三项电能表 文献综述2_智能电表文献综述

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三相电能表的设计

学校代码：11517 学号：200910710123

HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING

文献综述

题目三相电能表的设计 学生姓名韩天玺

专业班级电气工程及其自动化0941班 学号200910710123

系（部）电气信息工程学院 指导教师(职称)梅杨

完成时间 2013 年 3 月 1 日

三相电能表的设计

文献综述

——三相电能表的设计

摘要：随着我国经济的飞速发展，电能消耗日益增加，电能成为现代社会国民经济和人民生活的重要保障。本文所设计的新型多功能电子式电能表除了提高计量精确度外还实现了分时计量、对异常情况进行实时监控并记录事件等功能；可提高电能的合理利用，为用户提供公正、公平的用电环境。

论文首先综述了多功能电子式电能表的发展现状及电能测量的基本原理，然后给出了系统的设计目标和总体方案，并按功能进行了各个硬件电路单元的设计，包括电源单元、计量单元、功能管理单元、显示单元、通信接口单元等。在软件设计方面，采用模块化软件设计方法实现了有功和无功的能量分时计量、RS485通讯、红外通讯、按键显示、异常检测及记录等功能。文中对三相电能表的抗干扰设计也有很详细的介绍。

本三相多功能电子式电能表具有运行稳定、可靠性高、通用性好和抗干扰能力强等优点，适应电表市场的需求。

关键词：电能计量，多功能电子式电能表，复费率，ATT7022B，时

三相电能表的设计

钟芯片电能表的发展及现状

1.1感应式电能表（机械表）

自从1831年法拉第发现电磁感应定律以来，人们就不断的探索使用和测量电能。电能表作为测量电能的专用仪表，至今已有100多年的历史。1880年美国人爱迪生研制成功世界上最早的电能表，是基于电解原理的直流电能表。随着交流电的出现和使用，1888年意大利物理学家费拉里斯提出了将旋转磁场理论用于交流电能测量的观点;1889年，匈牙利岗兹公司的布勒泰制成了第一台交流感应式电能表。最早出现的电能表是根据旋转磁场理论制作的感应式电能表，其核心是电磁线圈和转动部件，经过一百多年的不断改进和完善，感应式电能表的制造技术也已相当成熟。

目前普遍使用的感应式电能表是根据交变磁场中金属圆盘的感应电流与有关的磁场形成力的原理制成的，即利用金属铝转盘中感应的电流与通有交流电流的固定线圈的磁场相互作用，产生驱动力矩驱动铝盘旋转，累计消耗的电能。感应式电能表具有制造简单、操作安全、维修方便、可靠性好和价格低廉等特点，因此，至今在包括我国的许多发展中国家甚至是一些发达国家里，感应式电能表仍作为一种计量工频电能的仪表被广泛使用。[2]

三相电能表的设计

1.2 机电一体式电能表

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，人们开发出了基于感应电能表的机电一体式电能表，这种电能表是利用感应系电能表的测量机构作为工作元件，使用光电传感器完成电能脉冲的采集，经微处理器处理后，对电能脉冲进行计量，从而实现对电能的数字化测量。这种电能表的显著特点是感应式测量机构配以脉冲发生装置，因此也被称为感应式脉冲电能表或机电脉冲式电能表。这种电能表和机械祸合式多费率电能表都是感应式电能表向全电子式电能表过渡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。

1.3 全电子式电能表

机电脉冲式电能表采用感应式测量机构测量电压电流，决定了它同样具有感应式电能表准确度低、适用频率范围窄等缺点。电子式电能计量方案使用乘法器实现功率和电能的测量，在一块集成芯片上完成电能采样和AD转换，比较先进的是∑-⊿AD转换原理。功率是电流与电压的乘积，电能是功率对时间的积分。

20世纪80年代末90年代初，国外著名电测仪表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(LANols&oYR)、法国斯伦贝谢公司(Sehlumberger)和美国通用电气公司(GE)等。我国从20世纪90年代初开始研制全电子式电能表，1994年威胜集团、恒通公司等相继推出了全电子式

三相电能表的设计

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，我国电子式电能表开发设计和制造技术得到了飞速的发展。全电子式电能表最早用于进行计量鉴定，也就是做标准表，随着元器件性能的提高和价格的下降，全电子式电能表计量精度较高，且能实现复费率及用电控制，便于实现抄表自动化系统，而且生产成本较低，全电子式电能表逐步开始大量民用，目前使用数量已经远远超过机械表。[3]

1.4多功能电能表现状及发展趋势

目前的电能表市场中全电子电能表所占比例逐年增加，机械表由于先天性在通信方面的不足，所以很难在集中自动化抄表方面有发展，机电一体式电能表虽可以进行电能信息的远程通信，但其可提供的用电信息比较少，例如频率，有功，无功等，另外实现复费率计量也比较困难。虽然基于机电一体式的电能表实现了预付费，但鉴于安全性和其他方面的原因，国家并不主张大范围的使用这种电能表。

全电子电能表克服了上面两种表的缺点，可以方便的计量电能的各种信息，并且实现远程通信完成抄表工作和实现配电网络自动化。近年来随着全国用电缺口的急剧扩大，国家发改委决定全面推行峰谷分时电价和避峰电价，鼓励用户合理移峰用电，这一政策的出台，带动了全国各地供电部门对复费率、多功能电表需求的快速上升。

目前，在抄表方式上，存在有RS485、红外、GPRS和电力线载波等多种抄表方式。其中RS485抄表和红外抄表技术比较成熟。各种抄表方式具有各自的特点，RS485需要专门布线，但其抗干扰能力较强；红外抄表由于其通信距离的限制，不能实现远程监控的目的；电力线载波通信抄表

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技术无需专门的通信线，利用现有的电力线作为通信信道，信道建设工作量极少，但其技术较为复杂，通信出错率较高。目前还存在着GPRS无线抄表方式，GPRS是通用分组无线业务(General PacketRadio Service)的简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS抄表技术在未来将会有很广的应用。

电能计量技术将会向着智能化、多功能、集中管理及网络化的方向发展。在信息化技术不断发展和成熟的现代社会，高效的电能计量和管理技术将是信息化家庭智能管理系统的一个重要组成部分。[4]

2电能测量原理

2.1三相电路接线方式

三相电源有两种基本连接方式[5]：星形连接和三角形连接。星形连接示意如图2.1（a）。三相对称星形连接时，有如下关系：

Ul3Up，IlIp

(2-1)式中：Ul，Il---线电压和线电流；Up，Ip---相电压和相电流。对称三相电源可以采用三角形连接(△连接)，如果不对称程度比较大，所产生的环路电流将烧坏绕组。三角形连接示意如图2.2(b)。三相对称三角形连接时，有如下关系：

UlUp，Il3Ip

(2-2)

式中：Ul，Il---线电压和线电流；Up，Ip---相电压和相电流。

三相电能表的设计

AAUANUCUBBCCUAUBUCB(a)星形连接(b)三角形连接图2.1三相电源的星形连接和三角形连接

三相负载根据其接线方法一般有三相三线和三相四线之分，以下只讨论电源为Y形连接时的情况。当发电机三相绕组按星形方式连接时，负载接成三角形方式，如图2.2(a)所示，称为三相三线制。当发电机绕组按星形方式连接时，负载也接成星形方式，如图2.2(b)所示，称为三相四线制。三相四线方式时，流过各相负载的电流等于各相电源流过的电流。当电路为对称三相电路时，中线电流为零。此时中线可以去掉，变为三相三线制。

AIAUANZAZUBUCBCIBICICACIABZIBCB

(a)负载三相三线连接

三相电能表的设计

AIAUANZZNUBBCINZN’ ZIBICUC

(b)负载的三线四线连接 图2.2三相负载接法图示

以上讨论了三相电源和负载的接线方法，这些知识有利于理解三相多功能电能表的参数采集电路和外部接线方式。[6]

2.2电能测量原理

电能在物理上可以看成是从电源流向负载的能量流。用户在某一时刻消耗电能的“速度”我们称为瞬时功率，它在数学上等于该时刻瞬时电压值与瞬时电流值的乘积，将所有这样的“瞬间”消耗的电能加在一起就得到了总的用户消耗电能的数量。因此，有功电能的计算可以用电压与电流瞬时值的乘积在时间上做积分得到，其测量可简单地描述如下。[7]

设在t时刻负载两端的交流电压和流过负载的交流电流的表达式为：

u(t)=Umsint2Usint

(2.1)

2Usin(t)

(2.2)i(t)Imsin(t)Um－电压峰值；其中u(t)-t时刻电压瞬时值；i(t)－t时刻电流瞬时值；

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Im－电流峰值；U－电压有效值；I－电流有效值；－电压与电流相位差；ω－角频率。

则在一个周期内平均有功功率P为

P1T1T1TTTu(t)i(t)dt0mU0TsintIm(t)dt

(2.3)UIcos(2t)cosdt0UIcos一个周期内的电能W为

TWu(t)i(t)dtTUIcos

(2.4)

0对于三相电路，总能量可以表示为三个分相能量之和：

WWAWBWC(2-5)在实际电网中，电压电流信号基本上都不是只包含50Hz频率分量的正弦信号，而是含有很多谐波信号。事实上我们可以发现瞬时功率信号Pui本身是一个含有直流分量和高频分量的信号，而任何频率不为0的频率分量从长期来看对于时间积分都没有贡献，因此电能计量数学上就相当于计算瞬时功率P的直流分量在时间上的积分。为了得到有功功率分量（即直流分量），需要对瞬时功率信号进行低通滤波处理。[9]

2.3三相有功电能的计量[8]

三相电路分为三相三线制和三相四线制两种接法，下边分别讨论这两

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种电路的测量方法。测量三相三线电路有功电能可以采用一表法和二表法。一表法只能用于三相对称电路，实际中一般不会采用；工程中经常采用二表法计量三相电能。

三相三线电路的瞬时功率可表示为：

PuAiAuBiBuCiCuABiAuCBiC

(2.6)

式中：uABuAuB；uCBuCuB；uAB、uCB——线电压的瞬时值。由式(2.6)，用两只单相电能表测量三相三线电路的总电能，称为二表法，用这种方法测量三相三线有功电能的接线和原理如图2.4。两只单相电能表计量值相加即为三相总能量。

ABC图2.3二表法测三相能量接线原理图

三相四线电路可看成由三个单相电路组成的。其平均功率P等于各相有功功率之和，即

PPAPBPCUAIAcosAUBIBcosBUCICcosC

(2.7)

无论三相电路是否对称，上述公式都成立。

测量三相四线电路的有功电能经常用三只单相有功电能表（DD型）,即三表法或三相四线式有功电能表（DT型），三表法就是在三根相线与零线之间分别跨接一只单相有功电能表，总能量即为三只单相表计量值之和，三相电能表的设计

三相四线式有功电能表可以直接通过外部接线计量三相电能。三相四线电路因为零线电流一般不为零，所以用二表法测量时会存在较大的测量误差。

以上介绍了传统的三相电能测量方法，分别考虑了三相三线和三相四线方式，在电子式电能表成为主流的今天，越来越多的设计方案开始采用专用的三相电能IC芯片，例如ADE7752、ATT7022、TM7752等，这类芯片一般具有测量精度高、外围电路简单、校表容易等特点，并且在不改变电路设计的前提下，可同时适用于三相三线和三相四线方式，专用电能IC芯片已经成为三相电子式电能表设计的首选。

2.4电子式电能表的测量原理

电能表测量电能的基本方法是将电压、电流相乘，然后在时间上累加起来，即积分。电子式电能表实现积分的方法，是将功率转换为脉冲频率输出，该脉冲称为电能计量标准脉冲fH（或fL），其频率正比于负荷功率。

电子式电能表中起主要作用的是电能测量单元，而乘法器是该单元的核心组成部分，乘法器是实现被测电压、电流相乘，输出为功率的器件。常用的乘法器可分为模拟乘法器和数字乘法器两类，[2]模拟乘法器的又分为霍尔效应型、时分割型等；数字乘法器又分为硬件乘法器和软件乘法器。目前的电子式电能表多以数字乘法器为主。

2.4.1模拟乘法器

2.4.1.1 霍尔乘法器

[10]霍尔元件是如图2.6所示的半导体薄片，当它处于磁场感应强度为B的磁场中时，如果在它相对的两端通以控制电流I，则在半导体另外两端将

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会产生一个大小与控制电流和磁感应强度乘积成正比的电势UH。如式(2.8)所示。

UHKHIB(2.8)式中KH-霍尔元件的灵敏度；UH-霍尔电势。

图2.4霍尔元件示意图

由被测电压u产生磁场，其磁感应强度为Bu；被测电流i通过霍尔电动势就能反映被测电压、电流的相乘积。霍尔乘法器是一个四象限乘法器，其相乘精度甚佳，可达0.3%左右。工作频率在10kHz以内。根据霍尔乘法原理实现的静止式电能表可用图2.7表示。

电压电流霍尔乘法器积分器V/F变换脉冲输出图2.5霍尔乘法器型静止式电能表霍尔乘法器输出的是瞬态功率信号。瞬态功率信号通过变换很容易产生有

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功电能、无功电能等所需的数据。图2.7所示的属于直接检测式霍尔乘法器。这种结构在轻载时误差较大。

霍尔乘法器实现的静止电能表主要优点是频率响应宽，准确度能长期保证；抗干扰能力强；可以不需要电流互感器，不存在引入互感器误差。电压电流回路彼此独立，检测和校准相对容易，且线性也较好。主要缺点是工艺复杂，精度也不容易达到很高。2.4.1.2 时分割乘法器[11]

时分割乘法器的工作基于计算式

WT0mmKKuidttlimmuk1ituKiKk

1(2.11)式中m：在一个周期内电流、电压的采样次数。

由式(2.11)可知，负载在一个周期内消耗的电能近似等于m个电压、电流相乘再求和。m取值越大，上述近似计算产生的误差越小。由此，时分割乘法器的基本思想有两个，即分割和相乘。

时分割乘法器分为电压型和电流型时分割乘法器，电压型由于尖峰电压的干扰现在已基本不用，现在使用的多为电流型时分割乘法器。所谓电流型时分割乘法器是指被测电压、电流都变成电流形式后相乘，其乘积即功率大小也以电流形式表示。

时分割电能测量方法的特点有：(1)时分割乘法器构成的电能仪表电路简单、成本低；(2)时分割方法测量工频范围内的电能线性度高；(3)时分割方法频率测量范围窄，大多数不适于畸变波形下的功率测量；(4)电能测量准确度级别一般为2.0～1.0级。

2.4.2数字乘法器

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数字乘法器是将数字量相乘，首先将被测电压、电流的模拟量变为数字量，然后相乘。实现数字量相乘有两中方法：

1）采用硬件乘法电路。硬件乘法电路是由移位寄存器、加法器和时序控制电路组成，在时序电路控制下，根据每位乘数是“1”或是“0”，来决定是否累加被乘数，每进行一位运算后需要将累加和（即乘积）右移一位。采用硬件乘法器运算速度高，但需提供硬件电路。

2）采用软件乘法器。利用计算机的乘法指令实现数字量相乘，这实际是利用一系列的累加和移位完成运算的，采用这种方法运算速度较慢，但可以节约硬件。若CPU里含有硬件乘法器或采用专用的芯片作控制器，运算速度仍非常快。

总之，采用数字乘法器来实现电能计量时，电路里必须有A/D转换器，这是数字乘法器与模拟乘法器最根本的区别。本设计所采用了专用的三相电能计量芯片ATT7022B,该芯片不仅内置7路A/D转换器，而且A/D转换采用的是较普通A/D转换器更为先进的 A/D转换器。其主要采用了增量调制、噪声整形、数字滤波、和采样抽取等技术，使其在测量精度、线性度、稳定性和抗干扰能力等方面得到显著改善，具有更好的发展前景。

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参考文献

[1] 孙方汉．电能计量及其管理．北京：中国水利水电出版社，2005 [2] 黄伟．电能计量技术．北京：中国电力出版社，2004 [3] 郑尧．电能计量技术手册．北京：中国电力出版社，2002 [4] 雷文．电能计量．北京：中国电力出版社，2004 [5] 康广庸．电能计量装置故障接线分析模拟与检测．北京：中国水利水电出版社，2007 [6] 邱炳正．交流电能表错误接线100例解析．第三版．北京：中国计量出版社，2005 [7] 陈向群.电能计量技能考核培训教材.北京：中国电力出版社，2003 [8] 赵四海.高精度电度表的研制：[华东理工大学硕士学位论文].上海：华东理工大

学，2003 [9] 刘建民.电测仪表与电能计量.北京：中国电力出版社，1998 [10] TLC1543C/I/Q10-Bit Analog-TO-Digital Converter with Serial Control and 11 Analog Inputs [11] 汪国林.基于MSP430的数字电能表的设计技术研究：[合肥工业大学硕士学位论文].合肥：合肥工业大学，2004

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