电能计量的基础知识

计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。 在计量过程中,认为所使用量具和仪器是标准的,用它们来校准、检定受检量具和仪器设备,以衡量和保证使用受检量具仪器进行测量时所获得测量结果的可靠性。 计量涉及计量单位的定义和转换;量值的传递和保证量值统一所必须采取的措施、规程和法制等。

电能是一种特殊的商品,它在生产出来以后无法储存,因此发、供、用必须同时完成。 随着电能进入日常生活中,就需要对电能进行计量,以便于销售和使用,由此就产生了电能计量装置。

电能计量装置是用于测量、记录发电量、供(互供)电量、厂用电量、线损电量和用户用电量的计量器具。 电能计量装置是指由电能表(有功、无功电能表,最大需量表,复费率电能表等)、计量用互感器(包括电压互感器和电流互感器)及二次连接线导线构成的总体。 电能计量装置是指电能表、电流互感器、电压互感器及二次导线、电能计量柜(箱)的总称。 其中电能表和互感器是其核心所在。 电能计量装置是电网运行的重要环节,它的准确与否关系到贸易结算的准确、公正,关系到电力企业的形象以及广大用户的切身利益。

电能表是测量电能的专用仪表,又称电度表、火表、千瓦小时表。 电能表是电力系统的电能计量仪表,是一种最广泛、最基本的电力数据采集、测量和处理设备,电力系统的各个层级都有各种用途的电能表计。 19 世纪末,感应系电能表的制造理论基本形成,后来为了满足工业化和电能管理现代化的需求,电子式电能表不断发展和完善,出现了基于各种乘法器原理的电子式电能表,数字乘法器型电子式电能表扩展功能方便,适应电网现代化和智能化的发展,也是电子式电能表的主要发展方向。

(1)电能表的类型

电能表按其使用的电路可分为直流电能表和交流电能表,如家庭用的电源是交流电,因此是交流电能表。

交流电能表按其电路进表相线又可分为：单相电能表、三相三线电能表和三相四线电能表,一般家庭使用的是单相电能表,但别墅和大用电住户也有使用三相四线电能表,工业用户使用三相三线和三相四线电能表。

电能表按其工作原理可分为机械式电能表、机电一体式电能表和电子式电能表。 在20世纪90 年代以前,我们使用的一般是电气机械式电能表又称为感应式电能表或机械式电能表,随着电子技术的发展,电子式电能表的应用越来越多,已逐步取代机械式电能表。

电能表按其用途可分为有功电能表、无功电能表、最大需量表、标准电能表、复费率分时电能表、预付费电能表及多功能电能表。 家庭常用的是有功电能表。

电能表的出现距今已有一百多年了。 1880 年著名美国科学家托马斯·阿尔瓦·爱迪生(Thomas Alva Edison)利用电解原理制作了世界上第一块直流电能表。 1885 年世界著名科学家尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)发明了交流电并很快得以应用,交流电能表也应运而生。1895 年德国人布勒泰制作了世界上第一块感应式(交流)电能表,但是体积很大,难于使用。自此直到20 世纪初的很长一段时间里,人们致力于减小电能表的体积、改善其性能。 1905年人们发现了增加非工作磁路改进90°的方法,使电能表的发展有了长足进步。 而后,随着导磁材料学的发展,电能表采用了一些高导磁材料制作铁芯,极大地减轻了互感器的重量,缩小了体积并降低了电能表自身的功耗。 19 世纪30 年代起,电能表开始采用铬钢和铝镍合金替代了钨铜合金,并通过降低感应电能表转盘转速的方法来减少误差,改善负荷特性。 20世纪中后期,微电子技术飞速发展,产生了电子式电能表。 与此同时,电力工业也取得了巨大的发展,各种特性的负荷对电能表的准确度提出了越来越高的要求,而电子式电能表由于防窃电能力强,准确度高、负荷特性好、误差小、功耗低,而且配合单片机使用可以扩展多种功能等优势开始迅速地发展。 20 世纪60 年代末期,日本人发明了分割乘法器,全电子式电能表由此诞生。 随着微电子技术的进一步发展,数模转换技术和大规模集成电路的技术日益完善,使全电子式电能表逐步成为电能计量的中流砥柱,全电子式多功能电能表的智能化功能更是日趋完善,配合现代通信技术和单片机的使用,使远方测量和电能表的智能化成为现实。 智能化时代的到来,以及全球性智能电网建设的开始,智能电表不仅可以应用于人们的生活,很多新能源等正在开发的高科技也在大范围地运用智能电能表。 下一代智能电表将具有广阔的市场空间。

我国电表行业经历过机械制电表、普通电子式电表、预付费电表以及现在基本全面普及的智能电表阶段,电能表的计量准确度越来越高、稳定性越来越好、功能也越来越强大,在现代社会,作为智能电网的终端,智能电能表也成为当今电力领域的重要论题之一。

1)感应式电能表

1889 年,匈牙利岗兹公司一位德国人制作了世界上第一块感应式电能表,而我国交流感应式电能表是在20 世纪50 年代从仿制外国电能表开始生产的。

①结构。 单相感应式电能表的结构包括测量机构、辅助部件和误差调整装置,如图1.2 所示。

图1.2　单相感应式电能表的结构示意图

1—电压元件;2 一电流元件;3—铝制圆盘;4—转轴;5—永久磁铁;6—蜗杆;7—蜗轮

测量机构包括驱动元件、转动元件、制动元件、轴承和计度器。

辅助部件包括基架、铭牌、外壳、端钮盒等,如图1.3 所示。

②工作原理。 感应式电能表的驱动元件、转动元件和制动元件构成了一个功率测量机构,该机构是用表盘的转速来反映功率的,即n=CP。 再加上计度器便组成了一个电能测量机构,因为表盘的转数可以反映电能,即N=CW,而计度器可以累计表盘的转数并将其转变为电能值在计度器窗口中显示出来。

2)电子式电能表

电子式电能表是通过对用户供电电压和电流实时采样,采用专用的电能表集成电路,对采样电压和电流信号进行处理并相乘转换成与电能成正比的脉冲输出,通过计度器或数字显示器显示的物理器械,如图1.4 所示。

电子式电能表具有以下特点：

①功能强大,易扩展;

②准确度等级高且稳定;

图1.3　单相感应式电能表的外形图

图1.4　单相电子式电能表的外形图

③启动电流小且误差曲线平整;

④频率响应范围宽;

⑤受外磁场影响小;

⑥便于安装使用;

⑦过负荷能力大;

⑧防窃电能力更强。

全电子式电能表与感应式电能表相比有明显优势。 例如,防窃电能力强、计量精度高、负荷特性较好、误差曲线平直、功率因数补偿性能较强、自身功耗低,特别是其计量参数灵活性好、派生功能多。 由于单片机的应用给电能表注入了新的活力,这些都是一般机械表难以做到的。 但是早期的电子式电能表也有一些明显的不足,如工作寿命较短、易受外界干扰、工作可靠性不及机械式电能表等。

①结构。 全电子式电能表是在数字功率表的基础上发展起来的,全电子式电能表与机电脉冲式电能表不一样,测量机构发生了根本性的改变,它不再使用感应式的测量机构对电功率的测量,改用乘法器实现对负荷功率的测量。 由于采用了先进的电子测量技术,全电子式电能表除了兼有机电脉冲式电子电能表的多种功能外,还具有更高的准确度级别、更低的功耗、更强的过负荷能力、更快的电压和频率响应速度及寿命更长等优点。

尽管各种全电子式电能表的具体结构不相同,但其测量组件的结构及所实现的功能是一致的。 全电子式电能表的主要结构部件由输入级、乘法器、电压/频率转换器及分频器、计数器等组成。

a.输入级。 输入级的功能是通过电压变换器和电流变换器将被测电网的高电压、大电流转换为低电压、小电流并进行采样,再将采样所得的模拟量信号转换为与被测量成线性比例变化的数字信号后,送给乘法器。

b.乘法器。 乘法器的功能是完成电压和电流瞬时值相乘,再将其转换成能反映有功或无功功率大小的数字信号,即输出一个与该段时间内的平均功率成正比例的直流电压Uo,然后再将此信号输入给电压/频率转换器。

c.电压/频率转换器。 在各种模拟乘法器的输出端接以数字电压表,便构成一台电子式功率表。 若要测量电能,则需将乘法器的输出电压先进行U/F(电压/频率)转换,转换成频率正比于该电压的脉冲串,即得到频率f0 正比于平均功率信号,再将其信号送至分频器、计数器或微机处理器进行处理达到相应的电能量的数值信号,即用户实际消耗电能数值(信号)。

d.分频器、计数器。 分频器和计数器的功能是将由电压/频率转换器送来的正比于平均功率的脉冲频率f0 信号进行分频,并驱动附有步进电动机的计度器进行电能累加或转换成液晶显示出相应的电能量的数值。

②工作原理。 以下是单相全电子电能表的工作原理,如图1.5 所示。

图1.5　单相全电子电能表的工作原理

单相全电子电能表的工作原理：被测的高电压、大电流经电压变换器和电流变换器转换后送至乘法器,乘法器完成电压和电流瞬时值相乘,输出一个与一段时间内的平均功率成正比的直流电压,然后再利用U/F 转换器,直流电压被转换成相应的脉冲频率,将该频率由分频器分频输出(供检定用),并通过一段时间内计数器的计数显示出相应的电能。

3)智能电能表

智能电能表是国家智能电网建设的重要组成部分,由国网公司组织统一设计,于2010年推广使用。 智能电表是实现双向互动智能用电的“末端神经”,支持双向计量、自动采集、阶梯电价、分时电价、冻结、控制、监测等功能。 另外,智能电能表还可为用户提供很多用电服务,包括分布式电源计量、互动服务、智能家居、智能小区等。

下一代智能电表将在传统的计量业务之外搭载更多的功能,可实现系统内业务(运维支撑、计量、有序用电管理)和泛在业务(全域电气消防、新能源接入、能效管理、水气数据采集、居室防盗、储能管理、其他应用等)。

①结构。 智能电能表具有电能量计量、信息存储及处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能的电能表。 测量模块为表计核心,它输出功率脉冲到微处理器,数据处理单元接收到测量部分的功率脉冲进行电能累计,此外它还将数据输出到相应的显示器中显示,继电器一般为保护继电器,可以通断较大的电流,表计中可扩展接口,进行数据抄读。

智能电能表主要由以下8 个部分组成：

a.电源模块：给电能表提供工作电源。

b.计量模块：利用对电压和电流采样,通过计量芯片转换为实际电能的数字数据(电能脉冲)输出。

c.显示模块：用来显示电量和相关数据。

d.通信模块：用来和主机通信,数据传输的通道。

e.安全模块：保证数据传输的安全性。

f.时钟模块：为系统提供实时时钟,作为电量冻结、费率切换的依据。

g.存储模块：用来存储电能表参数、电量、历史数据等。(www.xing528.com)

h.通断电模块：用来控制用户停送电。

智能电能表的组成如图1.6 所示。

图1.6　智能电能表工作组成图

②分类。 智能电能表分为费控智能表和智能表两大类。

费控智能表按接线方式可分为单相费控智能表、三相费控智能表和三相智能表;按费控方式又可分为本地费控智能表和远程费控智能表。

智能表最后一排数字为各制造厂设计序号(注册号)。 向全国电工仪器仪表标准化技术委员会申请型号注册,同一注册号不同技术特性的应区别编号或符号(如林洋的注册号为71 和72)。

国网表中的费控功能类似于预付费表功能,所以费控表中的第四格字母均带Y。

另外,在厂商的注册号后面加“C-代表CPU 卡,S-代表射频卡”。

在“-”后面区分通信方式,Z-载波方式;C-CDMA 卡通信方式;G-GPRS 卡通信方式。

DTZY71C-Z——三相费控智能电能表(载波/本地CPU 卡)。

DTZY71-G——三相费控智能电能表(无线GPRS/远程)。

DDZY71——单相远程费控智能电能表(远程/开关内置)。

③外形。 智能电能表外形和布局如图1.7、图1.8 所示。

④主要功能。 智能电能表具有计量功能(组合、分时、分相、阶梯、有功、无功、需量、负荷等)、冻结功能(12 个月冻结、3 个日冻结等)、变量测量(实时电压、电流、功率等)、时区时段设置、阶梯电价设置、事件记录(失压、失流、欠压、断流、过流、电流不平衡、编程、清零等)、停电显示与抄表(停电后通过按键或遥控显示等)、费控功能(远程购电、远程停复电等,直接表60 A 及以下自带内置开关,CT 表60 A 以上表不自带开关,输出控制信号)、其他(如背光、开盖记录、通信等)主要功能。

(2)电能表的铭牌含义

电能表的型号及铭牌符号的含义,从电能表的正面窗口中可看到铭牌上有一些文字和符号,看懂这些文字和符号代表的意思,对我们的使用有帮助。

图1.7　DDZY71 单相远程费控智能电能表的外形图

图1.8　DTZ71 三相四线智能电能表的外形图

按规定铭牌上须注明的内容为：电能表名称与型号、计量单位、线数相数、基本电流和最大额定电流、参比电压、参比频率、准确度等级、电能表常数、电能表中文名称、制造标准、计量许可证标志(CMC 电能表是计量产品,必须具有国家技术监督局颁发的计量产品制造许可证才能合法生产)、使用范围、转动方向、制造厂家、出厂编号、商标等。 根据目前订货要求,均要求有条形码等。

铭牌上各标志的含义分别说明如下：

①计量单位名称或符号。 有功电能表为“瓦·时”或“W·h”;无功电能表为“伏·安”或“V·A”。

②计度器窗口,整数位和小数位中间有小数点。 字轮式计度器的窗口,整数位和小数位用不同颜色区分,中间有小数点;若无小数点位,窗口各字轮均有倍乘系数,如×100, ×10,×1 等。

③电能表的名称及型号。 电能表型号是用字母和数字的排列来表示的,内容如下：

类别代号+组别代号+功能代号+设计序号+派生号。

类别代号：D 为电能表。

组别代号表示相线：D 为单相;S 为三相三线;T 为三相四线。

功能代号表示用途的分类：D 为多功能;S 为全电子式;X 为无功;J 为直流;Y 为预付费;F 为复费率等;预付费电能表又称为定量电能表、IC 卡电能表,除了具有普通电能表的计量功能外,特别的是用户先买电,买电后才能用电,若用完电后用户不继续买电,则自动切断电源停止供电。 预付费电能表常见的预存方法有两种：一种为代码式,一种为写卡式。 复费率电表有效地实现分段计费、分时计费,优化用电效率,采用尖、峰、平、谷不同电价分开计费。直流电能表是针对直流屏、太阳能供电、电信基站、地铁等应用场合而设计的,该系列仪表可测量直流系统中的电压、电流、功率、正向与反向电能,既可用于本地显示,又能与工控设备、计算机连接,组成测控系统。

设计序号用阿拉伯数字表示,每个制造厂的设计序号不同,如长纱希麦特电子科技发展有限公司设计生产的电能表产品备案的序列号为971,正泰公司的序列号为666 等。

派生号有以下几种表示方法：T 为湿热、干燥两用;TH 为湿热带用;TA 为干热带用;G为高原用;H 为船用;F 为化工防腐用等。

我国对电能表型号的表示方法规定见表1.1。

表1.1　电能表型号的表示方法

综合上面几点：

DD——单相电能表,如DD971 型、DD862 型。

DS——三相三线有功电能表,如DS862、DS97l 型。

DT——三相四线有功电能表,如DT862、DT971 型。

DX——无功电能表,如DX97l、DX864 型。

DDS——单相电子式电能表,如DDS97l 型。

DTS——三相四线电子式有功电能表,如DTS97l 型。

DDSY——单相电子式预付费电能表,如DDSY97l 型。

DTSF——三相四线电子式复费率有功电能表,如DTSF97l 型。

DSSD——三相三线电子式多功能电能表,如DSSD97l 型。

DDZY——单相远程费控智能电能表,如DDZY71 型。

DTZ——三相四线智能电能表,如DTZ71 型。

④基本电流和额定最大电流。 基本电流是确定电能表有关特性的电流值,额定最大电流是仪表能满足其制造标准规定的准确度的最大电流值。 我国采用220 V 的电压制式,交流电的频率是50 Hz,应特别关注标识的电流值：基本电流用Ib 表示,最大电流用Imax表示,如5(20)A,即电能表的基本电流为5 A,最大电流为20 A,对于三相电能表还应在前面乘以相数,如3 ×5(20)A。 超负荷用电是不安全的,是引发火灾的隐患。

⑤参比电压是确定电能表有关特性的电压值,以Un 表示。 对于单相电能表以电压线路接线端上的电压表示,如220 V;对于三相三线电能表以相数乘以线电压表示,如3 ×100 V;对于三相四线电能表以相数乘以相电压/线电压表示,如3 ×220/380 V。

⑥参比频率是确定电能表有关特性的频率值,以赫兹(Hz)为单位,我国电力线路的频率值一般为50 Hz。

⑦电能表常数是电能表记录的电能和相应的转数或脉冲数之间关系的常数。 有功电能表以kW·h/r(imp)表示,无功电能表以kvar·h/r(imp)表示,如c=720 kW·h/r,说明转盘转了720 转,计度器的指示数增加了1 kW·h。

⑧准确度等级,铭牌圆圈中的数字表示。 铭牌上标有的①或②的标志,①代表电能表的准确度为1.0,或称1 级表;②代表电能表的准确度为2.0,或称2 级表。 无标志时,单相电能表视为2.0 级。 电能表按准确度等级可分为普通安装式电能表《0.2、0.5、1.0、2.0、3.0级》和携带式精密电能表《0.01、0.02、0.05、0.1、0.2 级》。 家庭常用的是2.0 级。

⑨耐受环境条件的能力分为P、S、A、B 四组。

⑩条形码是由一组黑白相间的条纹组成的标志。 它能将电能表铭牌上的所有信息按照一定的规律设置成一组条形码,通过条形码扫描器可将电能表信息输入计算机,由计算机自动建立每只电能表的档案卡片,可以摆脱落后的手工卡片式电能表管理,不仅提高了效率,还降低了出错率。

⑪制造标准一般为国家标准,铭牌上还标有产品采用的标准代号。

⑫制造厂家的名称及编号。

⑬制造年份。