三項電能表 文獻綜述2

1、三相電能表的設計 學校代碼：11517 學 號：200910710123 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 文獻綜述題 目 三相電能表的設計 學生姓名 韓 天 璽 專業(yè)班級 電氣工程及其自動化0941班學 號 200910710123 系 （部） 電氣信息工程學院 指導教師(職稱) 梅 楊 完成時間 2013 年 3 月 1 日 文獻綜述三相電能表的設計摘要：隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，電能消耗日益增加，電能成為現(xiàn)代社會國民經(jīng)濟和人民生活的重要保障。本文所設計的新型多功能電子式電能表除了提高計量精確度外還實現(xiàn)了分時計量、對異常情況進行實時監(jiān)控并記錄事件等功能；可提高電能

2、的合理利用，為用戶提供公正、公平的用電環(huán)境。論文首先綜述了多功能電子式電能表的發(fā)展現(xiàn)狀及電能測量的基本原理，然后給出了系統(tǒng)的設計目標和總體方案，并按功能進行了各個硬件電路單元的設計，包括電源單元、計量單元、功能管理單元、顯示單元、通信接口單元等。在軟件設計方面，采用模塊化軟件設計方法實現(xiàn)了有功和無功的能量分時計量、RS485通訊、紅外通訊、按鍵顯示、異常檢測及記錄等功能。文中對三相電能表的抗干擾設計也有很詳細的介紹。 本三相多功能電子式電能表具有運行穩(wěn)定、可靠性高、通用性好和抗干擾能力強等優(yōu)點，適應電表市場的需求。關鍵詞：電能計量，多功能電子式電能表，復費率，ATT7022B，時鐘芯片1 電能

3、表的發(fā)展及現(xiàn)狀1.1感應式電能表（機械表）自從1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應定律以來，人們就不斷的探索使用和測量電能。電能表作為測量電能的專用儀表，至今已有100多年的歷史。1880年美國人愛迪生研制成功世界上最早的電能表，是基于電解原理的直流電能表。隨著交流電的出現(xiàn)和使用，1888年意大利物理學家費拉里斯提出了將旋轉磁場理論用于交流電能測量的觀點; 1889年，匈牙利崗茲公司的布勒泰制成了第一臺交流感應式電能表。最早出現(xiàn)的電能表是根據(jù)旋轉磁場理論制作的感應式電能表，其核心是電磁線圈和轉動部件，經(jīng)過一百多年的不斷改進和完善，感應式電能表的制造技術也已相當成熟。目前普遍使用的感應式電能表是根據(jù)交變

4、磁場中金屬圓盤的感應電流與有關的磁場形成力的原理制成的，即利用金屬鋁轉盤中感應的電流與通有交流電流的固定線圈的磁場相互作用，產(chǎn)生驅動力矩驅動鋁盤旋轉，累計消耗的電能。感應式電能表具有制造簡單、操作安全、維修方便、可靠性好和價格低廉等特點，因此，至今在包括我國的許多發(fā)展中國家甚至是一些發(fā)達國家里，感應式電能表仍作為一種計量工頻電能的儀表被廣泛使用。21.2 機電一體式電能表隨著電能開發(fā)及利用的加快，對電能管理和電能表性能提出了更高的要求。電力系統(tǒng)的不斷擴大以及對電能合理利用的探索，使感應系電能表逐漸暴露出準確度低、適用頻率范圍窄和功能單一等缺點。感應式電能表由于受其原理和結構等因素的制約，要對它

5、進行較大的改進是很困難的?；谖㈦娮蛹夹g和計算機技術的不斷發(fā)展，人們開發(fā)出了基于感應電能表的機電一體式電能表，這種電能表是利用感應系電能表的測量機構作為工作元件，使用光電傳感器完成電能脈沖的采集，經(jīng)微處理器處理后，對電能脈沖進行計量，從而實現(xiàn)對電能的數(shù)字化測量。這種電能表的顯著特點是感應式測量機構配以脈沖發(fā)生裝置，因此也被稱為感應式脈沖電能表或機電脈沖式電能表。這種電能表和機械禍合式多費率電能表都是感應式電能表向全電子式電能表過渡過程中的電能計量品種，它們對分時電價、需量電價制度的實施起了積極的推動作用。1.3 全電子式電能表機電脈沖式電能表采用感應式測量機構測量電壓電流，決定了它同樣具有感應

6、式電能表準確度低、適用頻率范圍窄等缺點。電子式電能計量方案使用乘法器實現(xiàn)功率和電能的測量，在一塊集成芯片上完成電能采樣和AD轉換，比較先進的是-AD轉換原理。功率是電流與電壓的乘積，電能是功率對時間的積分。20世紀80年代末90年代初，國外著名電測儀表公司相繼推出了全電子式多功能電能表，如瑞士蘭地斯公司(LANols&oYR)、法國斯倫貝謝公司(Sehlumberger)和美國通用電氣公司(GE)等。我國從20世紀90年代初開始研制全電子式電能表，1994年威勝集團、恒通公司等相繼推出了全電子式多功能電能表，隨后有多家公司開始小批量生產(chǎn)。經(jīng)過技術的引進、消化和吸收，我國電子式電能表開發(fā)

7、設計和制造技術得到了飛速的發(fā)展。全電子式電能表最早用于進行計量鑒定，也就是做標準表，隨著元器件性能的提高和價格的下降，全電子式電能表計量精度較高，且能實現(xiàn)復費率及用電控制，便于實現(xiàn)抄表自動化系統(tǒng)，而且生產(chǎn)成本較低，全電子式電能表逐步開始大量民用，目前使用數(shù)量已經(jīng)遠遠超過機械表。31.4多功能電能表現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前的電能表市場中全電子電能表所占比例逐年增加，機械表由于先天性在通信方面的不足，所以很難在集中自動化抄表方面有發(fā)展，機電一體式電能表雖可以進行電能信息的遠程通信，但其可提供的用電信息比較少，例如頻率，有功，無功等，另外實現(xiàn)復費率計量也比較困難。雖然基于機電一體式的電能表實現(xiàn)了預付費，但

8、鑒于安全性和其他方面的原因，國家并不主張大范圍的使用這種電能表。全電子電能表克服了上面兩種表的缺點，可以方便的計量電能的各種信息，并且實現(xiàn)遠程通信完成抄表工作和實現(xiàn)配電網(wǎng)絡自動化。近年來隨著全國用電缺口的急劇擴大，國家發(fā)改委決定全面推行峰谷分時電價和避峰電價，鼓勵用戶合理移峰用電，這一政策的出臺，帶動了全國各地供電部門對復費率、多功能電表需求的快速上升。目前，在抄表方式上，存在有RS485、紅外、GPRS和電力線載波等多種抄表方式。其中RS485抄表和紅外抄表技術比較成熟。各種抄表方式具有各自的特點，RS485需要專門布線，但其抗干擾能力較強；紅外抄表由于其通信距離的限制，不能實現(xiàn)遠程監(jiān)控的目

9、的；電力線載波通信抄表技術無需專門的通信線，利用現(xiàn)有的電力線作為通信信道，信道建設工作量極少，但其技術較為復雜，通信出錯率較高。目前還存在著GPRS無線抄表方式，GPRS是通用分組無線業(yè)務(General PacketRadio Service)的簡稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS抄表技術在未來將會有很廣的應用。電能計量技術將會向著智能化、多功能、集中管理及網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。在信息化技術不斷發(fā)展和成熟的現(xiàn)代社會，高效的電能計量和管理技術將是信息化家庭智能管理系統(tǒng)的一個重要組成部分。42電能測量原理2.1三相電路接線方式 三相

10、電源有兩種基本連接方式5：星形連接和三角形連接。星形連接示意如圖2.1（a）。三相對稱星形連接時，有如下關系： ， (2-1)式中：，-線電壓和線電流；，-相電壓和相電流。對稱三相電源可以采用三角形連接(連接)，如果不對稱程度比較大，所產(chǎn)生的環(huán)路電流將燒壞繞組。三角形連接示意如圖2.2(b)。三相對稱三角形連接時，有如下關系： ， (2-2) 式中：，-線電壓和線電流；，-相電壓和相電流。 三相負載根據(jù)其接線方法一般有三相三線和三相四線之分，以下只討論電源為Y形連接時的情況。當發(fā)電機三相繞組按星形方式連接時，負載接成三角形方式，如圖2.2(a)所示，稱為三相三線制。當發(fā)電機繞組按星形方式連接時

11、，負載也接成星形方式，如圖2.2(b)所示，稱為三相四線制。三相四線方式時，流過各相負載的電流等于各相電源流過的電流。當電路為對稱三相電路時，中線電流為零。此時中線可以去掉，變?yōu)槿嗳€制。 (a)負載三相三線連接(b)負載的三線四線連接圖2.2三相負載接法圖示以上討論了三相電源和負載的接線方法，這些知識有利于理解三相多功能電能表的參數(shù)采集電路和外部接線方式。62.2電能測量原理電能在物理上可以看成是從電源流向負載的能量流。用戶在某一時刻消耗電能的“速度”我們稱為瞬時功率，它在數(shù)學上等于該時刻瞬時電壓值與瞬時電流值的乘積，將所有這樣的“瞬間”消耗的電能加在一起就得到了總的用戶消耗電能的數(shù)量。因

12、此，有功電能的計算可以用電壓與電流瞬時值的乘積在時間上做積分得到，其測量可簡單地描述如下。7設在t時刻負載兩端的交流電壓和流過負載的交流電流的表達式為： (2.1) (2.2)其中-t時刻電壓瞬時值；t時刻電流瞬時值；電壓峰值；電流峰值；電壓有效值；電流有效值；電壓與電流相位差；角頻率。則在一個周期內平均有功功率P為 (2.3)一個周期內的電能W為 (2.4)對于三相電路，總能量可以表示為三個分相能量之和： (2-5)在實際電網(wǎng)中，電壓電流信號基本上都不是只包含50Hz頻率分量的正弦信號，而是含有很多諧波信號。事實上我們可以發(fā)現(xiàn)瞬時功率信號本身是一個含有直流分量和高頻分量的信號，而任何頻率不為

13、0的頻率分量從長期來看對于時間積分都沒有貢獻，因此電能計量數(shù)學上就相當于計算瞬時功率P的直流分量在時間上的積分。為了得到有功功率分量（即直流分量），需要對瞬時功率信號進行低通濾波處理。 92.3三相有功電能的計量8三相電路分為三相三線制和三相四線制兩種接法，下邊分別討論這兩種電路的測量方法。測量三相三線電路有功電能可以采用一表法和二表法。一表法只能用于三相對稱電路，實際中一般不會采用；工程中經(jīng)常采用二表法計量三相電能。三相三線電路的瞬時功率可表示為： (2.6) 式中：；、線電壓的瞬時值。由式(2.6)，用兩只單相電能表測量三相三線電路的總電能，稱為二表法，用這種方法測量三相三線有功電能的接線

14、和原理如圖2.4。兩只單相電能表計量值相加即為三相總能量。 三相四線電路可看成由三個單相電路組成的。其平均功率P等于各相有功功率之和，即 (2.7) 無論三相電路是否對稱，上述公式都成立。測量三相四線電路的有功電能經(jīng)常用三只單相有功電能表（DD型）,即三表法或三相四線式有功電能表（DT型），三表法就是在三根相線與零線之間分別跨接一只單相有功電能表，總能量即為三只單相表計量值之和，三相四線式有功電能表可以直接通過外部接線計量三相電能。三相四線電路因為零線電流一般不為零，所以用二表法測量時會存在較大的測量誤差。 以上介紹了傳統(tǒng)的三相電能測量方法，分別考慮了三相三線和三相四線方式，在電子式電能表成為

15、主流的今天，越來越多的設計方案開始采用專用的三相電能IC芯片，例如ADE7752、ATT7022、TM7752等，這類芯片一般具有測量精度高、外圍電路簡單、校表容易等特點，并且在不改變電路設計的前提下，可同時適用于三相三線和三相四線方式，專用電能IC芯片已經(jīng)成為三相電子式電能表設計的首選。 2.4電子式電能表的測量原理電能表測量電能的基本方法是將電壓、電流相乘，然后在時間上累加起來，即積分。電子式電能表實現(xiàn)積分的方法，是將功率轉換為脈沖頻率輸出，該脈沖稱為電能計量標準脈沖（或），其頻率正比于負荷功率。電子式電能表中起主要作用的是電能測量單元，而乘法器是該單元的核心組成部分，乘法器是實現(xiàn)被測電壓

16、、電流相乘，輸出為功率的器件。常用的乘法器可分為模擬乘法器和數(shù)字乘法器兩類，2模擬乘法器的又分為霍爾效應型、時分割型等；數(shù)字乘法器又分為硬件乘法器和軟件乘法器。目前的電子式電能表多以數(shù)字乘法器為主。2.4.1模擬乘法器2.4.1.1 霍爾乘法器霍爾元件是如圖2.6所示的半導體薄片，10當它處于磁場感應強度為B的磁場中時，如果在它相對的兩端通以控制電流I，則在半導體另外兩端將會產(chǎn)生一個大小與控制電流和磁感應強度乘積成正比的電勢。如式(2.8)所示。 (2.8)式中-霍爾元件的靈敏度；-霍爾電勢。圖2.4霍爾元件示意圖由被測電壓產(chǎn)生磁場，其磁感應強度為；被測電流通過霍爾電動勢就能反映被測電壓、電流

17、的相乘積?；魻柍朔ㄆ魇且粋€四象限乘法器，其相乘精度甚佳，可達0.3%左右。工作頻率在10kHz以內。根據(jù)霍爾乘法原理實現(xiàn)的靜止式電能表可用圖2.7表示。 霍爾乘法器輸出的是瞬態(tài)功率信號。瞬態(tài)功率信號通過變換很容易產(chǎn)生有功電能、無功電能等所需的數(shù)據(jù)。圖2.7所示的屬于直接檢測式霍爾乘法器。這種結構在輕載時誤差較大?；魻柍朔ㄆ鲗崿F(xiàn)的靜止電能表主要優(yōu)點是頻率響應寬，準確度能長期保證；抗干擾能力強；可以不需要電流互感器，不存在引入互感器誤差。電壓電流回路彼此獨立，檢測和校準相對容易，且線性也較好。主要缺點是工藝復雜，精度也不容易達到很高。2.4.1.2 時分割乘法器11時分割乘法器的工作基于計算式 (

18、2.11) 式中 ：在一個周期內電流、電壓的采樣次數(shù)。 由式(2.11)可知，負載在一個周期內消耗的電能近似等于個電壓、電流相乘再求和。m取值越大，上述近似計算產(chǎn)生的誤差越小。由此，時分割乘法器的基本思想有兩個，即分割和相乘。 時分割乘法器分為電壓型和電流型時分割乘法器，電壓型由于尖峰電壓的干擾現(xiàn)在已基本不用，現(xiàn)在使用的多為電流型時分割乘法器。所謂電流型時分割乘法器是指被測電壓、電流都變成電流形式后相乘，其乘積即功率大小也以電流形式表示。 時分割電能測量方法的特點有：(1)時分割乘法器構成的電能儀表電路簡單、成本低；(2)時分割方法測量工頻范圍內的電能線性度高；(3)時分割方法頻率測量范圍窄，

19、大多數(shù)不適于畸變波形下的功率測量；(4)電能測量準確度級別一般為2.01.0級。2.4.2數(shù)字乘法器數(shù)字乘法器是將數(shù)字量相乘，首先將被測電壓、電流的模擬量變?yōu)閿?shù)字量，然后相乘。實現(xiàn)數(shù)字量相乘有兩中方法：1）采用硬件乘法電路。硬件乘法電路是由移位寄存器、加法器和時序控制電路組成，在時序電路控制下，根據(jù)每位乘數(shù)是“1”或是“0”，來決定是否累加被乘數(shù)，每進行一位運算后需要將累加和（即乘積）右移一位。采用硬件乘法器運算速度高，但需提供硬件電路。2）采用軟件乘法器。利用計算機的乘法指令實現(xiàn)數(shù)字量相乘，這實際是利用一系列的累加和移位完成運算的，采用這種方法運算速度較慢，但可以節(jié)約硬件。若CPU里含有硬件乘法器或采用專用的芯片作控制器，運算速度仍非常快?？傊?，采用數(shù)字乘