第三章电子式电能表及特种电能表

第三章电子式电能表及特种电能表引论：电子式电能表出现于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。本章主要内容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、电子式电能表工作原理电子式电能表可分为机电式式电能表和全电子式电能表，本章主要讲述全电子式电能表。电能计算的基本表达式为：电子式电能表通过将功率转换为脉冲功率输出，从而实现功率在时间上的累计，完成电能的计量。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。dttitudttptW)()()()(第一节电子式电能表的结构和原理二、电子式电能表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第一节电子式电能表的结构和原理1、输入级电子式电能表中必须有电压和电流输入电路。其作用：一方面将被测信号按照一定比例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，另一方面使乘法器和电网隔离，减小干扰。变换方法：（1）精密电阻输入变换电路（锰铜片分流器、分压器）。（2）电压互感器、电流互感器输入电路（主要用于存在线电压、多量程电能表中）。第一节电子式电能表的结构和原理2、乘法器作为输出功率的器件，作用是实现被测电压和电流的乘积。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）第一节电子式电能表的结构和原理(1)时分割乘法器基本思想是通过采样方法将处理信号离散化，m为单位周期内电流电压采样次数，基本计算公式为：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。mkkkTiutuidtW10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，现在基本不用第一节电子式电能表的结构和原理（a）原理电路（b）电路工作波形调宽调幅第一节电子式电能表的结构和原理(2)霍尔乘法器UH=KHIBKH为霍尔元件的灵敏度，UH为霍尔电动势。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。第一节电子式电能表的结构和原理(3)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。①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。②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。第一节电子式电能表的结构和原理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。4、计数、显示、控制电路(1)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；(2)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；(3)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5、直流电源(1)作用：为各部分电子电路的工作提供合适的直流电压。(2)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1、电能计量模块特点(1)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。(2)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2、电能计量模块分类(1)电子式电能表的核心计量芯片按工作原理可分为：①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。②模拟计量芯片。以模拟乘法器为核心。(2)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。第二节脉冲电能表和最大需量电能表一、脉冲电能表1、脉冲电能表基本结构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。脉冲电能表主要由感应式测量机构、光电转换器和分频器、计数器三大部分组成。第二节脉冲电能表和最大需量电能表2、光电转换器光电转换器（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。（a）穿透式光电头（b）反射式光电头第二节脉冲电能表和最大需量电能表二、最大需量电能表1、最大需量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）。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。第二节脉冲电能表和最大需量电能表3、最大需量测量方法(1)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。(2)滑差式：每隔1min计算一次15min的平均功率。最大需量的测量方法（a）区间式求MD（b）滑差式求MD第三节预付费电能表和分时计量电能表一、预付费电能表1、定义：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。2、分类：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3、预付费电能表基本结构预付费电能表组成框图电能计量部分微处理器控制第三节预付费电能表和分时计量电能表(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(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(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(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二、分时计量电能表1、基本概念：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。2、作用：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3、基本结构分时计量电能表框图第三节预付费电能表和分时计量电能表一、基本组成(1)分压器、电流互感器(2)电能计量模块(3)非易失存储器(4)单片微处理器(5)红外通信三相电子式多功能电能表的组成框图第三节预付费电能表和分时计量电能表二、主要功能可计量有功、无功，具有分时、测量需量功能，可现实、存储和输出数据。第三节预付费电能表和分时计量电能表三、各模块主要功能1、分压器、电流互感器(1)电压输入电路。采用电阻分压器。电阻分压器具有非常好的线性度，可最大限度地减小在大动态范围内的相移，从而减小电压输入电路所产生的误差。电阻分压器将电压输入按比例减小到适合电能计量模块。(2)电流输入电路。采用高精度绕组电流互感器。电流互感器按比例减小线路电流，以适合电能计量模块。第三节预付费电能表和分时计量电能表2、电能计量模块(1)电能计量模块采用专用电能计量芯片（IC），该芯片内置模数转换器（A/D）和数字信号处理器（DSP）。电能计量芯片按一定的速率对电压、电流进行采样，并将其转换为数字量。采样速率决定电能表的准确度，速率越高，准确度也就越高。DSP对电压、电流进行乘积和其他各种运算。(2)三相三线电子式多功能电能表采用两表法来测三相三线电路的有功及无功的电能，三相四线电子式多功能电能表采用三表法来测三相四线电路的有功及无功的电能。第三节预付费电能表和分时计量电能表3、非易失存储器非易失存储器采用EEPROM用于保存所有与需量运算!分时运算有关的关键数据。4、单片微处理器单片机定时从电能计量模块取出数据，数据经过修正运算以后送入电量累加单元，同时根据修正后的数据计算出功率、电压、电流、功率因数等参数，并计算出统计量，等第三节预付费电能表和分时计量电能表5、红外通信电表具有红外通信接口，可使用掌上电脑对其编程和抄录数据，抄录的数据可送到计算机系统终端进行数据处理。6、电源电源即直流稳压电源，由三相变压器降压、全波整流、电容滤波、三端集成稳压器组成，如图：电源组成框图第五节电子式电能表的误差特性及调整一、误差主要来源表内分流器或电流互感器、表内分压器或电压互感器、乘法器。第五节电子式电能表的误差特性及调整二、分流器引起误差锰铜分流器的电阻随着温度的变化而发生非线性变化，这会引起电子式表误差对温度变化发生非线性变化。锰铜电阻对温度关系曲线第五节电子式电能表的误差特性及调整三、电流互感器TA引起的误差励磁电流I0的存在造成了电流互感器的误差。(1)电流互感器的误差主要与一次回路电流、二次负载和工作频率有关。(2)一次回路电流与误差绝对值及相位差误差成反比(3)二次负载与误差绝对值成正比、与相位差误差成正比频率（25~100Hz）对误差影响很小电流互感器的等效电路第五节电子式电能表的误差特性及调整四、分压器引起的误差(1)温度误差：对于0.5级以下准确度的表，其误差随温度变化可以忽略不计。(2)一次电压误差：因为其为电阻分压，一次电压变化对误差影响几乎为零。(3)负载