电子式电能表的结构和原理

第三章电子式电能表及特种电能表概述：电子式电能表开始出现于20世纪60代，由于受到当时技术水平的限制，电子式电能表的价格很高，仅供标准表用。随着微电子技术和计算机技术的发展，80年代出现了应用微处理机的电能表，不仅用于标准表，且广泛应用于安装式电能表。电子电能表因准确度高、体积小、重量轻、功能多，且性价比高，前景十分广阔。主要内容第一节电子式电能表的结构和原理第二节脉冲电能表和最大需量电能表第三节预付费电能表和分时计量电能表第四节多功能电子式电能表第五节电子式电能表的误差特性及调整第一节电子式电能表的结构和原理一、电子式电能表的工作原理电能的基本表达式电子式电能表中实现积分的方法是将功率转换为脉冲频率输出，该脉冲称为电能计量标准脉冲fH(或fL),其频率正比于负荷功率第一节电子式电能表的结构和原理二、电子式电能表的组成图3-1电子式电能表的基本组成输入级直流电源P/f变换器计数显示控制电路乘法器二、电子式电能表的组成1.输入级输入级的作用是将被测的高电压和大电流转换成电子电路能处理的低电压和小电流输入到乘法器中，并使乘法器和电网隔离，减小干扰。（1）精密电阻输入变换电路（2）电压互感器、电流互感器输入电路第一节电子式电能表的结构和原理二、电子式电能表的组成2.乘法器乘法器是实现被测电压、电流相乘，输出为功率的器件，它是电能表的关键电路。第一节电子式电能表的结构和原理乘法器模拟乘法器数字乘法器时分割乘法器霍尔乘法器硬件乘法器（由移位寄存器和加法器组成）软件乘法器（利用乘法指令实现）二、电子式电能表的组成第一节电子式电能表的结构和原理2.乘法器（1）模拟乘法器1）时分割乘法器负载在一个周期内消耗的电能近似等于m个电压、电流相乘再求和。m取值越大，上述近似计算产生的误差越小。由此，时分割乘法器的基本思想有两个，即分割和相乘。工作原理时分割乘法器电流型：被测电压、电流以及功率都以电流形式表示电压型：由于尖峰电压干扰，现在基本不用二、电子式电能表的组成第一节电子式电能表的结构和原理2.乘法器（1）模拟乘法器1）时分割乘法器（a）原理电路（b）电路工作波形输入电流Iu为反映被测电压U的电流信号，C1为积分电容，S为施密特电路，它有两个转换电平UH和UL，I0为正、负恒流源，开关SA受施密特输出电压控制。时分割乘法器原理先进，制造技术比较成熟，线性度较好，准确度最高可做到0.01级二、电子式电能表的组成第一节电子式电能表的结构和原理2.乘法器（1）霍尔乘法器由被测电压u产生磁场，被测电流i通过霍尔元件，则霍尔电动势就能反映被测电压、电流的相乘积。霍尔乘法器是一个四象限乘法器，其相乘精度甚佳，可达0.3%左右。工作频率在10kHz以内。优点：频率响应宽，准确度能长期保证；抗干扰能力强；可以不需要电流互感器，不存在互感器引入的误差。缺点：工艺复杂，准确度也不容易达到很高。图3-3霍尔效应示意图KH为霍尔元件的灵敏度UH为霍尔电动势UH=KHIB二、电子式电能表的组成第一节电子式电能表的结构和原理2.乘法器（2）数字乘法器数字乘法器是将数字量相乘，首先将被测电压、电流的模拟量变为数字量，然后相乘。图3-4数字乘法器采用硬件乘法电路：由移位寄存器、加法器和时序控制电路组成运算速度高，但需提供硬件电路采用软件乘法器：利用计算机的乘法指令实现数字量相乘，这实际是利用一系列的累加和移位完成运算的。运算速度较慢，但可节约硬件3.P/f变换器P/f变换器是把乘法器输出的代表有功功率的信号变为标准脉冲，并且用脉冲频率的高低来代表功率大小的电路。它和计数器一起实现电能测量中的积分运算。第一节电子式电能表的结构和原理二、电子式电能表的组成二、电子式电能表的组成4.计数、显示、控制电路计数器对P/f变换器的输出脉冲计数，累计电能，从而完成积分运算；显示器显示电能表所测量的电能，有字轮计度器、液晶显示器和发光二极管显示器几种类型；控制电路用于实现电子式电能表的各种功能。第一节电子式电能表的结构和原理二、电子式电能表的组成5.直流电源作用：为各部分电子电路的工作提供合适的直流电压。结构：由降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路等几部分组成。第一节电子式电能表的结构和原理三、电能计量模块专用电能计量模块不仅集成了乘法器、P/f变换电路，还包含相位调整电路、电源监测电路、接口电路等其它电路。采用这些模块只需配以少量的外围电路就能制造出满足各种需要的电子式电能表。第一节电子式电能表的结构和原理三、电能计量模块电子式电能表的核心计量芯片按工作原理可分为：数字式计量芯片。采用DSP技术、以数字乘法器为核心。它运用高准确度的、快速A/D转换器,可编程增益控制等最新技术。模拟计量芯片。以模拟乘法器为核心。这两种芯片的基本工作原理有根本的不同：数字式芯片在计量准确度、线性度、稳定性、抗干扰、温度漂移和时间漂移等方面远远优于模拟式芯片。第一节电子式电能表的结构和原理第二节脉冲电能表和最大需量电能表一、脉冲电能表脉冲电能表是一种将电能参数转换为脉冲输出的表计。将感应式电能表转盘的转数转换为脉冲送至电子电路进行处理，构成机电一体式预付费电能表、多功能电能表等表计。图3-5脉冲电能表组框图一、脉冲电能表感应式测量机构的主要功能是将电能量转变为转盘的转数。光电转换器的功能是将正比于电能的转盘转数转换为电脉冲，此脉冲数也正比于被测电能。光电转换器是机电脉冲式电子电能表的关键部分分频器和计数器的主要功能是将经光电转换器转换成的脉冲信号进行分频、计数、从而得到所用电能量。第二节脉冲电能表和最大需量电能表光电转换器（又称光电头）由发光器件和光敏器件组成。发光器件采用发光二极管光敏器件采用光敏三极管第二节脉冲电能表和最大需量电能表一、脉冲电能表图3-6光电头安装结构图（a）穿透式光电头（b）反射式光电头二、最大需量电能表1.最大需量的概念。在一定结算期内（如一个月），所有用户需量中的最大值，即为该用户的当月最大需量，可用MD表示。每次抄表后，最大需量应复位（清零）。第二节脉冲电能表和最大需量电能表2.计量最大需量的意义大工业用户申请接电时，必须申报其变压器装机容量及最大需量，供电部门根据容量或最大需量设计、敷设新线路及配置供电设备。国家对大工业用户实行“两部制电价”。两部制电价包括：电度电价。按用户用电度数（kWh）计算的电价；基本电价。按用户最大需量或变压器容量（kVA）计算的电价。第二节脉冲电能表和最大需量电能表二、最大需量电能表若申请需量大，实际负荷小若申请需量小，实际负荷大供电容量占空，投资浪费设备线路过负荷，影响供电质量，甚至使设备损坏3.最大需量测量方法区间式：每隔15min依次测量平均功率，然后对每个平均值进行比较取得最大值。滑差式：每隔1min计算一次15min的平均功率。第二节脉冲电能表和最大需量电能表二、最大需量电能表图3-8最大需量的测量方法（a）区间式求MD（b）滑差式求MD4、感应式最大需量表最大需量指示器利用时间机构，在一定的时间间隔内使指示器通过齿轮与电能表转轴螺杆相连接，从而记录了此间隔内平均功率。第二节脉冲电能表和最大需量电能表二、最大需量电能表图3-9需量表推动指示针运行曲线5、多功能电能表测量最大需量第二节脉冲电能表和最大需量电能表二、最大需量电能表计算1~15min的平均功率P1,并保存到最大需量的单元PM计算2~16min的平均功率P2P2(PM)？P2取代PM中的值PM中始终保持15min平均功率的最大值—最大需量。是依次类推……表3-2每分钟采集的脉冲数第三节预付费电能表和分时计量电能表一、预付费电能表预付费电能表又叫购电式电能表，是一种用户必须先付电费，然后才可用电的电能表。用电户通过介质将所购电能数预置到该电能表中，电能表据此数据经处理、识别而提供用户用电。按使用介质的不同，预付费电能表的发展大抵经历了投币式、磁卡式、电卡式、IC卡式等几个阶段。第三节预付费电能表和分时计量电能表一、预付费电能表两个主要功能模块：电能计量部分微处理器控制图3-10预付费电能表组成框图1.电能计量部分电能计量部分使用单相电能测量专用集成电路。工作原理：由分压器完成电压取样，由取样电阻完成电流取样，取样后的电压电流信号由乘法器转换为功率信号，经U/f变换后,产生表示用电多少的脉冲序列。P(fH)经光偶隔离后输出,用作校验脉冲,与光偶相串的发光二极管可作电能计量指示。P(fH)经16分频和驱动后成为低频电能脉冲P(fL)，累计此脉冲即可计算有功电能，所以此脉冲经光偶隔离后送给单片机，进行电能计量。第三节预付费电能表和分时计量电能表一、预付费电能表2.单片微处理器微处理器（即单片机）作IC卡及显示器接口，同时兼作窃电检测和超负荷控制。有窃电或超负荷时，蜂鸣器鸣叫；超负荷时，输出控制信号给断电机构，使预付费电能表除具有计量电能的基本功能外，还可控制负荷，并防止窃电。第三节预付费电能表和分时计量电能表一、预付费电能表3.非易失存储器为了在交流断电时，能永久保存重要数据，并且上电时能恢复数据，微处理器经串行外围接口外扩非易失数据存贮器。非易失数据存贮器采用串行EEPROM，它具有在线快速读/写功能，可擦写100万次以上，数据可保持20年。第三节预付费电能表和分时计量电能表一、预付费电能表4.液晶显示器显示器采用液晶显示器，液晶显示器分通用型和专用型。通用型一般除有液晶显示屏外，还带有自己的控制器和驱动器，使用简便，价格较高。专用型一般仅有液晶显示屏，显示屏是根据应用场合，自己设计显示的字符与符号，它本身不带控制器和驱动器，专用型价格便宜，编程较麻烦，需另配控制器和驱动器。电能表的液晶显示器大部分是专用型。第三节预付费电能表和分时计量电能表一、预付费电能表5.超负荷断电和防窃电功能（1）超负荷断电：微处理器内部的计数器对电能计量部分送入的电能计量脉冲计数、计算功率和电能。当发现超负荷（电流过大）时，就输出超负荷控制脉冲信号，控制断电机构切断供电，单片机累计超负荷次数，若在三次以内，则延迟一段时间后就可自动恢复供电。（2）防窃电第三节预付费电能表和分时计量电能表一、预付费电能表二、分时计量电能表分时计量电能表又称为复费率电能表，是一种按不同时段分别计量用户用电情况的电能表。按照电力负荷的大小，一天24h分为用电的顶、平、峰、谷等不同时段，供电部门对不同时段的用电实行不同电价，用经济手段鼓励用户主动采取避峰填谷的措施，从而使电力负荷曲线变缓，以提高发电设备的利用率，同时减小由于负荷曲线变化太大而引起的不安全因素。第三节预付费电能表和分时计量电能表第三节预付费电能表和分时计量电能表二、分时计量电能表图3-11分时计量电能表框图1.电能计量电路•电能计量电路的工作情况与预付费电能表的电能计量部分相同。2.单片机系统•单片机是分时计量电能表的核心，其主要功能是接收电能计量电路送来的用电量信息，根据设定的时段，由存储器中内设的程序控制对电能脉冲进行计数，并换算成相应的电能量，分别计入峰、平、谷时段相应的用电量和总用电量的存储单元中，完成电能量的分时计量，然后将处理过的数据根据需要送至存贮器!显示器!通信部分等设备。第三节预付费电能表和分时计量电能表二、分时计量电能表3.看门狗电路•看门狗电路（WatchDogTimer，WDT）用于监测单片机的程序运行。为防止在工作过程中单片机内部程序运行发生错误，出现死机现象，加入了WDT。一旦发现死机，WDT立即向单片机复位端发出复位信号，使单片机从死机状态中解脱出来，恢复程序的正常运行。4.实时时钟电路•实行时钟电路是分时计量电能表的重要组成部分。它为电能表分时计量电能提供标准时间。实时时钟分为硬时钟和软时钟两种。第三节预付费电能表和分时计量电能表二、分时计量电能表5.显示器•目前，用于分时计量电能表的显示器有3种，较常用的是LED数码管、LCD液晶显示板、FIP荧光数码管。6.两个通信接口•复费率表是一种需要设定运行参数（底度、时段、费率等），并需定期观测和抄表的仪表