Электроэнергетика является базовой отраслью экономики, однако существующие системы учета, основанные на индукционных счетчиках и ручном снятии показаний, не позволяют получать данные в реальном времени, эффективно бороться с потерями и внедрять многотарифные режимы [1, с. 15]. Федеральный закон № 522‑ФЗ законодательно закрепил переход к интеллектуальному учету, что создает высокий спрос на современные системы автоматизированного контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ) [2].

В то же время внедрение промышленных АСКУЭ сопряжено со значительными экономическими затратами [3, с. 167]. В связи с этим актуальной является разработка бюджетных лабораторных макетов, позволяющих изучать принципы интеллектуального учета, отрабатывать алгоритмы обработки сигналов и подготавливать специалистов для цифровой энергетики. Цель данной работы — создание и исследование лабораторного макета счетчика электроэнергии, обеспечивающего измерение действующих значений напряжения, тока, активной мощности и накопление энергии с погрешностью не более 5 %.

На основании анализа существующих методов измерения электрических величин были определены требования к макету: измеряемое напряжение — 0…250 В переменного тока, ток — 0…30 А, погрешность — не более ±5 %, наличие интерфейса для передачи данных (UART) и жидкокристаллического дисплея.

Для измерения тока рассмотрены несколько вариантов в таблице 1. Наиболее подходящим оказался датчик ACS712‑30A на эффекте Холла благодаря гальванической развязке, широкому диапазону частот (DC…80 кГц) и простоте включения [4]. Датчик имеет чувствительность 66 мВ/А и выходное напряжение 2,5 В при нулевом токе.

Таблица 1

Сравнительный анализ датчиков тока

Для обработки сигналов выбран микроконтроллер STM32F103C8T6 (ядро ARM Cortex‑M3, 72 МГц, 64 кБ Flash, 20 кБ RAM, два 12‑битных АЦП) [5]. Наличие двух независимых АЦП позволяет одновременно оцифровывать напряжение и ток, что критически важно для точного вычисления активной мощности.

Структурная схема макета включает делитель напряжения (R1=200 кОм, R2=2,2 кОм), повторитель на операционном усилителе LM358, датчик тока ACS712, фильтры нижних частот (частота среза ≈16 кГц), схему защиты входов АЦП и микроконтроллер с дисплеем.

Для измерения действующих значений напряжения и тока используется метод True RMS (истинное среднеквадратическое значение). Он основан на дискретизации сигнала с частотой 10 кГц и вычислении по формулам (1) и (2):

где un, in — мгновенные значения напряжения и тока, полученные с АЦП в момент времени n; N — количество отсчетов за период (в данном случае 2000 отсчетов, что соответствует 0,2 секунды при частоте дискретизации 10 кГц).

Активная мощность вычисляется как среднее за период от произведения мгновенных значений напряжения и тока по формуле 2:

Данный метод не требует определения фазового сдвига и корректно работает при любой форме сигнала (синусоидальной, искажённой, импульсной).

Энергия накапливается интегрированием мощности по времени по формуле 3:

где P — активная мощность, вычисленная для каждого интервала; Δ t =0,2 с — интервал между расчётами.

Программная реализация выполнена на языке C в среде Keil μVision. Обработчик прерывания АЦП накапливает суммы квадратов и произведения; после набора 2000 отсчетов вычисляются RMS, мощность и обновляется энергия.

Имитационное моделирование проводилось в среде Proteus 8 Professional. Были исследованы три типа нагрузки: активная (резистор), индуктивная (cos φ = 0,7) и несинусоидальная (однополупериодный выпрямитель с емкостным фильтром). Эталонные значения получали с помощью виртуального ваттметра Proteus. В таблице 2 приведены результаты для активной нагрузки.

Таблица 2

Результаты измерений при активной нагрузке (U = 220 В, f = 50 Гц)

Для индуктивной нагрузки (R=220 Ом, L=1,12 Гн, cos φ ≈ 0,7) погрешность измерения активной мощности составила –0,78 %. При несинусоидальной нагрузке, имитирующей импульсный блок питания, погрешность мощности не превысила –1,55 %.

Максимальная погрешность по всем испытаниям: напряжение — ±0,55 %, ток — ±0,80 %, активная мощность — ±1,55 %. Это значительно лучше требования технического задания (±5 %) и подтверждает корректность выбранных решений.

Себестоимость лабораторного макета (материальные затраты) составляет около 1800–2000 руб., а с учетом разработки — 3600–4100 руб. Для сравнения, промышленный многофункциональный счетчик «Меркурий‑230» стоит от 6500 руб. [6]. Таким образом, использование разработанного макета в учебном процессе позволяет снизить затраты на оснащение лаборатории в 1,5–2 раза. При внедрении 10 макетов экономия бюджета за 5 лет превышает 80 000 руб. по сравнению с закупкой коммерческих аналогов.

В ходе работы разработан и исследован лабораторный макет интеллектуального счетчика электроэнергии. Обоснован выбор датчика тока ACS712 и микроконтроллера STM32F103C8T6. Реализованы алгоритмы True RMS, измерения активной мощности и накопления энергии. В среде Proteus 8 Professional проведены имитационные испытания, подтвердившие погрешность измерения активной мощности не более 1,6 %. Показана экономическая целесообразность использования макета в учебном процессе. Дальнейшие направления совершенствования включают переход на 16‑битный АЦП, добавление многотарифного учета и интеграцию с беспроводными интерфейсами (LoRa, NB‑IoT).

Литература:

1. Осика, Л. К. Расчетные методы интеллектуальных измерений (Smart Metering) в задачах учета и сбережения электроэнергии: практическое пособие / Л. К. Осика. — Москва: МЭИ, 2017. — 368 с. — ISBN 978–5–383–01214–7.
2. Российская Федерация. Законы. Федеральный закон от 27.12.2018 № 522‑ФЗ «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации в связи с развитием систем учета электрической энергии (мощности) в Российской Федерации» // КонсультантПлюс: справочно-правовая система.
3. Жмудь, В. А. Измерение переменного напряжения и тока с помощью ADE7758 и STM32F103 / В. А. Жмудь, А. И. Незванов, В. Г. Трубин // Автоматика и программная инженерия. — 2019. — № 2 (28). — С. 166–173.
4. ACS712: Fully Integrated, Hall‑Effect‑Based Linear Current Sensor IC [Электронный ресурс] / Allegro MicroSystems. — Режим доступа: https://www.allegromicro.com/~/media/Files/Datasheets/ACS712-Datasheet.ashx (дата обращения: 15.05.2026).
5. STM32F103C8T6 Datasheet [Электронный ресурс] / STMicroelectronics. — Режим доступа: https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32f103c8.pdf (дата обращения: 15.05.2026).
6. Счетчик электроэнергии Меркурий 230 АRТ-02 CLN [Электронный ресурс] / Инкотекс. — Режим доступа: https://www.incotex.ru/products/mercury230/ (дата обращения: 15.05.2026).