电能表的技术发展及其趋势

国内统一刊号CN31-1424／TB2009/1总第209期电能表的技术发展及其趋势范龙章/上海市奉贤区质量技术事务所　　重点介绍了电能表技术的发展历程，并简要阐明了感应式电能表、电子式电能表等的工作原理。同时，就我国电能表技术的现状和电能管理的要求，分析了电能表技术发展的趋势。关键词感应式电能表；电子式电能表；模块化；网络化；系统化1　引言电能表自诞生以来已有一百多年的历史，作为测量电能的专用仪表，广泛应用于发电、输电、配电和用电各个环节，是电能计量管理现代化的基础，它的性能直接影响了电能计量管理的质量和科学水平。从我国自行研制第一台电能表至今，随着电力系统及相关产业的发展和电能计量管理系统的不断完善，电能表产品已经经历了数次更新换代，其结构和性能不断更新、优化，相信随着新材料、新技术、新工艺的不断发展和应用，电能表的技术水平还将会有新的飞跃。2　感应式电能表任何技术的发展和更新，都与和它配套的材料、技术、工艺的发展相适应，电能表技术的发展也是如此。1880年，德国人爱迪生利用电解原理制成了直流电能表，成为世界上最早的电能表。随着交流电的出现和被利用，1889年，德国人布勒泰制作了无单独电流铁心的感应式电能表。1890年，带电流铁心的感应式电能表出现，其制动元件是一个铜环，制动力矩靠交流电磁铁产生。直到19世纪末，才逐步采用永久磁铁产生制动力矩，以降低转动元件旋转速度并增加转矩，铜制的圆转盘由铝圆盘所代替。至此，感应式电能表基本成型。感应式电能表的特点是结构简单、工作可靠。根据所测电能的相数不同分为单相表和三相表。其结构主要由驱动元件、转动元件、制动元件、轴承、计度器、调整装置、防潜动装置、表盖、底座和端纽盒等组成。如图1所示，感应式单相电能表的测量机构简图。1.制动磁铁；2.电压线圈；3.电流铁心；4.电流线圈；5.转盘；6.转轴；7.电压铁心；8.下轴承；9.上轴承；10.蜗轮；11.蜗杆；12.回磁板图1　感应式单相电能表的测量机构简图驱动元件由电压元件和电流元件组成，将交变的电压和电流转变为交变磁场，切割转盘，在转盘中感应出涡流，这个涡流与交流磁通相互作用形成驱动力矩，使转盘转动。转动元件由转轴和转盘组成，能在驱动元件所建立的交变磁场作用下连续转动。转轴上部有蜗杆和计度器的蜗轮衔接，将转盘的转动传递给计度器。国内统一刊号CN31-1424／TB2009/1总第209期制动元件为制动磁铁，用来产生制动磁通，该磁通被转动着的转盘切割时与转盘中的感应电流相互作用形成制动力矩，从而在一定的负载功率下用以平衡驱动力矩。轴承支撑转动元件，对电能表的误差及稳定性和使用寿命有很大影响，根据轴承所在位置，可分为上轴承和下轴承。计度器用来计算转盘转数并显示所测定的电能。感应式电能表在不断的改进和完善过程中，通过双重绝缘、加强绝缘和采用高质量双宝石轴承甚至磁推（磁悬浮）轴承等技术手段，其结构和磁路的稳定性得以提高，电磁振动被削弱，电能表寿命大大延长，且过载能力明显增强。3　电子式电能表电能开发及利用的加快，对电能计量管理和电能表性能提出了更高的要求。感应式电能表暴露出准确度低、适用频率范围窄、功能单一等缺点。为使电能计量仪器仪表适应工业现代化和电能计量管理现代化飞速发展的要求，电子式电能表应运而生。早期的电子式电能表是机电脉冲式电能表，由感应式电能表的测量机构和电能—脉冲转换模块组成。国外工业发达国家，已在20世纪70年代初期大量应用。这种表是感应式电能表向全电子式电能表过渡过程中发展起来的，它对分时电价、需量电价等制度的制定起了积极作用。但是，由于测量机构来自于感应式电能表，因此，其性能很难再提高。为了替代由感应式测量机构测量交变电能，人们开始研究采用电子电路的方案。由于电能是电功率对时间的积分，所以任何电子电路式电能计量方案的第一步都是确定电功率。因此，使用乘法器是实现测量电功率和电能的电子电路式方案的共同特点。近几十年来，大量新型电子元器件的相继出现，尤其微电子技术和计算机技术的高速发展是电子式电能表迅速进步、日益成熟的主要技术支撑。准确度高、可靠性高的元器件以及大规模集成电路等的采用，使电子式电能表的使用寿命、准确度、稳定性等技术指标均显著改善。电子表按所依托的乘法器为模拟的还是数字的分为模拟乘法器型和数字乘法器型。而目前，国内外大量制作和使用的是配有专用计量芯片的数字乘法器型电子式电能表。其中计量芯片决定了整表的性能、功能和价格，而计量芯片的核心技术是数字乘法算法的实现。当前，数字乘法器与相关运算的实现有以下三种方式：方式一，采用硬件搭建构成内部运算乘法器；方式二，通过外部MCU软件编程实现乘法运算处理；方式三，通过外部DSP芯片实现乘法处理。行业内比较流行的设计方案有两种：①采用ADC+DSP+MCU+计量软件的解决方案；②采用专用计量芯片+高性能MCU的解决方案。可见电子式电能表的特点和发展趋势是：①可靠性：精度长时间不变、无须轮校、无安装、运输影响等；②准确度：宽量程、宽功率因数、启动灵敏、防潜可靠等；③功能：可实行集中抄表、多费率、预付费、防窃电、多功能等；④性价比：性价比高、可预留扩展功能、受原材料涨价影响小等。4　我国电能表技术发展历程我国电能表技术的发展历程大致概况为：前DD28时期（代表产品DD1，DD5）；DD28时期（代表产品DD10，DD15，DD17、DT6，DT8，DT10，DT18）；86表时期（代表产品DD862，DD862a，DD101、DT862，DT862a，DT241）；长寿命电能表及电子式电能表时期（代表产品FD95，LD68，DD104以及多费率、多功能、预付费等电子式电能表）。而电子式电能表的发展历程可以概括为：20世纪90年代初期的以机电一体为主的工业多费率电能表；中期的电子式电能表；中后期IC卡电能表、电力载波仪表等。我国在大规模城市和农村电网改造、安居工程和一户一表后续工程、厂网分开以及加大两部制电价和分时计费的应用范围的过程中，促进了电子式多费率电能表的使用。在市场的推动下，电子式电能表发展迅猛。虽然现在电能表逐渐从感应式慢慢向电子式过渡，但是感应式电能表还是有其特点，例如：长寿命和亚长寿命。在有些寒冷地区感应式电能表的表现优于电子式电能表，但是电能表向电子式发展的趋势是可以肯定的。5　我国电能表技术发展趋势随着国家电力体制的改革，现代电能计量管理水平的提高，供用电政策不断科学化和市场化，电能计量的自动抄收和管理成为必然趋势，电能表的模块化、网络化及系统化成为行业的技术发展趋势。模块化设计的优点有三：其一是当计量政策发生变化时，只需通过更换部分模块就可以实现电能表的升级换代，而无需更换整个电能表，从而摆脱了传统电能表设计中那种因不可更改导致的成批调换和淘汰，乃至整个系统需要重构的厄运；其二是由于功能的模块化和结构的标准化，使得供用电管理部门在选购电能表时不必过分依赖某一电能表厂家产品，并为规范电能表的研制与开发提供可能；其三是可以通过现场或非现场单独更换故障模块的方法，提高可维护性并节省维护费用。网络化可以实现将各种场合的电能数据进行实时采样和存储，并经有线或无线网络实时或非实地输送国内统一刊号CN31-1424／TB2009/1总第209期关于开展能源计量工作的几点建议杨伟忠/上海市青浦区计量质量检测所能源计量工作是企业节能降耗的基础，没有完整、准确的计量数据，就无法判断节能降耗的效果。在能源计量监督检查中，发现企业对国家强制性标准《用能单位能源计量器具配备和管理通则》（以下简称《通则》）理解不透，开展能源计量工作碰到一些实际问题。为此，结合当前各单位能源计量工作的现状，就如何进一步加强能源计量工作，本文从技术层面上提出几点建议，以供企业参考。1　领导重视、组织落实在检查中发现，部分企业对能源计量工作的态度，到电能计量管理系统中，通过数据共享和分析实现供用电管理部门对异地用电信息的实时或非实的测取和监控。通过网络化，可以将电能表的部分功能从接入层上移到网络层和数据管理平台层，通过数据共享和综合分析实现电能表所不能实现的复杂功能，简化了电能表的设计。目前，可利用的通信网络有：总线、电力线载波(PLC)网、光纤与同轴电缆(HFC)网、固定电话(PSTN)网、无线移动(GSM/GPRS/CDMA)网。近十年来我国通信网络的建设获得了飞速发展，并出现了中国电信等六大运营商相互竞争的格局，这种竞争格局的出现为电能数据的传输提供了丰富多样和价格低廉的数据传输信道和网络，为电能表的网络化和系统化及其自动抄收的实现奠定了网络化基础。系统化可以综合利用成熟的计算机技术和电力系统自动化技术，在数据控制管理平台实现海量用电数据的有效分析、处理与管理。在网络化和系统化的推动下，电能计量管理技术可以向着分布性和开放性的方向发展，使得电能计量管理功能的扩展更加灵活，性能不断提高，使用更加简便。同时，我国的电能计量精度等级水平也在逐步提高。0.5S级多功能技术已经较成熟，0.2S级的多功能电能表目前也有厂家研制成功，但是需要运行几年来考核稳定性和可靠性，目前大部分的0.2S关口表还是用的国外产品。总体来看，目前我国电能表正在向低功耗、防窃电、谐波计量、多用户一体表、自动远程抄收、负荷监控、高精度、多功能等方向发展。6　结束语电力工业的发展需要电能计量仪表制造业的进步与之相适应。发电、输电、配电和用电都需要准确的计量电能。在我国正在努力建设节约型社会的今天，电能表技术的新发展必将为节约和有效利用电能资源做出巨大的贡献。参考文献[1]　唐统一,赵伟,编著.电磁测量[M].清华大学出版社,1997.[2]　赵伟等.电能表技术的发展历程[J].电测与仪表,1999（6）.[3]　黄克生.电能表应朝着更新换代的方向前进[J].农村电工,1999（12）.[4]　齐笑慰.电能表与计量[J].中国测试技术,2004,（1）.[5]　陆寒熹.国内电能表的技术发展趋势[J].电力设备,2007（8）.Thedevelopmentandthetrendofthewattmeters’technologyFanLongzhang(Fengxianqualitytechnologyfirm)Abstract:Itislaidemphasesonintroducingthedevelopmentofthewattmeters,andtheworkingtheoriesoftheinductmetersandtheelectronicmetersareillustratedinbrief.Thetrendofthemeter'stechnologyisanalyzedwiththeactualityandtheelectricitymanagementrequestsofthemeter'stechnology.Keywords:inductmeters;electronicmeters;modularization;network;systematization