全电子式电能表的结构和工作原理.pdf

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 1 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 1 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 RS，当大电流 i（t）流过时会产生相应的成正比的微弱电压 Ui （t） ，其数学表达式为 Ui（t）＝i（t）R 该小信号 Ui（t）送入乘法器，作为测量流过电能表的电流 i（t） 其原理图如图 2 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 Ui＝0.875mV 图 2 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 所示 （α） （b） 图 3 电流互感器电气原理图 （α）穿线式； （b）接入式 i（t）＝KI iT（t） 式中 i（t）——流过电能表主回路的电流； iT（t）——流过电流互感器二次侧的电流； KI——电流互感器的变比。

L I LT R K ti Rtitu×== )( )()( 式中 u（t）——送往电能计量装置的电流等效电压； RL——负载电阻 （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 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 4 所示 图 4 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 5 所示 u（t）＝KU uU（t） 式中 u（t）——被测电压； uU（t）——送给乘法器的等效电压 图 5 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 6 所示理想的乘法器的输出特性方程式可表示为 U0（t）＝KUX（t）UY（t） ， 式中 K——是乘法器的增益。

图 6 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 7 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 7 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 ux作脉冲调宽式处理， 调制出一正负宽度 T1、 T2之差（时间量）与 ux成正比的不等宽方波脉冲，即 T2－T1＝K1ux；再以此脉冲宽度控制 与 ux同频的被测电压信号 uy的正负极性持续时间，进行调幅处理，使 u＝K2uy；最后将调 宽调幅波经滤波器输出，输出电压 U0为每个周期 T 内电压 u 的平均值，它反映了 ux、uy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如图 8 所示。

图 8 调宽调幅波示意图 也有的时分割乘法器对电流信号 ix、iy进行调宽调幅处理，输出的直流电流信号 I0表示 电流 ix、iy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 9 所示被测电压转 换为 ux，被测电流转换成电压 uy图中电路的上半部分是调宽功能单元，下半部分是调幅 功能单元由运算放大器 N1 和电容 C1组成积分器，对经 R1、R2输入的电流作求和积分； ﹢UN和﹣UN是正、负基准电压，在电路的设计中，基准电压 UN的幅值应比输入电压 ux大 得多；S1、S2 为两个受电平比较器控制并同时动作的开关；电平比较器是具有两个稳态的 直流触发器；运算放大器 N2、电阻 R4和电容 C2组成了滤波器积分输出电压 u1和三角波 发生器产生的节拍三角波电压 u2都加到电平比较器上，当 u1＞u2时，电平比较器输出低电 平，S1、S2 分别接﹣UN、﹣uy；当 u1＜u2时，电平比较器输出高电平，S1、S2 分别接﹢ UN、﹢uy；当 u1＝u2时，为比较器转换状态乘法器的输出电压 U0就是由 S2 的动作所得 到的幅度为士 uy的不等宽方波电压经滤波后的直流成分。

该乘法器电路若干单元输出电压 的波形如图 10 所示 图 9 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 ux为正值，积分器接通 ux和﹢UN，输出电压 u1从 a 点（见图 10） 逐渐向下变化（a b 段） ，在 a b 段内，u1＞u2，达到 b 点时，u1＝u2 由于三角波电压继续向上变化，致使 u1＜u2，于是电平比较器输出高电平，S1 接通﹣UN， 积分器输出电压 u1转而逐渐向上变化（bc 段） ，达到 c 点时，u1＝u2，紧接着三角波电压继 续下降，u1＞u2，电平比较器输出低电平，S1 接通﹢UN，电压 u1再次向下变化……如此 反复，积分器输出电压 u1呈锯齿波形 设开关 S1 接通﹢UN的时间为 T1，接通﹣UN的时间为 T2，且 T1＋T2＝T当系统达稳 态时，积分器在 T1、T2时间段内的总积分电荷量应为零，即 0 2 21 1 21 =         −+         +T R U R u T R U R u NxNx 0)()( 21 2 21 1 =−++TT R U TT R u Nx x N u UR TR TT 1 2 21 −=− 即开关 S1 接通﹣UN、﹢UN的时间差（T2－T1）与输入电压 ux成正比。

图 10 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 T1期间接通﹢uy，输出电压 u 为﹢uy， 在 T2期间接通﹣uy，输出电压 u 变为﹣uy经滤波器输出后，得到电压 U0为 u 的反向平均 值 uiuKuuu UR R T TT uU yxyx N y ∝== − ×−= 1 221 0 即输出电压 U0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 ux的最大幅值有一定限制， 它的正边界是当 T1＝0、T2＝T 时﹣UN所能平衡的 ux值，负边界是当 T1＝T、T2＝0 时﹢UN 所能平衡的 ux值，因此 ux的幅值应满足条件 2 1 R UR N −＜ x u＜ 2 1 R UR N 至于 uy，其输入幅值仅受为获取﹣uy的倒相器的动态范围所限制 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 （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 11 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 ∫ ×= T dttitu T P 0 )()( 1 式中 T——交流电压、电流的周期 图 11 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 ∑ = ×= N k kiku T P 1 )()( 1 tNT∆= 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 12 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 U1、U2输出电压波形如图 13 所示当开关 S 接通﹢U1时， 电容 C 充电，输出电压 U0往负向变化（ab 段） ；当达到比较器的下限电平 。