電表的測量原理及發(fā)展

電能表作為電力系統(tǒng)中非常重要的一個部分，主要是對電路中消耗的電能量進行測量。隨著時代的發(fā)展和社會經(jīng)濟的進步，電能表發(fā)展到如今也經(jīng)過了漫長的一個過程。

電能表在世界上的出現(xiàn)和發(fā)展已有一百多年的歷史，最早的電能表是1881年根據(jù)電解原理制成的，盡管這種電能表每只重達幾十公斤，十分笨重，又無精度的保證，但是，當(dāng)時仍然被作為科技界的一項重大發(fā)明受到人們的重視和贊揚，并很快地在工程上采用了它，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，1888年，交流電的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，感應(yīng)式電能表誕生了。

80-90年代開始了對長壽命電能表、機電一體化電能表(半電子式電能表)、全電子式電能表、多功能全電子式電能表、預(yù)付費電能表、復(fù)費率電能表、最大需量表、損耗電能表等開始使用。

90年代一些電子式電能表相繼問世，使電能表的發(fā)展又向前推進一步。電子式電能表的優(yōu)點是體積小、重量輕、靈敏度高、精度高、便于校驗、安裝，并且過載能力強，有脈沖信號輸出，這為實現(xiàn)自動化抄表提供了有利條件。

2000年開始，開始大力發(fā)展智能電能表，智能電表是一種新型全電子式電能表，具有電能計量、信息存儲及處理、實時監(jiān)測、自動控制、信息交互等功能，支持雙向計量、階梯電價、分時電價、峰谷電價等實際需要，也是實現(xiàn)分布式電源計量、雙向互動服務(wù)、智能家居、智能小區(qū)的技術(shù)基礎(chǔ)。它還能對居民用電負荷情況自動示警，避免超負荷導(dǎo)致的短路及火災(zāi)等嚴重事故。另外，居民可以使用充值卡或網(wǎng)上充值兩種方式繳納電費，方便快捷。

感應(yīng)式電表工作原理

感應(yīng)式單相電能表又稱機械式單相電能表，它是利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計的。當(dāng)電度表接入被測電路后，被測電路電壓U加在電壓線圈上，在其鐵芯中形成一個交變的磁通，這個磁通的一部分ΦU由回磁極穿過鋁盤到回到電壓線圈的鐵芯中;同理，被測電路電流I通過電流線圈后，也要在電流線圈的U形鐵芯中形成一個交變磁通Φi，這個磁通由U形成鐵芯的一端由下至上穿過鋁盤，然后又由上至下穿過鋁盤回到U形鐵芯的另一端。電度表的電路和磁路如圖6-3所示，其中回磁板4是由鋼板沖制而成的，它的下端伸入鋁盤下部，與隔著鋁盤和電壓部件的鐵芯柱相對應(yīng)，以便構(gòu)成電壓線圈工作磁通的回路。

(a)鐵芯結(jié)構(gòu) (b)電路和磁路

由于穿過鋁盤的兩個磁通是交流磁通，而且是在不同位置穿過鋁盤，因此就在各自穿 圖4 鋁盤上的磁通和渦流過鋁盤的位置附近產(chǎn)生感應(yīng)渦流，如圖所示，這兩個磁通與這些渦流的相互作用，便在鋁盤上產(chǎn)生推動鋁盤轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動力矩。

作用于鋁盤的轉(zhuǎn)動力矩MP與被測電路的有功功率成正比。當(dāng)鋁盤在轉(zhuǎn)動力矩的作用下開始轉(zhuǎn)動時，切割穿過它的永久磁鐵的磁通Φf，將在其上產(chǎn)生一個渦流if。這個渦流與永久磁鐵的相互作用，將產(chǎn)生一個作用于鋁盤與其轉(zhuǎn)動方向相反的力矩Mf，稱為制動力矩。顯然，鋁盤轉(zhuǎn)動越快，切割穿過它的磁力線就越快，所引起的磁通變化率就越大，產(chǎn)生的渦流越大，則制動力矩就越大，當(dāng)鋁盤不動時，制動力矩不存在。制動力矩是隨鋁盤的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的，并隨轉(zhuǎn)速增大而增大，其方向總是和鋁盤的，轉(zhuǎn)動方向相反。

當(dāng)鋁盤在轉(zhuǎn)動力矩的作用下開始轉(zhuǎn)動后，隨著轉(zhuǎn)速的增加，其制動力矩不斷增加，直到制動力矩與轉(zhuǎn)動力矩相平衡。此時，作用于鋁盤的總力矩為零，鋁盤的轉(zhuǎn)速不再增加，而是穩(wěn)定在一定的轉(zhuǎn)速下。

智能電表

智能電能表是由測量單元、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元等組成，具有電能量計量、數(shù)據(jù)處理、實時監(jiān)測、自動控制、信息交互等功能的電能表。智能電表通過用戶交費對智能IC卡充值并輸入電表中，電表才能供電，表中電量用完后自動拉閘斷電，從而有效地解決上門抄表和收電費難的問題。并對用戶的購電信息實行微機管理，方便進行查詢、統(tǒng)計、收費及打印票據(jù)等。

智能電表較普通機械式電能表有著計量更精準(zhǔn)、智能扣費、電價查詢、電量記憶、余額報警、信息遠程傳送的優(yōu)勢。

智能電表的分類

目前，國內(nèi)的智能電能表主要分為兩種：一種是機電一體式的，一種是全電子式的。

機電一體式

機電一體式，就是在原來機械電度表上附加一定部件，使得它既能完成所需的功能，又能降低造價且易于安裝，一般而言其設(shè)計方案是在不破壞現(xiàn)行計量表原有的物理結(jié)構(gòu)，不改變其國家計量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上加裝傳感器裝置變成在機械計度的同時也有電脈沖輸出的智能電表。

第一類機電結(jié)合的電度表,是在原有的機械表的基礎(chǔ)上,加裝電子式計數(shù)裝置和相應(yīng)的控制、通訊電路,或加上IC卡讀寫接口以實現(xiàn)自動計量計費和控制;其基本結(jié)構(gòu)是在原有機械電度表的轉(zhuǎn)盤上打孔或涂(貼)上能吸收光線的材料,通過光電轉(zhuǎn)換,將機械轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動變換成電脈沖信號,再進行相應(yīng)的計數(shù)處理。這類電度表由于其計量原理沒有改動,其計量精度和特性與機械表完全一樣,而本錢相對較高。

另一類機電結(jié)合的電度表則是采用電子式計量電路在獲得數(shù)字式脈沖信號后,通過微型電機驅(qū)動字碼轉(zhuǎn)輪得到電能計數(shù)值,這種結(jié)構(gòu)是最簡潔可行的電子式電度表的方案,但遺憾的是其對計量電路的要求較高,即要求所有的表都按一個固定的比例將電能值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)數(shù)目的數(shù)字脈沖,才能按正確的速度驅(qū)動微電機以轉(zhuǎn)動字輪。
這個比例就是所謂的電表常數(shù)(imp/kWh),由于電路中所用的決定脈沖速度的定時元件大都是參數(shù)離散性較大的阻容元件,為了保證電度表的計量精度和產(chǎn)品的一致性,就必須在生產(chǎn)過程中加強對元件的篩選和對半成品的調(diào)校,也就是說要增加相應(yīng)的人力物力的投進并要延永生產(chǎn)周期,從而使電度表的生產(chǎn)用度和本錢有所增加。另外這種結(jié)構(gòu)的電度表在數(shù)據(jù)收集和用戶繳費方式上與老式的機械表沒什么區(qū)別,應(yīng)屬淘汰產(chǎn)品。

全電子式智能電表

全電子式的智能電表則從計量到數(shù)據(jù)處理都采用以集成電路為核心的電子器件，從而取消了機械部件。全電子式的智能電表比機電一體化的智能電表體積更小，可靠性更高，更加精確，耗電量也更加小，生產(chǎn)工藝大大改善。全電子式的智能電表將會逐步取代帶有機械部件的計量表，這是未來社會發(fā)展的大勢所趨。

全電子式電度表系統(tǒng)組成：

1、遠傳表。具有脈沖輸出的水表、電表、氣表、熱表等計量表為遠傳表,其計量方式與傳統(tǒng)表一樣,不同的是在原基表上增加了脈沖輸出功能,每個脈沖代表一定的計量值。采集器通過遠傳表脈沖輸出端口采集脈沖。

2、采集器。采集器能同時采集水表、電表、氣表、熱表等輸出的脈沖信息,并將這些脈沖信息轉(zhuǎn)換成計量認可的物理量,存儲在各采集器的存儲器中,通過治理微機,可以查詢系統(tǒng)中任意一戶的耗能信息,并在治理微機的抄表等命令下將用戶信息上傳。

3、轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器的主要任務(wù)為:完成與采集器的數(shù)據(jù)通訊工作,向采集器下達電量數(shù)據(jù)凍結(jié)命令,定時循環(huán)接收采集器的電量數(shù)據(jù)或根據(jù)系統(tǒng)要求接收某個電表或某組電表的數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)要求完成與主站的通訊,將用戶用電數(shù)據(jù)等主站需要的信息傳送到主站數(shù)據(jù)庫中。下行通道指的是轉(zhuǎn)換器與采集器之間的通訊線路,主要有總線抄表系統(tǒng)、載波抄表系統(tǒng)和紅外抄表系統(tǒng)等三種方式。通訊信道上行通道指的是轉(zhuǎn)換器與主站之間的通訊線路,可以采用電話、無線、專線等通訊介質(zhì)。

4、系統(tǒng)治理軟件功能。系統(tǒng)治理軟件以通訊為基礎(chǔ),以數(shù)據(jù)庫為核心,提供數(shù)據(jù)處理、查詢、統(tǒng)計、報表、備份等功能;采用面向?qū)ο蠛湍K化相結(jié)合的方法,靈活支持不同客戶的要求,如特殊格式報表,權(quán)限控制等;持客戶原有的治理系統(tǒng),可與其它治理軟件接口,提供數(shù)據(jù)接口和通訊接口,具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能;可同時治理多個小區(qū),對各小區(qū)設(shè)置通訊參數(shù);電表治理,設(shè)置電表的原始參數(shù)、地址、及其狀態(tài);費率治理,可任意設(shè)置多種費率,設(shè)置各能源的單價;用戶治理,治理和控制每戶的用量,治理用戶的結(jié)算方式;實時抄表功能,系統(tǒng)可抄取各能源表的實時數(shù)據(jù);用度自動計算,實現(xiàn)將公共能源損耗均勻分攤或按比例分攤到每戶并根據(jù)查表數(shù)據(jù)和單價,自動計算每產(chǎn)應(yīng)交用度,以便向用戶收費;打印功能,打印各用戶用度清單;查詢功能,可隨時查詢?nèi)我粦?、任一單元全部住戶及整個小區(qū)內(nèi)所有住戶的耗能信息。

智能電表的工作原理

下圖是一個智能電表的原理框圖：

下圖是一個硬件設(shè)計圖：

智能電表主要是由電子元器件構(gòu)成，其工作原理是通過對用戶供電電壓和電流的實時采樣，采用專用的電能表集成電路，對采樣電壓和電流信號進行處理，轉(zhuǎn)換成與電能成正比的脈沖輸出，最后通過單片機進行處理、控制，把脈沖顯示為用電量并輸出。通常把智能電表計量一度電時A/D轉(zhuǎn)換器所發(fā)出的脈沖個數(shù)稱之為脈沖常數(shù)，對于智能電能表來說，這是一個重要的常數(shù)，因為A/D轉(zhuǎn)換器在單位時間內(nèi)所發(fā)出脈沖個數(shù)的多少，將直接決定著該表計量的準(zhǔn)確度。

目前智能電表大多數(shù)采用一戶一個A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計原則，但也有些廠家生產(chǎn)的多用戶集中式智能電表采用多戶公用一個A/D轉(zhuǎn)換器，這樣對電能的計量只能采用分時排隊進行，會造成計量準(zhǔn)確度的下降。

智能電表的采樣方式

當(dāng)前電子式電能表對用戶用電采樣方式主要有兩種形式，一種是用互感器采樣，一種是直接采樣。

采用互感器采樣是用電壓互感器和電流互感器分別采集用戶的電壓信號和電流信號;而直接采樣是用熱穩(wěn)定性高的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來取得電壓信號，用電阻溫度系數(shù)小的錳銅片進行電流直接采樣。

采用互感器采樣，在啟動電流、線性范圍、功耗和精度等方面都不如直接采樣，尤其是當(dāng)電流值很小的時候?；ジ衅鞑蓸拥膬?yōu)點是抗干擾性較強，線路簡單，成本比較低。例如，當(dāng)額定電流為20A的時候，直接采樣的啟動電流為20mA，互感器采樣的啟動電流為40mA。又比如，采用專用的錳銅片經(jīng)行直接電流采樣的全電子電能表誤差可調(diào)整到+0.5%,而采用電流互感器采樣，若不采取補償措施，互感器本身誤差可能超過5%。

智能電表的抄表方案

電度表作為電費收取的計量依據(jù),涉及到抄表,從現(xiàn)行技術(shù)來看主要有IC卡式,遠傳抄表式。

IC卡電表收費系統(tǒng)的本錢較低、可靠性高、使用壽命長。IC卡是用硅片(EEPROM)來存儲信息的,一張IC卡至少也可以使用10年以上。IC卡電表收費系統(tǒng)安全性高,不易仿制,收費正確,不易出錯。它具有很強的加密性。采用IC卡電表收費系統(tǒng)可進步居民用電收費的治理水平,確保電力部分能及時收到電費(用戶不繼續(xù)買電,將被斷電)。IC卡表的系統(tǒng)功能包括預(yù)收費功能,報警功能,斷電功能,顯示功能和加密功能。

IC卡表的整個收費系統(tǒng)包括主機,IC卡電表和IC卡三部分。IC卡電表收費系統(tǒng),實現(xiàn)了用電收費電子化,技術(shù)成熟可靠。所以,IC卡收費系統(tǒng)在我國得到了較大范圍的推廣。但是,從系統(tǒng)的角度來看,由于用戶終端與系統(tǒng)主機并沒有直接聯(lián)系,只有在用戶持卡交費時才能了解到用戶情況,信息反饋滯后,可以講,用戶終端仍然與整個網(wǎng)絡(luò)脫節(jié)。從經(jīng)濟角度來看電力部分先收費后送電不符合經(jīng)濟政策,可以說在一定程序上侵犯了用戶的利益,所以現(xiàn)在有很多城市已經(jīng)原則上不再審批新的IC卡表項目,從長遠來看,IC卡收費系統(tǒng)只能作為一種過渡性產(chǎn)品。

遠程自動抄表系統(tǒng)實現(xiàn)用電數(shù)據(jù)的自動抄收,可杜盡人工操縱的一切弊端。用戶的用電數(shù)據(jù)可直接進進用電營業(yè)的計算機治理系統(tǒng),用電治理職員可隨時監(jiān)視用電情況,發(fā)現(xiàn)題目(如故障、竊電等)及時處理。
線損情況直接影響著供電部分的經(jīng)濟效益,以前不管人工抄讀還是IC卡表都無法正確計量線損情況,找到線損原因也很困難,而采用遠傳抄表后可以幾乎同時取得總表讀數(shù)和分表總讀數(shù),隨時把握線損情況,并較輕易地分析線損原因以便加以處理。
隨著形勢的發(fā)展,居民在銀行開設(shè)個人賬戶,營業(yè)計算機治理系統(tǒng)與銀行聯(lián)網(wǎng),完成數(shù)據(jù)的自動抄收、處理、銀行轉(zhuǎn)賬交費等全套操縱,可真正實現(xiàn)用電治理的自動化。現(xiàn)在國內(nèi)的遠傳抄表系統(tǒng)主要有485總線和載波抄表兩種形式,載波集抄系統(tǒng)是利用專用芯片對用電數(shù)據(jù)進行調(diào)制解調(diào),通過電力線進行通訊以實現(xiàn)集中抄表。
485總線方式的數(shù)據(jù)傳輸可靠性高,且造價較低,缺點是需布線,安裝較復(fù)雜,另外拉線易被人為破壞,特別是現(xiàn)在很多小區(qū)不答應(yīng)拉明線,使這種總線方式難于施工?，F(xiàn)在采用較多的方案是用戶終端到數(shù)據(jù)集中器采用電力線載波通訊,數(shù)據(jù)集中器到上位機用專用電話線。當(dāng)然,根據(jù)小區(qū)的不同情況,也有很多采取485總線與電力載波配合使用的方案。

由于全電子式智能電表的用電量數(shù)據(jù)已經(jīng)數(shù)字化，可以很方便地與各種數(shù)據(jù)收集傳送電路配合組成自動計量計費地系統(tǒng)，是現(xiàn)行家用電度表地換代產(chǎn)品，該類產(chǎn)品的大量使用將節(jié)省供電部門大量的抄表計算工作，并能及時回收電費，即先付費后用電，具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。這樣的智能電表有兩種常見的抄表方案：總線制集中抄表和電力載波集中抄表。都是遠程抄表。

總線制集中抄表：電表部分采用智能電表，各戶智能電表信號線并接在一根總線上，總線連接到樓下轉(zhuǎn)接器，各樓轉(zhuǎn)接器與小區(qū)的集中器相連，由集中器集中供電。

電力載波抄表：直接利用現(xiàn)有低壓輸電線路進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募谐硐到y(tǒng)，省去了鋪線工程，優(yōu)勢明顯。

該系統(tǒng)是集微電子技術(shù)、通訊技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的高新產(chǎn)品，具有高可靠且安裝簡單等顯著特點，廣泛適用于城市及農(nóng)村的電表、氣表抄收、計費和監(jiān)控。但由于電力線是給用電設(shè)備傳送電能的，而不是用來傳送數(shù)據(jù)的，所以電力線對數(shù)據(jù)傳輸有許多限制：
(1)配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，所以電力載波信號只能在一個配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送;
(2)不同信號耦合方式對電力載波信號損失不同;
(3)電力線存在本身固有的脈沖干擾。另外電力線上的高削減、高噪聲、高變形，使電力線成為一個不理想的通信媒介，但由于現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，使電力線載波通信成為可能，其中數(shù)據(jù)信號的信噪比決定傳輸距離的遠近。電力線載波通信的關(guān)鍵就是選用一個功能強大的電力線載波專用Modem芯片。

智能電表的工作特點

智能電表不只采用了電子集成電路的設(shè)計，再加上具有遠傳通信功能，可以與電腦聯(lián)網(wǎng)并采用軟件進行控制，因此與感應(yīng)式電表相比，智能電表不管在性能還是操作功能上都具有很大的優(yōu)勢。

1、功耗：由于智能電表采用電子元件設(shè)計方式，因此一般每塊表的功耗僅有0·6w~0·7w左右，對于多用戶集中式的智能電表，其平均到每戶的功率則更小。而一般每只感應(yīng)式電表的功耗為1·7w左右。

2、精度：就表的誤差范圍而言，2·0級電子式電能表在5%~400%標(biāo)定電流范圍內(nèi)測量的誤差為±2%,而且目前普遍應(yīng)用的都是精確等級為 1·0 級，誤差更小。感應(yīng)式電表的誤差范圍則為+0·86%~-5·7%,而且由于機械磨損這種無法克服的缺陷，導(dǎo)致感應(yīng)式電能表越走越慢，最終誤差越來越大。國家電網(wǎng)曾對感應(yīng)式電表進行抽查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)50%以上的感應(yīng)式電表在用了5年以后，其誤差就超過了允許的范圍。

3、過載、工頻范圍：智能電表的過載倍數(shù)一般能達到6~8倍，有較寬的量程。目前8~10倍率的表成正為越來越多用戶的選擇，有的甚至可以達到20倍率的寬量程。工作頻率也較寬，在40HZ~1000HZ范圍。而感應(yīng)式電表的過載倍數(shù)一般僅為4倍，且工作頻率范圍僅為45~55HZ之間。

4、功能：智能電表由于采用了電子表技術(shù)，可以通過相關(guān)的通信協(xié)議與計算機進行聯(lián)網(wǎng)，通過編程軟件實現(xiàn)對硬件的控制管理。因此智能電表不僅有體積小的特點，還具有了遠傳控制、復(fù)費率、識別惡性負載、反竊電、預(yù)付費用電等功能，而且可以通過對控制軟件中不同參數(shù)的修改，來滿足對控制功能的不同要求，而這些功能對于傳統(tǒng)的感應(yīng)式電表來說都是很難或不可能實現(xiàn)的。