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

機電式電能表主要由感應(yīng)式測量機構(gòu)、光電轉(zhuǎn)換器和分頻器、計數(shù)器及顯示器四大部分組成，工作原理框圖如圖3-1所示。感應(yīng)式測量機構(gòu)的主要作用是將電能信號轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)數(shù)光電轉(zhuǎn)換器的作用是將正比于電能的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為電脈沖分頻器和計數(shù)器的主要作用是對經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的脈沖信號進行分頻、計數(shù)，從而得到所測量的電能。顯示器的作用是把電能表所測量的電能用電子器件顯示出來，以方便讀取數(shù)據(jù)。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。

第二節(jié)全電子式電能表的結(jié)構(gòu)和工作原理

一、輸入變換電路二、乘法器電路三、電壓／頻率轉(zhuǎn)換器四、分頻計數(shù)器五、顯示器

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．電流互感感器采用普通互互感器（電電磁式）的的最大優(yōu)點點是電能表表內(nèi)主回路路與二次回回路、電壓壓和電流回回路可以隔隔離分開，，實現(xiàn)供電電主回路電電流互感器器二次側(cè)不不帶強電，，并可提高高電子式電電能表的抗抗干擾能力力。其原理理框圖如圖圖3-12所示。其數(shù)學(xué)表達達式為一、輸入變變換電路（二）電壓壓輸入變換換電路1．電阻網(wǎng)絡(luò)絡(luò)采用電阻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的最大大優(yōu)點是線線性好、成成本低，缺缺點是不能能實現(xiàn)電氣氣隔離。實用中，一一般采用多多級（如3級）分壓，，以便提高高耐壓和方方便補償與與調(diào)試。典典型接線如如圖3-13所示。一、輸入變變換電路2．電壓互感感器采用互感器器的最大優(yōu)優(yōu)點是可實實現(xiàn)一次側(cè)側(cè)和二次側(cè)側(cè)的電氣隔隔離，并可可提高電能能表的抗干干擾能力，，缺點是成成本高。其其電路圖如如圖3-14所示。其數(shù)學(xué)表達達式為u（t）＝KUuU（t）一、輸入變變換電路二、乘法器器電路模擬乘法器器是一種完完成兩個互互不相關(guān)的的模擬信號號（如輸入入電能表內(nèi)內(nèi)連續(xù)變化化的電壓和和電流）進進行相乘作作用的電子子電路，通通常具有兩兩個輸入端端和一個輸輸出端，是是一個三端端網(wǎng)絡(luò)，如如圖3-15所示。理想想的乘法器器的輸出特特性方程式式可表示為為（一）時分分割乘法器器它在提供的的節(jié)拍信號號的周期T里，對被測測電壓信號號ux作脈沖調(diào)寬寬式處理，，調(diào)制出一一正負寬度度T1、T2之差（時間間量）與ux成正比的不不等寬方波波脈沖，即即T2－T1＝K1ux；再以此脈脈沖寬度控控制與ux同頻的被測測電壓信號號uy的正負極性性持續(xù)時間間，進行調(diào)調(diào)幅處理，，使u＝K2uy；最后將調(diào)調(diào)寬調(diào)幅波波經(jīng)濾波器器輸出，輸輸出電壓U0為每個周期期T內(nèi)電壓u的平均值，，它反映了了ux、uy兩同頻電壓壓乘積的平平均值，實實現(xiàn)了兩信信號的相乘乘，輸出的的調(diào)寬調(diào)幅幅方波如圖圖3-17所示。二、乘法器器電路（二）數(shù)字字乘法器采用數(shù)字乘乘法器的全全電子式電電能表的基基本結(jié)構(gòu)框框圖如圖3-20所示。微處理器控控制雙通道道A／D轉(zhuǎn)換，同時時對電壓、、電流進行行采樣，由由微處理器器完成相乘乘功能并累累計電能。。平均功率率表示為以△t為時間間隔隔將上式中中的積分做做離散化處處理，即對對電壓、電電流同時進進行采樣，，則二、乘法器器電路三、電壓／／頻率轉(zhuǎn)換換器電子式電能能表常用的的雙向積分分式電壓／／頻率轉(zhuǎn)換換器的原理理電路如圖圖3-21所示。輸出電壓U0的頻率四、分頻計計數(shù)器所謂分頻，，就是使輸輸出信號的的頻率分為為輸入信號號頻率的整整數(shù)分之一一；所謂計計數(shù)，就是是對輸入的的頻率信號號累計脈沖沖個數(shù)。圖3-23為分頻計數(shù)數(shù)器原理框框圖和脈沖沖波形。五、顯示器器目前常見的的電子式電電能表顯示示器件有三三種：液晶晶（LCD）、發(fā)光二二極管（LED）、熒光管管（FIP）。液晶顯示器器（LCD）是利用液液晶在一定定電場下發(fā)發(fā)生光學(xué)偏偏振而產(chǎn)生生不同透光光率來實現(xiàn)現(xiàn)顯示功能能的。液晶晶顯示器在在靜態(tài)直流流電場下壽壽命很短（（一般為幾幾千小時）），而在動動態(tài)交變電電場下壽命命很長（可可達20萬h）；除具有有長壽命的的優(yōu)點之外外，還具有有功耗小（（小于10μA），在有一一定采光度度時顯示對對比強等優(yōu)優(yōu)點。發(fā)光二極管管（LED）是利用特特殊結(jié)構(gòu)和和材質(zhì)的二二極管在施施加正向工工作電壓、、具有一定定工作電流流時，發(fā)出出某一特定定波長的可可見光來實實現(xiàn)顯示功功能的。具具有溫度范范圍寬（﹣40～85℃）、在弱光光背景下顯顯示醒目和和低成本等等優(yōu)點；缺缺點是壽命命短（一般般為3萬～5萬h）、耗電大大（一般5～10mA）、露天下下顯示不清清等。熒光顯示板板（FIP）是利用特特種熒光物物質(zhì)在一定定電場和一一定紅外線線熱能下產(chǎn)產(chǎn)生一定亮亮度的可見見熒光來實實現(xiàn)顯示功功能的。除除成本高缺缺點外，其其優(yōu)缺點和和發(fā)光二極極管基本相相同。第三節(jié)單單相電子子式復(fù)費率率電能表一、常用術(shù)語二、工作原理三、主要功能特特點四、規(guī)格五、基本誤差六、主要技術(shù)指指標(biāo)七、顯示功能八、遙控器功能能九、遙控器編程程十、讀表一、常用術(shù)術(shù)語1．復(fù)費率電電能表有多個計度度器分別在在規(guī)定的不不同費率時時段內(nèi)記錄錄交流有功功或無功電電能的電能能表2．費率計度度器由貯存器（（用作貯存存信息）和和顯示器（（用作顯示示信息）二二者構(gòu)成的的電——機械裝置或或電子裝置置，能記錄錄不同費率率的有功或或無功電能能量。3．電能測測量單元元由被測量量輸入回回路、測測量等部部分構(gòu)成成，進行行有功或或無功電電能計量量的單元元4．費率時時段控制制單元由費率計計度器（（含驅(qū)動動電路））、時間間開關(guān)及及邏輯電電路等構(gòu)構(gòu)成，進進行費率率時段電電能測量量和顯示示的單元元5．峰、平平、谷電電量電力系統(tǒng)統(tǒng)日負荷荷曲線高高峰時段段的電能能量稱峰峰電量，，低谷時時段的電電能量稱稱谷電量量，計量量峰、谷谷時段以以外的電電能量稱稱平電量量，三者者之和為為總電量量單相電子子式復(fù)費費率電能能表的工工作原理理框圖如如圖3-24所示。二、工作作原理工作原理理:二、工作作原理電流、電電壓采樣樣電路是是將流過過線路的的大電流流和外部部220V交流電壓壓變換為為合適的的小電流流、小電電壓信號號，經(jīng)電電能專用用集成電電路轉(zhuǎn)換換成隨功功率變化化的脈沖沖信號。。單片微微處理器器接收到到功率脈脈沖信號號后進行行電能累累計，數(shù)數(shù)據(jù)存入入存儲器器中，同同時讀取取時鐘信信號，按按照預(yù)先先設(shè)定好好的時段段分時計計量，將將數(shù)據(jù)輸輸出到顯顯示器中中顯示，，并且隨隨時接收收串行通通信口的的通信信信號進行行數(shù)據(jù)處處理。三、主要要功能特特點（1）4種費率、、10個時段（2）最大需需量計算算采用滑滑差式（3）當(dāng)前一一分鐘平平均功率率的顯示示（4）5V／80ms有源或無無源光電電隔離電電能脈沖沖輸出（5）停電時時間累計計（6）具有紅紅外遙控控編程、、RS485通信接口口（7）可用12V外接電源源掌上電電腦紅外外抄表（8）可設(shè)固固定顯示示和循環(huán)環(huán)顯示方方式（9）可記錄錄3個月（本本月、上上月、上上上月））的有功功總電能能、各費費率電能能、最大大需量及及需量發(fā)發(fā)生的時時間等信信息（10）遙控器器可全面面顯示所所有功能能項，并并可方便便編程四、規(guī)格格五、基本本誤差六、主要要技術(shù)指指標(biāo)（1）時鐘準(zhǔn)準(zhǔn)確度：：日誤差差≤土土0.5S／天（2）停電后后數(shù)據(jù)保保持時間間：≥10年（3）電能計計度器容容量：99999.9kW·h（4）需量計計度器容容量：99.9999kW（5）絕緣耐耐壓：≥≥2000VAC（6）功耗（（LCD顯示）：：≤2VA（7）啟動電電流：0.4％Ib（8）電池功功耗（停停電不顯顯示時））：≤0.4μμA（9）工作溫溫度：﹣20～﹢50℃（10）存儲和和運輸溫溫度：﹣25～﹢50℃（11）濕度：：≤75％。七、顯示示功能（1）數(shù)碼管管顯示。。左邊2位指示功功能序號號，右邊邊6位指示內(nèi)內(nèi)容（2）峰平谷谷指示燈燈。峰、、平、谷谷指示燈燈中的一一個亮依依次代表表右邊6位顯示為為峰電量量、平電電量、谷谷電量；；峰、平平兩燈齊齊亮表示示尖峰電電量；三三燈全亮亮表示總總電量。。（3）欠壓指指示燈。。內(nèi)部電電池欠壓壓時此燈燈常亮顯顯示（4）電能脈脈沖指示示燈。用用于指示示用戶用用電負載載情況八、遙控控器功能能（1）記憶鍵鍵：編程程時，將將調(diào)整正正確的數(shù)數(shù)據(jù)記憶憶，同時時功能號號遞增一一位；讀讀表時，，顯示““00”項功能序序號。（2）右移鍵鍵。編程程時循環(huán)環(huán)移動要要調(diào)整的的數(shù)據(jù)位位；在正正常工作作狀態(tài)下下，該鍵鍵為循環(huán)環(huán)顯示和和固定顯顯示轉(zhuǎn)換換開關(guān)。。（3）上移及及下移鍵鍵。編程程時，用用以增、、減閃爍爍位的數(shù)數(shù)值；正正常工作作時，用用以增、、減顯示示項功能能序號。。（4）編程鍵鍵：在需需要對電電能表進進行編程程時按此此鍵2秒鐘便可可進入編編程狀態(tài)態(tài)。（5）清零鍵鍵：在電電能表最最大需量量需要清清零時按按此鍵可可將最大大需量值值清零。。（6）復(fù)位鍵鍵：編程程狀態(tài)時時按此鍵鍵退出編編程，正正常工作作時按此此鍵顯示示功能序序號00項。（7）數(shù)字鍵鍵。數(shù)字字鍵0～9在編程狀狀態(tài)時用用于修改改數(shù)碼管管閃爍位位的數(shù)值值，正常常工作時時用于查查看功能能序號項項數(shù)據(jù)。。（8）自檢鍵鍵。用于于檢查數(shù)數(shù)碼管各各段顯示示是否正正常。九、遙控控器編程程（1）進入編編程狀態(tài)態(tài)。按““編程””鍵，此此時顯示示“99———0”，依次在在數(shù)碼管管閃爍位位輸入6位密碼，，密碼正正確后進進入編程程狀態(tài)（2）選定編編程項。。進入編編程狀態(tài)態(tài)后，左左邊兩位位數(shù)碼管管顯示編編程項目目號，用用遙控器器上的數(shù)數(shù)字鍵““0～9”或者按““上移””或“下下移”鍵鍵，改變變到要編編程的項項目號（3）輸入數(shù)數(shù)據(jù)。按按“右移移”鍵選選擇數(shù)據(jù)據(jù)位，其其閃爍位位可用數(shù)數(shù)字鍵““0～9”或“上移移”“下下移”鍵鍵輸入數(shù)數(shù)字(4）記憶數(shù)數(shù)據(jù)：確確認輸入入數(shù)據(jù)正正確后，，按記憶憶鍵保存存該項數(shù)數(shù)據(jù)。（5）編程結(jié)束：：按“復(fù)位””鍵結(jié)束編程程。十、讀表1．直接讀表表內(nèi)顯示可以以設(shè)定為固定定項目顯示或或循環(huán)顯示。。固定顯示時時，用戶只要要按遙控器上上的“數(shù)字鍵鍵”、“上移移”或“下移移”鍵顯示相相應(yīng)功能順序序號項內(nèi)容，，按復(fù)位或記記憶鍵顯示回回到“00XXXXXX”項2．最大需量清清零最大需量清零零是將當(dāng)前電電能表內(nèi)電量量、最大需量量凍結(jié)保存。。按清零鍵后后電能表自動動將上月電量量、需量等數(shù)數(shù)據(jù)存入上上上月保存，將將當(dāng)前電量、、需量等數(shù)據(jù)據(jù)存入上月保保存，當(dāng)前需需量清零，以以后依次類推推第四節(jié)單單相預(yù)付費電電能表一、基本原理二、IC卡技術(shù)三、主要性能指標(biāo)標(biāo)及功能一、基本原理理單相預(yù)付費電電能表原理框框圖如圖3-25所示。二、IC卡技術(shù)IC卡是集成電路路卡（IntergratedCircuitGard）的簡稱。它它將集成電路路鑲在塑料卡卡片上。它與磁卡比較較有接口電路路簡單、保密密性好、不易易損壞、存儲儲容量大、壽壽命長等特點點。IC卡中的芯片分分為不揮發(fā)的的存儲器（也也稱存儲卡））、保護邏輯輯電路（也稱稱加密卡）和和微處理單元元（也稱CPU卡）三種在電能表上使使用的卡，這這三種都有，，接口往往采采用串行方式式的接觸式卡卡。三、主要性能能指標(biāo)及功能能1．主要參數(shù)（1）準(zhǔn)確等級：：1.0級；（2）電流規(guī)格：：5（20），10（40）A；（3）電壓回路功功耗：＜2W；（4）工作電壓范范圍：（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。。計量有功電電量，有功＝＝正向有功十十反向有功。。（2）功率脈沖輸輸出。脈沖寬寬度80±5ms，空觸點輸出出，同時有脈脈沖LED指示。（3）負荷控制。。具有超功率率自動斷電的的負荷控制功功能，可以設(shè)設(shè)置功率限額額以及允許次次數(shù)，當(dāng)平均均功率大于限限額后，電能能表跳閘并顯顯示當(dāng)時的功功率。使用用用戶購電卡插插入電能表可可以恢復(fù)供電電。但當(dāng)超功功率跳閘次數(shù)數(shù)超過設(shè)定的的允許次數(shù)時時，電能表將將不可恢復(fù)供供電，只有使使用了參數(shù)設(shè)設(shè)置卡改變了了功率限額后后，才能恢復(fù)復(fù)供電。（4）防竊電功能能。具有自動動檢測短接電電流回路的防防竊電功能，，當(dāng)短接進出出線時，電能能表顯示“O”并且記錄竊電電次數(shù)。（5）顯示。LCD顯示可以設(shè)置置自動及手動動（按鈕切換換）方式，（6）報警顯示。。當(dāng)電能表自自檢出現(xiàn)故障障時，顯示故故障（7）預(yù)付費功能能。使用購電電卡可將購電電量送入電能能表，電能表表按設(shè)定的費費率遞減，當(dāng)當(dāng)剩余電費小小于設(shè)定的報報警門限時，，電能表跳閘閘，提醒用戶戶去購電；此此時插入購電電卡可以恢復(fù)復(fù)供電。當(dāng)剩剩余電費小于于零后，電能能表將跳閘，，直到購電后后才能恢復(fù)供供電。三、主要性能能指標(biāo)及功能能第五節(jié)三三相三線電子子式多功能電電能表一、常用術(shù)語二、工作原理三、主要性能四、規(guī)格和主要技技術(shù)參數(shù)五、主要功能六、顯示功能一、常用術(shù)語語1．測量單元產(chǎn)生與被計量量的電能量成成正比例輸出出的電能表部部件。2．?dāng)?shù)據(jù)處理單單元對輸入信息進進行數(shù)據(jù)處理理的電能表部部件。3．多功能電能能表由測量單元和和數(shù)據(jù)處理單單元等組成，，除計量有功功（無功）電電能外，還具具有分時、測測量需量等兩兩種以上功能能，并能顯示示、儲存和輸輸出數(shù)據(jù)的電電能表。4．顯示器顯示存儲器內(nèi)內(nèi)容的裝置。。5．需量周期測量平均功率率的連續(xù)相等等的時間間隔隔。6．最大需量在指定的時間間區(qū)間內(nèi)，需需量周期中測測得的平均功功率最大值。。7．滑差（窗））時間依次遞推來測測量最大需量量的小于需量量周期的時間間間隔。8．額定最大脈脈沖頻率多功能電能表表在額定電壓壓、額定頻率率、額定最大大電流及cosφ=1.0條件下，單位位時間發(fā)出的的脈沖數(shù)。9．常數(shù)表示多功能電電能表計量到到的電能量與與其相應(yīng)的輸輸出值之間關(guān)關(guān)系的數(shù)。二、工作原理理工作原理框圖圖如圖3-26所示。工作原理:二、工作原理理A、B、C三相電壓、電電流信號經(jīng)電電能表采樣電電路和功率計計量處理器變變換成相應(yīng)的的數(shù)字信息后后，傳送給數(shù)數(shù)據(jù)處理中心心，并通過程程序處理求出出各相電壓、、電流、功率率、電量、需需量、功率因因數(shù)等各項參參數(shù)；同時識識別各相電壓壓、電流有無無異常并記錄錄相應(yīng)的失壓壓、失流狀態(tài)態(tài)。三、主要性能能（1）保證整機長長期穩(wěn)定工作作；精度基本本不受頻率、、溫度、電壓壓變化影響；；整機體積小小，重量輕，，密封性能好好，可靠性較較其他同類產(chǎn)產(chǎn)品有明顯提提高（2）當(dāng)電網(wǎng)停電電后，鋰電池池作為后備電電源，提供停停電后表內(nèi)電電量的顯示讀讀取，并保證證內(nèi)部數(shù)據(jù)不不丟失，日歷歷、時鐘、時時段程序控制制功能正常運運行，來電后后自動投入