国内外电子式电能表的研究现状.docx

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国内外电子式电能表的研究现状

国夕卜电子式电能表的研究现状

电子式电能表以貝有测量精度高、可进行电量数据自动采集实现远程抄表和多费率分时计量等轄点，使该系列产晶在电力系统中迅遠増加。

我国电子式电能表的产量已跃居全球笫一。

但我国整体的电了试电能表的技术含量、可靠性水平与国际上的知名品牌相比还有较大的差距。

电能表是“电”这种特殊商品的计旨器具，同时又是电费结算依据，需要每天24小时不间断工作。

电子式电能表与感应式（机械式）电能表相比，虽然在许多方面的技术参数耍优越，但影响电子式电能表错误计量或不计虽的因索却比感应式电能表多得多。

换句话说，坏境因素的变化易使感应式电能表计量不准、谋差变大，但至少电能表还在运行，电量仍在累计。

而电了式电能表却因为由集成电路和太多的电子元器件组成，各种因素的变化就可能使其中之一失效，导致电能表不计量或电量计算错误，从而引起电能计虽纠纷。

所以，从维护电力用户和供电企业利益的角度出发，电子式电能表的可靠性非常重耍。

研制一块在实验室坏境下并能在电能表校验装.置上满足基本误差要求和多功能要求的电子式电能表就目前的科技水平來说已不难。

现在，国内大大小小的电能表生产厂家都能制造各种类型的电子式电能农。

但要在恶劣的坏境条件和电气条件下，使电子式电能表长期正常工作、准确计量，就需要对电能表的许多相关技术作深入的研究。

现今的电子式电能表一般都采用单片机进行数据处理，所以电子式电能表的可靠性主要体现在软件可靠性和硬件可靠性两个方面。

外界环境对软件的影响主要有两种形武：

一是传导干扰，二是辐射干扰。

其中包括频繁的上下电、雷击感应的浪涌电压、电网大负荷的冲击、非线性负载;的干扰、电流电压的谐波影响、电谖周围存在强礎场等等。

往往会出现这样的情况：

安装在现场的电子式电能表出现液晶显示屏乱码、数据丢失、不计电量、程序错谍等现象。

但当该表拆离现场，送回标准实验室进行测试时有些故障会消失或不再复现。

硬件可靠性主嘤体现在当外部环境恶劣（比如温度、湿度超出正常范围、电压不稳定等）及长期带电运行而电能表内的各类电子元器件均正常工作而不失效。

软件可靠性主要表现在当电能表在实验室检定过程中由于检定原理和检定方法不严密造成的测量误差时检定数据结果准确可靠。

因此研究电子式电能表可靠性具有重要的实际意义。

基于电子式电能表的大范国使用以及其精密性，电子式电能表的可靠性研究开始得到关注。

从目前情况来看，己经有实验室检定故障分析、现场运行测试及提高可靠性等三方面的研究。

文献⑴从工频咐压、绝缘电阻埃验、启动和潜动实验、负载点检定等方面进行了电子式电能表的实验室检定障碍分析；文献［2］从电子式电能表的液晶显示屏上的数字缺笔，脉冲指示灯无闪烁、时钟显示混乱、时段误差、误差不显示数拥或乱码以及实验室人员误操作等方面就电子式电能表的故障和处理方法进行了分析；文献［3］则探讨了电源电路故障（包括显示器不显示、数据或程弊丢失〉、单片机的故障、显示器的故障、电能计蟄单元的故障、实时时钟电路的故障、通信接口的故障、編程和操作问题等；文献［4］从死机、倒拨卡字、无脉冲输出、低电压时计度器不翻字、误差大大幅度超差等方面分析了电子式电能表的故障：

以及从增加启动时限要求、采用合理的预热时间、增加标准表的累积脉冲数等三个方而探讨了提高电子式电能表的可靠性；文献［5］从电子式电能表的便件、软件和抗干扰三个方而分析提高电了式电能表可靠性的措施；文献

［6］主要探讨了电子式电能表的硬件抗干扰设计。

文献［7］提出采用高温单板老化工艺来提高电能表的稳定性和可靠性。

电子式电通表又称为静止式电能表，它是曲电流和电压作用于固态（电子）器件而产生与被测电能成正比输出的仪表W随着智能电网的发展，电子式电能表统称为智能电能表。

本章首先介绍电子式电能表的基本结构、组成、原理。

20世纪70年代初，西门子和兰吉尔公司开始开发并推出分立远件的电子式电能表。

法国斯伦贝谢公司于20世纪80年代初开始开发并于1984年指生产应用大规模集成电路的该类产品°早期电子式电能表的发展主耍受电子元件的影响，元件价格高、可靠性差、使用坏境要求严格。

以电解电容为例，3、4类等级元件的价格是现在的3~5倍，在环境溫度・10〜+35°C下使用时间是7000h左右，而目询这类电容在环境温度・60〜35C下使用时间最少是22X104h,即25年左右［10〜11］。

由于10多年來微电子技术的飞速发展和制造工艺的迅速提商，电子元件的性能指标已有了质的飞跃，规模也不断扩大。

我国电子式电能表是从20世纪90年代初试制的，使用的元件相同，起点高，部分国产电子式电能表只比国外落后2〜3年，其他大部分产品处于相同水平。

冃丽国产电子式电能表不仅供应国内市场，而且有部分出口。

经过农网和城网改造，电子式电能表已经走进了千家万户。

随着电子技术的发展，新功能的电子式电能表产品不断问世，已从单一计费功能的电子式电能表到多费率、多功能电子式电能表，从领先人工抄表到远程自动抄表、IC卡电子式电能表等。

电子式电能表不再仅作为单一的计量工具而存在，已向模块化、科能化、多功能系统化和多元化发展，技术指标和可靠性有了很大的提髙，如今已经成为电能计塑表计的主流。

安装式电子式电能表是通过对客户供电的电压和电流进行实时采样，使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，然后相乘转换成与电能成正比的脉冲输出显示。

根据需要，也可以依据规定的协议（通信协议），将存储的数据（电量等）上传给上位机（主站），上位机也可以对电能农进行用、售电管理等。

与感应式电能表相比，电子式电能表具有如下优点：

（1＞抗过载冲击能力强。

感应式电能表一般只能过载4倍；对电子式电能表大量的彼坏性试验证明，电压回路可承受400V电压持续24h而不损坏；电流回路可过载6〜10倍不损坏，而且艸击过后谋差不变卩2「

（2）功耗低。

电能表的功耗主要是电压回路的功耗，单相电子式电能表的电压回路功耗般不大于2W,可以控制在0.6W左右。

（3）防窃电能力强。

感应式电能表历电比较容易，而电子式电能表从基本原理上实现了防止常见的窃电行为。

例如美国ADE公司生产的7751计量芯片，能分别测虽相线、零线电流，不平衡电流达到转换阈值时以其中大的电流作为电能计量依据。

（4）受负荷大小的影响小。

感应式电能表由于有转动体，当负荷在0.5%人&右时0能启动，且在低负荷时误差大；而电子式电能农在负荷为001%/b时就能启动并计量，在全负荷范围内误差可控制在其误差限的60%以内【a“】。

（5）误差稳定、线性度好。

电子式电能表无磁饱和等因素的制约，山干在电流输入线路和电压输入线路上采取了补偿技术，因此仪表整体具有极好的温度特性，其测莹误差的线性范闱及长期稳定性大大优于感应式电能表。

〔6）准确皮等级奇。

感应式电能表准确度等级一般为0.5〜2级，误差容易变化并且不容易控制；电子式电能表准确度等级一般为0.2〜1级，误差容易控制"~叫

（7）频率响应范围宽。

感应式电能表频率响应范围-般为45〜55Hz,电子式电能表的频率响应范围为40〜lOOOHzo

（8）功能强犬。

电子式电能表可实现多种电虽信息采集、多费率、实时集抄集控、预付费、先进通信接口等诸多扩展功能。

2.1.3电子式电能表分类

1.按准确度分

（1）安装式有功电能表：

0.2S级、0.2级、0.5S级、0.5级、1.0级、2.0级。

（2）安装式无功电能表：

0.5级、1.0级、2.0级。

（3〉标准电能表：

0.01级、0.02级、0.05级、0.1级、0.2级，

2.按测虽原理分

（1）热电转换型。

（2）霍尔乘法器型。

（3）时分割乘法器型。

（4）A/D乘法器型。

3.按用途分

（1）安装式有功电能表：

用于测量有功电量。

（2）安装式无功电能表：

用来计算和测量发电、供电和用电的无功电能。

（3）安装式最丸需量表：

--种既计畀客户使用电量的数量，还指示客户在

一个电费结算周期中，在每个规定的单位时间内用电的平均最大功率的电能表。

（4）安装式多费率电能表：

多费率电能表主要用于电能计量，能够进行•费率和时段设置，可以在指定时段分别按要求计量各时段用电量及总用电量。

（5）安装式多功能电能表：

除了计最有功（无功）电能外，还具有分时、测量需量等两种以上功能，并能显示、储存和输出数据。

（6）标准电能表：

作为计量标准，用于塑值传递。

4.按接线分

（1）直接接入式和间接接入式（经互感器接入）。

（2）由于测豎电路的不同，通常又分为单相电能表、三相三线电能表和三相四线电能表。

5.按安装场合分

（1）居民客户电能表。

（2〉小工业客户电能表。

（3）台区工商业客户电能表。

（4）变电站用电能表。

（5）电网关口用电能表。

6.按电压分

（1）220/80V交流电子式电能表。

（2）57.7/100V交流电子式电能表。

（3）10kW及以上直接计量的电子式高压电能表。

2.1.4电能表铭牌标志

下列标志必须标注在电能表的铭牌上：

（1）准确度等级。

将筹级的数字标瓷在一个圆圈内，如2级电能表，其符号是②。

（2单位的名称或符号。

有功电能用“千瓦•时”或“kWh”表示；无功电能用“千乏・时”或“kvarh”表示。

（3）表的主要指标数据。

额定电压、标定电流、额定最大电流、频率，如220V、5（40）A、50Hzo

（4）电能表的常数。

有功电能脉冲常数用imp/kWh表示；无功电能脉冲常数用imp/kvarh表示。

（5）制造厂的厂名、制造年份和产品出厂编号。

（6）计量器具生产许可证和制造标准。

（7）型号及含义。

电子式电能表的产品型号由小类别号、系列号、型式代号、费率类别号、企业注册号和连接符、信道代号组成，如下所示：

电子式电能表产品型号示例如下:

2.2电子式电能表的工作原理

以电子元器为主体，以连续脉冲计数的方式來替代原来的机械旋转传动的方式来累计电能。

电子式电能表也叫静I卜•式电能表。

2.2.1电子式电能表的工作原理

电子式电能表按共工作原理的不同，可分为模拟乘法器和数字乘法器型。

模拟乘法器型又分为热电转换型、时分割乘法器型、霍尔效应型，目前安装式电予式电能表以数字乘法器型为主。

（1）槐拟乘法器型电子式电能表工作原理。

如图2-1所示，被测电压、电流经电压和电流采样转换后，转换成弱电信号，送至模拟乘法器，模拟乘法器完成电压和电流瞬时值相乘，输出一个与一段时间内平均功率成正比的直流电压信号，然后通过0转换器（电压一频率转换器）将模拟最直流电压信号转换成数字脉冲频率信号，再经单片机处理计数，显示测得在某段时间T内的电能值。

也就是说，计数器累计脉冲的过程是对有功功率枳分而得到的电能值的运算，显示的累计数值就是这段时间的功率计算值W。

图2-1模拟熏法器里电子式电能农I作原理

（2）数字乘法器型电子式电能表工作原理。

如图2・2所示，被测电压、电流经电压和电流采样转换后转换为弱电信号，经数字乘法器相乘，输出-个与-段时间内平均功率成正比的数宇量，再经0^转换器转换成相应的脉冲频率信号，再经单片机处理计数，显示测得在某段时间内的电能值。

图2.2数字乘法器型电子式电能表I「杵原理

（一）有功电能测量

在tk时刻对被测电压和电流进行采样，然后将其转换成对应的数字量，再将转换得到的数字做乘法运算，进而得到这•时刻的有功功率；在采样数拯的同时将数据进行处理，并对各个时刻的到数据进行累加，就可以计算出规定的时间内客户消耗的有功见能。

（二）无功电能测量

无功电能釆用移相法测虽，将电压采样值移相上（50Hz时为5ms）与电流

2

采样值数字相乘，然后在某一时间段内进行累加，就可以得到这段时间内客户消耗的无功电能。

（三）最大需量测量

最大需虽可以区间法或滑差法进行測量。

（1）区间法测虽。

通常在15min内累计与功率成正比的脉冲数，乘以脉冲的电能当量，再除以15min得需量值片，将其保存在最大需量的存储单元中；然后进行下一个15min区间的计算，得P2。

若Pi>Pi，则用P2代彗P”存入最

大需量存储单元；反之不存。

以此类推，使最大需量单元中始终保持15min平均功率的最大值。

（2）滑差法测量。

第2次在（1+1）〜（15+t）内计算平均功率，其中t为滑差区间对应的时间；第n次在（1+nt）〜（15+m）内计算平均功率。

毎次将当前测得的值与己存入的最大值比较，将大者保持在最大需杲单元中。

（四）分时段多费率测屋电能

为了实现分时计虽，电能表中设有计时准确、时段误差和目误差小、接通/切换准确的时钟，实现电能的分时多费率计屋。

2.2.2电子式电能表的误差与调整

2.2.2.1误差的分类与产生原因

I.基本误差

在满足规定的参比条件下，山于仪表的自身问题而引起的误差为基本谋差，电子式电能表的桥确度等级值规定就是对其皐本误叢的要求,甚本误差产生的原因主要有：

（1）电流、电压互感器的比差、角差。

（2）电能计量芯片的测量非线性。

（3）表内空间的电磁干扰，如电源变圧番摆放位克不当。

（4）印制电路的质杲和不合理布线也会引尼测庭的非线性,

（5）电子元器件的质竝导致误差的跳变。

（6）输入采样器件（如分流器、互感器）布置不合理使其引线过长或不合理分布也会引起非线性误差。

除上述原因外还存在其他因索，不同的农型有不同的影响，如卡表的继电器检测回路引起小电流误差增大，各类通信表在通信过程中功耗过大，使工作血源不稳定而引起的测虽:

谋差改变筹。

2.附加误差

当测量参比条件偏出规定值后由外界因素的改变而引起的误差改变称为附加误差，也就是国家标准中所说的其他影响量引起的谋差改变和环境温度改变引理的误差等。

其屮其他影响童包括电压变化，频率变化，逆相序，电压不平衡、电流和电压线路的谐波分量（也称波形琦变），交流电流线路中直流和偶次谐波、奇次谐波，外部恒定和交变磁场等磁场影响［l8-20L

例如A/D转换型电子式多功能电能表存在的谋差主要来源于互感器的比差和角差、互感器铁芯的非线性误差、A/D转换器前置放大的误差及漂移、A/D转换器的量化误差及漂移：

而霍尔乘法型电子式多功能电能表的误轅主耍来源于霍尔元件的准确度等级以及积龙电路的枳分決差。

2.2.2.2误差调整

基本误差通过调整可使之保持在一定的范也内，例如在同一误差带下采用误差平移法使之正负各半布置，使之远捣超差临界点；合理选取电流互感器的次级采样电阻值和相位补偿措施使比差、角差变得更小；合理布宣元器件尤其是电源变压器，尽量减小输入引线长度：

合理的电路板设计等，都是减小基本误差的途径。

附加误差的大小同样代表电能衷的内在品质，其值应愈小愈好。

合理地选用电源变压器的二次电压输出大小和正确选择电压采样信号数值均可减小电压波动帶來的附加误差；合理选择补偿元件和电路可减小频率带来的附加误差；正确地选用电流互感器可减小直流利偶次谐波带來的附加误差【知：

控制电压、电流信号输入线的长短及合理布置、提髙电路制作工艺等可減小外部碗场的影响带來的附加误差等。

2.3电子式电能表主要组成单元

电子式电能表主要由电源单元、采样单元、电能计量单元（计呈芯片）、中央处理单元（单片机）、显示单元、输出单元、通信单元、时钟单元等部分组成。

图2-3为电子式电能表纽成单元的原理框图。

图2-3电子式电能表纽成单元的原理框图

—、电源单元

电源包括交流电源和后备电源两部分，对静上式仪器而言，电源部分是其必不可少的重要组成部分。

电子式电能表电源部分的主要功能是：

（1）将电网220V交流高电压变换成直流低电压。

（2）卖现电子式电能表与外界交流电网的电气隔离。

（3）提供后备电池在停电时维持电子式电能表的显示和时钟等基本功能。

（4）将电网瞬间的掉电信号提供给单片机进行处理。

二、单片机

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

其大部分功能集成在一块小芯片上，具有一个完整计克机所需要的大部分部件（CPU、内存、內部和外部总线系统），目前大部分还具有外存，同时集成诸如通信接口、定时器、实时时钟等外围设备。

现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复朵的输入输出系统集成崔一-块芯片上，其发展朝着高集成度、精简指令、高速禽效、新体系结构、低功耗等方向发展|22~23]°目前广泛应用于过程控制、智能仪表、智能接口等工程和技术各个领域°

三、液晶显示部分

单片机的主要输出方式除了发光二极管、数码管以外，还有一种重要的方式，即液晶显示。

液晶模块已经成为单片机系统的一个重要输出器件，液品显示目前广泛应用于使携式仪器仪表、智能电器、消费決电子产品等领域，己经成为显示方武的首选。

在电子式电能茨中常用的液品显示器有两种结构：

①点阵式液晶显示器，又分为点阵字符式和点阵图形式两类。

点阵图形式液品显示器可显示任意字符，基本些进口的多功能电能表使用点阵字符液晶显示器，大部分掌上电脑抄表机使用点阵图形式液晶显示器。

②笔画式或称字段式液晶显示器，这种液晶显示器结构简单、成本低，冃前几乎所有液晶显示的电能表都采用这种方式。

卩q、通信单元

电子式电能表相对机械式电能表的最大特点就是貝有通信功能，从而使用电管理工作效率大大提高。

用电管理部门迫切需要的现代化管理手段是建立在完善的自动抄表系统基础之上，而口动抄表系统的先决条件则是电能表的通信能力。

电能表的通信部分在整个电子式电能表的设让中占有非常重要的地位。

电子式电能表中主要采用的通信方武疑；RS-485、红外传输、低压电力线载波方式、无线接口、GPRS接口等。

五、采样单元

1•普通单相电能表的电流、电压采样方法

相线通道使用猛铜分流器采样，电流流过一定阻值的怯铜电阻（取猛铜电阻中间一段的阻值，苴值一般为几十微欧到几百微欧）形成电压信号输入到计量芯片；零线宜接用铜片短拉。

业压采样需要-■路电阻网络，电阻网络串在相线和零线之间，获取满足计量芯片要求的电压值输入到计量芯片。

2.三相电能表常用电流采样方法

（1）电流互感器采样。

电流流过电流互感器一次侧，电流互感器二次側的负裁的负载电阻上形成电压信号输入到计屋芯片。

（2）铁铜分流器采样。

电流流过一定阻值的猛铜形成电压信号输入到计量芯片。

3.三相电能表常用电压采样方法

（1）电阻网络分压。

电阻网络串在相线和零线之间，获取满足计虽芯片要求的电压值输入到计量芯片。

（2）电压互感器降压。

输入电压加在互感器一次侧，互感器二次侧形成电压信号输入到计量芯片。

六、输岀单元

输出单元有校表脉冲输出单元（秒脉冲输出单元无脉冲指示灯，其他和校表脉冲相同）、继电器控制输岀单元（包括分闸输出、合闸输岀、报警输出等）。

七、计量芯片

电能计量单元是电子式电能表的核心，随着微电子的发展和制造工艺水平的提髙，将分散的电子元器件集成为一个总体器件、单一的功能集成为多功能,这样就出现了计星芯片，从而使电子式电能表的成本变低、体积变小、功能越來越强、应用越来超广泛。

常用计量芯片有；单相ADE7755.ADE71056、BL6501、ATT7021；三相ADE7752、ADE7758、ATT7028.ATT7022等。

八、时钟单元

时饼单元在电能表中主要提供时间基准，目丽常用的不带温度补偿的硬件时钟有8025、BL5372等；带温度补偿的硬件时钟有8025T、DS3231等。

通过增加温度补偿电路，在-25〜7CTC的温度范围内可达到Is/天。

也可通过单片机内置时钟來实现该功能。