I 分類號 密級 碩 士 學(xué) 位 論 文 題 目 ： 電子式電能表系列以及集中抄表系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā) 英文并列題目： of 究 生： 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計及理論 研 究 方 向： 機(jī)械電子 導(dǎo) 師： 周一屆 學(xué)位授予日期： 答辯委員會主席： 江 南 大 學(xué) 地址：無錫市青山灣 二 五 年 一月 創(chuàng) 性 聲 明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含本人為獲得江南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 簽名： 日期： 年 月 日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學(xué)位論文作者完全了解江南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī) 定：江南大學(xué)有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱，可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文，并且本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。 保密的學(xué)位論文在解密后也遵守此規(guī)定。 簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 錄 目錄 . 要 . V . 一章 緒論 . 1 1 1 課題來源 . 1 1 2 電能表系列市場現(xiàn)狀 . 1 1 3 集中抄表系統(tǒng)概況 . 3 1 4 課題主要涉及的內(nèi)容 . 4 第二章 電能計量 . 5 2 1 基本概念 . 5 2 2 計量原理 . 5 2 3 設(shè)計方案 . 7 2 4 非正弦電壓和電流的計量 . 9 2 5 電壓電流取樣通道 . 10 2 6 高通濾波和失調(diào)影響分析 . 11 2 7 數(shù)字頻率的轉(zhuǎn)換 . 12 2 8 計量附加功能防竊電 . 13 2 9 信號采樣以及計量誤差調(diào)校 . 14 2 9 1 硬件校表 . 15 2 9 2 軟件校表 . 15 2 10電能計量技術(shù)發(fā) 展趨向 . 16 2 10 1 電能計量技術(shù)發(fā)展思路 . 16 2 10 2 重點開發(fā)的實用計量新技術(shù) . 17 2 10 3 研究計量前沿技術(shù) . 17 2 11電能計量技術(shù)市場需求 . 18 第三章 電子式電能表 . 19 3 1 電子式電能表綜述 . 19 3 2 多費率電能表 . 19 3. 2. 1 擇 . 20 3. 2. 2 基于摩托羅拉芯片的設(shè)計開發(fā) . 20 3 3 表 . 27 3. 3. 1 . 28 3. 3. 2 戶 卡 . 29 3. 3. 3 電表 塊 . 31 3. 3. 4 卡的認(rèn)證過程 . 31 3. 3. 5 數(shù)據(jù)傳輸線路加密保護(hù) . 33 3 4 多功能電能表 . 35 第四章 抄表系統(tǒng) . 36 4 1 引言 . 36 4 2 電力載波技術(shù) . 37 4 3 簡單載波電路分析 . 38 4 4 載波調(diào)制解調(diào)技術(shù) . 41 4 5 載波技術(shù)應(yīng)用設(shè)計 . 42 6 電力線載波技術(shù)的若干發(fā)展方向 . 43 音壓縮技術(shù) . 44 帶電力線載波 . 44 窄 帶載波技術(shù) . 44 頻技術(shù) . 44 4 7 設(shè)計綜述 . 45 第五章 硬件電磁兼容設(shè)計 . 46 5 1 引言 . 46 5 2 電子電能表設(shè)計要求 . 47 5 3 線路板 電磁兼容設(shè)計 . 47 第六章 軟件設(shè)計 . 51 6 1 引言 . 51 6 2 下位機(jī)程序 . 51 6 2 1 . 54 6 2 2 線協(xié)議 . 56 6 3 上位機(jī)程序 . 57 6 4 中轉(zhuǎn)模塊程序 . 58 6 5 綜述 . 58 第七章 總結(jié)與展望 . 60 7 1 本文的主要工作和貢獻(xiàn) . 60 7 2 后續(xù)研究工作展望 . 61 參考文獻(xiàn) . 62 作者攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文 . 64 致謝 . 65 V 摘 要 電力計量用的電子式電能表，其本身具有一定的特性，并且作為一種計量用儀表，其設(shè)計與開發(fā)有著許多自身所獨特的性質(zhì)與功用，無論是硬件的設(shè)計電磁兼容設(shè)計抗干擾設(shè)計以及軟件設(shè)計都是需要通過具體的實驗測試來進(jìn)行逐步的完善，才能夠?qū)⒃O(shè)計付諸于生產(chǎn)實踐，并且形成批量的生產(chǎn)產(chǎn)品，因此對電子式電能表的設(shè)計與開發(fā)進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹。另外， 一直以來，摩托羅拉芯片以高端的產(chǎn)品為主，在航空 通訊 領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用，低端產(chǎn)品的應(yīng)用 領(lǐng)域卻涉及較少；近來為了適應(yīng)復(fù)費率電能表的研究領(lǐng)域的開發(fā)研究，專門推出了一款 片，以其作為電能表開發(fā)與設(shè)計的主導(dǎo)芯片，作為其獨立的電能表實驗室，在一系列實驗的基礎(chǔ)上，對硬件與軟件設(shè)計方面的工作進(jìn)行了細(xì)致的推敲，并且通過了電磁兼容測試，形成了復(fù)費率，智能卡表以及簡單的多功能表的成數(shù)產(chǎn)品；通訊技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各個領(lǐng)域，逐步形成了一系列模塊化的產(chǎn)品，短程的串行通訊，紅外通訊，遠(yuǎn)程的無線 及載波通訊，在諸多的領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，諸多的先進(jìn)技術(shù)都付諸于實際的應(yīng)用，通訊技術(shù)在電能表中也有 廣泛的應(yīng)用，體現(xiàn)在集中抄表系統(tǒng)方面，設(shè)計中著重于對載波通訊技術(shù)地開發(fā)，對其通訊技術(shù)進(jìn)行分析并介紹其基本的通訊原理以及傳輸方式，對其硬件結(jié)構(gòu)和軟件進(jìn)行設(shè)計測試的基礎(chǔ)上提高通訊的效率以及準(zhǔn)確率。 關(guān)鍵詞 ： 電能表 , 計量 , 載波 ,集中抄表 , , 軟件，數(shù)據(jù)處理，電磁兼容 I s a of in No in or in it is a of of as to it in in of By we it in in as so in is By a in to of As of in on in it in of of is of in of in in of to of to of to of on of of 緒論 1 第一章 緒論 1 1 課題來源 2002 年，江蘇省開始計劃實施多費率計費電能的新舉措，以緩解電力能源緊張的局面，并作為全國的試點省份對多費率電能表進(jìn)行了大規(guī)模的推行 ,逐步的實現(xiàn)電力管理的自動化。以此為契機(jī)，與無錫電度表廠進(jìn)行了多方面的接觸，于 2002 年初成立技術(shù)開發(fā)部，負(fù)責(zé)電子式電能表的技術(shù)研發(fā)工作，并經(jīng)過多方面的調(diào)研，所做的開發(fā)設(shè)計研究工作不僅可以在理論上作深度的研究，而且開發(fā)所形成的產(chǎn)品有很大的市場潛力，能夠帶來巨大 的經(jīng)濟(jì)利益，產(chǎn)品可以在生產(chǎn)運行各個環(huán)節(jié)中得到檢驗，能夠逐步成熟工藝與技術(shù)；另外以企業(yè)作為依托，無需資金投入就可以解決研究開發(fā)中需要的 的 試驗設(shè)備的問題，因此以此作為研究的課題，具有比較高的研究與實用價值。 1 2 電能表系列市場現(xiàn)狀 電能表 ( 以前指 積算電能的機(jī)械式指示電表 ， 俗稱電度表 ； 因一度電代表的電能為 1 千瓦時，故又稱千瓦時表 1。電能表是我國電工儀表行業(yè)中產(chǎn)量最大的產(chǎn)品。近幾年國家連續(xù)出臺多項與電能表行業(yè)發(fā)展相關(guān)的經(jīng)濟(jì)政策和房地產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，帶動了電能表需求的 上升。 民用電表行業(yè) (單相表 )的發(fā)展與國家關(guān)于民用電收費及裝備政策密切相關(guān)。最重要的是 “一戶一表 ”政策。國家電力公司關(guān)于全面推進(jìn) “一戶一表 ”工程的主要內(nèi)容包括：實現(xiàn)供電到戶 ,抄表到戶 ,收費到戶 ,服務(wù)到戶。 1998 年來 ,全國城鄉(xiāng)總計進(jìn)行了 5000 萬戶居民的 “一戶一表 ”改造。由于 “九五 ”期間用于城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造的表計產(chǎn)品參差不齊 ,“減弱效應(yīng) ”不會非常迅速 ,預(yù)計 “十五 ”期間這種政策性需求仍相當(dāng)于 “九五 ”期間的平均水平。 我國是電能表生產(chǎn)大國 ,據(jù)有關(guān)資料 ,我國電能表生產(chǎn)廠家已有 500 多家 ,年產(chǎn)電能表的生產(chǎn)能力達(dá) 2 億只 。 正常情況下 ,我國的電能表市場年需求量大約只有 5000 萬只左右 ,其中民用單相表約占總量的 90%95%2。民用單相表一般劃分為機(jī)械表和電子表兩大類 ,目前電子表的銷售量約占民用表市場的 右 ,2002 年電子表的銷售量為 900 萬只左右。 電子表市場需求量遠(yuǎn)不及機(jī)械表的主要原因是電子表的產(chǎn)品壽命不如機(jī)械表 (在相同價格的條件下 )。但是隨著微電子技術(shù)發(fā)展 ,電子表從技術(shù)上講已經(jīng)成熟。業(yè)內(nèi)人士分析 ,隨著電力部門對用電政策的調(diào)整 ,國家逐步推行分時電價政策 ,傳統(tǒng)的機(jī)械式電度表己不能滿足需要 ,機(jī)械表被電子表 替代是大勢所趨。2 為主體向以電子表為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變 ,具體表現(xiàn)為從普通功能型電表向長壽命、分時段電子表、多功能高科技型電能表方向過渡。 目前電力部門所用的單相電子表 ,大多是功能簡單的電子表 ,隨著民用電能表行業(yè)開始追求技術(shù)創(chuàng)新 ,國內(nèi)各種新型電子式電能表迅速推廣應(yīng)用。 電力公司從制造廠直接批量購表是電能表銷售的主渠道。隨著電力體制改革的逐步到位和一戶一表 工 程的實施 ,通過這一主渠道銷售的電能表將愈來愈多。隨著農(nóng)電體制改革和一戶一表工程的逐步完成 ,國家要求供電企業(yè)必須直接售電 、抄表、收費到戶 ,這就徹底改變了以前供電企業(yè)只管到農(nóng)村綜合變 站 以下由村電工自行管理 ,無人監(jiān)督的情況 ,也就是說今后供電企業(yè) 要 一直管到居民住戶。農(nóng)村電能表的購置自然也就納入電力系統(tǒng)招標(biāo)采購的主渠道 。 電能表的銷售還有另外幾個渠道 :一個渠道是銷售給城市中的房屋開發(fā)商 ,另一個渠道是銷售給城市物業(yè)管理小區(qū) ,再一個渠道是銷售給一些大型廠礦企業(yè)、機(jī)關(guān)、學(xué)校、事業(yè)單位。未來民用電能表銷售渠道在保持原有主渠道基本不變的情況下 ,正在發(fā)生一些 小 的變化。 民用表本屬于民用產(chǎn)品 ,卻一直是按照工業(yè)品集團(tuán)方式采購。由于民用電能表計量是否準(zhǔn)確 ,直接關(guān)系到老百姓和用電單位的切身利益 ,實際上一直和水表、煤氣表同被國家技術(shù)監(jiān)督部門列為強(qiáng)制檢定計量器具。國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局每年都要對單相電能表進(jìn)行抽樣檢查 ,隨著電力體制改革深化 ,今后技術(shù)監(jiān)督部門關(guān)于產(chǎn)品質(zhì)量的認(rèn)證是民用表銷售的唯一通行證，不再有入網(wǎng)證的要求。 根據(jù)第五次全國人口普查數(shù)據(jù) ,我國總?cè)丝跒?居住在城鎮(zhèn)的人口 45594萬人 ,居住在鄉(xiāng)村的人口 80739 萬人 ,平均每個家庭戶的人口為 ,31 個省、自治區(qū)、直轄市共有家庭戶 34837 萬戶。靜態(tài)地估計 ,國內(nèi)民用電能表市場容量約 為 只。若按 20%的更換率計算則 5 年全部完成 ,每年的市場需求量約在 5000 萬只左右 ,扣除三年城鄉(xiāng)電網(wǎng)“一戶一表 ”工程中改造完的 5000萬只表 ,預(yù)計 “十五 ”期間 ,每年民用表需求量在 5000萬只左右 ,即每年超過 50 億元的市場需求。 由于價格和使用條件等約束因素 ,預(yù)計未來幾年農(nóng)網(wǎng)用戶還將繼續(xù)使用單相機(jī)械表 ,而城市電網(wǎng)用戶將會全部替換為單相電子表。據(jù)此推斷 ,民用表市場中 ,單相電子表使用量 “十五 ”末期將達(dá)到 15198 萬只 ,占總量的 機(jī)械表使用量“十五 ”末期將達(dá)到 20184 萬只的規(guī)模 ,占總量的 據(jù) 司預(yù)測 ,中國電子電能表市場需求從現(xiàn)在起的 5 年內(nèi) ,民用電能表年需求增長率預(yù)計為 33%。由于過去大量使用機(jī)械表 ,機(jī)械表的保有量比較大 ,因此總的增長率較低 ,但電子表的推廣速度是比較快的 ,根據(jù)前面的分析 ,單相電子表年平均增長率計算為 65%左右 ,國內(nèi)民用單相電子式電能表市場 2000 年的市場為 500 萬只 ,則 2002 年達(dá)到 1000 萬只 ,2005 年將上升為 5000 萬只 。 此外 ,中國已經(jīng)正式加入 際民用表市場成為現(xiàn)實選擇。單相電能表在南美、 緒論 3 亞地區(qū) (如 :巴基斯坦、印尼、泰國、斯里蘭 卡、菲律賓、南美等國家 )每年需求量在數(shù)百萬只以上 ,這些國家用的電能表大多數(shù)是進(jìn)口的 3。由于電能表成本增加 ,發(fā)達(dá)國家的電能表生產(chǎn)企業(yè)已不再生產(chǎn)或轉(zhuǎn)移到一些不發(fā)達(dá)的國家生產(chǎn)。這些都是電能表銷售國際市場看好的因素。 這為課題研究提供了廣闊的市場基礎(chǔ)。 電能表用于對生產(chǎn) 、科研及家庭等消耗電能的測量 ，以作為控制電能消耗、實行經(jīng)濟(jì)核算和征收電費的依據(jù)。為此，電能表內(nèi)設(shè)有各種調(diào)節(jié)及補(bǔ)償裝置，如輕載調(diào)節(jié) 、滿載調(diào)節(jié) 、功率因數(shù)調(diào)節(jié)、防潛動（防止電能表無載自轉(zhuǎn)）裝置等，以保證電能表的準(zhǔn)確度。隨著工業(yè)的發(fā)展，要求生產(chǎn)一些 具有特殊用途的電能表，如預(yù)收電費電能表、最大需量電能表、分時計費電能表、測量非正弦波（波形畸變程度）的電能表等；因此本課題所能夠做的研究面比較廣 泛 。 1 3 集中抄表系統(tǒng)概況 采用傳統(tǒng)抄表方式人工抄取電能表數(shù)據(jù)，不可避免地存在以下問題：抄讀數(shù)據(jù)存在誤差，操作難以規(guī)范化，數(shù)據(jù)采集不及時、耗費人工多、成本高、效率低。為解決上述問題，近年來出現(xiàn)了將電能計量數(shù)據(jù)自動采集、傳輸和處理的電能計量自動抄表系統(tǒng)。電能計量自動抄表系統(tǒng) (將電能計量數(shù)據(jù)自動采集、傳輸和處 理的系統(tǒng) ，它克服了傳統(tǒng)人工抄表模式的低效率和不確定性，推進(jìn)了電能管理現(xiàn)代化的發(fā)展進(jìn)程 4。 傳感器、自動化儀表以及集成電路技術(shù)的發(fā)展，使得無論是機(jī)電脈沖式還是電子式電能表已能夠較好地滿足當(dāng)今電能計量自動抄表技術(shù)的需要。對于機(jī)電脈沖式電能表，需在表內(nèi)安裝光電轉(zhuǎn)換模塊和相應(yīng)的端口，實現(xiàn)反映用電量的電信號輸出。這類模塊和接口成本低、小巧且易于拆裝，因此適于目前仍在大量使用的感應(yīng)式電能表的改裝。電子式電能表可直接讀取其脈沖輸出，有的新型電子式電能表本身安裝有多種接口，適用于模擬、數(shù)字等各種通信模式。預(yù)計今后相當(dāng)一 段時間內(nèi)，電能計量自動抄表系統(tǒng)的終端采集裝置將以機(jī)電脈沖式電能表和電子式電能表兩種儀表為主 ； 采集器和集中器是匯聚電能表電量數(shù)據(jù)的裝置，由單片機(jī)、存儲器和接口電路等構(gòu)成 ； 通信子系統(tǒng)是電能計量自動抄表技術(shù)中的關(guān)鍵，也占據(jù)了一定比例的投資。數(shù)據(jù)通信方式的選取要綜合考慮地理環(huán)境特點、用戶用電行為、技術(shù)水平、管理體制和投資成本等因素。很多情況下，某種方式最終被選用并不表示經(jīng)濟(jì)利益和技術(shù)要求的最大滿足，而只是權(quán)衡了各方面條件后的折中 5。國內(nèi)外對于不同通信方式各有側(cè)重 ， 在西方發(fā)達(dá)國家，對于電能計量自動抄表技術(shù)的研究起 步較早，電力系統(tǒng)包括配電網(wǎng)絡(luò) 的 規(guī)范、完備，所以低壓電力線載波技術(shù)被廣泛應(yīng)用；在我國，4 條件所限，較多使用電話線通信。近來，隨著對擴(kuò)頻技術(shù)研究的深入，低壓電力線載波中干擾大的問題逐步得到解決，因此，低壓電力線載波通信方式在電能計量自動抄表技術(shù)中的應(yīng)用有逐步推廣的趨勢。 電能計量自動抄表技術(shù)的發(fā)展較快，開發(fā)、生產(chǎn)的廠家很多，在選用有關(guān)廠家的 技術(shù)產(chǎn)品時，需 要 認(rèn)真調(diào)查、研究，選用較為成熟的產(chǎn)品，避免重復(fù)投資，從而使電能計量自動抄表技術(shù)更好地為電力系統(tǒng)服務(wù) ；對于集中抄表系列的技術(shù)開發(fā)與研究，具有一定的理論深度與實踐意 義。 1 4 課題主要涉及的內(nèi)容 一， 電能計量技術(shù)以及其算法的研究與測試工作，防止電能計量中出現(xiàn)啟動，潛動以及漂移地情況。 二， 電磁兼容以及抗干擾方面的完整設(shè)計，避免電量計量當(dāng)中干擾成分影響到正常的運轉(zhuǎn)和計量，合理布線以及綜合實驗是關(guān)鍵所在，避免高次諧波疊加到實際信號中。 三， 相關(guān)的程序以及算法，側(cè)重于穩(wěn)定性與效率兩個方面，并對程序以及算法進(jìn)行綜合優(yōu)化。 四， 集中抄表系統(tǒng)，包括通信協(xié)議，通訊方式以及通信信道的選取，并對信號傳輸中抗干擾的處理。 五， 實用的上位機(jī)數(shù)據(jù)庫軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)比較好的人機(jī)通訊。 六， 上下位機(jī)的紅外和 485 通訊接口 模塊的設(shè)計。 綜上所述，依據(jù)涉及的內(nèi)容以及注意事宜，要完成一系列成熟產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)與測試，并形成一套完善的系統(tǒng)，最終的推向市場。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 (1 圖 1 1 電能表 通訊中轉(zhuǎn) 上位程通訊如 波 電能計量 5 第二章 電能計量 2 1 基本概念 電能 W 是有功功率 P 隨時間的積累，即 W （ T 是積累時間）。另外我們還知道P=U I，因此電能計量可以通過對電壓電流的測量然后經(jīng)過積分等一系列的運算得到，因此，在電能表中采用了積分算法機(jī)構(gòu)，通常，測量直流電能的電能表多采用電動系電表的測量機(jī)構(gòu)，而測量交流電能的 電能表則采用感應(yīng)系電表的測量機(jī)構(gòu) 6。在具體的介紹電能計量的原理之前，首先闡述在電能計量中的一些概念： 電能測量誤差：百分比誤差（測量值真值） 真值 100 電源抑制：電源抑制能力（ 百分比讀數(shù)誤差表示電源電壓變化引起的測量誤差。交流電源抑制（ 義為：先在標(biāo)稱電源電壓（如 5v）的情況下，讀取一個測量值，然后在電源電壓上疊加一個固定的頻率（如 100有效值固定（如 200信號，在相同的輸入信號電平下讀取第二個測量值，按測量誤差公式計算得到百分比誤差即為交流電源抑制比。 直流電源抑制（ 義為：先在標(biāo)稱電壓電源（如 5v）的情況下，讀取一個測量值，然后使電源電壓變化 5，在相同的輸入信號電平下讀取第二個測量值，按照測量誤差公式計算得到百分比誤差即為直流電源抑制比。 調(diào)誤差： 調(diào)誤差用模擬輸入的直流失調(diào)電壓表示，指模擬輸入 地 后，輸出折合到 擬輸入端的電壓值，與增益有關(guān)。 增益誤差：在無失調(diào)誤差的條件下，當(dāng)增益等于 1 時，實際輸出頻率與理想輸出頻率的差，用相對理想輸出頻率的百分比表示。 增益匹配誤差：在無失調(diào)誤差條件下，當(dāng)通道增益從基倍切換到 2， 8 或者 16 倍時，產(chǎn)生的增益誤差。由增益誤差引起的輸出頻率誤差，用相對于增益為 1 時輸出頻率的百分?jǐn)?shù)表示 7。 2 2 計量原理 對于電能的計量，依據(jù)前面所闡述的公式，需要對電路的電壓，電流等基本的參數(shù)進(jìn)行測量，有功功率的計量是各相的有功功率是通過對去直流分量后的電流，電壓信號進(jìn)行乘法，加法，數(shù)字濾波等一系列數(shù)字信號處理后得到的。如果前端 用過采樣技術(shù)，就可充分保證電流，電壓采樣速率，根據(jù)采樣定理可知電流，電壓采樣數(shù)據(jù)中會包含高達(dá) 21 次的諧波信息，所以依據(jù)公式： 6 (2計算得到的無功功率也至少包含 21 次諧波信息。無功功率計量算法與有功類似，只是電壓信號采用移相 90 度之后的。測量帶寬主要受到數(shù)字移相濾波器的帶寬限制，所以無功功率的測量也可以高達(dá) 21 次諧波；而視在功率，功率因數(shù)，相角得測量可以基于上述測量的有功功率和無功功率，通過開方，除法等運算就可以得到這些參數(shù)；有效值的測量是通過對電流，電壓采樣值進(jìn)行平方，開方以及數(shù)字濾波等一系列運算得到；能量的計算是將功率 信號對時間進(jìn)行積分就可以得到能量。其測量的原理主要用到下列幾組公式 8： 電壓有效值： Tr m s 2 )(1 (2電流有效值： s )(102 (2功率因數(shù)： )( )()( Sa b s Pa b ig (2單相有功平均功率： T )()(1(2三相三線合相功率： 3 (2 90903 (223233 (2三相四線合相功率： 4 (2 9090904 (224244 (2有功能量： ( (2無功能量： ( (2電子式電能表計量有功就是用 A D 采樣數(shù)值計算的方法。將一個周期 T 等分為 n 份，根據(jù)積分的數(shù)值計算方法 ，可將 功率表達(dá) 為： )()(11)()()()()()(121 (2令 t 則一個周期內(nèi)的電能量 W： k )()(1（ 2 當(dāng) t0 時，式 (2 15)則變?yōu)椋?nn )()(電能計量 7 T ()(2對式 (2 5)采取采樣數(shù)值的計算，表達(dá)式為： nk nk 0 10 c o s)()(1)(1 (2 T nk 1)()( (2式（ 2電子式電能表計量有功電能的采樣數(shù)值計算方法。當(dāng)采樣時間間隔 t0 時，形式上電能計量式（ 2在諧波情況下有功電能理論表示式（ 2同；在數(shù)值計算時由于電子電能表的 夠?qū)⒑卸鄠€不同頻率、按正弦規(guī)律變化的電壓和電流的瞬時值分別采樣并作運算，因此有效地記錄了負(fù)載的瞬時功率、亦即記錄瞬間消耗的所有有功能量。從原理上證實全電子式電能表實現(xiàn)記錄負(fù)載消耗基波和諧波總平均功率及電能量是可行的 ,全電子式電能表產(chǎn)生誤差的原因是多方面的，如溫度、電壓電流、基波頻率等外界條件；電壓電流變換線路組件的分散性，電能量計算的方法等。當(dāng)電網(wǎng)存在高次諧波時，對電能計量的準(zhǔn)確性 會 有影響，諧波含量愈高電能計量誤差愈大；當(dāng)諧波含量滿足國標(biāo)規(guī)定時，誤差影響微小，當(dāng)諧波含量超過國標(biāo)規(guī)定時，誤差影響 比 較大。 一般的電能計量參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，都是針對正弦諧波所定的標(biāo)準(zhǔn)。 在電網(wǎng)中，無論諧波流向如何，負(fù)載本身 并 不產(chǎn)生電能量。當(dāng)諧波從負(fù)載流向電網(wǎng)時實際上是負(fù)載將電網(wǎng)中的基波經(jīng)過濾波和整流后形成的諧波電流反送回電網(wǎng)，這 其實 是一種 電能污染。電子式電能表將負(fù)載（諧波源）消耗的基波有功電能和諧波源（負(fù)載）向電網(wǎng)返送的諧波有功電能（被污染的電能）進(jìn)行了代數(shù)相加，使得記錄的能量比負(fù)載消耗的基波有功電能量還要小，這是電子式電能表 在 計量原理上的 某些 不足 ，為此將在設(shè)計方案中進(jìn)行闡述，以彌補(bǔ)其不足。 2 3 設(shè)計方案 如果要進(jìn)行電量的計量，可以首先對基本參數(shù)進(jìn)行測量，然后通過一些運算算法得到功率和能量數(shù)值信息，在設(shè)計當(dāng)中，有功功率是從瞬時功率信號推導(dǎo)計算出來的，瞬時功率信號是用電流和電壓信號直接相乘得到的，為了得到有功功率分量（即直流分量），只要對瞬 時功率信號進(jìn)行低通濾波就行了。 設(shè)計中采用 乘積頻率轉(zhuǎn)換器 (,將 2 個輸入模擬信號 (電壓或電流 )相乘并轉(zhuǎn)換成與其成正比的輸出頻率 ,將電壓與電流分別作為它的2個模擬輸入信號 ,并保證 其輸出的頻率信號反映功率的大小 。 下圖 (28 功功率，這個方案能夠正確計算非正弦電流和電壓波形在不同功率因數(shù)情況下的有功功率，所有的信號處理都是由數(shù)字電路 (由模擬輸入電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 信號處理電路組成 。 )完成的，因此具有優(yōu)良的溫度和時間穩(wěn)定性。 圖 2中，兩個 來自電流和電壓傳感器的電壓信號進(jìn)行數(shù)字化，這兩個 是16 位 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，過采樣速率可以達(dá)到 900模擬輸入結(jié)構(gòu)具有寬動態(tài)范圍，大大簡化了傳感器接口（可以與傳感器直接鏈接），也簡化了抗混疊濾波器的設(shè)計，電流通道中的 一步簡化了傳感器接口，電流通道中的 濾掉電流信號的直流分量，從而消除了由于電壓或者電流失調(diào)所造成的有功功率計算上的誤差。 出是通過對上述有功功率信息的累計產(chǎn)生，即在兩個輸出脈沖之間經(jīng)過長時間的累加，因此輸出的頻率正比于平均有功功率，當(dāng)這個 平均有功功率信息進(jìn)一步被累加，因此 輸出頻率正比于瞬時有功功率，依據(jù)此就能獲得電能計量信息， 出的頻率較高，累加時間較短，這對于在穩(wěn)定負(fù)載條件下進(jìn)行系統(tǒng)校驗室很有用的。下圖示出了相移功率因數(shù)（