電能計量技術(shù)

第三章第三章電子式電能表的結(jié)構(gòu)和原理第一節(jié)機電式電能表的結(jié)構(gòu)和工作原理第二節(jié)全電子式電能表的結(jié)構(gòu)和工作原理第三節(jié)單相電子式復(fù)費率電能表第四節(jié)單相預(yù)付費電能表第五節(jié)三相三線電子式多功能電能表

第一節(jié)機電式電能表的結(jié)構(gòu)和工作原理

一、單向脈沖式電能表二、雙向脈沖式電能表

一、單向脈沖式電能表單向脈沖式電能表的光電轉(zhuǎn)換器主要包括光電頭和光電轉(zhuǎn)換電路兩部分。1．光電頭光電頭由發(fā)光器件和光敏器件組成。兩種典型光電頭的安裝結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。圖3-3（α）為穿透式光電頭，圖3-3（b）是反射式光電頭。

2．光電轉(zhuǎn)換電路一種最基本的光電轉(zhuǎn)換電路如圖3-4所示。當(dāng)光敏管接收到較強的光照時，處于導(dǎo)通狀態(tài)，光電流增加，V1導(dǎo)通，作用到V2和V3組成的射極耦合放大器上，使輸出電壓呈高電平；反之，當(dāng)光敏管接收到的光照較弱時，處于截止?fàn)顟B(tài)，相應(yīng)的輸出電壓呈低電平。

一、單向脈沖式電能表

二、雙向脈沖式電能表雙向脈沖式電能表具有雙向計度的功能，既能測量正向消耗電能，又能測量反向消耗電能。雙向脈沖式電能表光電轉(zhuǎn)換及雙向脈沖輸出控制電路如圖3-8所示。

電子式電能表工作原理框圖如圖3-10所示被測量的高電壓u、大電流i經(jīng)電壓變換器和電流變換器轉(zhuǎn)換后送至乘法器，乘法器完成電壓和電流瞬時值相乘，輸出一個與一段時間內(nèi)的平均功率成正比的直流電壓U，然后再利用電壓／頻率轉(zhuǎn)換器，U被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖頻率f，將該頻率分頻，并通過一段時間內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)，顯示出相應(yīng)的電能。

一、輸入變換電路

輸入電路的作用，一方面是將被測信號按一定的比例轉(zhuǎn)換成低電壓、小電流輸入到乘法器中；另一方面是使乘法器和電網(wǎng)隔離，減小干擾。（一）電流輸入變換電路1．錳銅片分流器

以錳銅片作為分流電阻RS，當(dāng)大電流i（t）流過時會產(chǎn)生相應(yīng)的成正比的微弱電壓Ui（t），其數(shù)學(xué)表達式為Ui（t）＝i（t）R

2．電流互感器采用普通互感器（電磁式）的最大優(yōu)點是電能表內(nèi)主回路與二次回路、電壓和電流回路可以隔離分開，實現(xiàn)供電主回路電流互感器二次側(cè)不帶強電，并可提高電子式電能表的抗干擾能力。其原理框圖如圖3-12所示。其數(shù)學(xué)表達式為

一、輸入變換電路

2．電壓互感器采用互感器的最大優(yōu)點是可實現(xiàn)一次側(cè)和二次側(cè)的電氣隔離，并可提高電能表的抗干擾能力，缺點是成本高。其電路圖如圖3-14所示。其數(shù)學(xué)表達式為u（t）＝KUuU（t）

一、輸入變換電路

二、乘法器電路

模擬乘法器是一種完成兩個互不相關(guān)的模擬信號（如輸入電能表內(nèi)連續(xù)變化的電壓和電流）進行相乘作用的電子電路，通常具有兩個輸入端和一個輸出端，是一個三端網(wǎng)絡(luò)，如圖3-15所示。理想的乘法器的輸出特性方程式可表示為

（一）時分割乘法器它在提供的節(jié)拍信號的周期T里，對被測電壓信號ux作脈沖調(diào)寬式處理，調(diào)制出一正負寬度T1、T2之差（時間量）與ux成正比的不等寬方波脈沖，即T2－T1＝K1ux；再以此脈沖寬度控制與ux同頻的被測電壓信號uy的正負極性持續(xù)時間，進行調(diào)幅處理，使u＝K2uy；最后將調(diào)寬調(diào)幅波經(jīng)濾波器輸出，輸出電壓U0為每個周期T內(nèi)電壓u的平均值，它反映了ux、uy兩同頻電壓乘積的平均值，實現(xiàn)了兩信號的相乘，輸出的調(diào)寬調(diào)幅方波如圖3-17所示。

二、乘法器電路

三、電壓／頻率轉(zhuǎn)換器

電子式電能表常用的雙向積分式電壓／頻率轉(zhuǎn)換器的原理電路如圖3-21所示。輸出電壓U0的頻率

四、分頻計數(shù)器

所謂分頻，就是使輸出信號的頻率分為輸入信號頻率的整數(shù)分之一；所謂計數(shù)，就是對輸入的頻率信號累計脈沖個數(shù)。圖3-23為分頻計數(shù)器原理框圖和脈沖波形。

五、顯示器

目前常見的電子式電能表顯示器件有三種：液晶（LCD）、發(fā)光二極管（LED）、熒光管（FIP）。液晶顯示器（LCD）是利用液晶在一定電場下發(fā)生光學(xué)偏振而產(chǎn)生不同透光率來實現(xiàn)顯示功能的。液晶顯示器在靜態(tài)直流電場下壽命很短（一般為幾千小時），而在動態(tài)交變電場下壽命很長（可達20萬h）；除具有長壽命的優(yōu)點之外，還具有功耗?。ㄐ∮?0μA），在有一定采光度時顯示對比強等優(yōu)點。發(fā)光二極管（LED）是利用特殊結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的二極管在施加正向工作電壓、具有一定工作電流時，發(fā)出某一特定波長的可見光來實現(xiàn)顯示功能的。具有溫度范圍寬（﹣40～85℃）、在弱光背景下顯示醒目和低成本等優(yōu)點；缺點是壽命短（一般為3萬～5萬h）、耗電大（一般5～10mA）、露天下顯示不清等。熒光顯示板（FIP）是利用特種熒光物質(zhì)在一定電場和一定紅外線熱能下產(chǎn)生一定亮度的可見熒光來實現(xiàn)顯示功能的。除成本高缺點外，其優(yōu)缺點和發(fā)光二極管基本相同。

一、常用術(shù)語

1．復(fù)費率電能表有多個計度器分別在規(guī)定的不同費率時段內(nèi)記錄交流有功或無功電能的電能表2．費率計度器由貯存器（用作貯存信息）和顯示器（用作顯示信息）二者構(gòu)成的電——機械裝置或電子裝置，能記錄不同費率的有功或無功電能量。3．電能測量單元由被測量輸入回路、測量等部分構(gòu)成，進行有功或無功電能計量的單元

4．費率時段控制單元由費率計度器（含驅(qū)動電路）、時間開關(guān)及邏輯電路等構(gòu)成，進行費率時段電能測量和顯示的單元

5．峰、平、谷電量電力系統(tǒng)日負荷曲線高峰時段的電能量稱峰電量，低谷時段的電能量稱谷電量，計量峰、谷時段以外的電能量稱平電量，三者之和為總電量

單相電子式復(fù)費率電能表的工作原理框圖如圖3-24所示。

二、工作原理工作原理:二、工作原理電流、電壓采樣電路是將流過線路的大電流和外部220V交流電壓變換為合適的小電流、小電壓信號，經(jīng)電能專用集成電路轉(zhuǎn)換成隨功率變化的脈沖信號。單片微處理器接收到功率脈沖信號后進行電能累計，數(shù)據(jù)存入存儲器中，同時讀取時鐘信號，按照預(yù)先設(shè)定好的時段分時計量，將數(shù)據(jù)輸出到顯示器中顯示，并且隨時接收串行通信口的通信信號進行數(shù)據(jù)處理。四、規(guī)格

五、基本誤差

六、主要技術(shù)指標(biāo)

（1）時鐘準確度：日誤差≤土0.5S／天（2）停電后數(shù)據(jù)保持時間：≥10年（3）電能計度器容量：99999.9kW·h（4）需量計度器容量：99.9999kW（5）絕緣耐壓：≥2000VAC（6）功耗（LCD顯示）：≤2VA（7）啟動電流：0.4％Ib（8）電池功耗（停電不顯示時）：≤0.4μA（9）工作溫度：﹣20～﹢50℃（10）存儲和運輸溫度：﹣25～﹢50℃（11）濕度：≤75％。

八、遙控器功能

（1）記憶鍵：編程時，將調(diào)整正確的數(shù)據(jù)記憶，同時功能號遞增一位；讀表時，顯示“00”項功能序號。（2）右移鍵。編程時循環(huán)移動要調(diào)整的數(shù)據(jù)位；在正常工作狀態(tài)下，該鍵為循環(huán)顯示和固定顯示轉(zhuǎn)換開關(guān)。（3）上移及下移鍵。編程時，用以增、減閃爍位的數(shù)值；正常工作時，用以增、減顯示項功能序號。（4）編程鍵：在需要對電能表進行編程時按此鍵2秒鐘便可進入編程狀態(tài)。（5）清零鍵：在電能表最大需量需要清零時按此鍵可將最大需量值清零。（6）復(fù)位鍵：編程狀態(tài)時按此鍵退出編程，正常工作時按此鍵顯示功能序號00項。（7）數(shù)字鍵。數(shù)字鍵0～9在編程狀態(tài)時用于修改數(shù)碼管閃爍位的數(shù)值，正常工作時用于查看功能序號項數(shù)據(jù)。（8）自檢鍵。用于檢查數(shù)碼管各段顯示是否正常。

九、遙控器編程

（1）進入編程狀態(tài)。按“編程”鍵，此時顯示“99——0”，依次在數(shù)碼管閃爍位輸入6位密碼，密碼正確后進入編程狀態(tài)（2）選定編程項。進入編程狀態(tài)后，左邊兩位數(shù)碼管顯示編程項目號，用遙控器上的數(shù)字鍵“0～9”或者按“上移”或“下移”鍵，改變到要編程的項目號（3）輸入數(shù)據(jù)。按“右移”鍵選擇數(shù)據(jù)位，其閃爍位可用數(shù)字鍵“0～9”或“上移”“下移”鍵輸入數(shù)字(4）記憶數(shù)據(jù)：確認輸入數(shù)據(jù)正確后，按記憶鍵保存該項數(shù)據(jù)。（5）編程結(jié)束：按“復(fù)位”鍵結(jié)束編程。

十、讀表

1．直接讀表表內(nèi)顯示可以設(shè)定為固定項目顯示或循環(huán)顯示。固定顯示時，用戶只要按遙控器上的“數(shù)字鍵”、“上移”或“下移”鍵顯示相應(yīng)功能順序號項內(nèi)容，按復(fù)位或記憶鍵顯示回到“00XXXXXX”項2．最大需量清零最大需量清零是將當(dāng)前電能表內(nèi)電量、最大需量凍結(jié)保存。按清零鍵后電能表自動將上月電量、需量等數(shù)據(jù)存入上上月保存，將當(dāng)前電量、需量等數(shù)據(jù)存入上月保存，當(dāng)前需量清零，以后依次類推

第四節(jié)單相預(yù)付費電能表一、基本原理二、IC卡技術(shù)三、主要性能指標(biāo)及功能

一、基本原理

單相預(yù)付費電能表原理框圖如圖3-25所示。

二、IC卡技術(shù)

IC卡是集成電路卡（IntergratedCircuitGard）的簡稱。它將集成電路鑲在塑料卡片上。它與磁卡比較有接口電路簡單、保密性好、不易損壞、存儲容量大、壽命長等特點。IC卡中的芯片分為不揮發(fā)的存儲器（也稱存儲卡）、保護邏輯電路（也稱加密卡）和微處理單元（也稱CPU卡）三種在電能表上使用的卡，這三種都有，接口往往采用串行方式的接觸式卡。

三、主要性能指標(biāo)及功能

1．主要參數(shù)（1）準確等級：1.0級；（2）電流規(guī)格：5（20），10（40）A；（3）電壓回路功耗：＜2W；（4）工作電壓范圍：（70%～130%）Ue；（5）脈沖常數(shù)：5（20）A，3200imp/（kWh）；10（40）A，1600imp/（kWh）；（6）起動電流：0.4%Ib；（7）卡類型：加密卡；（8）設(shè)計壽命：15年

2．主要功能（1）計量功能。計量有功電量，有功＝正向有功十反向有功。（2）功率脈沖輸出。脈沖寬度80±5ms，空觸點輸出，同時有脈沖LED指示。（3）負荷控制。具有超功率自動斷電的負荷控制功能，可以設(shè)置功率限額以及允許次數(shù)，當(dāng)平均功率大于限額后，電能表跳閘并顯示當(dāng)時的功率。使用用戶購電卡插入電能表可以恢復(fù)供電。但當(dāng)超功率跳閘次數(shù)超過設(shè)定的允許次數(shù)時，電能表將不可恢復(fù)供電，只有使用了參數(shù)設(shè)置卡改變了功率限額后，才能恢復(fù)供電。（4）防竊電功能。具有自動檢測短接電流回路的防竊電功能，當(dāng)短接進出線時，電能表顯示“O”并且記錄竊電次數(shù)。（5）顯示。LCD顯示可以設(shè)置自動及手動（按鈕切換）方式，（6）報警顯示。當(dāng)電能表自檢出現(xiàn)故障時，顯示故障（7）預(yù)付費功能。使用購電卡可將購電量送入電能表，電能表按設(shè)定的費率遞減，當(dāng)剩余電費小于設(shè)定的報警門限時，電能表跳閘，提醒用戶去購電；此時插入購電卡可以恢復(fù)供電。當(dāng)剩余電費小于零后，電能表將跳閘，直到購電后才能恢復(fù)供電。三、主要性能指標(biāo)及功能

第五節(jié)三相三線電子式多功能電能表

一、常用術(shù)語二、工作原理三、主要性能四、規(guī)格和主要技術(shù)參數(shù)五、主要功能六、顯示功能一、常用術(shù)語

1．測量單元產(chǎn)生與被計量的電能量成正比例輸出的電能表部件。2．?dāng)?shù)據(jù)處理單元對輸入信息進行數(shù)據(jù)處理的電能表部件。3．多功能電能表由測量單元和數(shù)據(jù)處理單元等組成，除計量有功（無功）電能外，還具有分時、測量需量等兩種以上功能，并能顯示、儲存和輸出數(shù)據(jù)的電能表。4．顯示器顯示存儲器內(nèi)容的裝置。5．需量周期測量平均功率的連續(xù)相等的時間間隔。6．最大需量在指定的時間區(qū)間內(nèi)，需量周期中測得的平均功率最大值。7．滑差（窗）時間依次遞推來測量最大需量的小于需量周期的時間間隔。8．額定最大脈沖頻率多功能電能表在額定電壓、額定頻率、額定最大電流及cosφ=1.0條件下，單位時間發(fā)出的脈沖數(shù)。

9．常數(shù)表示多功能電能表計量到的電能量與其相應(yīng)的輸出值之間關(guān)系的數(shù)。二、工作原理

工作原理框圖如圖3-26所示。

工作原理:二、工作原理

A、B、C三相電壓、電流信號經(jīng)電能表采樣電路和功率計量處理器變換成相應(yīng)的數(shù)字信息后，傳送給數(shù)據(jù)處理中心，并通過程序處理求出各相電壓、電流、功率、電量、需量、功率因數(shù)等各項參數(shù)；同時識別各相電壓、電流有無異常并記錄相應(yīng)的失壓、失流狀態(tài)。三、主要性能

（1）保證整機長期穩(wěn)定工作；精度基本不受頻率、溫度、電壓變化影響；整機體積小，重量輕，密封性能好，可靠性較其他同類產(chǎn)品有明顯提高（2）當(dāng)電網(wǎng)停電后，鋰電池作為后備電源，提供停電后表內(nèi)電量的顯示讀取，并保證內(nèi)部數(shù)據(jù)不丟失，日歷、時鐘、時段程序控制功能正常運行，來電后自動投入運行。（3）電能表運行信息可由手持電腦、RS485接口、國際標(biāo)準IC卡三種媒介傳輸