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1、湖南威胜电子有限公司电 子 式 多 功 能 电 能 表第一章 工作原理第一节 电子式多功能电能表简介1. 1 概述定义 根据电力行业标准DL/T614-1997对多功能电能表的定义：“凡是由测量单元和数据处理单元等组成，除计量有功（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、储存和输出数据的电能表”都可称为多功能电能表。定义中明确四点：第一，由测量单元和数据处理单元组成；第二，能计量电能（有功或无功，或同时计量有功与无功）；第三，能计量需量，能分时、显示、储存和输出数据；第四，两种以上功能。因为允许有两种以上功能，所以市场上的多功能表千差万别，但似乎随着多功能表用量的增加，随着
2、用户对多功能表了解越来越深，功能越来越多似是多功能电能表的发展趋势。分类 多功能电能表可分为两大类：一类叫机电式多功能电能表，其电能测量单元由感应式电表组成；其数据处理单元由单片机组成。另一类电能测量单元和数据处理单元都是由大规模集成电路组成的，叫做电子式多功能电能表，或称固态式多功能电能表，也有人称静止式多功能电能表。电子式多功能电能表又细分为两种：一种计量单元和数据处理单元都由一个单片机完成；一种计量单元由专用计量芯片完成，数据处理功能由单片机完成。 机电式与电子式的失效机理不一样。机电式失效机理属机械磨损型，逐渐失效，辅以机械计度器，一旦发生故障，计度器底度还在，容易解决追补电量问题。但
3、是由于受机械磨损影响，误差越来越大，越来越慢，长寿命表就是为解决越走越慢提出来的。电子表失效是偶发性的，失效后电子计度器无显示，人们对电子表的可靠运行不无担心，但是经过将近七年在全国性普及与应用，人们对电子表建立了充分的信心。电子表精度高，功能多，适应电力行业自动化、计算机化、现代化管理的需要，因此电子式多功能电能表，在全国电力行业受到普遍的欢迎。再和机电式多功能表，复费率表比较，人们发现机电式表，不单具有感应式电能的优点，也具有感应式电表的缺点，机电式电能表没有电子表的优点，但有电子表的缺点，而机一电转换部分光电转换器，最容易发生故障，实际统计表明机电式电能表的故障率比全电子式的还要高，所以
4、全电子式多功能电能表已成为市场的主流。发展 20世纪 80年代末、90年代初国外大公司推出全电子式多功能电能表，如斯伦贝谢、LANDIS & GYR和美国GE公司。1993年我国以湖南威胜电子有限公司为代表，以自己的专利技术为基础，开始研制自己的电子式多功能电能表，1994年8月18日第一台三相全电子式多功能电能表研究成功，并通过电力部、机械电子部组织的国家级技术鉴定。1994年9月2日在全国第一次电能计量展览会上亮相，该表以其独特的造型、先进的工艺、优良的性能震惊国内外。1994、1995两年，威胜在国内做了两年艰苦的宣传、培育市场的工作，此间眼光敏锐的电力行业专家给予威胜极大的支持，特别是
5、湖南省电力局，他们第一个把威胜表挂上网，他们对推广电子式多功能电能表做出了贡献，也付出很大的代价。1996年初，电力部下令在全国推行复费率和负荷控制，这为电子式多功能表推广开避了新的应用领域。电子式多功能表随着销售应用面的扩大，技术上不断向前发展，威胜电子式多功能表相继开发出带RS-485口的通讯功能，全失压记录功能，多事件记录功能，电压合格率测量功能，负荷曲线存贮工能，目前由于两网改造的带动，电能表行业看好，国内电子式多功能电能表行业呈现一派欣欣向荣的景象，目前生产电子式多功能表的厂家已增到十几家。应用 电子式多功能电能表的应用领域很广，由于电子式多功能表具有强大的通讯功能，使多功能表广泛用
6、于远方抄表，为电量远方自动采集和自动计费；为电厂考核上网报价商业运营；为大型企业内部能源自动化管理打下基础。 电子式多功能电能表的诞生与推广给调度自动化，县调综合自动化带来革命性的变化。从采集脉冲跃为数据通讯。在远方读取电能数据同时，可以读到电压、电流、功率的瞬时值。变电站取消电压、电流、功率变送器的时代不会太远。 在电子式多功能电能表出现以后，负荷控制概念上发生了根本性的变化。且不说多功能表本身就具有超功率报警、跳匣功能，本身就可以当电力定量器用,而是多功能电能表的出现使得负控终端RTU的设计思想发生了根本性转变，即再不用从脉冲电能表取脉冲，累积计算电能，而是从RS-485口直接读取电能数据
7、。丢失脉冲的问题没了。主台与计量表计不一致的问题也没了。 配网变台监测，配网自动化是电子式多功能电能表又一应用领域。变台监测参数：电能、功率、电压、电流、功率因数多功能表都能提供，而且像电压合格率，零序电流、电量冻结等配变考核指标多功能表也能提供，从这个意义上讲电子式多功能电能表的确可称为配变监测仪。这台配变监测仪是经过型式试验有计量许可证的。用电子式多功能表测得参数进行线损计算，平衡分析，指导业扩报装，指导无功补偿是非常合适的，非常方便的，非常精确的。 电子式多功能电能表能够多种方法监视偷电：可以用远方抄表的方式24小时监视偷电；多功能表反向有功可以计入正向，防止偷电；全失压记录帮助追补电量
8、；表内数十种事件记录像飞机的黑匣子一样，记录偶然故障和不轨行为。 电子式多功能电能表还有预付费功能，在解决收费难的问题上，不可否认预付费功能立下了汗马功劳。1. 2 结构特点 图1-1 电子式多功能电能表外形图外形特点 任何产品的造形，固然有美化设计的功劳，但主要由其功能决定。电子式多功能电能表与传统的感应式电能表外形上既保持相似，又有明显的差异，也是由功能决定的。典型的电子式多功能电能表造型如（图1-1）。它也由底盒、上盖、面板、端盖、铅封螺钉、接线插孔等部分组成。这些部分和传统的感应式电能表是一致的。特别是电子式多功能电能表的对外接线方式和感应式电能表一致如（图1-2）。这就保证了电子式多
9、功能电能表在实际应用中不会发生因接线错误或破坏表计或发生计量错误。安装尺寸图三相四线带电流互感器接入式接线图三相四线带电压、电流互感器接入式接线图 图1-2 电子式多功能电能表接线图但是由于“多功能”这一特点，电子式多功能电能表外形上出现许多与传统感应式电能表不同的地方。首先是计度器，一个机械计度器显然不能满足既计有功，又计无功，还要计需量，又要分时计度的要求。现在的多功能表已经达到一百多项功能，别说机械计度器，就是发光二极管LED显示器也不能满足电子式多功能电能表的要求，于是只有求助于液晶显示器LCD。威胜公司早在1992年，就利用方块汉字便于组合的特点，在世界上首创了汉字提 图1-3 液晶
10、显示画面全屏示大屏幕液晶显示器（图1-3），成功地解决了电子式多功能电能表的显示问题。中国式大屏幕汉字提示的液晶显示和国外同类型窄条数字编码的液晶显示比较，中国式大屏幕液晶显示优点是非常明显的，受到抄表工人的普遍欢迎。有些人担心液晶的寿命问题，实际上液晶是一种低功耗器件，随着工艺技术的提高，其寿命越来越高。从威胜公司首次开发成功的第一块大屏幕液晶显示挂网运行至今已有7个年头，现在显示还非常清晰，运行正常，时间会告诉我们液晶的寿命。多功能表外形上第二个特点是验表脉冲输出方式与传统的感应式电能表不同。传统感应式电能表是通过光电管读取转盘旋转圈数与标准表比较来计算误差的。多功能表是全电子式的，功率脉
11、冲可以直接给出。于是出现了两种输出功率脉冲的方式：一种直接接入法，多功能电能表的功率脉冲输出（图1-1操作面板）与标准表直接相连；另一种是在电能表面板上装一个发光二极管，发光二极管的闪烁与功率成正比。多功能表的外形第三个特点是传统感应式电能表没有的，就是为了输出其“多功能”需要一个辅助端子（图1-4）。图1-4 多功能表的辅助端子电子式多功能电能表的时段控制功能、脉冲输出功能、通讯功能、报警跳匣功能都能通过端子输出。多功能表外形的第四个特点是具有多种抄表接口，如电钥匙（或IC卡）抄表接口（图1-1），红外抄表接口，也可以通过通讯口（图1-4）进行远程或本地抄表。多功能表外形第五个特点为适应预付
12、费的需要设有电钥匙（图1-1）或IC卡插口，并通过辅助端子报警、跳匣输出。多功能表外形第六个特点是威胜表独有的，因为威胜表的误差软件可调，所以威胜表在操作面板小门内（图1-1）设了一个专为误差调节用的通讯口。 电子式多功能电能表外型很有特点，它既保存了传统感应式电能表的固有优点，又增加了许多与功能相适应的新特点，这些特点是：1、大屏幕液晶显示；2、两种方式校表功率脉冲输出；3、多种输出辅助端子；4、预付费抄表插口；5软件调误差通讯口。内部结构 图1-5 电子式电能表内部结构 电子式多功能电能表内部结构比较简单，由两块PCB印制板组成：底层是一块电源板；上面是一块逻辑板（图1-5）。逻辑板完成计
13、量及所有管理功能，详见电子式多功能电能表的电原理框图一节。1. 3 功能 用户选择多功能电能表时，或者在编写招标技术文件时，选择哪些功能，是一个颇费脑筋的问题。这里把多功能电能表到目前为止能够达到的功能进行比较全面地列举。但是，我们认为不是功能越多越好，功能多可靠性要下降，考虑目前应用，考虑发展，够用即可。电子式多功能电能表功能列举如下：（1） 电能计量功能 一块表能同时计量正向有功、反向有功、感性无功和容性无功。这就是所谓的“一代四”，一块多功能表等于四块传统意义的感应式电能表。 反向电量有四种计量方式： 反向电量计入正向电量中，同时反向总电量单独计量并显示 反向电量计入正向电量中，同时反向
14、总电量单独计量，不显示 反向电量、正向电量单独计量，反向总电量显示 反向电量、正向电量单独计量，反向总电量不显示 容性无功计量方式也有四种：容性无功电量计入感性无功电量中，同时容性无功总电量单独计量，并显示容性无功电量计入感性无功电量中，同时容性无功总电量单独计量，不显示容性无功、感性无功单独计量，容性无功显示 容性无功、感性无功单独计量，容性无功不显示 无功还有一种计量方式，叫四象限无功，因为涉及问题较多，将在第二章计量原理中详细讲述四象限无功。（2） 功率计量功能 电子式多功能电能表可以给出多种功率计量供不同目的应用。首先多功能表可以计量需量。我们国家一般把15分钟平均功率叫需量。分别按滑
15、差时间1分、3分、5分、15分求得需量的最大值称为最大需量。需量的精确定义请参看第二章需量计量一节。从国家对需量的规定中看出需量是一种功率计量，或者确切的说是一种平均功率。最大需量应用于大用户计费考核。 负荷控制一般考核1分钟平均功率，电子式多功能表一般可从RS-485通讯口读到1分钟平均功率。 电子式多功能电能表还给出一个称为“当前功率”的概念。“当前功率”不是瞬时功率，不是一个周波的平均功率，也不是1秒钟平均功率，而是根据脉冲常数给出的一个脉冲所代表的能量值除以微秒为单位时间计算出来的平均功率。因为脉冲能量值已被标定，单片机测量出的时间精度很高，所以“当前功率”与电能表具有同等的精度等级，
16、是非常准确的。用户明确当前功率概念之后，可以多方面去应用它。如新装表，可以用当前功率核对一下接线是否有错，检查老表“当前功率”可以大致了解该表运行是否正常。 总之，多功能表功率计量功能包括：需量、最大需量计量；1分钟功率计量；当前功率计量。（3） 电压、电流计量 电子式多功能电能表可以提供总电压，电流和分相电压、电流值，也可提供零序电流。电流、电压精度等级单独标定。一般把电压、电流称为瞬时参数。（4） 时段控制功能 首先，在电子式多功能电能表内部设计了一个日计时误差相当准确的百年日历，实时时钟，没有Y2K问题，能够显示实际时间年、月、日、分、秒，受权人通过专用介质可对时钟进行调节。 其次，具有
17、以内部时钟为基础进行分时计量功能，或者称电子式多功能电能表具有复费率功能。绝大多数电子式多功能表不但对正、反向有功进行分时计量，也对感、容性无功（或四象限无功）分别进行分时计量，最大需量也分时计量。虽然国家政策现在只对有功进行分时计费，但是据有关专家分析，无功分时计费对降低电网电压，降低网损有好处。无功分时，最大需量分时计量作为一种技术储备已经设计到电子式多功能电能表中。分时计量的另一个问题是费率多少？现在一般提供四费率：尖、峰、平、谷。早期只有三费率。再多怎么办？后面有一揽子解决办法。另一个问题是一年分几个时区，一日分几个时段。早期提法是四时区8时段。现在时区，时段限制仅受内存容量的影响，以
18、一个时区的一个时段为一个存贮单元，一般表内为时区时段准备了200个存贮单元，留有足够的发展余量。分时计费的基本思想就是把电能作为一种商品，利用经济杠杆，用电高峰期电价高，低谷时电价低，以便削峰填谷，改善用电质量，提高综合经济效益。从电能是商品符合价值规律角度考虑，节假日，双休日都应该使用价格政策。为预留这种发展余地，有些地方要求考虑双休日、节假日的时段问题。最新的分时计量把费率、时区、时段、节假日进行了一揽子考虑。 第三种时段控制功能就是电量冻结功能。规定一个特定时间把电量存起来，把这个特定时间叫做电量冻结时间。早期每月有一个电量冻结日，也叫结算日。规定每月1日到28日和月末任何一天的零点为电
19、量冻结时间，不能把冻结时间规定为29日、30日或31日零点，因为如果那样规定有些月电量就无法冻结了。现在有些用户提出零点冻结不好，最好规定到其它时间，新的多功能表电量冻结的日期和时间都是可设的。 第四种时段控制就是记录代表日的整点功率。早期设计每月可把某一日整点功率记录下来做为代表日。现在可以存贮超过一个月的功率曲线，存贮间隔可设，用时段控制记录功率问题得到较圆满的解决。 人们给电子式多功能电能表规定了一个时间表，告诉什么时间应该按什么费率计量电量，这叫分时计量；什么时候把电量存起来，这叫电量冻结；什么时候记录功率值，叫做记录负荷曲线，电子式多功能电能表内的单片机像一名勤勤恳恳的工作人员，不断
20、地在那里看表（内部时钟），到时候一丝不苟的完成记录的任务。（5）预置功能 在时段控制功能中我们已经讲了，表内单片机是一名忠实的仆人，时刻在那里看表，但是什么时间完成什么任务是要人告诉它的。向电能表内单片机交待任务的过程就叫“参数预置”。 哪些参数需要预置？上面提到的时区、时段、冻结日、代表日、还有清需量日、清需量方式、滑差步进时间、时段功率限额、时段费率、报警限额、跳闸延时、用户级别、循环显示、表号等等。 用什么方法预置？可以用电钥匙（或IC卡），可以通过红外抄表口，也可以通过RS-485口。（6）监控功能 电子式多功能电能表已经不是一个单纯的计量设备，它已经发展成为对内、对外较强的监视与控制
21、设备。 它不断地监视外线路功率，超功率限额报警，超功率时间大于设定值时给出跳闸信号。在这里电子式多功能电能表起电力定量器作用。应用于预付费时，剩余电量小于限额值大于零时给出报警信号，小于等于零时发生跳闸信号。跳闸延时间可预置，跳匣延时一般015ms内任选。并可手动、自动解除跳闸状态，恢复供电。当线路出现失压时，液晶屏上有相应相（A、B或C）字母闪烁，同时有“失压”汉字显示。 电子式多功能电能表对自己的运行状态有很强的监视、控制和自检功能。如多数多功能表内电池欠压时，液晶上将出现电池图案，提示更换电池；又如威胜表对硬件故障进行监视，当A/D坏时，液晶上出现“Err1000”显示；当内卡坏时，液晶
22、上显示“Err0100”；当时钟坏时，显示“Err0010”；当电池工作超过6年时显示“Err0001”。（7）数据显示与传输功能 各种不同生产厂，不同类型的多功能电表的显示方式和显示内容是不一样的。从显示方式分为循环显示和固定画面显示两种。循环显示一个画面一项内容，利用方块汉字便于组合的性能，画面的含义十分清楚，如第一个画面上方显示“本月”、“正”“有功”几个字，中间是一排阿拉伯数字，数字后跟着单位kWh，那么任何人都清楚这是本月正向有功电度若干度的意思。一个画面一个画面的循环下去，显示出用户关心的所有内容。一般可循环显示的项目很多，如威胜表可循环显示的项目达106项，用户并不需要每次把10
23、6项都循环一遍，用户选择哪些项参加循环显示是可设的，循环显示时间间隔也是可设的。其它未参与循环显示的内容随时可用按钮切换的办法显示出来。 由于有些用户只关心有功峰、平、谷和无功总五个量。这些用户希望用一个五行固定的画面显示这五个量。五行固定画面抄表一目了然，不必像循环显示那样，抄表员要等待画面一个一个的循环。五行固定显示画面也可用按钮进行切换、转换显示其它内容。两种方法各有优缺点，威胜公司I型表采用循环显示，II型表采用五行固定画面显示。 多功能电能表能显示哪些内容？能显示总、本月、上月的正反向有功和感、容性无功的分时电量和总电量；能显示正反向的分时最大需量和总最大需量出现的时间；能显示时区设
24、置数据和失压记录；能显示实时时间和功率等等。（8）数据传输 电子式多功能电能表可通过三种方式和外界进行数据交换：第一种通过专用介质与外界数据交换，专用介质一般选用数据电钥匙或IC卡。可以通过这些专用介质对多功能表进行参数预置、预付电费。在预置参数，预付电费的同时也把多功能表内的用电数据及其它有关数据写到专用介质中。利用专用介质，即利用电钥匙或IC卡实现了多功能表对外界的数据交换。由于预付电费具有货币性质，所以介质中的数据有严格的加密措施，对用户手中的介质有防复制功能。第二种数据传输途径是红外抄表口，一般使用掌上电脑，通过红外口和多功能电能表进行数据交换；第三，通过RS232，或RS485在一定
25、的通讯规约下进行本地或远程通讯，实现本地或远方抄表和参数预置。（9）脉冲输出 多功能电能表通过辅助端子输出电量脉冲。一般包括正向有功脉冲输出，反向有功脉冲输出、感性无功脉冲输出和容性无功脉冲输出。输出方式可采用光学电子线路输出、继电器触点输出、电子开关元件输出等。（10）预付费功能 某些电子式多功能电能表还具有预付费功能，能通过专用介质（电钥匙或IC卡）预购电量或预购电费，欠费提供报警信号和跳闸信号。预付费多功能电能表必须具备记忆功能，保证剩余电量，或剩余电费不丢失；必须具有辩伪功能，当使用非指定介质时，预付费多功能电表不应接受或不工作，且应有所记录；必须具有叠加功能，表内剩余电量和新购电量进
26、行代数相加运算。（11）存储功能存储月用电数据 电子式多功能表都必须做到能存上月的用电数据。转存日以结算日或称冻结日为界，结算日冻结时间可设。由于多功能表可存上月数据，给抄表、电费结算带来很多方便，也大大提高了成本核算，线损计算的精确度。有些地方认为只存上月数据不够，要求能存前几个月的数据，威胜公司型表适应这种要求，设计成最多可存前9个月的用电数据。存储负荷曲线 存储负荷曲线是多功能表的一种扩展功能。DL/T614-1997标准规定，数据保存量136天。标准没有规定记录项目、记录时间间隔、记录方法、抄读办法。威胜型电子式多功能电能表可储存负荷曲线，且给出了详细的抄读办法。负荷曲线记录项目分六类
27、数据（电压/电流/频率、有无功功率、功率因数、总电量、四象限无功、当前需量）；记录时间间隔最小5分钟；常规容量48K字节，可扩展为96K、192K字节。负荷曲线可由串口抄出。（12）事件记录功能 所谓事件记录就是多功能电能表某些参数出现异常时，记录下发生异常情况的时间、异常情况下多功能表的状态，以备分析异常原因，追补电量，可监视多功能电表是否出现故障，使用条件是否正常，有没有窃电行为等等。从这些意义上讲，事件记录确实像飞机上的“黑匣子”。记录的事件应越全面越好。电力部部颁标准DL/T614-1997，仅对两种事件提出记录的要求。对每种事件也仅提出记录1次发生时间的要求。现在记录事件已扩展到40
28、余种，记录次数达到10次之多。下面概括一下事件记录达到的水平。 现在的电子式多功能表可以记录1至10次编程发生的时间及编程内容；能记录1至10次A、B、C各相欠压时间及欠压时的功率，且能分清此时电流有无。能记录1至10次超功率跳闸的时间及当时功率；能记录1至10次A、B、C各相失压恢复时间及当时的功率；能记录1至10次掉电时间；能记录1至10次清需量时间及清需量前的最大需量；能记录1至10次清零时间及清零前的功率；能记录校对时钟的时间及校时钟前表内时钟的年、月、日、时、分；能记录1至10次设置初始电量的时间及设置前有功电量值；能记录1至10次不平衡恢复时间及恢复前的不平衡率；能记录1至10次逆
29、相序发生时间及当时功率；能记录1至10次上电时间；能记录1至10次复位时间；能记录1至10次A、B、C各相过压时间及当时电压；能记录1至10次A、B、C各相过压恢复时间及恢复前的电压值；能记录1至10次A、B、C各相过流及恢复过流的时间及当时的功率；能记录110次调校多功能电表精度的时间；（13）电压合格率 电子式多功能电能表能够给出在线实时记录电压合格率数据，这个功能对提高供电质量，改进工作会有作用。（14）失压记录 电流大于标定电流的10%，电压小于参比电压的78%称为失压。失压与掉电或欠压概念不同。失压原因很多，拉PT是常见的窃电方法。关键是发现失压和对失压情况进行记录。电子式多功能表可
30、对失压情况进行全面记录，可记录一相失压时间及一相失压时电能表计量的有功电量，二相失压时间和二相失压电表计量的有功电量，以及三相失压时间。多功能表的失压记录可以代替失压记时仪，多功能表又给出一相失压电量和两相失压电量数值，说明多功能表失压记录功能强于失压记时仪。多功能表失压记录功能丰富了失压追补电量的方法。（15）记录失流功能 有些地方提出了“失流“概念。失流包含两层意思：一种情况，当电流小于标定电流百分之二时判为”失流“；另一种情况是当三相电流不平衡超过某个限定值时判为”失流“，限定值软件可设。用户没用电、CT开路都被记录为第一种失流。第二种失流情况也可能是真的三相负载不平衡，也可能是某项CT
31、开路。失流概念及应用有待进一步开发。（16）停电抄表电子式多功能电能表本身需要电源，一旦断电，多功能表内CPU不工作、液晶屏无显示，现场人工抄表出现问题。这一点是电子计度器（液晶LCD和发光二极管LED）共同缺点。解决停电抄表方法有两种：一种抄表时外加电池使CPU工作，使液晶显示读表，这是外加电池法。把这种外接电池做成手持装置，称为停电抄表器。抄表工随身携带停电抄表器，对停电表计进行抄表。因为电子式多功能表内部就有高能电池，可在外线停电时由高能电池供电使CPU工作。由于CPU耗电较高不宜长时间由高能电池供电，一般把CPU设计成在停电时处于低功耗的睡眠状态，抄表时抄表人用一红外遥控器唤醒CPU使
32、液晶显示，实现读表。第二节 电原理框图从多功能电能表的定义知道，多功能表由电能计量单元和数据处理单元两大部分组成。计量单元又分为感应式和电子式两类。我们把计量单元使用感应式电能表的称为感应式多功能电能表；把计量单元使用大规模集成电路芯片的，称为电子式多功能电能表，电能计量芯片可以是专用的，如BL0932；也可以利用通用的CPU单片机对外线电压、电流分时采样，通过数值计算计量有功电能、无功电能及其它参数。我们知道为了完成分时计量、计算需量，搜索最大需量等工作电子式多功能表内必须设计一个单片机进行数据处理工作，如果计量工作也由单片机完成，计量与数据处理可合并为一个单片机。只有一个单片机既负责电能计
33、量又负责数据处理的电子式多功能电能表我们简称为“单芯片的电子式多功能表”；把使用专用芯片进行电能计量，使用单片机进行数据处理的电子式多功能电能表简称为“双芯片电子式多功能电能表”。下面分别对“单芯片电子式多功能电能表”和“双芯片的电子式多功能电能表”的电原理框图进行介绍。图1-6单芯片多功能表电原理框图框图14 单芯片电子式多功能电能表组成 单芯片电子式多功能电能表由电流互感器CT、电压互感器PT、运算放大器OP模数转换器A/D、单片机CPU、内卡EEPROM、看门狗、电源、高能电池、日历时钟、液晶显示器LCD、校验脉冲输出口、校表通讯口、按钮、插口、监控输出端子，远动输出脉冲、远程通讯输出端
34、子组成。作用外线电流、电压都是频率50Hz的交流电（图1-6）。其幅值与相位角反映了用户的用电情况。相电压一般为交流220V或交流100V。多功能电能表内工作电压为5V，为使电压匹配表内设计了电压互感器PT、电流互感器CT和其后的运算放大器，它们的作用是进行电压变换。运算放大器的输出仍然是一个交流50Hz的正弦波形（图1-6）最大幅值降到5V以下。电流变换线路放大器输出相角变为j2，形成（j2-j1）的附加相移。A/D模数转换器的作用就是对从放大器输入来的交流正弦波形进行分时采样，把模拟量变成数字量。CPU把电压、电流数字量进行相乘相加计算功率，功率对时间积分得到电能。这就是用分时采样、单片机
35、计算功率的方法计量电能的。其计算原理将在第三节中介绍。计算机计量结果一方面送液晶LCD显示；一方面定时送内卡，保存当前电量。内卡是一种不易失电的可擦除EEPROM，能反复读写一百万次以上，数据可保存10年。LCD和内卡共同起着计度器的作用。多功能表不只是计量总电量，还有分时计量的作用。为了分时，表内设有百年日历实时时钟，有电时，日历时钟芯片由电能表电源供电，无电时由高能电池供电。CPU还肩负数据处理功能、分时计度就是一项典型的数据处理任务。CPU内和内卡内保存一个年时区、日时段的时间表，CPU不断的访问日历时钟并与CPU内的时间表对照，判断当前处于哪个时段，假如当前处于平时段，CPU就将刚刚计
36、算出来的电量加到平费率计度单元中，同时也写到总计度单元中。也就是说，在CPU的内存中有四个存贮单元，分别存放峰、平、谷、总电量。内卡中也有对应的峰、平、谷、总电量的存贮单元。由于电子式多功能电能表有一个内部日历时钟；又由于CPU能判别当前处在哪个时段，是什么费率，CPU能把刚刚计算出的电量加到当前费率和总电能中，实现了分时计度。内卡中也记录总电量及各费率电量，内卡和LCD配合，不仅能显示总电度，也能显示各费率电度，内卡与LCD构成一种多功能计度器。逻辑板上还装有看门狗与掉电检测电路。看门狗的作用是防止CPU死机。掉电检测的作用是监视电源电压降落情况，保证CPU留有足够时间把内存RAM中数据送到
37、内卡中去，防止丢失数据。校验脉冲输出口和较表通讯口是为校验表用的。按钮主要作用是切换显示画面。电钥匙插口或IC卡插口主要用于预付费，也用于参数预置和抄表。辅助端子上有跳闸、报警输出，有远动脉冲输出，还有RS485或RS232接口。电能表通过这些接口与远方主台进行数据通讯。图1-7双芯片多功能表电原理框图框图15双芯片电子式多功能电能表组成及作用 双芯片电子式多功能电能表由电流互感器、运算放大器、电压采样网络、补偿电路、电能计量专用芯片组成电能计量单元；由内卡、数据处理单片机、看门狗与掉电检测、日历时钟组成数据处理单元。由电源、高能电池组成供电系统；由LCD、校验表输出口、按钮、外卡插口、辅助端
38、子组成输出系统。 双芯片系统突出特点是计量单元与数据处理单元严格分开。电能计量由专用的计量芯片完成。专用的电能计量芯片种类很多：有以模拟电路为基础的模拟乘法器；有以霍尔器件为基础的霍尔乘法；还有模拟数字电路混合制造的乘法器。不管使用什么器件、基于什么原理，电能计量专用芯都必须完成一项最基本的任务，即有二个以上的输入，两个输入都是50Hz的正弦波，一个代表电压，一个代表电流。两个正弦波有一个相位差，由功率因数决定。至少有一个输出，输出是一个脉冲量，输出脉冲频率与两个正弦波乘积成正比，即输出脉冲频率与外线消耗功率成正比。数据处理单片机接收电能计量单元输入脉冲，乘以时间，就能计算出总电量。数据处理单
39、元其它工作如分时计量，计算需量、搜索最大需量、显示、脉冲输出、利用RS232口或RS485口与外界通讯等都和单芯片的电子式多功能电能表一样。第三节 计量原理 上节介绍了单芯片和双芯片电子式多功能电能表。单芯片多功能电能表采用A/D采样数值计算的办法计算有功电能；双芯片多功能表采用模拟乘法器、模拟数字混合电路、霍尔乘法等专用芯片计量有功电能。本节首先介绍有功电能的各种不同的计量方法。接着还要介绍无功电能各种计量方法，需量计算方法，电压测量方法，电流测量方法，电压合格率的计算方法。16有功计量方法 单芯片电子式多功能电能表计量有功就是用A/D采样数值计算的办法。 设交流电压、电流表达式为： （1-
40、1）（1-2） 式中，t时刻电压瞬时值 t时刻电流瞬时值 电压峰值 电流峰值电压有效值电流有效值电压、电流相位差角频率 如果已知电压、电流的有效值及相位差，则一个周期内的平均有功功率P可用下式求得： = (1-3) = = (1-4)其中：T正弦周期，一个周期内的电能可用下式求得： 实际上用户负荷是不断变化的，无法快速而精确地测得每个周期的电压有效值、电流有效值，以电压、电流向量之间的相位差。所以无法按（1-4）公式计算功率，也无法按公式（1-5）计算电能。但是，公式（1-3）的含义是功率可由瞬时值求得。电压、电流的瞬时值可用分时采样的办法得到。图（1-8）利用作图法求得一个周期内各采样点的功
41、率。 图1-8 分时采样与采样点功率从（图1-8）看到各采样点功率为 一个周期T内平均功率P为 =令,则一个周期内的电能等于 （1-6)若t0,则 公式（1-6）说明将采样点电流、电压相乘相加再乘以采样周期就是平均电能。（1-6）是一个数值计算公式，计算机可以轻松完成，关键是如何把交流电压、交流电流模拟量转换为数字量。第二节框图（图1-6）中的A/D叫做模数转换器，该器件功能就是能把模拟量转换成数字量。如果100S采样一次，50HZ交流电压、交流电流周期是20ms，那么一个周期采样200次，有些资料指出，利用高精度A/D，增加采样次数就可以把电能计算得很准。但是，我们的实践表明引起误差的原因不
42、仅是采样次数和A/D转换精度，主要由电压、电流互感器及其后的放大线路元器件分散性造成的幅值误差和相位误差。误差补偿法将在第五节中介绍。（2） 时分割乘法器原理 时分割乘法器又称PWM乘法器，实质是一个脉宽、幅度调制器，输入两路信号中的一路对脉宽进行调制，另一路对幅值进行调制。被调制的脉冲信号的直流分量就是两路输入信号的乘积。 （图1-9）为最简单由运算放大器组成的时分割乘法器电路，以此为例说明时分割乘法器原理。这个电路使用最常用的元器件，载波频率设计为5kHZ。使用在电子式电能表中最高能达到1%的精度。电路中所有电阻均为100KW。U1U2为两路输入信号，U3为输出。A4组成方波发生器，方波频
43、率由R9、C3决定，A4输出占空比1：1的对称方波。A5对方波进行积分，A5输出为对称的三角波，三角波的斜率由C4、R12决定。A3构成比较器，它将一路输入信号与三角波进行比较，A3输出可调制方波。波形如（图1-9）右侧波形图。 图1-9 由运算放大器组成的时分割乘法器A1主要完成调制作用；A1根据A3的开关信号对U1进行同相跟随或反相跟随。T1为结型场效应管，场效应管与晶体管不同，它在导通时相当于一个很小的电阻，并没有类似晶体管的导通饱和电压。因此T1在这个电路中相当于一个电子开关，T1关断时相当于开路。T1关断时，由运算放大器特性知道，A1的正端为U1，负端也因此等于U1，于是： 则，此时
44、A1为同相跟随。如（图1-10） 图1-10 场效应管关断及导通时A1等效图T1导通时，运算放大器负端必须是零。则：，此时为反相跟随器。 A2为低通滤波器，A2的截止频率约为100HZ，A2输出脉冲波的平均值可表示为 因为： 为三角波斜率有关的比例因子所以 (17)上式说明时分割乘法器输出等于输入U1与U2的乘法。利用时分割乘法器这个原理可以设计成三相有功电能表。如（图1-11）。 图1-11 时分割乘法器型电子式电能表 （图1-11）IA、IB、IC由电流互感器引入，UA、UB、UC可由电压互感器引入，单相电表的电压信号也可由电阻分压器输入。三路时分割乘法器输出的是频率为数千赫兹，幅度为正负
45、若干伏的脉动信号，经过平滑后由加法器相加。加法器输出的是正比三相有功功率的直流信号、典型值为05V。对正比于瞬时功率的直流信号可以进行低速高精度的积分式A/D变换，也可以转换为频率信号，即进行V/F变换，将05V的直流信号转换为0100KH的频率信号。 V/F变换输出频率正比于功率。但不能直接用于计数或驱动步进电机，分频的作用是把频率较高的信号分频低频信号。其中极低频用于计数或驱动步进电机，低频或中频可以驱动发光二极管或作为校表脉冲。（3）霍尔乘法器原理 霍尔效应1879年被发现以来至今已有100多年历史，随着微电子技术发展及制造工艺的进步，霍尔器件已得到了很广泛的应用。各种霍尔传感器在控制、测量领域发挥了重大作用。瑞士兰地斯公司（LANDIS & GYR）基于霍尔效应的DFS传感元件（Direct Field Sensor）测量电能就是一个成功的例子。霍尔元件是如图1-12所示的半导体薄片，当它处于磁场感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两端通以控制电流I，则在半导体另外两端将会产生一个大小与控制电流和磁感应强度乘积成正比的电势UH，UH=KHIB，其中KH为霍尔元件的灵敏度，UH为霍尔电势。设霍尔元件厚度为d。则霍尔电势UH可表示为UH=RHBI/d.R
