电子式电能表的结构和工作原理

电子式电能表的结构和工作原理 第二节 全电子式电能表的结构和工作原理 近年来，进入我国电力系统的电子式电能表逐年增多，并广泛应用在电能计量和计费 工作中。电子式电能表有较好的线性度和稳定度，具有功耗小，电压和频率的响应速度 快，测量精度高等诸多优点。 电子式电能表是怎样来计量电能的呢？电子式电能表是在数字功率表的基础上发 展起来的，采用乘法器实现对电功率的测量，其工作原理框图如图3-10所示。被测量的高电压u、大电流i经电压变换器和电流变换器转换后送至乘法器M，乘法器M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U，然后再利用电压／频率转换器，U被转换成相应的脉冲频率f，将该频率分频，并通过一段时 间内计数器的计数，显示出相应的电能。 图3-10 电子式电能表工作原理框图 一、输入变换电路 电子式电能计量仪表中必须有电压和电流输入电路。输入电路的作用，一方面是将 被测信号按一定的比例转换成低电压、小电流输入到乘法器中；另一方面是使乘法器和 电网隔离，减小干扰。 （一）电流输入变换电路 要测量几安培乃至几十安培的交流电流，必须要将其转变为等效的小信号交流电压 （或电流），否则无法测量。直接接入式电子式电能表一般采用锰铜分流片；经互感器接 入式电子式电能表内部一般采用二次侧互感器级联，以达到前级互感器二次侧不带强电 的要求。 1．锰铜片分流器 以锰铜片作为分流电阻R，当大电流i（t）流过时会产生相应的成正比的微弱电压 S U（t），其数学表达式为 i U（t）＝i（t）R i 该小信号U（t）送入乘法器，作为测量流过电能表的电流i（t）。其原理图如3-11i 所示。 锰铜分流器和普通电流互感器相比，具有线性好和温度系数小等优点。锰铜分流器 A选用F2锰铜片，厚度2mm，取样电阻Rs选175μΩ，则当基本电流为5A时，1、2 之间的取样信号U＝0.875mV。 i 1 图3-11 锰铜分流器测量电器原理图 2．电流互感器 采用普通互感器（电磁式）的最大优点是电能表内主回路与二次回路、电压和电流 回路可以隔离分开，实现供电主回路电流互感器二次侧不带强电，并可提高电子式电能 表的抗干扰能力。其原理框图如图3-12所示。 （α） （b） 图3-12 电流互感器电气原理图 （α）穿线式；（b）接入式 i（t）＝K i（t） IT式中 i（t）——流过电能表主回路的电流； i（t）——流过电流互感器二次侧的电流； T K——电流互感器的变比。 I i(t)u(t),i(t)R,，R TLLKI式中 u（t）——送往电能计量装置的电流等效电压； R——负载电阻。 L （二）电压输入变换电路 和被测电流一样，上百伏（100V或220V）的被测电压也必须经分压器或电压互感器转变为等效的小电压信号，方可送入乘法器。电子式电能表内使用的分压器一般为电 阻网络或电压互感器。 1．电阻网络 2 采用电阻网络的最大优点是线性好、成本低，缺点是不能实现电气隔离。 实用中，一般采用多级（如3级）分压，以便提高耐压和方便补偿与调试。典型接 线如图3-13所示。 图3-13 典型电阻网络线路图 2．电压互感器 采用互感器的最大优点是可实现一次侧和二次侧的电气隔离，并可提高电能表的抗 干扰能力，缺点是成本高。其电路图如图3-14所示。 u（t）＝K u（t） UU式中 u（t）——被测电压； u（t）——送给乘法器的等效电压。 U 图3-14 电压互感器电路图 二、乘法器电路 模拟乘法器是一种完成两个互不相关的模拟信号（如输入电能表内连续变化的电压 和电流）进行相乘作用的电子电路，通常具有两个输入端和一个输出端，是一个三端网 络，如图3-15所示。理想的乘法器的输出特性方程式可表示为 U（t）＝KU（t）U（t）， 0XY式中 K——是乘法器的增益。 3 图3-15 乘法器表示方式 从乘法的代数概念出发，乘法器具有四个工作区域，由它的两个输入电压极性来确 定。根据两个输入电压的不同极性，乘积输出的极性有四种组合，可以用图3-16平面中的四个象限来具体说明。凡是能够适应两个输入电压极性的四种组合的乘法器，称为四 象限乘法器。若一个输入端能够适应正、负两极性电压，而另一个输入端只能适应单一 极性电压的乘法器，则称为二象限乘法器。若乘法器在两个输入端分别限定为某一种极 性的电压能正常工作，它就是单象限乘法器。 图3-16 模拟乘法器的工作象限图 实现两个输入模拟量相乘的方法有多种多样。乘法器是电子式电能表的核心部分， 并非每一种乘法器电路都能适用电子式电能表，下面介绍电子式电能表中常用的乘法器。 （一）时分割乘法器 时分割模拟乘法器的工作过程实质上是一个对被测对象进行调宽调幅的工作过程。 它在提供的节拍信号的周期T里，对被测电压信号u作脉冲调宽式处理，调制出一正负x 宽度T、T之差（时间量）与u成正比的不等宽方波脉冲，即T－T＝Ku；再以此12x211x 脉冲宽度控制与u同频的被测电压信号u的正负极性持续时间，进行调幅处理，使u＝xy Ku；最后将调宽调幅波经滤波器输出，输出电压U为每个周期T内电压u的平均值，2y0 它反映了u、u两同频电压乘积的平均值，实现了两信号的相乘，输出的调宽调幅方波xy 如图3-17所示。 4 图3-17 调宽调幅波示意图 也有的时分割乘法器对电流信号i、i进行调宽调幅处理，输出的直流电流信号Ixy0表示电流i、i乘积的平均值。前者称为电压平衡型时分割乘法器，后者称为电流平衡xy 型时分割乘法器。 采用三角波作为节拍信号的电压型时分割乘法器的电路原理如图3-18所示。被测电压转换为u，被测电流转换成电压u。图中电路的上半部分是调宽功能单元，下半部xy 分是调幅功能单元。由运算放大器N1和电容C组成积分器，对经R、R输入的电流112作求和积分；?U和?U是正、负基准电压，在电路的中，基准电压U的幅值应NNN 比输入电压u大得多；S1、S2为两个受电平比较器控制并同时动作的开关；电平比较x 器是具有两个稳态的直流触发器；运算放大器N2、电阻R和电容C组成了滤波器。积42分输出电压u和三角波发生器产生的节拍三角波电压u都加到电平比较器上，当u＞121 u时，电平比较器输出低电平，S1、S2分别接?U、?u；当u＜u时，电平比较器输2Ny12出高电平，S1、S2分别接?U、?u；当u＝u时，为比较器转换状态。乘法器的输出Ny12 电压U就是由S2的动作所得到的幅度为士u的不等宽方波电压经滤波后的直流成分。0y 该乘法器电路若干单元输出电压的波形如图 3-19所示。 图3-18 三角波信号的时分割乘发器电路原理图 1．调宽功能单元 假定输入电压u为正值，积分器接通u和?U，输出电压u从a点（见图3-19）xxN1 逐渐向下变化（a b段），在a b段内，u＞u，达到b点时，u＝u。 1212由于三角波电压继续向上变化，致使u＜u，于是电平比较器输出高电平，S1接通?U，12N 5 积分器输出电压u转而逐渐向上变化（bc段），达到c点时，u＝u，紧接着三角波电112压继续下降，u＞u，电平比较器输出低电平，S1接通?U，电压u再次向下变化„„。12N1如此反复，积分器输出电压u呈锯齿波形。 1 设开关S1接通?U的时间为T，接通?U的时间为T，且T＋T＝T。当系统N1N212达稳态时，积分器在T、T时间段内的总积分电荷量应为零，即 12 ,,,,uUuUxNxN,,,, ，T，,T,012,,,,RRRR1212,,,, uUxN(T，T)，(T,T),0 1212RR12 RT2T,T,,u x12RUN1 即开关S1接通?U、?U的时间差（T－T）与输入电压u成正比。 NN21x 图3-19 三角波信号的时分割乘发器波形图 2．调幅功能单元 开关S2在比较器的控制下与S1同时动作，在T期间接通?u，输出电压u为?u，1yy 在T期间接通?u，输出电压u变为?u。经滤波器输出后，得到电压U为u的反向平2yy0均值 T,TR122U,,u，,uu,Kuu,ui yxyxy0TRUN1 即输出电压U与ui成正比，因此整个电路是一个实现了u、i乘积运算的乘法器，它的0 输出相应于ui乘积的平均值，亦即平均功率。 在调宽电路中，受积分器积分电荷总量平衡条件的约束，对u的最大幅值有一定限x 6 制，它的正边界是当T＝0、T＝T时?U所能平衡的u值，负边界是当T＝T、T＝012Nx12 时?U所能平衡的u值，因此u的幅值应满足条件 Nxx RURUNN11,u＜＜ xRR22 至于u，其输入幅值仅受为获取?u的倒相器的动态范围所限制。 yy 目前在全电子式电能表制造业中，采用时分割模拟乘法器的占有相当大比例。与其 他类型的模拟乘法器相比，时分割模拟乘法器的制造技术比较成熟且性好，原理较 为先进，具有更好的线性度，其最突出的优点是具有较高的准确度级别，可达到0.01级， 基本上解决了如何提高准确度的问题。其主要缺点是带宽较窄，仅为数百赫兹。 （二）数字乘法器 微处理器在全电子式电能表中主要用于数据处理，而在其测量机构中的应用并不多。 随着芯片速度的提高和外部接口电路的更加成熟，微处理器的功能将得到充分发挥和扩 展。可以预计，应用数字乘法器技术来完成功率／电能测量的前景十分广阔。采用数字 乘法器，由计算机软件来完成乘法运算，可以在功率因数为0～1的全范围内保证电能表的测量准确度。这是多种模拟乘法器难以胜任的。采用数字乘法器的全电子式电能表的 基本结构框图如图3-20所示。 微处理器控制双通道A／D转换，同时对电压、电流进行采样，由微处理器完成相 乘功能并累计电能。平均功率表示为 T1 P,u(t)，i(t)dt,T0 式中 T——交流电压、电流的周期。 图3-20 数字乘法器的电能表结构框图 以?t为时间间隔将上式中的积分做离散化处理，即对电压、电流同时进行采样， 则 N1P,u(k)，i(k) ,kT,1 7 T,N,t 这就是用软件计算被测平均功率即有功功率的数学模型。从上式可以看出，平均功 率的计算与功率求解过程与功率因数无关，因此，可以得出采用数字乘法器的全电子式 电能表的电能测量与功率因数无关的结论，这是这类电能表的一个重要特点。 A／D转换器的准确度一般较高，其转换误差可以忽略。通过软件来完成采样及乘 法计算的准确度与?t的选取有关。?t越小，准确度越高，但计算量将增加，且会使实 时性变差。由采样理论可知，连续信号离散后得到的时间序列不丢失原信号的信息，不 仅采样频率要满足奈奎斯特定律，而且必须等分连续的信号周期，否则会产生测量误差。 为此采用软件锁相技术将采样频率自动地锁定在输入信号频率的N倍上，这样可以在输入频率发生变化时自动调整采样间隔，使时钟的漂移变化也不会给测量带来误差。 使用微处理器技术制造全电子式电能表的前景十分看好，但成本高是其商品化的一 个主要障碍；数字乘法器的发展还要依靠于电路的集成和芯片价格的降低，但其功能强 大、性能优越，在未来先进的电能管理领域中一定会广为应用。 三、电压／频率转换器 目前采用的电压／频率转换器，大多是利用积分方式实现转换。电子式电能表常用 的双向积分式电压／频率转换器的原理电路如图3-21所示。运放N和电容C组成积分器，上下电平比较器有两个比较电平U 、U。输出电压波形如图3-22所示。当开关S12 接通?U时，电容C充电，输出电压U往负向变化（ab段）；当达到比较器的下限电10 平U时，比较器控制开关S接通?U，C放电，电压U往正向变化；当达到比较器的210上限电平U时，S再次接通十U，如此反复，达稳态后，便得到了周期为 T的三角波。11 由于ab段和 cd段的积分斜率是一样的，故积分时间也相等，均为T/2。根据积分器输入、输出电压关系 UT1U,U,， 122RC 得到输出电压U的频率 0 11f,,U,U iiT2RC(U,U)12 即输出频率f与输入电压U成正比。 1 8 图3-21 双向积分式电压／频率转换器的原理电路图 图3-22 双向积分式电压／频率转换器的波形图这种电压／频率转换器的主要特点是输出频率较低，选择高稳定性的R、C元件， 可使其准确度长期保持在?0.1％的水平。 四、分频计数器 在机电式电能表中，由光电转换器将电能信号转换成脉冲信号；而在电子式电能表 中，电能信号转化成相应脉冲信号的工作是由乘法器及电压／频率转换器完成的。这两 种脉冲信号在送入计数器计数之前，需要先送入分频器进行分频，以降低脉冲频率。这 样做，一方面是为了便于取出电能计量单位的位数（如百分之一度位）；另一方面是考虑 到计数器长期计数的容量问题。 所谓分频，就是使输出信号的频率分为输入信号频率的整数分之一；所谓计数，就 是对输入的频率信号累计脉冲个数。 在电子式电能表中，分频器和计数器一般采用CMOS集成电路器件。这是因为集成电路器件工作可靠性、抗干扰能力、功率消耗、电路保安和机械尺寸等一系列指标均优 于分立元器件组成的电路。 图3-23为分频计数器原理框图和脉冲波形。图中电压——频率转换器送来的脉冲信 号f 经整形电路整形后，可输出一系列规则的矩形波，并输入到控制门，A点的波形如x 图3-23（b）所示。把由石英晶体振荡器产生的时钟脉冲信号经分频后作为时间基 准。分频后的标准时钟脉冲信号，如图3-23（b）B点的波形也送至控制门，于是控制门打开，将计数脉冲输出，得到如图3-23（b）C点的波形。计数器可记录时间T内通过控 制门的脉冲数，每一个脉冲所代表的电量数经计算确定后，便可经译码电路由显示器显 示出来。 9 （a） （b） 图3-23 分频计数器原理框图 （a）框图；（b）脉冲波形 五、显示器 目前常见的电子式电能表显示器件有三种：液晶（LCD）、发光二极管（LED）、荧光管（FIP）。 液晶显示器（LCD）是利用液晶在一定电场下发生光学偏振而产生不同透光率来实 现显示功能的。它根据光学原理可分为透射式、反射式和半透半反射式；根据视角大小 oo可分为TN型（视角为 90）和STN型（视角可达 160）两种；根据工作温度范围可分 o o为普遍型（0～65C）和宽温型（?30～85C）。液晶显示器在静态直流电场下寿命很短 （一般为几千小时），而在动态交变电场下寿命很长（可达20万h）；除具有长寿命的优点之外，还具有功耗小（小于10µA），在有一定采光度时显示对比强等优点。 发光二极管（LED）是利用特殊结构和材质的二极管在施加正向工作电压、具有一 定工作电流时，发出某一特定波长的可见光来实现显示功能的。根据同一正向工作电流 下的发光强度可将其分为普亮、高亮和超高亮3种。发光二极管颜色有红、绿、黄等多 o种，具有温度范围宽（?40～85 C）、在弱光背景下显示醒目和低成本等优点；缺点是 寿命短（一般为3万～5万h）、耗电大（一般5～10mA）、露天下显示不清等。 荧光显示板（FIP）是利用特种荧光物质在一定电场和一定红外线热能下产生一定 亮度的可见荧光来实现显示功能的。除成本高缺点外，其优缺点和发光二极管基本相同。 第三节 单相电子式复费率电能表 单相电子式复费率电能表能精确地计量有功电能、最大需量等数据。该表集有功、 分时计费于一体，表中设有4种费率、10个时段；具有遥控器红外编程、掌上电脑红外 抄表及RS485通信接口有线抄表功能，是电力部门进行现代化电能测量的理想计量仪表。 一、常用术语 （1）复费率电能表。 有多个计度器分别在规定的不同费率时段内记录交流有功或无功电能的电能表。 （2）费率计度器。 由贮存器（用作贮存信息）和显示器（用作显示信息）二者构成的电——机械装置 或电子装置，能记录不同费率的有功或无功的电能量。 （3）电能测量单元。 10 由被测量输入回路、测量等部分构成，进行有功或无功电能计量的单元。 （4）费率时段控制单元。 由费率计度器（含驱动电路）、时间开关及逻辑电路等构成，进行费率时段电能测 量和显示的单元。 （5）峰、平、谷电量。 电力系统日负荷曲线高峰时段的电量称峰电量，低谷时段的电能量称谷电量，计量 峰、谷时段以外的电能量称平电量，三者之和为总电量。 二、工作原理 单相电子式复费率电能表的工作原理框图如图3-24所示。电流、电压采样电路是将流过线路的大电流和外部220V交流电压变换为合适的小电流、小电压信号，经电能专用 集成电路转换成随功率变化的脉冲信号。单片微处理器接收到功率脉冲信号后进行电能 累计，并且存入存储器中，同时读取时钟信号，按照预先设定好的时段分时计量，并将 数据输出到显示器中显示，并且随时接收串行通信口的通信信号进行数据处理。 图3-24 单相电子式复费率电能表能的工作原理框图 三、主要功能特点 （1）4种费率、10个时段。 （2）最大需量计算采用滑差式。滑差时间为l、3、5、15min。 （3）当前一分钟平均功率的显示。 （4）5V／80ms有源或无源光电隔离电能脉冲输出。 （5）停电时间累计。 （6）具有红外遥控编程、RS485通信接口。 （7）可用12V外接电源掌上电脑红外抄表。 （8）可设固定显示和循环显示方式。 （9）可记录3个月（本月、上月、上上月）的有功总电能、各费率电能、最大需量 及需量发生的时间等信息。 （10）遥控器可全面显示所有功能项，并可方便编程。 四、规格 规格见表3-1。 表3-1 单相电子式复费率电能表能规格 准确度等级 额定电压U（V） 基本电流I（A） 表壳类型 eb 11 5(6) 2.5(10) 1型 1.0 220 5(20) 5(30) 10(40) 15(60) 2型 20(80) 20(100) 五、基本误差 基本误差见表3-1。 表3-1 单相电子式复费率电能表能基本误差 基本电流 功率因数cosφ 基本误差（%） 0.05I 1.0 ?1.5 b 0.1 I~I 1.0、0.5L、0.8C ?1.0 bmax 0.1 I 0.5L ?1.5 b 0.8C 六、主要技术指标 （1）时钟准确度：日误差 ?土0.5S／天。 （2）停电后数据保持时间：?10年。 （3）电能计度器容量：99999.9 kW?h。 （4）需量计度器容量：99.999kW。 （5）绝缘耐压：?2000 VAC。 （6）功耗（LED显示）：?2VA。 （7）启动电流：0.4％I。 b （8）电池功耗（停电不显示时）：?0.4μA。 o（9）工作温度：?20～?50C。 o（10）存储和运输温度：?25～?50C。 （11）湿度：?75％。 七、显示功能 （1）数码管显示。左边2位指示功能序号，右边6位指示内容。 （2）峰平谷指示灯。峰、平、谷指示灯中的一个亮依次代表右边6位显示为峰电量、平电量、谷电量；峰、平两灯齐亮表示尖峰电量；三灯全亮表示总电量。当功能序号显 示00号时，峰、平、谷指示灯指示当前时段的费率，便于用户监视时段的正常切换。 （3）欠压指示灯。内部电池欠压时此灯常亮显示。 （4）电能脉冲灯。用于指示用户用电负载情况。 八、遥控器功能 12 （1）记忆键：编程时，将调整正确的数据记忆，同时功能号递增一位；读表时，显 示“ 00”项功能序号。 （2）右移键。编程时循环移动要调整的数据位；在正常工作状态下，该键为循环显 示和固定显示转换开关。 （3）上移及下移键。编程时，用以增、减闪烁位的数值；正常工作时，用以增、减 显示项功能序号。 （4）编程键：在需要对电能表进行编程时按此键2s钟便可进入编程状态。 （5）清零键：在电能表最大需量需要清零时按此键可将最大需量值清零。 （6）复位键：编程状态时按此键退出编程，正常工作时按此键显示功能序号00项。 （7）数字键。数字键0～9在编程状态时用于修改数码管闪烁位的数值，正常工作 时用于查看功序号项数据。 （8）自检键。用于检查数码管各段显示是否正常。 九、遥控器编程 出厂后第一次编程时务必进行总清操作（用遥控器清零键操作）。 （1）进入编程状态。按“编程”键，此时显示“ 99——0”，依次在数码管闪烁位输入6位密码，密码正确后进入编程状态，显示编程首项内容“00 X X X X X X”。若输入密码有误，则显示错误次数提示“99——X”，若连续错误超过10次，电能表将自动锁定当日编程功能。次日可再进行编程，其他功能不受影响。电能总清后密码为“000000”。 （2）选定编程项。进入编程状态后，左边两位数码管显示编程项目号，用遥控器上 的数字键“0～9”或者按“上移”或“下移”键，改变到要编程的项目号。 （3）输入数据。按“右移”键选择数据位，其闪烁位可用数字键“0～9”或“上移”“下移”键输入数字。 （4）记忆数据：确认输入数据正确后，按记忆键保存该项数据。如果需要对其他项 编程，重复（2）、（3）、（4）操作步骤。 （5）编程结束：按“复位”键结束编程。 （6）时段设置说明。时段总清后为00点00分，费率为l（1、2．3、4分别表示费率尖、峰、平、谷）。编程时各时段按24h制从早到晚排列。 （7）分时电量预置说明。只要将尖、峰、平、谷电量进行预置，系统会将4个电量自动累加写入总电量，而对总电量预置时各分时电量不受影响。 十、读表 表内存贮3个月的电量、最大需量，即当月、上月、上上月数据。新的一月数据以 最大需量清零时刻起保存。 1．直接读表 表内显示可以设定为固定项目显示或循环显示。固定显示时，用户只要按遥控器上 的“数字键”、“上移”或“下移”键显示相应功能顺序号项内容，按复位或记忆键显示 回到“00 X X X X X X”项。 2．最大需量清零 最大需量清零是将当前电能表内电量、最大需量冻结保存。按清零键后电能表自动 13 将上月电量、需量等数据存入上上月保存，将当前电量、需量等数据存入上月保存，当 前需量置0，以后依次类推。 最大需量清零有自动和手动两种方式。当设置为自动方式时，必须设定用电结算日 （01～28），电能表在该日的0时自动需量清零。若该日停电、则电能表在该日后的第一 次通电时首先进行自动需量清零。当设置为手动方式时，按遥控器上的“清零”键，显 示“ 98——0”，在数码管闪烁位输入6位密码，密码正确后，电能表自动进行需量清零， 电能表总清后的最大需量清零密码为“000000”。 注意：编程密码与最大需量清零密码是相互独立的，为防止误操作，电能表每天只 允许需量清零一次，第二次需量清零操作无效（且电能表显示NO）。 第四节 单相预付费电能表 单相预付费电能表是在普通单相电子式电能表基础上增加了微处理器、IC卡接口和表内跳闸继电器构成的。它通过IC卡进行电能表电量数据以及预购电费数据的传输，通 过继电器自动实现欠费跳闸功能，为解决抄表收费问题提供了有效的手段。 一、基本原理 单相预付费电能表原理框图如图3-25所示。测量模块为表计核心，它和普通电子式 单相电能表采用相同技术输出功率脉冲到微处理器。微处理器接收到测量部分的功率脉 冲进行电能累计，并且存入存储器中，同时进行剩余电费递减，在欠费时给出报警信号 并控制跳闸。它随时监测IC卡接口，判断插入卡的有效性以及购电数据的合法性，将购 电数据进行读入和处理。它还将数据输出到相应的显示器中显示。 图3-25 单相预付费电能表原理框图 显示采用液晶显示器（LCD）或数码管显示（LED）。继电器一般为磁保持继电器，可以通断较大的电流。电能表中可扩展 RS485接口，进行数据抄读。 二、IC卡技术 在预付费电能表中IC卡技术是一个关键技术。IC卡是集成电路卡（Intergrated Circuit Gard）的简称。它将集成电路镶在塑料卡片上。它与磁卡比较有接口电路简单、保密性 好、不易损坏、存储容量大、寿命长等特点。IC卡中的芯片分为不挥发的存储器（也称 14 存储卡）、保护逻辑电路（也称加密卡）和微处理单元（也称CPU卡）三种。在电能表上使用的卡，这三种都有，接口往往采用串行方式的接触式卡。 下面对各种卡的构成特点及使用特点作简单介绍。 1．存储卡 在目前大量使用的存储卡中，可以分为以下3种。 （1））只读型。数据一次性写入存储器不可更改，往往由ROM或PROM存储器构成，其价格非常低廉，但数据内容不可改变，适用于游戏卡、特定标识卡等。 （2）计数型。芯片采用熔丝式的电路或存储单元锁死的电路，单元初始状态为1（未 熔断或未锁死），当需要改写时，把相关单元熔丝烧断，单元状态变为0。计数卡简单可靠，数据内容不可改写，有很高的安全性，成本也较低；缺点是卡不可以改写，不能重 复充值使用。它适用于电话卡、加油收费卡等。 （3）充值型。芯片采用电可擦除的存储电路，可以重复改写多次（一般为1万次以上），数据保持时间一般大于10年。它适用于卡的数据需要反复改写的场合，如收费卡、 公路卡等。 2．加密卡 加密卡由电可擦除存储单元和密码控制逻辑单元构成，对于存储区数据的读写受到 逻辑单元的控制不能任意进行，必须先核对密码后才可以操作，否则卡将被锁死。这样 可以大大提高卡的安全保密性能。 加密卡中分主存储区、保护存储区、加密存储区三部分。其中主存储区数据可以任意 读写。保护存储区数据可以任意读出，但改写需要先送“检验字”，芯片将检验字与存在 加密存储区的密码比较，当检验结果一致时，控制逻辑打开存储器，可以进行写入。检 验字比较次数限定4次，如果连续4次检验出错，芯片将锁死，整个芯片只能读出，不 能再使用。加密存储区为存放密码和比较计数值的区域，此区域在校验字未比较成功前 不能读写。 3．CPU卡 在卡上集成了存储器及微处理器。由于有了微处理器，CPU卡可以进行各种较为复杂的运算，而且从总线上直接进行检验字比较变为间接的卡的认证和识别，排除了从总 线上破译密码的可能，安全性能有了很大提高。目前CPU卡已在金融卡中广泛使用。IEC7S16国际标准中，对CPU卡的结构、数据接口都有规定。 三、主要性能指标及功能 1．主要参数 （1）准确等级：1.0级； （2）电流规格：5（20），10（40）A； （3）电压回路功耗：＜2W； （4）工作电压范围：（70%～130%）U ； e （5）脉冲常数：5（20）A，3200imp/（kWh）；10（40）A，1600imp/（kWh）； （6）起动电流：4%I； b （7）卡类型：加密卡； 15 （8）设计寿命：15年。 2．主要功能 （1）计量功能。计量有功电量，有功＝正向有功十反向有功。 （2）功率脉冲输出。脉冲宽度80?5ms，空触点输出，同时有脉冲LED指示。 （3）负荷控制。具有超功率自动断电的负荷控制功能，可以设置功率限额以及允许 次数，当平均功率大于限额后，电能表跳闸并显示当时的功率。使用用户购电卡插入电 能表可以恢复供电。但当超功率跳闸次数超过设定的允许次数时，电能表将不可恢复供 电，只有使用了参数设置卡改变了功率限额后，才恢复供电。 （4）防窃电功能。具有自动短接电流回路的防窃电功能，当短接进出线时，电 能表显示“O”并且记录窃电次数。 （5）显示。LCD显示可以设置自动及手动（按钮切换）方式显示如下几项数据： 01：有功总电量；02：剩余电费；03：费率；04：剩余电费报警限额；05：功率限额；06：允许过载跳闸次数； 07：电能表常数；08：电能表编号。 （6）报警显示。当电能表自检出现故障时，显示： E1X X X X X——存储器故障； E2X X X X X——继电器故障； E3X X X X X——时钟故障。 （7））预付费功能。使用购电卡可购电量送入电能表，电能表按设定的费率递减， 当剩余电费小于设定的报警门限时，电能表跳闸，提醒用户去购电；此时插入购电卡可 以恢复供电。当剩余电费小于0后，电能表将跳闸，直到购电后才恢复供电。 第五节 三相三线电子式多功能电能表 多功能电能表采用了当今世界上最先进的电能表专用集成电路、永久保存信息的不 挥发性存贮器、标准RS485通信接口、红外通信、汉字大画面超扭曲宽温液晶显示、国 际标准IC卡等先进技术，采用了当代SMT电子装配新工艺，是按IEC标准制造的换代型电能表。 多功能电能表实现了有功双向分时电能计量、需量计量、正弦式无功计量、功率因 数计量、显示和远传实时电压、电流、功率、负载曲线等，且可按电力部门标准实现全 部失压、失流、电压合格率记录、报警、显示功能，可有效地杜绝窃电行为，从而满足 了对用户进行现代化科学管理的要求。 该电能表可根据用户需求安装GPRS模块（内置或外配），无线模块，GSM模块，解决远程抄表通道，以扩展其功能。 一、常用术语 1．测量单元 它是产生与被计量的电能量成正比例输出的电能表部件。 2．数据处理单元 它是对输入信息进行数据处理的电能表部件。 16 3．多功能电能表 它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。 4．显示器 它是显示存储器内容的装置。 5．需量周期 测量平均功率的连续相等的时间间隔。 6．最大需量 在指定的时间区间内，需量周期中测得的平均功率最大值。 7．滑差（窗）时间 依次递推来测量最大需量的小于需量周期的时间间隔。 8．额定最大脉冲频率 多功能电能表在参比电压、参比频率、额定最大电流及cosφ=1.0条件下，单位时间发出的脉冲数。 9．常数 表示多功能电能表计量到的电量与其相应的输出值之间关系的数。如输出值是脉冲 数，则常数以imp/（kW?h）[imp/（kvar?h）]或imp /W?h[imp /（var?h）]表示。 二、工作原理 A、B、C三相电压、电流信号经电能表采样电路和功率计量处理器变换成相应的数 字信息后，传送给数据处理中心，并通过程序处理求出各相电压、电流、功率、电量、 需量、功率因数等各项参数；同时识别各相电压、电流有无异常并记录相应的失压、失 流状态。工作原理框图如图3-26所示。 图3-26 工作原理框图 三、主要性能 （1）电能表的线路设计和元器件的选择以较大的环境允许误差为依据，因此可保证 整机长期稳定工作；精度基本不受频率、温度、电压变化影响；整机体积小，重量轻， 密封性能好，可靠性较其他同类产品有明显提高。 17 （2）当电网停电后，锂电池作为后备电源，提供停电后表内电量的显示读取，并保 证内部数据不丢失，日历、时钟、时段程序控制功能正常运行，来电后自动投入运行。 在电能表端钮盒上设置有光电耦合脉冲输出接口，以便于进行误差测试和数据采集。 （3）电能表运行信息可由手持电脑、RS485接口、国际标准IC卡三种媒介传输，电力部门可根据本地区具体情况自行选择一种或多种传输方式。 （4）为方便用户现场更换电能表，使用表中特有的复印功能，可以方便地将被更换 表的所有信息复印至更换后的电能表上，安全可靠，简化了用户更换电能表的工作程序， 提高了工作效率。 （5）电能表适用于环境温度为?25～60oC，相对湿度不超过85％的地区。 四、规格和主要技术参数 1．规格 规格见表3-3。 表3-3 多功能电能表规格 精度 额定电压(V) 额定电流(A) 0.3(1.2) ，1.5(6) ，3(6)， 有功0.5S/1.0 3×100 5(20) ，10(40)，20(80) ，无功2.0 3×380 30(100) 2．主要技术参数 时钟误差：?0.5s／天。 功 耗：LCD显示，电压线路?1.2W、6V?A，电流线路?1V?A。 电源工作电压范围：（＋20％～?30％）Ue。 后备电源采用双锂电池：3.6V、1.2Ah，可保持数据 5年以上。 电池工作寿命：?10年。 准确度等级：有功0.5S／1.0级 无功2.0级。 启动电流：?0.1％I （0.5S级），?0.2％I（1.0级）。 bb 潜 动：具有逻辑防潜动电路。 费率时段：费率时间可分区、分段，时段设置后节假日可自动识别切换。 五、主要功能 （一）计量功能 1．电能计量 （1）记录、显示当前、上月及上上月的正反向有功、无功累计总电量。 （2）记录、显示当前、上月及上上月的正反向有功尖电量、峰电量、平电量。谷电 量及用户要求的更多费率电量。 （3）可分别记录、显示任意两象限无功电量绝对值之和。 （4）可分别记录、显示当前、上月及上上月的A相、B相、C相正反向有功累计总电量。 （5）电量计量值为六位整数、两位小数，单位为kW?h、kvar?h。 18 2．需量计量 （1）记录、显示本月、上月及上上月总的正反向有功、视在总最大需量及该需量出 现的日期、时间。 （2）记录本月、上月及上上月尖、峰、平、谷各时段的有功最大需量或用户提出的 更多费率需量及该需量的出现日期、时间。 （3）随机显示当前需量，真实反映当前负载状况。 （4）电能表运行到预置抄表日零点（可设为0～23点），最大需量自动抄表后清零，也可由授权人手动抄表后清零。 （5）需量计量值为二位整数，四位小数，单位为kW，kV?A。 3．电压、电流、功率计量 （1）实时显示A、B、C三相电压、电流值。 （2）实时显示总、A、B、C相有功、无功功率值。 （3）可记录36天（整点记录，时间间隔可设为1～100min）负载曲线（A、B、C 相电压、电流和有功总功率），也可按用户要求增加记录天数。 4．功率因数计量 （1）记录、显示本月、上月及上上月的平均功率因数值。 （2）随机显示当前15 min的功率因数值。 （二）失压、失流报警、显示、记录功能 （1）当电流I?5％I 时，三相电压中任意一相（两相）失压或低于额定电压的78％b ?2V时，电能表判定为故障失压，电能表声光报警、显示故障相别、该相失压累计时间 （单位：h），连续失压超过1 min，启动内部失压记录程序，记录本次失压相别、失压 累计时间、失压累积次数及故障期间失压相的安培小时数与额定电压乘积所得电量；当 失压电压恢复到额定电压的85％?2V时撤除失压报警，恢复正常显示和计量。 当三相电压失压时，电能表无显示，此时若电能表有电流信号且I＞10％I时，电能b 表判定为故障失压，电能表记录本次失压相别、失压累计时间、失压累积次数；当电压 恢复时可以显示以上记录。 （2）失流。当DSSD22型三相三线电能表同时满足： 实际电流不平衡率＝[（最大相电流－最小相电流）/最大相电流]×100％?不平衡电 流设定比值（用bph表示） 电流低限＝（任意相电流/I）×100％?设定比值（用dLd表示） n 式中 In——互感器二次额定电流。 以上二条件满足时，电能表失流报警，同时记录失流次数、时间、故障电量等。当 bph设置为100％时，不对失流进行考核。 （三）电压越限报警、显示、记录功能 可按月记录电能表总运行时间以及A相、B相、C相电压超越上限和下限时间。超限时电能表会声光报警。 （四）超负载报警功能 该电能表具有预置超负载报警功能。当电能表超过预置负载值5 min后，电能表声 19 光报警，提示用户尽快降负载。 （五）电网参数记录功能 电力部门可根据用户的用电情况，将用户的用电负载连续记录下来，画出负载曲线， 以便于更合理地进行用电管理。由授权人设置月电网参数记录间隔时间（间隔时间可设 定为1～100 min）后，表计将自动对三相平均电压、电流和功率整点记录。当时间间隔 设定为60min时，记录时间为36天，间隔时间设定30min时，记录时间为18天，依此类推，最小间隔时间为1 min；也可按用户要求增加记录天数。 （六）事件记录功能 记录最近一次清零、最大需量清零、编程、最近5次失压事件出现和恢复时间及最大需量清零次数和编程次数；也可按用户要求增加计录次数。 （七）远方编程、抄表功能 根据用户需要，电力部门可利用电能表中标准RS485接口和6路脉冲输出接口，通过负控端、市话网、移动通信网以及其他传输形式，组成远方抄表管理系统，实现电力 部门营业抄表、负载监控等远动控制、接口通信和数据结构符合DL／T645－1997 《多功能电能表通信规约》、DL535—93《电力负荷控制系统数据传输规约》（适用加装 GPRS通信模块）标准；也可按用户要求制作其他形式的通信规约。 （八）停电抄表功能 在电网停电的情况下，按动＃3按键使液晶显示，即可实现停电抄表，也可按用户 要求实现无接触式红外唤醒抄表。 （九）复印功能 该电能表具有独特设计的复印功能，轮换表时可用复印卡将旧表上所有的信息转换 至新表上，方便电能表的编程和轮换。 （十）远方控制功能（仅适用于GPRS通信模块电能表） 该电能表通过GPRS移动通信网可对用户用电情况实施全天候的监测，当发现电能 表任何不正常情况时，立即在系统界面上显示该电能表异常信息，促使供电部门进行检 查，甚至输出2路控制信号实施远方控制报警、拉闸、断电等操作。 六、显示功能 （一）全屏显示画面 全屏显示画面见图3-27。 图3-27 全屏显示画面 20 （二）代码说明 代码说明见表3-4。 表3-4 代码说明 内容 第一位 第二位 第三位 第四位 0 有功电量 总 有功正向 无功象限1 总 1 无功电量 A相 有功反向 无功象限2 尖 2 需量 B相 视在 无功象限3 峰 3 需量时间 C相 无功象限4 平 4 实时数据 无功象限1+2 谷 5 越限记录 无功象限1+3 6 失压失流 无功象限1+4 7 其他 无功象限2+3 8 参数 无功象限2+4 9 时段 无功象限3+4 （三）按键与显示内容的对应关系 按键与显示内容的对应关系见表3-5。 表3-5 按键与显示内容的对应关系 按 第1位显示量类型 键 代码 0 有功电量 （本、上月、上上月）（正、反向；各费率及A、B、C相） 1 无功电量 （本、上月、上上月）（象限1，2，3，4，1+2，1+3，1+4，2+3，2+4，3+4） 2 最大需量 #1 （本、上月、上上月）（有功正、反向及各费率、视在总） 3 最大需量出现时间 （本、上月、上上月）（有功正、反向及各费率、视在总） 4 总/A相/B相/C相实时有功、无功功率，电压、电流、当前功率因数 5 电压越限记录（本、上月、上上月） （总运行时间；越上限、越下限、总越限时间（A/B/C）） 6 失压、失流记录 （总/A相/B相/C相；起始时间；累计次数；累计时间；累计电量） 7 其他 8 时钟；表号；用户号；设备号；通信表地址 回到循环显示状态 #2 第2位代码加1 21 #3 后3位代码加1 #4 预置参数显示（全部显示完后回到循环显示状态） 注＃1一主菜单键，＃2一子菜单键，＃3一项目显示键，＃4一参数显示键 七、电能表使用方法 （一）电能表显示 1．循环显示 电能表通电，或无按键操作3min后，显示屏每隔5s（可设为5～20s）自动循环显示。 2．按键操作说明 ＃1按键（主菜单键）用于切换显示数据的类型，依次在有功电量、无功电量、需 量、需量时间、实时数据、电压越限记录、失压、失流、时钟和循环显示状态间切换。 每按动一次，第一位代码加 l。 ＃2按键（子菜单键）用于在＃l按键选定的显示数据类型中，进一步选择显示类型。 每按动一次，第二位代码加1。 ＃3按键（项目显示键）用于在＃l、＃2按键选定的显示数据类型中，依次显示该 项目中各个显示量。每按动一次，后3位代码加1。 ＃4按键（预置参数显示键）用于依次显示电能表预先设定的各个参数。预置参数 显示全部显示完后，回到循环显示状态。 按下任意键，液晶上显示按键符号，指示当前处于按键显示状态。当状态回到循 环显示状态后，按键符号自动消失。 （二）参数设置 用户可以通过RS485、红外通信口或编程IC卡对电能表的参数进行预置，但必须通 过参数编程键硬件开锁（按住参数编程键5s，出现一笛声报警，LCD显示钥匙出现，开锁成功）后方可进行。在通过RS485或红外设置电能表通信地址时，需按住＃2按键进行。电能表预置参数见表3-6。 表3-6 电能表预置参数 1 需量滑差时间 min 1～15 2 循环显示间隔时间 s 5～20 3 抄表日 日、时 ?29日手动抄表 4 负载记录间隔时间 min 1～100 5 电压上限 0.1V 120%V (默认) e 6 电压下限 0.1V 80%V(默认) e 7 电流不平衡率 % 1～100 8 电流低限 % 0～99 9 表号 6字节 10 用户号 6字节 11 设备号 6字节 22 12 通信表地址 6字节 13 波特率 bit/s 600～9600 14 功能方式 00/02 15 超负载限制 0.1W 0～99.99kW 0：不限制 16 通信费率顺序 0/1 0(总峰平谷尖) 1(总尖峰平谷) 17 时区1（总共N个时段） N?10 11 18 时区2（总共N个时段） N?10 22 （三）最大需量清零 当抄表日在1～28日之间时，电能表自动在设定的结算日整点运行信息抄表保存， 然后清零当月最大需量。抄表日出厂默认值为月初零点。若抄表日不在此范围内，用户 则可以通过RS485、红外通信或功能IC卡，对电能表进行最大需量清零。此操作每月仅 允许进行一次。 （四）故障报警显示 电能表在运行中自动进行电池失压、线路失压、失流、电压越限、超负载和逆相序 故障检测，故障声光报警。液晶提示画面见图3-28。错误代码含义见表3-7。 图3-28 液晶提示画面 表3-7 错误代码含义 序号 错误代码 故障信息 0 E—0000 工作正常 1 E—0001 电池欠压 2 E—0002 失压、失流 3 E—0003 电压越限 4 E—0004 超负载 5 E—0005 逆相序 思考题与习题 23 1．机电式电能表主要由哪三部分组成？ 2．试画出电子式电能表的工作原理图。 3．何谓模拟乘法器？ 4．试叙述采用三角波为节拍信号的电压型时分割乘法器的工作原理。 5．试画出采用数字乘法器电能表的结构框图。 6．电子式电能表显示器有哪三种？ 7．试叙述液晶显示器的工作原理。 8．试写出单相电子式复费率电能表的主要功能特点和主要技术指标。 9．试写出三相三线电子式多功能电能表的主要技术指标。 10．三相三线电子式多功能电能表运行时出现哪些现象发出故障报警显示？ 24