智能电能表概述

智能电能表概述一．定义随着微电子技术的不断发展，集成了CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器甚至A/D、D/A转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片(即单片机)出现了。以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“智能化测量控制系统”，也就是智能仪器。其中传感器拾取被测参量的信息并转换成电信号，经滤波去除干扰后送入多路模拟开关；由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器，放大后的信号经A/D转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中；单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理(如非线性校正等)；运算的结果被转换为相应的数据进行显示和打印；同时单片机把运算结果与存储于片内闪速存储器或电可擦除存贮器内的设定参数进行运算比较后，根据运算结果和控制要求，输出相应的控制信号(如报警装置触发、继电器触点等)。此外，智能仪器还可以与PC机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据，通过串行通信将信息传输给上位机——PC机，由PC机进行全局管理。智能电能表就是智能仪器的其中一种。智能电能表是由测量单元、数据处理单元、通信单元等组成，具有电能量计量、数据处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能的电能表。智能电表通过用户交费对智能IC卡充值并输入电表中，电表才能供电，表中电量用完后自动拉闸断电，从而有效地解决上门抄表和收电费难的问题。并对用户的购电信息实行微机管理，方便进行查询、统计、收费及打印票据等。智能电表较普通机械式电能表有着计量更精准、智能扣费、电价查询、电量记忆、余额报警、信息远程传送的优势。对电力公司而言，采用智能电表可省去人工抄表的成本，并且减少窃电的损失。除此之外，电力公司利用智能电表取得客户的用电量资料后，再用Internet的方式实时回传给用户参考，客户可据以分散用电的时间(因尖峰时段费率高)，作电力使用的管理，达到节省电费成本的效益。对政府而言，智能电表有助用户节约用电，可以达到节能减碳的政策目标。对于用户来说，可以节省电费开支，用户可充分利用峰、谷电价的差异自主定制用电方案，做到用相同的电，花最少的钱。因此，智能电能表的应用越来越广泛。智能电表是智能电网的智能终端，它已经不是传统意义上的电能表，智能电表除了具备传统电能表基本用电量的计量功能以外，为了适应智能电网和新能源的使用它还具有双向多种费率计量功能、用户端控制功能、多种数据传输模式的双向数据通信功能、防窃电功能等智能化的功能，智能电表代表着未来节能型智能电网最终用户智能化终端的发展方向。随着智能电网的日益发展，世界各国对于智能化用户终端的需求也日益增大，据统计，在未来5年，随着智能电网在世界各国的建设，智能电表在全球安装的数量将高达2亿只。同样，在中国，随着国家坚强智能电网建设的进展，作为用户端的智能电表的需求也会大幅度地增长，保守的预计，市场将会有1.7亿只左右的需求。美国政府为升级本国电网的拨款中，就有一部分专门用于在未来3年致使13%的美国家庭(1800万户家庭)能装上智能电表。在欧洲，意大利及瑞典已经完成先进计量基础设施的部署，将所有普通电表更换为智能电表。法国、西班牙、德国和英国预计在未来10年内完成也将完成智能电表的全面推广和应用。二．智能电表的分类目前，国内的智能电能表主要分为两种：一种是机电一体式的，一种是全电子式的。1.机电一体式机电一体式，就是在原来机械电度表上附加一定部件，使得它既能完成所需的功能，又能降低造价且易于安装，一般而言其设计方案是在不破坏现行计量表原有的物理结构，不改变其国家计量标准的基础上加装传感器装置变成在机械计度的同时也有电脉冲输出的智能电表。第一类机电结合的电度表,是在原有的机械表的基础上,加装电子式计数装置和相应的控制、通讯电路,或加上IC卡读写接口以实现自动计量计费和控制;其基本结构是在原有机械电度表的转盘上打孔或涂(贴)上能吸收光线的材料,通过光电转换,将机械转盘的转动变换成电脉冲信号,再进行相应的计数处理。这类电度表由于其计量原理没有改动,其计量精度和特性与机械表完全一样,而本钱相对较高。另一类机电结合的电度表则是采用电子式计量电路在获得数字式脉冲信号后,通过微型电机驱动字码转轮得到电能计数值,这种结构是最简洁可行的电子式电度表的方案,但遗憾的是其对计量电路的要求较高,即要求所有的表都按一个固定的比例将电能值转换为对应数目的数字脉冲,才能按正确的速度驱动微电机以转动字轮。这个比例就是所谓的电表常数(imp/kWh),由于电路中所用的决定脉冲速度的定时元件大都是参数离散性较大的阻容元件,为了保证电度表的计量精度和产品的一致性,就必须在生产过程中加强对元件的筛选和对半成品的调校,也就是说要增加相应的人力物力的投进并要延永生产周期,从而使电度表的生产用度和本钱有所增加。另外这种结构的电度表在数据收集和用户缴费方式上与老式的机械表没什么区别,应属淘汰产品。2.全电子式智能电表全电子式的智能电表则从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件，从而取消了机械部件。全电子式的智能电表比机电一体化的智能电表体积更小，可靠性更高，更加精确，耗电量也更加小，生产工艺大大改善。全电子式的智能电表将会逐步取代带有机械部件的计量表，这是未来社会发展的大势所趋。全电子式电度表系统组成：(1)远传表。具有脉冲输出的水表、电表、气表、热表等计量表为远传表,其计量方式与传统表一样,不同的是在原基表上增加了脉冲输出功能,每个脉冲代表一定的计量值。采集器通过远传表脉冲输出端口采集脉冲。(2)采集器。采集器能同时采集水表、电表、气表、热表等输出的脉冲信息,并将这些脉冲信息转换成计量认可的物理量,存储在各采集器的存储器中,通过治理微机,可以查询系统中任意一户的耗能信息,并在治理微机的抄表等命令下将用户信息上传。(3)转换器。转换器的主要任务为:完成与采集器的数据通讯工作,向采集器下达电量数据冻结命令,定时循环接收采集器的电量数据或根据系统要求接收某个电表或某组电表的数据。根据系统要求完成与主站的通讯,将用户用电数据等主站需要的信息传送到主站数据库中。下行通道指的是转换器与采集器之间的通讯线路,主要有总线抄表系统、载波抄表系统和红外抄表系统等三种方式。通讯信道上行通道指的是转换器与主站之间的通讯线路,可以采用电话、无线、专线等通讯介质。(4)系统治理软件功能。系统治理软件以通讯为基础,以数据库为核心,提供数据处理、查询、统计、报表、备份等功能;采用面向对象和模块化相结合的方法,灵活支持不同客户的要求,如特殊格式报表,权限控制等;持客户原有的治理系统,可与其它治理软件接口,提供数据接口和通讯接口,具有网络通讯功能;可同时治理多个小区,对各小区设置通讯参数;电表治理,设置电表的原始参数、地址、及其状态;费率治理,可任意设置多种费率,设置各能源的单价;用户治理,治理和控制每户的用量,治理用户的结算方式;实时抄表功能,系统可抄取各能源表的实时数据;用度自动计算,实现将公共能源损耗均匀分摊或按比例分摊到每户并根据查表数据和单价,自动计算每产应交用度,以便向用户收费;打印功能,打印各用户用度清单;查询功能,可随时查询任一户、任一单元全部住户及整个小区内所有住户的耗能信息。三．工作原理1.设计原理简介下图是一个智能电表的原理框图：错误!错误!图1原理框图下图是一个硬件设计图：图2智能电表的硬件设计图智能电表主要是由电子元器件构成，其工作原理是通过对用户供电电压和电流的实时采样，采用专用的电能表集成电路，对采样电压和电流信号进行处理，转换成与电能成正比的脉冲输出，最后通过单片机进行处理、控制，把脉冲显示为用电量并输出。通常把智能电表计量一度电时A/D转换器所发出的脉冲个数称之为脉冲常数，对于智能电能表来说，这是一个重要的常数，因为A/D转换器在单位时间内所发出脉冲个数的多少，将直接决定着该表计量的准确度。目前智能电表大多数采用一户一个A/D转换器的设计原则，但也有些厂家生产的多用户集中式智能电表采用多户公用一个A/D转换器，这样对电能的计量只能采用分时排队进行，会造成计量准确度的下降。2.计量芯片简介目前比较流行的计量芯片主要是CS5464、锐能8209以及炬力的7051系列。下面简要介绍CS5464芯片。CS5464是一个具有功率计算引擎和电能—脉冲转换功能的三通道ADC。可测量线电压和电流和计算有功，无功，视在功率，电能，功率因素和RMS电压和电流。CS5464可以连接多个电压和电流传感器，具有可与微控制器通讯的双向串口，附加性能包括系统－电平校准，电压下跌和电流故障检测，峰值检测，相位补偿和电能脉冲输出。图3CS5464芯片管脚图其特性如下：（1）电能数据线性：1000：1的动态范围内线性度为±0.1％（2）片内功能：－电压和电流测量－有功，无功，和视在功率/电能－RMS电压和电流计算－电流故障和电压下跌检测－校准－相位补偿－温度传感器－电能脉冲输出（3)符合IEC,ANSI,和JIS工业标准（4）低功耗（5）篡改检测和修正（6）单电源地参考输入（7）片内2.5V参考（典型温漂25ppm/°C)（8）电源监控功能（9）三线串行接口微控制器或E2PROM电压通道输入引脚VIN两端输入电压信号波，经10倍增益放大器放大，再通过调制器来数字化。同时，电流通道输入引脚IIN两端输入电压信号波，为适应不同电平的输入电压，电流通道集成有一个增益可编程放大器，使输入电平满量程可选择为正负250mVrms或者正负50mVrms，再通过调制器来数字化。用来计算的两个电压数据来自同一个查分输入脚。两个调制器的采样速率为DCLK/8。3.采样方式而当前电子式电能表对用户用电采样方式主要有两种形式，一种是用互感器采样，一种是直接采样。采用互感器采样是用电压互感器和电流互感器分别采集用户的电压信号和电流信号；而直接采样是用热稳定性高的电阻分压网络来取得电压信号，用电阻温度系数小的锰铜片进行电流直接采样。采用互感器采样，在启动电流、线性范围、功耗和精度等方面都不如直接采样，尤其是当电流值很小的时候。互感器采样的优点是抗干扰性较强，线路简单，成本比较低。例如，当额定电流为20A的时候，直接采样的启动电流为20mA，互感器采样的启动电流为40mA。又比如，采用专用的锰铜片经行直接电流采样的全电子电能表误差可调整到+0.5%,而采用电流互感器采样，若不采取补偿措施，互感器本身误差可能超过5%。下图是某公司铜锰分流器的采样电路。图中电流流过锰铜分流器，在黄色和蓝色引线之间的电阻由欧姆定律U=RI可以取样流过的电流，其取样值一般会降低很多倍，和使用的锰铜分流器的取样电阻有关。然后经过R1、R2限流、C1、C2、C3滤波、移相位，最后送入计量芯片。C2是调节容感性误差的电容，硬件校表的电表必须有焊盘保留。软件校表的电表通过软件可以调节容感性误差，一般没有这个焊盘。图4某公司铜锰分流器的采样电路下图是某全电子式智能电表的电流互感器采样原理电路，图中除RL外的电路就是电流互感器的电路，电流互感器原理就是变压器原理：U1/U2=T1/T2，I1/I2=T2/T1。那么我们的电压互感器是输入1.5A，输出7.5mA的话，其实就是初级“1Turn”为1圈,则次级”N2Ts”为1.5A/7.5mA=200圈。输出的电流必须要转化为电压加到计量芯片的电流通道上，由欧姆定律U=RI，在电流通道的两个管脚之间加一个电阻，则可以使两管脚之间的电压随输入的电流变化而变化。达到采样的目的。当然RL取样电阻周围还有电容旁路、滤波，或者还有电阻限流。图5某全电子式智能电表的电流互感器采样原理电路下图是某全电子式智能电表的电压互感器采样原理电路，如图所示，在1、2脚之间输入需要采样的电压，3、5之间则输出采样后的电压，比如输入220V，输出0.77V，（输入电压和输出电压的变化是电压互感器本身决定的，因电压互感器不同而不同）。输出的0.77V直接送到计量芯片的管脚。如果是三相电压，则要把三个输出的一端连接在一起作为