【文章內(nèi)容簡介】 管理功能的核心，可以實現(xiàn)大量的事件記錄、監(jiān)控功能，如：失壓、失流、過壓、過流、編程、開蓋、電壓合格率等；這些是感應(yīng)式電能表所缺少的。 便于安裝使用 感應(yīng) 式電能表的安裝有嚴(yán)格的要求；而電子式電能表采用靜止式的計量方式，因此不存在上述問題，加上體積小、重量輕，便于使用。 表 11 列出了兩種電能表的性能比較。 表 11 感應(yīng)式電能表與電子式電能表的性能比較 類別 感應(yīng)式電能表 電子式電能表 準(zhǔn)確度（級別） ～ ～ 頻率范圍（ Hz） 45～ 55 40～ 2020 啟動電流 bI bI 外磁場影 響 大 小 國 內(nèi) 外 電子式電能表的發(fā)展概 況 國外 電子式電能表的發(fā)展概況 電力工業(yè)發(fā)展初期曾用電解化學(xué)原理電能表計量收費(fèi) ， 1890 年 ， 發(fā)明了感應(yīng)式電磁原理電能表沿用至今已有 100 多年。隨著電費(fèi)制度的發(fā)展 ， 提出分時計量、需量計量預(yù)付費(fèi)等要求 ， 特別是 19 世紀(jì) 70 年代以來各國醞釀發(fā)展 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 電力市場又提出實時電價、負(fù)荷曲線計量、雙工通訊、遠(yuǎn)方采集數(shù)據(jù)、記錄負(fù)荷曲線和電能質(zhì)量、控制負(fù)荷以及費(fèi)率編程等要求 ， 原來的感應(yīng)式電能表雖經(jīng)多方面改進(jìn)擴(kuò)充 ， 已很難滿足電力市場日益發(fā)展的功能和要求。 20 世紀(jì)中葉 ， 開始隨著微電 子和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 ， 新技術(shù)有力的支持電能表的革新 ， 先是有高精度電子式標(biāo)準(zhǔn)電能表的出現(xiàn)滿足了校驗技術(shù)要求 ，繼而 70 年代已開始商業(yè)化應(yīng)用電子式電能表于大工業(yè)用戶電能計量。 國外家用計費(fèi)用電子式電能表出現(xiàn)于 1983 年 ， 到 1988 年已實用化。如英國在 Felixstowe 的一個電能表廠 1985~1988 年間已累計生產(chǎn)單相電子式電能表 183 萬只 ， 供英國的 15 個配電公司 ， 占有市場份額 40%， 且年返修率僅%。 世紀(jì)之交 ， 電力市場改革浪潮遍及全球 ， 各國電力公司都認(rèn)識到市場競爭的核心是表計。特別是用戶選擇供應(yīng)商 和實時電價 ， 要求表計有靈活、可靠的雙向通訊功能和不同制造商生產(chǎn)表計在電力市場技術(shù)支持系統(tǒng)中的兼容性 ，因而提出了標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性問題。在歐洲著名表廠創(chuàng)導(dǎo)下成立了 DLMS(計量部件描述語言消息規(guī)范 )用戶協(xié)會 ， DLMS 已構(gòu)成 IEC 有關(guān)表計規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。北美也以 ANSI 為基礎(chǔ)實施標(biāo)準(zhǔn)化。因為現(xiàn)有系統(tǒng)中已運(yùn)行著眾多制造廠不同年代制造的表計 ， 故美國 Itron 公司于 1986 年推出能兼容 100 多制造廠表計規(guī)約的 MV90 表計數(shù)據(jù)采集編譯系統(tǒng) ， 廣泛應(yīng)用于北美和世界各地電力市場 ， 起了較大作用。 國際上電子式電能表經(jīng)過 50 多 年發(fā)展 ， 開始都是基于模擬量乘法器原理的 ， 在歷史上曾有過多種原理線路 ， 后來演變?yōu)闀r分割 (Time division)和霍爾效應(yīng) (Hall effect)兩種乘法器。美國 Govzelnik 對這兩種乘法器的特點曾作比較。到目前標(biāo)準(zhǔn)電子式電能表和安裝式計費(fèi)電子式電能表中較多用時分割乘法器于 級表計 ， 而霍爾乘法器只用于 級及以下安裝式計費(fèi)電能表。由于數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展 ， 目前已有趨勢全部更新為 A/D 轉(zhuǎn)換 ， 計算機(jī)處理方法 ， 這樣也更有利于實施負(fù)荷控制、記錄電能質(zhì)量、負(fù)荷曲線、發(fā)展表計的通信功能和確保高準(zhǔn)確度。 國 內(nèi)電子式電能表的發(fā)展概況 我國 20 世紀(jì) 70 年代開始用電子式標(biāo)準(zhǔn)電能表 ， 先是進(jìn)口后來到 80~90年代國內(nèi)已能商業(yè)化生產(chǎn) %級電子式標(biāo)準(zhǔn)電能表 ， 也已研制出更高準(zhǔn)確度等級的標(biāo)準(zhǔn)電能表。 計費(fèi)用電子式電能表在我國應(yīng)用和制造發(fā)展都很快 ， 從 20 世紀(jì) 90 年代開始到現(xiàn)在已大量使用只花了十多年就為廣大電力公用企業(yè)接受。 隨著電力市場化改革的不斷深入 ， 我國網(wǎng)、省電網(wǎng)各級關(guān)口表在各級電能計量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建設(shè) ， 大部分已更新為電子式電能表。且均為進(jìn)口表計 ，總數(shù)近萬只 ， 運(yùn)行情況較好。 MV90 多開發(fā)商表計數(shù)據(jù)采集、編 譯系統(tǒng)也已在運(yùn)行中表現(xiàn)其良好兼容性。 各地在普及實施分時電價的過程中 ， 大用戶 (大于 100kW)電能表大部分 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 更新機(jī)械電子式電能表 ， 也有不少省局直接采用進(jìn)口的 級電子式電能表 ，總計已達(dá)數(shù)萬只。國產(chǎn) 級電子式電能表也開始在部分地區(qū)實用。 1993 年由國內(nèi)廠商試制成功單相電子式電能表后 ， 1994 年起在華東試用 2020 只 ， 第一年故障率小于 1%。這批表至今已連續(xù)運(yùn)行 6 年 以上 ， 基層用電管理部門歡迎 ， 因而裝用量增長很快。單相電子式電能表的專用芯片據(jù)報道1998 年全國產(chǎn)量 500 萬片 ， 而 2020 年新一代芯片 ADE7755 在中國銷量超過1000 萬片。由此可以推論 1998~2020 年每年單相電子表產(chǎn)量均有數(shù)百萬臺。僅江蘇、浙江兩省不完全統(tǒng)計 ， 單相電子式電能表裝用量均大于 100 萬臺。以此可以推論全國裝用量應(yīng)不少于數(shù)百萬臺。單相電子式預(yù)付費(fèi)用卡電能表也有相當(dāng)大裝用量。 論文研究內(nèi)容 本課題主要完成三 個方面的內(nèi)容 ： 設(shè)計一種全數(shù)字低功耗多功能復(fù)費(fèi)率的電度表，計量和控制精度高，功耗低，穩(wěn)定性好，工作可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)電量分時計量計費(fèi)，具有通訊接口 實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表等功能，當(dāng)?shù)綦姇r能夠?qū)⒅匾畔⒈４嫫饋怼? 通過硬件的設(shè)計使電能表完成比較準(zhǔn)確的電能計量，使電表在環(huán)境惡劣的情況下具有一定抗干擾能力。 通過軟件設(shè)計能夠使電能表運(yùn)行穩(wěn)定，可靠，同時具有一定的智能糾錯功能。 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 第 2章 電子式電能表電能計量基礎(chǔ) 電能的測量方式有電解式、感應(yīng)式、電子式，目前在實際應(yīng)用中最常用的為感應(yīng)式和電子式兩種。以下對電子式電能表工作原理進(jìn)行介紹，并介紹基于Δ ∑ A /D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字乘法器的工作原理以及基本電能量的計量原理和電能參數(shù)的計算方法。 電子式電能表的電能計量原理與方法 電子式電能表中起主要作用的是電能測量單元，其作 用是將輸入電壓與電流變換成與功率成一定比例關(guān)系的脈沖信號，送至分頻和計數(shù) 8。它是電子式電能表的關(guān)鍵，其測量精度直接決定電能表的精度和準(zhǔn)確度。電子式電能表的電能測量單元種類繁多，其中乘法器是該單元的核心組成部分。乘法器的類型決定了電子式電能表電能測量單元的結(jié)構(gòu)。由此大體可分為以模擬乘法器為核心和以數(shù)字乘法器為核心兩類。模擬乘法器的又分為熱電轉(zhuǎn)換型、霍爾效應(yīng)型、時分割型等；數(shù)字乘法器則以微處理器為核心的高精度 A/D 型為代表。初期的電子式電能表以時分割型為主的較多，目前的電子式電能表則以數(shù)字乘法器為主。本文主要介 紹數(shù)字乘法器原理，在此基礎(chǔ)上本節(jié)還將對基本電能量的計量原理進(jìn)行闡述。 數(shù)字乘法器 數(shù)字乘法器型電子式電能表是以微處理器為核心，將經(jīng)過采樣網(wǎng)絡(luò)變換的被測電壓和電流信號由 A/D 轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字化處理，然后微處理器對數(shù)字化的被測對象進(jìn)行各種判斷、處理和運(yùn)算，從而可實現(xiàn)多種功能 。 利用作圖法可求得一個周期內(nèi)各采樣點的功率，圖 21 為分時采樣與采樣點功率。從圖 21 可以看到各采樣點功率 ()kpt 為 ( ) ( ) ( )k A k A kp t u t i t? (2－ 1) 一個周期 T 內(nèi)平均功率 p 為 p = 11 1[ ( ) ( ) .. . ( ) ( ) .. . ( ) ( ) ]A A A k A k A n A nu t i t u t i t u t i t n?? = 11 ( ) ( )n A k A kk u t i tn?? (2－ 2) 即各采樣點功率 ()kpt 為 ( ) ( ) ( )k A k A kp t u t i t? (2－ 3) 則一周期內(nèi)平均功率 p 為 p = 11 ( ) ( )n A k A kk u t i tn?? (2－ 4) 令 1kkt t T?? ? ? ，則一個周期內(nèi)的電能 W 為 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 11[ ( ) ( )]n kkkW u t i t tn???? (2－ 5) 若 0t?? ，則有 0 ( ) ( ) c osT tW u t i t d T U I?? ? ? (2－ 6) 式 (2－ 5)說明將各采樣點的電流、電壓相乘積的累加和再乘以采樣周期就是平均電能。式 (2－ 2)是一個數(shù)值計算公式，由微處理器可以輕松完成。這種方法通過模數(shù)轉(zhuǎn)換 器 (也稱 A/D 轉(zhuǎn)換器 )把交流電壓、電流模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。如果 100us采樣一次，而工頻 50Hz 的交流電壓、電流的周期就是 20ms，則一個周期內(nèi)可采樣 200 次。研究指出，利用高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器，增加采樣次數(shù)就可以將電能計算得很準(zhǔn)確。這種測量方法的誤差來源主要有采樣頻率、 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，取樣電路及其后的放大線路元器件的分散性造成的幅值和相位誤差。誤差補(bǔ)償可通過硬件電路和軟件程序來實現(xiàn)。 圖 21 分時采樣與采樣點功率 數(shù)字型乘法器的實現(xiàn)電路可由單 片機(jī)、 A/D 轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、多路模擬開關(guān)和顯示器等部分組成。這種電路的硬件部分元件多、體積較大；而其軟件也較復(fù)雜，因為數(shù)據(jù)采集、計算、積分等都是通過數(shù)字電路來實現(xiàn)的。由這樣方法設(shè)計的電能表的可靠性較差，特別對于大批量生產(chǎn)工藝來說更不合適。 由于計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和 ASIC 技術(shù)的應(yīng)用，使開放專用芯片的工作相對容易。這種專用電能計量模塊不僅集成了乘法器、 P/F 變換電路，而且還包含有其他電路，如相位調(diào)整電路、電源檢測電路、接口電路等，采用這些模塊只需配以少量的外圍電路就能實現(xiàn)滿足不同需要的電子式電能表。數(shù)字型乘 法器以 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 A/D 變換原理也分為兩類；用逐次比較型 A/D 進(jìn)行采樣的數(shù)字乘法器和用 Δ Σ原理進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)字乘法器。 因為數(shù)字乘法器型的電能測量專用電路利用位數(shù)較多的 A/D 轉(zhuǎn)換電路或自動量程轉(zhuǎn)換電路，在原理上可達(dá)到很高的測量準(zhǔn)確度，且它在一定周期內(nèi)對電壓、電流信號進(jìn)行采樣處理的方法，可保證了測量準(zhǔn)確度可不受高次諧波的影響；并且其精度、線性度、穩(wěn)定性和抗干擾能力等方面都優(yōu)于模擬乘法器電路，具有更好的發(fā)展前景。 有功電能的計量 作為電能表，最重要的功能就是電能計量。電能計量包括有功電能和無功電能的計量，其中有功電能計量可簡單地描述如下： 設(shè)在 t 時刻負(fù)載兩端的交流電壓和流過負(fù)載的交流電流的表達(dá)式為： ( ) s i n 2 s i nmu t u w t U w t?? (2－ 7) ( ) s i n ( ) 2 s i n ( )mi t i w t I w t??? ? ? ? (2－ 8) 其中 ()ut t? 時刻電壓瞬時值； ()it t? 時刻電流瞬時值； ()um? 電壓峰值；()Im? 電流峰值； U? 電壓有效值； I? 電流有效值； ?? 電壓與電流相位差；w? 角頻率。 則在一個周期內(nèi)平均有功功率 p 為 0011( ) ( ) sin sin ( )TTt m m tp u t i t d U wtI wt dTT ?? ? ? ? ? 01 [ c os c os( 2 ) ] c osT tU I wt d U IT ? ? ?? ? ? ? ? (2－ 9) 一個周期內(nèi)的電能 W 為 0 ( ) ( ) c osT tW u t i t d T U I?? ? ? (2－ 10) 各種乘法結(jié)構(gòu)的電能計量單元都是以式 (2－ 10)為理論基礎(chǔ)形成的。 當(dāng)用計算機(jī)處理時，需要將連續(xù)量離散化，用和式代替積分。若以△ t 的時間間隔對電壓和電流進(jìn)行采樣，用 N 表示每周期采樣的次數(shù) (即 T=N*△ t)，則有功電量公式可以表示為： 1 ( ) ( )TkW u k i k???? (2－ 11) 式中 ()uk 、 ()ik 分別代表電壓、電流的第 k 次采樣值， N 為采樣總點數(shù)，計算機(jī)軟件就可按公式 2－ 11 計算出被測的有功能量。 △ t 取得越小，則計算結(jié)果越準(zhǔn) 確。 無功電能的計量