电能计量的电子化及其先进性
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摘要：基于构成电能计量核心部分的电子式电能表和电子式互感器的原理、结构，探讨其与感应式电能表和电磁式互感器根本性的区别以及电能计量电子化的优势和先进性，指出了其对实现电能抄表自动化和推动计量管理现代化的实际意义。
Abstract: Based on the principle and structure of electronic energy meter and electronic transformer which is the core of energy measurement，the fundamental differences between electromagnetic meter and induction meter and advantages of electric energy metering are discussed and the realization of its automated power meter reading and the practical significance of metering management modernization are pointed out.
关键词：电子式电能表；电子式互感器；原理；优势；计量抄表自动化
Key words: electronic meter; electronic transformer measurement; principle; advantages; automated meter reading
中图分类号：TH71 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）36-0192-02
0引言
20世纪80年代，随着电能表电子化进程的开启，特别是电能计量专用电子芯片的开发应用，使电能表电子化技术越来越成熟、性能越来越完善、精度越来越高、安全可靠性越来越强。
随着电子技术在电能计量装置上的运用，电能计量逐渐迈入精细化、数字化、智能化时代，极大地推动了电能计量技术的进步。
1电能计量电子化先进性和可扩展性
电能的计量通过电能计量装置来实现。电能计量装置包括电能表、计量用的电压、电流互感器及其二次回路，以及计量箱柜等，其核心是电能表和互感器。
1.1 电子式电能表基本原理、具有的优势及计量特性
1.1.1 电子式电能表的基本原理
电子式电能表是采用电子线路和大规模集成电路完成信息量的处理、通信等，实现电能量的精确计量，在原理和结构上与感应式电能表有着本质的区别。电子式电能表内部结构如图1所示，由中央处理器及其电子元器件组成的输入部分和输出部分构成。输入部分主要包括采样、计量等单元，输出部分包括显示、继电器控制等单元，既是输入又是输出的包括通信、存储、预付费处理等单元。
采样单元包括电流采样和电压采样，电能表计量单元的电压输入采用相线和零线之间的电阻网络分压或电压互感器降压采样；电流采样采用锰铜分流器或者电流互感器采样。
计量单元通过A/D转换器对来自电流和电压传感器的电压信号转换为数字信号，经乘法器输出一个与一定时间内平均功率成正比的直流电压信号，然后经U/f转换器转换为相应的脉冲频率信号，经中央处理器进行分频、计数等处理，并在存储器内保存，通过显示器显示出一定时间内的累计电能值。
继电器控制单元可以实现失压、缺相等报警、分合闸控制功能，与预付费处理单元相结合可实现对客户的用电控制，达到先付费后用电的目的。
通信单元包括RS-485通信端口、无线接口、GPRS接口等电路，满足无线、远程抄表、检测功能。这是电子式电能表相对于感应式电能表的最大优势和特点，是实现自动化抄表、远程控制的基础。
1.1.2 电子式电能表具有的计量特性及优势
电子式电能表具有感应式电能表无法比拟的优势。
①启动电流小且误差曲线平整，感应式电能表要在0.5%Ib（额定电流）下才能启动并进行计量，误差曲线变化较大；而电子式电能表非常灵敏，在0.1%Ib下就能启动计量，且误差曲线好。
②过负载能力强。
感应式电能表是利用线圈进行工作的，一般只能过负载4倍；而电子式多功能表可达过负载6～10倍而不损坏，而且冲击过后误差不变，过载能力强是电子式电能表的一个显著优点。
③准确度等级高且误差稳定。
感应式电能表的准确度等级一般为0.5～3.0级，并且由于机械磨损，误差容易发生变化，而电子式电能表的准确度等级一般为0.2～1.0级，并且误差稳定性好。
④功能强大，易扩展。
一只功能全面的电子式多功能表可以集有功、无功电能、预付费功能、多费率时段有功电能等于一体，并能实现感应式电表所不能实现的分时计量、数据自动抄读等功能。同时，表计数量的减少，有效地降低了二次回路的压降，提高了整个计量装置的可靠性和准确性。可扩展实现多种电量信息采集、实时远程集抄集控等功能。
另外，电子式电能表还有功耗小、频响范围宽等优点。
1.2 互感器由电磁式逐步向电子式方向发展
电流互感器和电压互感器是电力系统进行电流和电压测量的重要设备，目前电力系统计量和保护用的互感器多是电磁式的，存在体积大、笨重、铁磁谐振、磁饱和等缺陷。而基于电子技术、微电脑技术的电子式互感器很好的解决了这些问题。
电子式互感器依赖电子元件取样、处理乃至输出信号，电子式互感器结合了现代传感器技术、数字技术和计算机技术，可以根据需要输出低压模拟量和数字量，可直接用于微机保护和电子式计量设备，而且能实现在线检测和故障诊断，适应了电力系统数字化、智能化和网络化的需要。
1.2.1 电子式互感器的分类及原理
电子式互感器大致分为两类：
①无源电子互感器，即基于光效应的互感器，直接用光进行信息变换和传输，与高电压电路完全隔离。由于其处于高电位的部分不需要电源，所以称为无源电子互感器。根据传感器原理大致可分为基于法拉第效应式、基于Pockels效应式和基于逆压电效应式三种。这种互感器技术较复杂、成本较高、性能不稳定，目前尚处于研究试用阶段。
②有源电子互感器，就是在常规互感器基础上发展起来的半常规电子式互感器，如无铁心的空芯线圈电流互感器（罗氏线圈）、带铁心的低功率电流互感器、电阻分压或阻容分压的电压互感器等。它通过一次侧的采样传感器对被测信号取样，根据需要输出模拟信号或变换为数字信号。以光纤作为信号通道，把高压侧转换的光信号传送到低压侧进行信号处理、还原。使用光纤进行信号传输，保持了光纤的高绝缘性、抗电磁干扰强的优点。因其高压侧采样部分需要工作电源，故称为有源式互感器。
目前应用较广泛的电子互感器是罗氏线圈式电流互感器和电阻分压或阻容分压的电压互感器。其原理如图3和图4。罗氏线圈式电流互感器原理是一次电流通过罗氏线圈得到了与一次电流I1的时间微分成比例的二次电压E，将该二次电压E进行积分处理，获得与一次电流成比例的电压信号，通过微处理器将该信号进行处理、变换、分析，即可将一次电流信息变成小电压模拟量和数字量输出。
电子式电压互感器采用分压式传感器包括电阻分压器、电容分压式和阻容分压式等，将高电压变换为小电压信号，直接输出或通过A/D转换，变为数字信号后输出至二次设备。
1.2.2 与传统的电磁式互感器相比具有明显的优势
①没有电磁饱和现象，测量范围大，准确度高。一台电子式互感器可同时满足计量和继电保护的需要；
②无油，不会产生爆炸的危险；
③体积小、重量轻，易于安装，光电互感器的重量一般只有电磁式电流/电压互感器重量的1/10。特别是电子式互感器易于将电流、电压两种互感器组合在一起，给安装带来很大的方便；
④无电磁辐射，损耗低，能提高能源利用率；
⑤绝缘好，漏电流小；高低压完全隔离，具有优良的绝缘性能和优越的性价比，安全性高；
⑥信号传输系统抗电磁、射频干扰能力强，频带宽、数据传送量大、速度快、通讯可靠、组网方便，能适用电力系统自动化发展的要求；
⑦电子式电压互感器、电子式电流互感器不存在开路和短路问题，从而提高了系统的稳定性和安全性。
电子式互感器是当今国内外研究的前沿技术方向和热点课题，随着电子技术、计算机技术和通信技术的发展，电子式互感器将不断完善，必将取代常规互感器，给21世纪微机保护与测、控技术带来重大变革。
2电能计量、抄表的自动化
电能表的电子化不仅解决了感应式电能表的诸多问题，更重要的是电子式电能表具有通讯功能，可通过光纤、GPRS、无限局域网等网络直接与后台计算机联网，经过计算机和软件的处理完成电能计量数据自动采集、传输和处理、智能控制等功能，实现远程自动抄表（如图5）。它克服了传统人工抄表模式的低效率，解决了不能实时掌握负荷变化情况和进行准确的用电分析等问题。
3结语
电能计量的电子化从根本上消除了感应式电能表固有的机械磨损带来的计量超差、电磁式互感器存在的铁磁共振、磁饱和等缺陷，其数字化的处理更是提高了计量等级和准确度，通信技术的运用为计量、监抄、远程控制自动化奠定了基础。可以说，电能计量电子化开启了电能计量的新纪元，是电能计量史上的一次重大技术变革。并随着电能计量电子化进程的不断推进和广泛运用，必将大力推进电能管理现代化的发展进程。
参考文献：
[1]褚大华.电子式电能表[M].北京：中国电力出版社，2009.
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