【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 準確度（級別） ～ ～ 頻率范圍（ Hz） 45～ 55 40～ 20xx 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 ， 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。隨著電費制度的發(fā)展 ， 提出分時計量、需量計量預(yù)付費等要求 ， 特別是 19 世紀 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、負荷曲線計量、雙工通訊、遠方采集數(shù)據(jù)、記錄負荷曲線和電能質(zhì)量、控制負荷以及費率編程等要求 ， 原來的感應(yīng)式電能表雖經(jīng)多方面改進擴充 ， 已很難滿足電力市場日益發(fā)展的功能和要求。 20 世紀中葉 ， 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準電能表的出現(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%。 世紀之交 ， 電力市場改革浪潮遍及全球 ， 各國電力公司都認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 ，因而提出了標準化和兼容性問題。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)約標準的基礎(chǔ)。北美也以 ANSI 為基礎(chǔ)實施標準化。因為現(xiàn)有系統(tǒng)中已運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。到目前標準電子式電能表和安裝式計費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 ， 計算機處理方法 ， 這樣也更有利于實施負荷控制、記錄電能質(zhì)量、負荷曲線、發(fā)展表計的通信功能和確保高準確度。 國 內(nèi)電子式電能表的發(fā)展概況 我國 20 世紀 70 年代開始用電子式標準電能表 ， 先是進口后來到 80~90年代國內(nèi)已能商業(yè)化生產(chǎn) %級電子式標準電能表 ， 也已研制出更高準確度等級的標準電能表。 計費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 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。且均為進口表計 ，總數(shù)近萬只 ， 運行情況較好。 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 更新機械電子式電能表 ， 也有不少省局直接采用進口的 級電子式電能表 ，總計已達數(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 20xx 只 ， 第一年故障率小于 1%。這批表至今已連續(xù)運行 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 20xx 年新一代芯片 ADE7755 在中國銷量超過1000 萬片。由此可以推論 1998~20xx 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，具有通訊接口 實現(xiàn)遠程抄表等功能，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)字化的被測對象進行各種判斷、處理和運算，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 o sT 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、 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 進行采樣的數(shù)字乘法器和用 Δ Σ原理進行 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，在原理上可達到很高的測量準確度，且它在一定周期內(nèi)對電壓、電流信號進行采樣處理的方法，可保證了測量準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 時刻負載兩端的交流電壓和流過負載的交流電流的表達式為： ( ) 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( ) ( ) s in s in ( )TTt m m tp u t i t d U w tI w t dTT ?? ? ? ? ? 01 [ c o s c o s ( 2 ) ] c o sT tU I w t d U IT ? ? ?? ? ? ? ? (2－ 9) 一個周期內(nèi)的電能 W 為 0 ( ) ( ) c o sT 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 確。