数字电能表

数字电能 第一章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 1、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。 1.1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 1.2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。 2 1(电阻网络 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 (t)——被测电压; 式中 u u(t)——送给乘法器的等效电压。 U 图3-14 电压互感器电路图 2、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。 2.1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，在电路的设计中，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,121u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),01212RR12 RT2 T,T,,u12xRU1N 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 0yxyxyTRU1N 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,, ,uxRR22 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工艺性好，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。 2.2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 T1P,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 7 N1 P,u(k)，i(k),T,1k 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。 3、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。 4、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标准时钟脉冲信号经分频后作为时间基 9 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。 (a) (b) 图3-23 分频计数器原理框图 (a)框图;(b)脉冲波形 5、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,65为普遍型(0C)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。 3数字电计量系统能 数字互感器投入运行后，在数字计量系统中电流、电压信号采用IEC 61850一9一1标准或IEC60870-5 -1的FT3，随着光纤技术以及光通讯技术的发展，以及光纤通信自身优良的抗电磁干扰性能，互感器与电能表之间采用光纤传输系统。数字化变电站采用输出数字信号的电子式互感器，数字化的电流、电压信号在传输到二次设备和二次设备处理的过程中均不会产生附加误差，无TA饱和问题，提升了保护、测量和计量等系统的系统精度。图3为全数字计量系统原理框图。 10 图3全数宇计量系统框图 数字式电能表是通过接收光电互感器的光纤传送的数字化电流电压信号后，实时运算和CPU系统对该数据进行处理，处理后产生的各类数据实时存入FRAM并通过液晶显示接口进行动态显示。该系统遵循IEC 61850-9-1/2擞字化变电站内通信规约肋、议的全新的数字接口式多功能电能表，采用当今世界流行的高档电能表设计，数字信号处理器与中央微处理器相结合的构架，将数字信号处理器的高速数据吞吐能力与中央微处理器复杂的管理能力完美结合。通过协议处理芯片获取合并单元的数据协议包，传送至数字信号处理单元完成对电参量测量、电能累计以及电能的计算等任务，后与中央微处理器进行数据交换，由中央微处理器最终完成表计的显示、数据统计、储存、人机交互、数据交换等复杂的管理功能。其整表硬件原理框图如图4所示。 图4数宇式电能表原理框图 三相三(四践数字化多功能电能表的研发与生产符合以下标准: DB43 /T 558-2010《数字化电能表》 11 GB /T 15543-1995《电能质量三相电压允许不 平衡度》 GB /T 17882一1999}} 2级和3级静止式交流无功 电能表》 GB /T 17883一1999}} 0. 2S级和0. 5 S级静止式交 流有功电能表》 DL /T 614-2007《多功能电能表》 DL /T 645 -1997《多功能电能表通信规约》 IEC 61850-9-1 /2撇字化变电站通信规约》 图5数宇电能表计量系统 设计成的三相三(四践数字化多功能电能表可通过计量参数设置使能为三相三线或三相四线计量模式。三相数字化多功能电能表符合DB43 /T 588-2010《数字化电能表别示准的0. 2 S级和0. 5 S级三相电子式多功能电能表。其主要特点为计量信号为数字流输入、高速的数据处理能力、电源采用双路外接电源供电。适用于采用lEC 61850-9-1 /2 标准协议的电能计量体系。电能表基本参数一般设置如表1 12 表1电能表基本参数一般设置 数字化电能表在实现功能方面与传统电子式电能表一致，可以实现分时计量，可计量分相元件的正、反向有功，四象限无功及感、容性无功电能。月电量统计及实时测量三相电压、电流、功率、功率因数、频率。可记录失压、失流、断相、数据无效、装置失电及自检功能。最大需量可计量有、无功最大需量及出现时间，最大需量的积分周期和滑差步进时间。另外可以实现结算数据记录、负荷曲线记录可记录最近36天或者更长时间的日负荷曲线，以及其他事件记录等主要功能。具有无源四路脉冲输出和三路测试脉冲输出，内部设置硬时钟电路。提供了一个U}接口，可通过软件对电表进行编程。电表计量总及6个费率的输入输出有功、输入输出无功及四象限无功电能，四象限定义详见图6所示。 图6有功和无功功率的几何表示 13 由于选择数字化电能表暂无国家标准，一般设计有功准确度等级为0. 2 s级，无功准确度等级为1级，无功1级是参照{GB /T 17215} 1级和2级静止式交流有功电能表别示准检定而得到的。 数字化的电流电压信号在传输到二次设备和二次设备处理的过程中均不会产生附加误差，提高了计量的精度，减少了二次回路接线，降低了变电站建设的投资。电能计量二次回路采用光缆，回路上传输的是数字信号，一方面提高在二次回路上工作的安全性，另一方面减少了运行维护的工作量。因为二次回路上无功率传输，就没有二次压降和功率损耗，传统的二次电压降测试工作将不需要进行，电能表直接计 量一次值，电能表抄读示值即为电量，可以减少由于倍率错误或计算错误带来的失误。 第二章电能计量检测系统 数字电能表本身可以做到无误差，因此数字电能表校验仪对数字式电能表进行的误差测试本质上是对电能表通信误码率以及电能表的算法误差进行定级，这和常规电子式电能表校验仪有本质的不同。数字电能表的工作方式导致传统电能表校验台收玩 法对数字电能表进行检定工作，有必要重新设计一个校验装置。该装置必须具备以下几个功能。一是具备光纤以太网接口;二是链路层可采用IEC 61850-9-1或FT3标准格式，在电子式互感器标准中，数字输出的格式为IEC 61850-9-1或FT3格式，但按照IEC 61850建设的数字化变电站，可能存在电流、电压信号按照IEC 61850一9-2标准提供给二次设备的情况，因此电能表校验仪也应具备IEC 61850-9-2扩展能力以适应这种应用需求。三是具备电度计算的功能;另外该检测系统可接收被校电表输出的脉冲信号，并进行比较，做误差分析;再者就是必须具备保留历史数据的功能，以备后续查看。 按照上述电能检测系统的要求和原则，该系统的溯源原理如图6所示。 14 图中电能表校验仪配置出符合IEC 61850标准的数字电流、电压信号，通过光纤传给数字电能表，电能表进行电度计算后，输出校验脉冲。电能表校验仪中有标准电能运算模块，根据配置好的电流、电压数据源计算出电能基准。电能表校验仪采集到校验脉 冲后，与自身计算出的标准电度量比较，得出电能表误差，图7为数字式电能表检测方案。 15 第三章基于量值溯源的数字电能表校验方案 基于量值溯源的数字电能表校验方案如图3示。上面方框包含数字电能表等数字量输入输出的设备，称为数字世界，准确度需要进行量传。下面方框包含三相功率源和传统标准电能表，具有确定的已知测量准确度，称为模拟世界。中间方框包含采样装置和 协议变换单元，产生标准数字功率源，称为模拟世界与数字世界之间的桥梁。标准数字功率源的输出送给标准数字电能表，标准数字电能表的累积电能与传统标准电能表的实测电能比较，得到一个电能误差，由于标准数字电能表只是进行简单的瞬时功率乘加运 算，理论上无误差。因此，如果数字电能表的软件设计 图3基于量值溯源的数字电能表校验方案 16