AMR). АСКУЭ является многоуровневой иерархической 
системой, на нижнем уровне которой располагаются счетчики ЭЭ, 
на промежуточных – концентраторы – устройства сбора и передачи данных (УСПД), а на верхнем – координатор – центр сбора и 
обработки данных. УСПД представляет собой многофункциональное устройство, работающее в автоматическом режиме в составе 
АСКУЭ и выполняющее прием, хранение, обработку и отображение 
данных, поступающих к нему либо от счетчиков ЭЭ, либо от УСПД 
нижестоящих уровней, а также передачу данных на вышестоящие 
уровни АСКУЭ. Координатор осуществляет сбор данных либо непосредственно со счетчиков ЭЭ, либо с УСПД, а также управление и 
(или) регулирование электропотребления, синхронизацию текущего 

Глава1.Архитектурасчетчиковэлектроэнергии
12

времени счетчиков, конфигурирование и диагностику оборудования 
системы, защиту информации в ней и т. п.
При функционировании в составе АСКУЭ микропроцессорные счетчики ЭЭ должны удовлетворять ряду специфических 
требований. Так, согласно российскому нормативному документу 
«Требования к проектированию и объему оснащения энергетических объектов системами АСКУЭ на оптовом рынке электроэнергии 
и мощности», они следующие [5]. 
В качестве приборов коммерческого учета должны применяться 
счетчики с цифровыми и (или) импульсными выходами. Класс точности счетчиков у субъектов рынка выбирается, исходя из следующих условий:
• на присоединениях 220–1150 кВ должны устанавливаться 
счетчики класса 0,2;
• на присоединениях 35–110 кВ и присоединениях потребителей с присоединенной мощностью более 5 МВА должны устанавливаться счетчики класса 0,5;
• на присоединениях остальных уровней напряжения должны 
устанавливаться счетчики класса 1,0;
• на генераторах электростанций мощностью 100 МВт и выше 
должны устанавливаться счетчики класса 0,2, а на генераторах 
меньшей мощности – класса 0,5.
Счетчики вновь проектируемых и реконструируемых объектов 
должны подключаться к измерительным трансформаторам тока 
(ТТ) и напряжения (ТН), класс точности которых должен соответствовать классу точности счетчиков. Счетчики должны иметь возможность подключения к дополнительному (не по измерительным 
цепям) источнику питания.
Счетчики должны обеспечивать выполнение следующих функций:
• вычислять и запоминать график усредненной мощности одновременно по всем каналам измерения счетчика с глубиной 
хранения при 30-минутном интервале усреднения мощности 
не менее 30 суток для каждого канала. При этом интервал 
усреднения графика мощности должен задаваться при программировании счетчика с возможностью его выбора из ряда 
1, 3, 5, 10, 15, 30, 60 минут;
• проводить самодиагностику в штатном режиме работы;
• вести журнал статуса и событий;