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1、电子式电能表建设方案1.2.2电子式电能表的产生随着电能开发及利用的加快，对电能管理和电能表性能提出了更高的要求。电力系统的不断扩大以及对电能合理利用的探索，使感应系电能表逐渐暴露出准确度低、适用频率范围窄和功能单一等缺点。感应式电能表由于受其原理和结构等因素的制约，要对它进行较大的改进是很困难的。基于微电子技术和计算机技术的不断发展，人们相继开发出了多种多样的电子式电能表。早期的电子式电能表，仍采用感应系电能表的测量机构作为工作元件，由光电传感器完成电能 脉冲的转换，然后经电子电路对脉冲进行适当处理，从而实现对电能的测量。这种电能表的显著特点是感应系测量机构配以脉冲发生装置，因此也被称为感应
2、系脉冲电能表或机电脉冲式电能表。机电脉冲式电能表在国外早已有成熟产品，并自20世纪70年代初就开始在一些工业化国家逐渐被大面积采用。这种电能表和机械祸合式多费率电能表都是感应系电能表向全电子式电能表过渡发展过程中的电能计量品种，它们对分时电价、需量电价制度的实施起了积极的推动作用。但是以感应系测量机构作为其测量主回路的原理性缺陷，决定了它同样具有感应系电能表一样的准确度低、适用频率范围低等缺点。为了替代感应系测量机构，从20世纪70年代起人们就开始研究并试验采用电子电路来测量交流电能。由于电能是电功率对时间的积分，所以任何电子电路式电能计量方案的第一步都是确定电功率。因而，使用乘法器是实现测量
3、电功率和电能的电子电路的共同特点。全电子式电能表是在20世纪70年代后期发展起来的，因其没有机械转动部分和计数机构，又称为静止式电能表或固态电能表。但由于受当时的电子技术水平的制约，全电子电能表仅用于标准表。随着电子技术的迅猛发展，电子器件的性能在20世纪80年代有了质的飞跃，且价格幅度下降，国外电子表的生产有了长足的进步。到20世纪80年代末90年代初国外大公司相继推出了全电子式多功能电能表，如瑞士兰地斯公司(LANDIS & GYR)、法国斯伦贝谢公司(Schletmberger)和美国通用电气公司(GE)等。电子式电能表按照其乘法器工作原理的不同可分为模拟乘法器型和数字乘法器型两大类。模
4、拟乘法器型又有晶体管阵列平方乘法器、热偶乘法器、可变跨导型乘法器、双斜积分乘法器、霍尔效应乘法器和时分割乘法器等几种类型。数字乘法器也已有几个种类。目前电子式电能表在国外的使用己比较普遍，特别是在西方发达国家非常普及，其年销量已超过机械式电能表。电子电能表与机械式电能表相比，除具有测量精度高、性能稳定、功耗低、体积小和重量轻等优点外，它还可以实现更丰富的功能，如复费率、最大需量、有功和无功电能记录、事件记录、负荷曲线记录、功率因数测量、电压合格率统计和串行数据通信等。电子式多功能电能表应用领域很广，并由于它具有强大的通讯功能而广泛应用于远程抄表，为用电管理所需的电能计度数据远程自动采集和自动计
5、费、为电厂考核上网报价商业运营，以及为大型企业内部能源自动化管理提供了先进的技术手段。而在初期，人们对于电子式电能表推广使用存在很大争议，主要原因是其使用寿命和可靠性指标方面有待进一步提高。电子式电能表的失效机理与机械式电能表不一样，机械式电能表的失效机理属机械磨损型，在使用过程中精度逐渐降低，最终失效，辅以机械计度器进行数据显示，一旦发生故障，主要的只是计量精度不符要求，但计度器的度数还在，其影响相对较小。电子式电能表的失效机理属偶发性的，一旦出现故障就可能导致不计电量，无显示，或历史计量数据丢失，其故障原因可能仅仅是由内部的某些元器件失效所致。同时，电子式电能表在现场使用环境下暴露出抗干扰
6、能力差等弱点。经过调查和试验发现，生产厂家在元器件和材料选择、工艺上随意性较大，质量波动明显，另外缺乏实际运行经验，生产也未形成规模，售后服务和技术支持投入力量都不足，所以在当时的条件下大面积使用风险较大。随着电子电路设计与制造新技术的出现，电能表的器件选择和工艺控制逐渐成熟，以及电子式电能表在各种现场环境下工作可靠性的问题逐渐攻破，相继出现了多种寿命长、可靠性高、适合现场使用的电子式电能表。目前己有相当数量的各种类型的国产和进口电子式电能表投入电网运行，并已产生了显著的经济和社会效益。在多年来的推广和使用中，电子式电能表性能的优越表现使人们对它建立了充分的信心。我国从20世纪90年代初开始研
7、制全电子式电能表，其产品大多为斯伦贝谢模式。1994年威胜集团、恒通公司等相继推出了电子式多功能电能表。随后有多家公司开始小批量生产。经过技术的引进、消化和吸收，我国电子式电能表的研制与生产逐渐进入创新和符合国情的快速发展阶段。1996年初电力部下令在全国推行复费率和负荷控制，为电子式电能表开辟了广阔的应用领域。并由于“两网改造”的带动，电子式电能表应用面迅猛扩大，它的开发设计和制造技术也得到了飞速的发展。1.3 电能表的工作原理 目前，国内智能电度表从结构上大致可分为机电一体式和全电子式两大类。机电一体式，即在原机械式电度表上附加一定的部件，使其既完成所需功能，又降低造价且易于安装，一般而言
8、其设计方案是在不破坏现行计量表原有物理结构、不改变其国家计量标准的基础上加装传感装置，变成在机械计度的同时亦有电脉冲输出的智能表，使电子计数与机械计数同步，其计量精度一般不低于机械计度式计量表。这种设计方案采用原有感应式表的成熟技术，在计量方面没有太多的技术难度，所以被大量采用。脉冲式和数字式电表，实现自动抄表相对较容易，但是由于其价格昂贵，用户使用范围有限。磁卡预收费电表的使用也存在很大的缺陷：只适用于散户，不便于集中物业管理；抗干扰能力弱，易产生用电纠纷；易解密。普通型电表价格低廉，为绝大多数用户所使用。因此较实用的电表抄录系统还是要针对居民用户的普通电表来设计。普通电能表的工作原理是：当
9、把电能表接入被测电路时，电流线圈和电压线圈中就有交变电流流过，这两个交变电流分别在它们的铁芯中产生交变的磁通；交变磁通穿过铝盘，在铝盘中感应出涡流；涡流又在磁场中受到力的作用，从而使铝盘得到转矩（主动力矩）而转动。负载消耗的功率越大，通过电流线圈的电流越大，铝盘中感应出的涡流也越大，使铝盘转动的力矩就越大。即转矩的大小跟负载消耗的功率成正比。功率越大，转矩也越大，铝盘转动也就越快。铝盘转动时，又受到永久磁铁产生的制动力矩的作用，制动力矩与主动力矩方向相反；制动力矩的大小与铝盘的转速成正比，铝盘转动得越快，制动力矩也越大。当主动力矩与制动力矩达到暂时平衡时，铝盘将匀速转动。负载所消耗的电能与铝盘
10、的转数成正比。铝盘转动时，带动计数器，把所消耗的电能指示出来。感应式电能表采用电磁感应的原理把电压、电流、相位转变为磁力矩，推动铝制圆盘转动，圆盘的轴（蜗杆）带动齿轮驱动计度器的鼓轮转动，转动的过程即是时间量累积的过程。因此感应式电能表的好处就是直观、动态连续、停电不丢数据。电子式电能表则从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件，运用模拟或数字电路得到电压和电流向量的乘积，然后通过模拟或数字电路实现电能计量功能；电表体积减小，可靠性增加，更加精确，耗电减少，并且生产工艺大大改善；由于应用了数字技术，分时计费电能表、预付费电能表、多用户电能表、多功能电能表纷纷登场，进一步满足了科学用电、
11、合理用电的需求。系统的各项功能、性能应满足电力部低压电力用户集中抄表系统技术条件(试行)的要求，电能表应达到的部分性能及技术指标如下：电能表分单相电子式电能表和机电一体化电能表两种，均能实现同样的计度及数据传输功能。对于机电一体化电能表，全部部件完全装在表内。 功耗:非传输状态下不大于0.5 W,传输状态下不大于5.5VA 。 适用环境:0-40摄氏度、相对湿度不超过85 % 。适应电源波动士20%的要求。全部弱电元件均与220V电力线隔离，保证电表的安全使用。工频耐压2000V，冲击耐压 6000V。电能表应具有良好的电磁兼容性，要经受2000 / 4000V高频脉冲串的传导干扰；承受频率为
12、100-1000Hz、强度为10V / m的高频电磁场干扰：承受8000V静电放电干扰。1.4 远程自动抄表系统 目前，我国绝大多数城乡居民用电抄表还采取人工方式，既消耗大量的人力、物力，且采集数据的时间跨度大、准确度低。因此，国家有关部门规定以后将逐步以计算机为基础的自动抄表系统取代传统的人工抄表。 远程自动抄表系统实现用电数据的自动抄收，可杜绝人工操作的一切弊端。用户的用电数据可直接进入用电营业的计算机管理系统，用电管理人员可随时监视用电情况，发现问题(如故障、偷电等)及时处理。随着形势的发展，居民在银行开设个人账户，营业计算机管理系统与银行联网，完成数据的自动抄收、处理、银行转账交费等全
13、套操作，可真正实现用电管理的自动化。计算机网络的信号传输媒体有无线射频、电话线、电力线、双绞线等多种形式，可根据现场情况选择。利用现代通信技术和计算机技术以及电能量测量技术结合在一起，便能够及时、准确、全面地反映电量使用情况。采用计算机自动抄录用户电表数据、自动计费报表是用电管理发展的必然趋势。针对普通用户开发一个经济适用、可靠的自动抄表系统，可以增强用电管理部门用电经营管理的效率，提高配电管理与决策的科学性，减少人力资源的浪费。另外利用抄表系统自动传输和记录电表数据，如果遇到用电收费纠纷，还可以实时查验和查询历史用电数据。这样使我国公用事业的收费工作方式得到有效改善。抄表系统的研制成功，必将
14、带来一定的经济效益和社会效益。1.5 本文设计的电能表简单说明根据目前国内电表系统现状，以及适合国家发展的改革电表的趋势，本文设计了一种电子式电能表，它运用CS5460专用电能计量芯片，通过其外围电路，现场总线CAN总线的传输，能方便地实现电能的计量、显示、存储及传输。是一种很有前途的智能型电能表，它运用现代化的智能芯片及通讯方式作为手段，将逐渐取代老式电能表，进入到千家万户，发挥其强大功效，给我们的生活带来方便。2 系统方案设计2.1系统总体方案设计老式电能表不能适应社会的需求，迫切需要改变不足。针对目前老式电表的种种问题，这里设计了一种运用电能计量专用芯片CS5460，微处理器及其外围电路
15、，CAN总线来实现电能的计量、显示，存储和通讯等任务的电表系统。该设计能实现电能计量，用户用电数据储存及显示，通过CAN总线进行传输及控制限电等功能。系统原理框图如图2-1。本设计按其功能要求，围绕单片机分为六个主要的部分，分别为：(1) 电能计量部分；(2) CAN总线通讯部分；(3) 电源部分；(4) 显示部分；(5) 断电部分；(6) 存储器部分。这里就各部分进行简单说明如下:电能计量芯片CS5460计算用户用电量，并将功率转化为脉冲输出；CAN总线通讯可以很可靠地实现分布式电表和数据中心的通讯；电源为单片机，电能计量芯片CS5460及其它芯片提供+5V稳压电源，并提供上电复位和掉电复位
16、信号；显示芯片7219能自动完成用户累计电量的显示，完成动态扫描LED显示器；断电机构的作用是当数据中心的上位机发出断电命令时，实现对用户的断电；存储器的主要作用是存储数据，作为掉电后数据恢复的依据。2.2 系统分块设计（六个部分）2.2.1 电能计量芯片CS5460 传统的电能计量算方法存在很多弊端，电能测量必须进行改变，电能计量对国民经济和人们的切身利益有着重要意义。如何保证电能计量精度这是一个十分重要的问题，人们一直在寻找一种更好的解决方式。电量采集部分是保证该计量装置的电能测量精度、提供修正综合误差所需的测量数据的重要环节。CS5460是带有能量计算引擎的CMOS单芯片功率测量装置。它将两个ADC、一个高速能量计算单元和一个串行接口集成在一个单芯片上。它的内部包括一个可编程增益放大器、两个调制器、两个高速数字滤波器，具有系统校准、IRMS、VRMS计算、能量计算、瞬时功率计算等功能。因此它用于精确测量和
