电能表技术讲座.doc

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1、交流电基础知识一、电压等级1、安全电压：36V， （直流电压：5V，8V，9V，12V，15V，24V）2、低电压等级：110V，220V，380V，660V等1000V以下低压3、中压： 1140V,10KV等1000V-10KV叫中压4、高压：35KV-220KV5、超高压：330KV-750KV。6、特高压。1000kV为特高压电2007年2月5日我国首个1000kV特高压电压等级在武汉特高压交流试验基地诞生。 武汉特高压交流试验基地位于武汉市江夏区，规模为220kV/120MVA降压变压器一台，1000kV/340MVA升压变压器一台，1000kV/1km单回8分裂输电线路一条，100

2、0kV/1km同塔双回8分裂输电线路两条。该基地担负着我国特高压交流输变电工程多项试验任务，将为特高压工程提供试验数据，为制定我国特高压相关技术标准提供科学依据，同时也为特高压线路带电作业方式研究提供平台。二、功率1、有功功率（平均功率） 正弦交流电在一个周期内的平均功率为： 有功功率就是瞬时功率的平均值，也就是瞬时功率公式的第一部分，其中，cos 称为RLC电路的功率因数。 2、无功功率 有功功率反映的是电路消耗的功率，而无功功率反映的是电路储能元件的能量交换情况，它等于能量变换的最大功率，计算可得：电动机等感性负载所需无功是由电源提供的，负载电流的相位是滞后于电压的，相位差角称为功率因数角

3、，这类负载称为感性负载，感性负载从电源吸收的无功功率称为感性无功或滞后无功。电容器是容性负载，其端电流是超前于端电压的。感性负载需要从电源吸收的无功功率电容器正好可以提供，也就是电容器能发出感性无功，可以作为无功电源向感性负载提供无功功率。 一般地电力用户功率因数为0.90及以上，其他100kVA(kW)及以上电力用户和大、中型电力排灌站功率因数为0.85及以上，趸售和农业用电功率因数为0.80及以上。凡功率因数未达到上述规定的新用户，供电局可拒绝接电。3、视在功率 在交流电路中，由于有感性或容性储能设备，电压与电流有相位差，通俗讲就是电压与电流不在同一时间到达； 因此，表面看电压有多大、电流

4、有多大，实际并没有做那么大的功，有电源与储能设备的能量转换； 所以称为视在功率。交流电路中总电压与总电流有效值的乘积叫做视在功率，即： 三、负载对直流电路：电感L，感抗 ；电容C：容抗对交流电路：电感L，；电容C：； 并联阻抗： RLC电路：串联阻抗欧姆定律的相量表达式：已知：上图所示 求（t）多用户电能表技术讲座一、多用户电能表的发展过程1二、多用户电能表的技术探讨31、篡数问题32、关于多用户电能表的电流和电压传感元件问题43、两种采样方式的探讨54、如何降低户间干扰7三、多用户电能的联网问题71、485总线联网电表的隔离问题72、抄表方式的多样化8一、多用户电能表的发展过程多用户电能表诞

5、生于1993年11月，是由当时的山东矿院的杜志平、王学水、华永芳为主的课题组研制成功的。多用户表的第一批用户是兖州矿务局多种经营公司，1994年底投入使用。1993年2000年是多户电表发展的初期，也是最困难时期。1993年-1997年泰安只有向阳仪表厂一家，平均年产量500台左右，平均年产值只有100万左右。2000年泰安市就有了向阳电子、科大中天、天利达、泰安晨晖四家，每家的年产量不超过2000台，产值也只有3百万左右。这个时期之所以量小，主要有4方面的原因：、产品质量不太过硬，存在“篡数”问题；、结构设计不太合理，原材料和器件成本高，造成了产品价格偏高；、新产品要得到市场认可需要有个过程

6、，市场开发力度小；、生产厂家少，研发力量不足，产品功能单一。2000年后至今，多用户电表在产品数量和性能上有了一个大的飞跃，市场的发展也迎来大好机遇，主要原因有这些：、市场的需求增大。楼房建筑量剧增，电表需求量增加。、市场对电表的功能有更高的要求，用户需要具有联网、远控（预付费）、恶性负载识别等功能的智能电表，由于多用户表本身就有CPU控制，实现这些功能比较容易。、原材料成本降低，产品质量不断提高。、生产厂家增多，竞争激烈，市场和技术开发力度增大。现在全国已有许多家在生产研制多用户电能表，仅泰安就有10家左右，可以说泰安是中国的多用户电能表的诞生之地和生产基地。多用户电能表的种类也增加了很多，

7、有原来单纯的计量多路电能仪表，发展为具有联网、复费率、恶性负载断电、预付费等多功能电表。多用户电能表与单户电能表相比有下列突出的优势：体积小，安装使用方便，总体造价低；联网简单，组网费用低，远传数据可靠； 完成智能化功能比较容易，例如可以完成：（） 功率显示功能：实现现场校表功能（） 实现预付费功能，每户增加一个继电器，当购电量用完后自动断电。（）恶性负载识别功能、定时通断电功能等，这种特别适合于学校的用电管理。二、多用户电能表的技术探讨1、篡数问题所谓的电表“篡数”是指电度存储单元被错误地篡改，用户用电量突然发生跃变。主要原因有：供电线路低压不稳，线路干扰信号大，特别是遇到负荷变化大和雷击情

8、况，故障率更高。解决方法：在变压器的前端加滤波电感和压敏电阻。 主机板电压过低时，CPU处于临界工作状态。解决办法：增加供电电源欠电压监测电路，当电压过低时CPU复位并停止工作，例如使用X5045芯片等,早期的采用MAX1691。PCB线路板设计不合理，不符合电磁兼容要求。线路板的电磁兼容设计是一个比较复杂的事情，但是由于电能表主机板中信号频率并不高，只有几十兆赫，满足电磁兼容设计并不算困难。主要注意以下问题：(a)电气的隔离。采用光电隔离、电磁隔离（互感器）等技术。(b)数字地和模拟的处理。数字地和模拟地分开布设，在汇合处使用磁珠。(c)导线的布设应尽可能短，同一元件的各条地线或数据线尽可能

9、保持一样长。(d)导线宽度和间距问题。导线宽度和间距应满足电气性能要求，电源线要粗，线的最小宽度应根据承受的电流大小而定。(e)避免电子元件的电磁耦合。这主要包括电容耦合和电感耦合，电容耦合通常是因为走线距电源线很近，两者之间存在着电容，电容的大小与间距和信号频率有关。电感耦合主要是两线平行走线过长，造成之间电感量过大，影响数据传输。没有采用数据存储的冗余技术。应该采用三区存储电能数据，在每次调出显示的电能数据之前，先比较三个区的数据是否一致，一旦一个区的数据被篡改，立即修改过来。2、关于多用户电能表的电流和电压传感元件问题电流传感元件。用于电能表上的电流元件分两种-锰铜片和互感器，原理各不同

10、。锰铜片是利用了欧姆定律，而互感器利用了电磁感应定律。各有不同的特点：锰铜片：结构简单、体积小、价格便宜、线性度好。但电流大时发热多，过载能力差。例如对40A电流，则其发热功率：P=I2R=40403500.6W，20多户就有十多瓦的功率消耗。这样电能表本身就有较大的功耗，另外随着温度的升高，锰铜片的电阻就会改变，必然影响测量误差，因此测量大电流时，若采用锰铜片，测量精度不可能很高，并且误差会随负载大小有一定的变化。互感器：电磁隔离效果好、灵敏度高、过载能力强。但存在相位偏差、体积大、价格贵。并且由于互感器线圈上的感应电流是由导体周围电磁场的变化而产生的，用不用互感器，导体周围都存在变化的磁场

11、，因此加上互感器不会消耗额外的电能，另外且由于感应的电流非常微弱，因此，其本身发热非常的少。因此制造大量程的多用户电能表，一般采用电流互感器。电压传感元件。由电压互感器和电路分压器两种形式。电压互感器：原线圈和副线圈相同的匝数，原线圈上串接电阻，使得原线圈上电流10mA左右；副线圈上得到感应电流，经精密电阻后得到取样电压。具有电气隔离效果好、抗干扰性能强、寿命长等特点。但体积大、价格高、线性度差，存在相位偏差等。电路分压器：电路简单，价格极低，线性度好。但需要过压保护元件，否则容易雷击。3、两种采样方式的探讨信号采集芯片最早的DDY24型多户表采用AD574转换器，分别对电流和电压采样，再由单

12、片机做乘法运算，得到瞬时有功功率P，有功功率对时间的积分得到电能W。式中DI、 DV为电流和电压的数字量。由于CPU参与大量的乘法运算，并且每通道的采集频率较低，测量误差大，最多只能达到2.0级电表的计量标准。现在常采用两种采样芯片，一种是以ADE7755为代表的普通芯片，这种芯片能输出与用电量成正比的电脉冲。另一种是以CS5460为代表的多功能智能型芯片,CS5460具有与CPU接口的SPI接口，能输出瞬时有功功率、电流、电压等，比较适合做多功能电表，许多电表校验台就采用这种芯片,但是CS5460比ADE7755价格要贵一些。两种采样方式目前，我省生产的多户电表的采样方式可分为两种，一种是一

13、户一板方式，另一种是逐户循环方式。一户一板就是每块板上都有ADE7755、分流器、光电耦合器等，每板为独立采集单元。这种方式的优点是由于采用了分流器，线性度高，并且电功率连续采样，计量精度较高；缺点是电流的过载能力和电磁兼容性差。逐户循环方式.每户公用一个CS5460,分时分户计量瞬时功率，与单片机一起完成电能计量,这种采集方式属于间断采集。 对这种采样方式，由于每户的功率不是连续采集，瞬间的功率变换检测不到，因此若使用这种采样方式不可能制造出高精度的多户表，一般只能制造2.0级多用户电能表，使用这种采样方式的厂家大都用电流和电压互感器作为传感元件。但是，这类多户表具有过载能力强、电磁兼容性能

14、好、功耗低、整机密封性能好、具有电功率指示功能、寿命长等突出特点，在市场上有很高的占有率。多户表采集电路部分最好的设计方案是：传感元件使用电流和电压互感器，结构上使用一户一板，即每户都对应一套电流互感器、ADE7755(或CS5460)，电压互感器每相公用。这样就可能把两种采样方式的优点集中在一起，这种多用户表既具有线性度好、计量精度高，又具有过载能力强、电磁兼容性能好、功耗低、寿命长等特点。4、如何降低户间干扰这次制定的山东省地方计量检定规程规定了户间干扰的检验方法和满足的技术指标。针对两种不同采样方式的计量电路，应首先从原理上分析产生户间干扰的原因，然后加以降低或消除。对一户一板方式。产生

15、户间干扰的原因是处在同一同相线上的各户使用一个同电压源，当相邻用户有电流通过时，在公共接线排上就会产生压降，进而影响到该户的供电电压。由于标准校验台的电压取样直接来自供电线路，电压的大小并不受用户电流的影响，这样就产生了误差。解决的方法是：扩大公共接线面积，降低线间电阻；或者同相供电线路尽量采用点连接方式。对逐户循环方式。产生户间干扰的原因是同相用户的电流互感器输出信号共地，相邻用户的感应电流在公共模拟地的压降随用户的电流发生变化，直接影响到该户的感应电流大小和相位。解决的方法是：加大公共模拟地面积，采用公共地点连接，公共连接点距采集芯片越近越好。三、多用户电能的联网问题1、485总线联网电表

16、的隔离问题大部分厂家采用了485总线方式联网，但是许多联网工程做得很不成功。主要表现在：只有室内走线无室外走线的联网很成功，但只要出现室外走线的联网就麻烦了，特别是遇到夏天雷雨天，常出现联网失败和电表烧坏情况。主要原因是：在雷雨天，由于空间强电磁干扰或者线路受潮造成短路等原因，就会出现芯片或者线路板烧毁现象。解决的办法是：联网线采用屏蔽线并接地，电表之间加光电隔离器。光电隔离器应具有压敏电阻和抑制瞬间脉冲二极管。 2、抄表方式的多样化多用户电表的抄表方式分两大类：现场抄表和联网抄表。现场抄表：以前主要是红外线抄表。优点是电路简单、成本低。缺点是：方向性要求高；必须对准窗口通讯，立体角不能大于3

17、0度，数据传输速度慢。应该用无线高频（例如400MHz左右）电磁波抄表代替，但成本稍高。联网抄表。以前主要是采用485总线方式。优点是：技术掌握起来容易，联网环节少，通信协议完全有厂家规定，组网快。缺点：需要拉线，联网施工繁琐，系统维护艰难，网速慢。其他联网抄表方式：电力线载波：组网简单，网速慢，通讯成功率低；但是对于不需要频繁抄表的场合比较实用的。这种抄表方式的最大缺点是：抄表距离短，系统稳定性差。GPRS（通用分组无线业务）方式：利用现有的中国联通或移动无线通讯网和互联网，实现数据的远距离传输。优点是通讯速度快、系统维护方便、技术含量高。缺点是：借用其他网络，需要定期缴费。以太局域网：利用本单位的现有的以太网络，分配给电表一个固定的IP地址，在局域网内实现数据远传。优点：组网简单，便于维护，网速快。确定是：只适用于有以太局域网的用户。举例1：矿区旧楼用电改造在几栋相对集中的楼群内采用电力线载波，安装电力线载波集中器。集中器与主机之间采用485、局域网或者内部电话线拨号，一般不采用GPRS方式。举例2：高校学生宿舍预付费远程联网系统首先考虑采用局域网。若局域网受到限制，可采用485方式，或者485+GPRS方式，一般不采用电力线载波方式。但若只是完成抄表功能，可以考虑电力线载波+485方式。