eetrea easure ent nstru entaton
1 9 6 电测 仪 (El i lM m & I m i ) 36 29 年 第 期 与 表 总第 卷 第4 期
电能 术的发展历
表技 程
清华大学 10008
赵 伟 庞海波 刘灿涛 ( 4
。 , ,
18 年电能表诞生 1 世纪末感应系 了 不过其转动元件是一个铜环 制动力矩靠交摘要 8
。 , 。 ,
电能表的制造理论就已墓本形成 后来 为适 1 用
流电磁铁产生 直到 世纪末 才逐步改 永
, ,
应工业化和电能管理现代化发展的需求 电子 久磁铁产生制动力矩 以降低转动元件旋转速
。 ,电 而 电 电 ;
式 能表应运 生 最初的 子式 能表仍基 度并增加转矩 表的计数机构也几经改进 铜制
, 。 ,
于感应系测量机构 只是表盘的旋转变成了电 的圆转盘由铝圆盘所取代 至此 感应系电能
; 。
脉冲 随后出现了基于各种乘法器原理的电子 表的制造理论基本形成
电能 。 电能管 需 问 信
式 表 理现代化 要访 多种 息 感应系电能表是利用处在交变磁场的金属
决 电 器具 间能 信。 圆
并要求 策与 价 之 双向通 数字 盘中的感应电流与有关磁场形成力的原理制
, , 、
乘法器型电子式电能表扩展功能方便 适合与 成的 具有制造简便 可靠性好和价格便宜等特
, 。 ,配电自动化系统集成 将成为电子式电能表的 点 经过近一百年的不断改进与完善 感应系
。 。 、主要发展方向 电能表的制作技术已经成熟 通过双重绝缘
感应系电能表 电子式电能表 乘法 强 用
关键词 加 绝缘和采 高质量双宝石轴承甚至磁悬浮器 自动牙少 ) 段,
预付费 表技术 (磁推 轴承等技术手 其结构和磁路的稳定
以 , 弱, 用
性得 提高 电磁振动被削 使 寿命大大延
, 。 ,
0 力明显 强 因
引 言 长 且过载能 增 此 至今在包括我
的 用 , 国 的 展 国 国
作为测量电能 专 仪表电能表 自诞生 在内 许多发 中 家甚至是一些发达 家
100 。 1 ,
至今已有 多年的历史 因为 千瓦小时的 里 感应系电能表仍作为主要的计量工频电能
, 所以 , 用。
电能量被定义为一度电 按计量单位 电 的仪表被广泛使
又 瓦 。 及 用 ,
能表 俗称电度表或千 时表 电能表在电能 电能开发 利 的加快 对电能管理和电
, 。
管理用仪器仪表中
占有很大比例 它的性能直 能表性能提出了更高的要求 电力系统的不断
。 ,
的 和 1 以 用 系接影响着电能管理 效率 科学化水平 0 扩大 及对电能合理利 的探索 使感应 电
, 系 展 、 用 围 、多年来 随着电力 统及其相关产业的发 以 能表暴露出准确度低 适 频率范 窄 功能单及 系 的 , 。 器 工电能管理 统 不断完善 电能表的结构和 一等缺点 为使电能计量仪 仪表适应 业现
、 。 ,性能也经历了不断更新 优化的发展过程 代化和电能管理现代化飞速发展的需求 电子1 。
感应系电能表的诞生 式电能表应运而生
, 2
世界上最早出现的电能表 是一个叫爱迪 电子式电能表的产生和分类
的 国 1880 利用电 理 的 用 系生 德 人 年 解原 制成 直流 早期的电子式电能表仍采 感应 电能表
。 电的出 和被 用,
电能表 交流 现 利 对电能计量 的测量机构(简称感应系测量机构)作为工作元
。 18 , , ,仪表的功能提出了新的要求 8 年 意大利 件 由光电传感器完成电能 脉冲转换 然后经
一
物理学教授费拉里斯首先想到将旋转磁场理 电子电路对脉冲进行适当处理, 从而实现对电
。 , 。
论用于交流电能测量 与费拉里斯几乎同时 能的测量 由于此种表的显著特点是感应系测国 师 的 ,
美 一物理教 也根据旋转磁场 原理试制 量机构配以脉冲发生装置 因此被称为感应系
。 , ,
1889 。出了感应系电能表的雏形 年 德国人布 冲
脉 电能表 也称机电脉冲式电能表 机电脉
了无 电 心的 系 ,
勒泰制作出 单独 流铁 感应 电能 冲式电能表在国外早已有成熟产品 并自2 世。 1890 ,
表 年 带电流铁心的感应系电能表出现 已 工 国
纪7 年代初起就 开始在一些 业化 家逐 etrea easure ent nstru entta o
1999年 第6期 电测与仪 El i lM m & I m i诊 总 36卷 2期
表 第 第4
。 ,
m i 它 电 的步大面积被采用 这种表和机械祸合式多费率 u i ) 依据 流平衡原理等形成 特电 系电能 向 电子 电 过渡 , 可 服 者 的 应及由于 用能表是感应 表 全 式 能表 性 克 前 存在 尖峰效 使 较
中的电能 量 种,它 时电 、 多 大 引 的 , 电 简 ,准发展过程 计 表 们对分 价 运算放 器所 起 零漂 并且 路 单
。 , ;
需量
电价制度的实施起了积极的推动作用 尽 确度高 性能稳定 其不足之处是工作频率范围
90 、 ,管直到 年代还有人在不断地改进脉冲式电 受限于利用变压器 互感器作输人隔离而较窄
, 以 应系测 机 一 用于工 测 。 导型 法能表的某些技术性能 但 感 量 构作 般仅 频信号的 量 可变跨 乘
, , 士为其测量主回路的原理性缺陷 决定了它同样 器较易由单片集成电路实现 准确度一般为
、 . , 。
系电 表一样的 用频 0 5% 围 达 霍尔 应具有感应 能 准确度低 适 率 工作频率范 宽 数兆赫兹 效围 点。 法 的 点 电流、 电 回 彼 独立 不范 窄等缺 乘 器 特 是 压 路 此 互
, , ;
为了替代由感应系测量机构测量交变电 于 测 校 早
影响 电路简单 便 检 与 准 较 期的霍, 70 , ,能 从 年代起 人们开始研究并试验采用电 尔元件受所用材料的制约灵敏度较低 致使当子电 。 于电能 电 间的 用霍尔 电 制 的电 电
路的方案 由 是 功率对时 积 时采 效应乘法器 路 成 子式 能, 以 电子电 电 的 。 近 , 用 的分 所 任何 路式 能计量方案的第一 表 准确度不高 年来 新材料制成 霍
。 , ,
步都是确定电功率 因而 使用乘法器是实现 尔 明显 它 了 用 尔
元件的性能 改善 带动 利 霍 效测量电功率和电能的电子电路式测量方案的共 应乘法器的电子式电能表准确度等性能指标的
。 。
同特点 提高
近 , 量 型电 器 的相 于 用 电 测 的 一
二十年来 大 新 子元 件 继 由 利 乘法器实现 能 量方案 第
, 、 ,出现 电 电 的 了 步是完成电压 电流相乘即先获得功率 故根据
为 子式 能表 更新换代奠定 基
础。 拟 已 晶 列平 法 际需要还 门 既 测 又 测
模 乘法器 发展成 体管阵 方乘 实 专 制造有 能 量功率 能 量、 、 、 。
可 导型 电 电 一 电 型的电器 热偶乘法器 变跨 乘法器 双斜积分 能的 子式功率 能表 有些类 子
、 、 一 ,
乘法器 霍尔效应乘法器 时分割乘法器等几种 式电能表虽不称作功率 电能表 但也具有测
; 。
类型且多个品种系列 数字乘法器也已有若干 量功率的功能
。 型电子 电 以种类 数字乘法器 式 能表则是 微处理
,
, 、
电 电 的一 法 按 心 PT CT 的 测电 和电
子式 能表 种分类方 是 所依 器为核 经 变换 被 压 流
D , ,托的乘法器为模拟的还是数字的分为模拟乘法 由 转换器完成数字化处理 之后 微处理
灯
。 、器型电子电能表和数字乘法器型电子电能表 器对数字化的被测对象进行各种判断 处理和
, , 。
目 国 生 用 型 运算 从而实现多种功能 这种类型的电能表
前 内外 产使 的模拟乘法器 电
, D
子 电 用 拟 主要 利用位数较多的 转换电路或自动量程转式 能表中采 的模 乘法器 有时分 刀
、 , ,割乘法器 可变跨导型乘法器和霍尔效应乘法 换电路 原理上可达到很高的测量准确度 且它。 法 又 电 型 电 一 电 、 电 号
器 时分割模拟乘 器 分为 压输人 与 在 定周期内对 压 流信 进行采样处理
、 ,
。 法 了 可 的流平衡型两种 前者的优点是输人阻抗高 输 的方 保证 测量准确度 不受高次谐波
、以电 进 , 于 影 。 的
人信号电流小 压 行整定 便 直观地实 响 考虑到电能管理现代化 必然发展趋
; ,
施模拟相乘 这种乘法器的缺点是存在开关场 势 需要访问多种信息并要求决策与电价器具应 应、 导通电阻不可忽 及 运 间的 向通 , 而 字 法 型电 电效 管尖峰效 略 较多 之 双 信 数 乘 器 子式 能
, ,
度和零 的稳 性问 不易 表功能的扩展十分方便 容易与配电自动化系放漂移等 其满 点 定 题也
。 , , ,
因 在 用 于 法器 电 统集成 故有专家预言 数字乘法器型电子式电解决 而 使 基 这种乘 制成的
, 能 后电子 电 的主 发 方子式功率表或电能表时 改换不同量程需要重 表将成为今 式 能表 要 展
, 的 显。 一 。
新调零 且它们 零漂明 后 种时分割乘 向
a 一 spa
空 法器 M r c 3 用法器也称传号一 号乘 ( 电子式电能表技术的发展与应
5 eetrea easure ent notrumentta o 36 29 年 6期 电测与仪 El i lM o & I i 总第 卷 第4 期9 第 表 诊
时, 这种 可自动提 用 购电。
微电子技术和计算机技术的高速发展是电 表便 醒 户及时再 这
、 ,子 电 表迅 步 日益成熟的主要 种表的使用不仅可促进用电政策的推广 还可式
能 速进 技术支
。 、 ,
可 性 的 器件以及大 能在一定程度上对窃电有所防范 使供电管理撑 准确度高 靠 高 元 规模
, 、
电 用 电 电 用 部门不再挨门挨户地花费大量人工抄表 统计集成 路等的采 使 子式 能表的使 寿
、 、 。 ,
显 用电量 为电能计量的智能化管理奠定了基命 准确度 稳定度等技术指标均 著改善 微
, 。
电子 电 能的增添变得 并 础 由于电能表已发展到可对用户的用电参数机化令 式 能表功 容易
。 ,
电 的自动 与 能 为现实 进行分析计算然后实施控制处理 即已具有一逐步使 能管理 化 智 化成
, 。
电子 电能表在一 工业发达国家已 用 定的 能 又 了智能电
式 些 使 智 特点 故 有 能表之称
。 ,
19 当 电子式电能 已 到与电 的智得较为普遍 早在 7 年日本就研制出了电子 今 表 发展 能
。 ,
电子 电 现 用环 能化计量管理密不可分的水平 它与电能表收式电能表 但当初 式 能表在 场使
, 、 、
境下 露出 干 能力差 弱点 一 制约 费管理软件 I 卡收费管理软件 掌上电脑管
暴 抗 扰 等 曾 度
。 , 、
80 软 发 以 IC
了它的应用 年代中后期 随着电子电路设 理 件 I 卡 卡机构 及 卡自动查询子
, 了 型 电与 新 的出现 电子 电 系统等共同组成 智能 复费率(分 能计 制造 技术 式 能表在各种 叻
, , 。
量 系 系 电能 IC现场环境下的工作可靠性间题被攻破 随即 电 计 管理 统 该 统中 表上设有 卡
, ,
口 预 IC 和 IC能表的电子化在工业发达国家迅速发展 相继 接 可兼容接受 付费 卡 定费收费
、 、 ,
; IC
卡 如用户不用 卡 则供电管理部门还可定出现了多种寿命长 可靠性高 适合现场使用的
。 ,
电 电能 中一些 种已可在 的电 期使用电脑 通过电能表上另设的手持式微机子式 表 其 表 很宽
、 . 、 . 、 。
; 口
电 围 动 切 1 0 0 5 接 获得用户用电信息 无论采用上述那种获压 流范 内进行自 量程 换
. ,
0 ; 取 系 的用 用电2 收 用电 电能 相继 品 信息的方式 统所得到 户 信息都
级 费 子式 表 商 化 且当
通过联网 显示出 。时最好的电
子式标准电能表的准确度已达到 能 微机准确无误地 来 该系统. 。 、 ,
0 0 级 电 电 的 以计算机信息处理技术为支撑 实现了从计费
子式 能表在实施复杂 多费率
到收费全过 的 , 可 不同的用电
和电 据 输及 面 明 程 科学化管理 在
最大需量 能数 传 交换等方 具有
, 、 , 、 、显的 现了 测量 电 功电 时段内 分别将用电超高峰期 高峰期 平均
优越性 实 集 有功 能 无
、 、 、 、
能 在 功 因数 相指示 几十 期 低谷期的用电时间与用电量准确地记录下
视 功率 率 缺 等 个特
。 , ,
来 并对在低谷期内的用电 自动按低于平均征参数的多功能化
的 , 而 用电 增
在多费率和最大需量型电子式电能表方 值 规定价格计算 对那些 量突发剧, 已 即短时 间 的用电 自动按 格面 其中的电子装置 将这两种功能与数据传 瞬 超载 户 最高价 计
, 。 ,
算电费 因此 启用该系统能促使用电者有计输及交换等结合在一起 使仪表的日历时间可
, 、 、 、 ,
2 一 划 有选 安 用电时间 助于 抑达 0 30 包括了对节假日 季节转换日期 择地合理 排 有 平
年
、 。
日 4 目 的 现
夏日制转换 期 每日时段安排等 种的总量 负荷曲线 标 实
1 至 , 达国 相 开达 定时间参数的可编程 定与 7 8 年代 欧美一些发 家 继多 约 0 个特 确 实
。 、 对远 电 的
现 能做到时间 日期和数据信息的顺序或选 始 距离之外 能表数据 采集等进行探
, 、 。 ,
索性研究 电子式电能表的出现 有力地推动择显示 且同时还具有数据读取 交换和负载开
。
。 了远程 发 日 电可 能 拟动表技术的 展 本九州 力公关 编程控制等功
, 、
司当时已开始 用电 线 波 及
进入90 卡 术在国外已广 应 试 力 载 地线载波 光
年代 l 技 泛
, 。 ;
缆通信于远程抄表和监测表计误差 澳大利亚用 智能型I 卡预付费电能表应运而生 这种
。 则 助 电线 远 电能 的
现了 购电 用电的管理思想 用这种 借 邮 路试验进行 程 表数据表体 先 再 使
, 、 ;
抄取 美国波士顿迪生公司以及费城电力公司电能表时 只需将记录有购 用电信息的电子钥
。 的 电 载 系
即可用电 当 购电 即 用尽 配 线路 波远程抄表 统也先后投人试匙插人其中 所 能 将
eetr:ea easure ent nstru entaton
1999 6期 电测 仪 (El lM m & I m i ) 总 4 期
年 第 与 表 第3 卷 第 0
。 ,
1988 国弗 尼亚电力公司 电
运行 年美 吉 为 能表 国 电子式电能表的研制与生产已开始进人创
了 。 国 展 段。
抄表员装备 手持式微机 电能表数据被一次 新和符合 情的快速发 阶
, , ,性经键盘存人微机 在其中完成处理与统计等 产品向多 向发展
电子式电能表 功能方 在
, 、 、 、
与人工抄表相比 抄表 誊写 统计等的出错率 已 的 工
编程 抄表技术方面 由最初 手 操作进步
。 , ,都大为降低 经不断改进 这种微机化电能数 目 用 器 正
到 前应 广泛的抄表 自动编程抄表 并
, ,
系 日 些国 。
据抄表 统 趋完善 在一 家中逐渐成为 向 同 子
由本地 远程编程抄表方面拓展 时 电
。 、 、 、抄收电能表数据的主要手段 强 低
式电能表由于线性度高 过载能力 功耗
, 、 、
1 90 以
年 来 电能表自动抄表技术更新得 抗高次谐波干扰能力强 灵敏度高 具备防窃电
。 , ,
1992 及 罗 公司 发
更为迅速 年 埃 开 配电 开 出 能力并带分时计费功能 即具有较高的技术附
。 , ,
双模式民用电能监视抄表系统 这个系统的主 不 的
加值 适合现代电能管理的需要 预计在 久
: ; 。要功能是 1 及时并准确地记录用户的耗电量
将来会在需求市场上形成一定规模
因人工 人和处理 的 ,
o杜绝过去那种 录 等造成 错 必 国 用
有 要指出 在我 推广使 电子式电能。 通 ,
误 其第一个功能是 过机电脉冲式电能表实 表的过程中应给予高度重视的是 要尽早地切
, 。现的 测量机构圆转盘的机械旋转圈数被变换 国 工 两
实提高 产电子式电能表的 作可靠性 近
, , 、
成电子脉冲 脉冲的累加值作为耗电量数据存 三 用
年 多种单 相电能计量专 集成电路的成功
, 。
入电子式寄存器 该数据可经通信的方式取 器
开发值得关注 将过去由分立式电子元 件搭。 该系 , 员 的 可
得 统中 抄表 手持 抄表微机 采集 接而成的电能表电路改制成
专门的集成电路芯
00 ; , ,
并存储01 块电能表的数据 它既可用无线通
片 结果在不减少功能的前提下 使电能表的体
, 、 、信方式与数据收集装置通信 又可由人工键入
积大大减小 功耗和单位功能的成本降低 成品
。 , 、方式得到信息 可 的 工
率提高 并 简化电能表 电路设计 降低其
国 代 开 ,
我 从8 年 初 始研制电子式多费率 艺调整难度 从而能改进整个电能表电路系统
, 、 、 ,
电能表 经历了机械钟 电子钟 微处理器分时
的性能 而更重要的是使电子式电能表可靠性
。 , 。
开关等发展阶段 进人9 年代 年产量达数万
明显提高
, 。 1992 ,
块 同时需求量也逐年上升 年底 国家物 4
结束语
价局和能源部联合批复了关于在东北电网实施
电力工业的发展需要电能计量仪表制造业
, 。 、
峰谷分时价制的报告 揭开了我国发展多费率 的 相 应 己 用 均
进步与之 适 发电输电酒 电和 电
。 。
1995 4
电能表的序幕 在 年 月召开的全国计划
需要准确地计量电能 在世界性能源匾乏的今
,
用 工作 分 电 的 了 体 , 。电 会议上 对 时 价 推行做 具 天 电 的 约与更 用 义重
能 节 有效利 意 大
, ,
安排部署 进一步将多费率电能表推向全面发
综上所述 电子式电能表由干具有准确度
。
展 段 、 、
的新阶 展 强 一
高 功能扩 性 易于实现多费率和通信等
90 ,
我国从 年代初开始研制全电子式电能
系列优点 很可能将在现代电能计量与管理中, 。
1994 。
表 其产品大多为斯伦贝谢模式 年威胜
逐步占据主导地位
、 公司 相 了三相
集团 恒通 等 继推出 电子式多功 参 考 文 献
; . . ,能电能表和电子式多费率电能表 河南驻马店 1 王 电工科 育出 19
先冲著 技简史 高等教 版社 9
, . .
2 ,19
E H 唐统一 赵伟编著 电磁测量 清华大学出版社 9电表厂引进了德国 M 公司的三相电子式电
. .
、 3
; 林兴和 国外电子式功率表和电能表发展概况 电测与能表技术 河南思达电子仪器股份有限公司 黑
仪 1986(l)
龙 气 公司 许多公司和 相 表 . .龙江 电电 有限 等 企业也 4
郭永坤 努力发展和应用国产电能仪器仪表 电测与仪
、
了 型 和三 .
继研制开发出 多种类 规格的单相 相 1988 1
表 ( )
。 、 ,
55 )电子式电能表 经过引进 消化和吸收 在我 (下转第 页 eetrea easure en on n、lr、l;11cno on 41999 6 El i l r t夙i & I lti 总第3 卷 第 0 期
年 第 期 电测与仪表( M
AOC
捕 中断 中断
主程序 获
, 保护 场
现场保护 现
初始化内存
, I/O 口
标志
8 ADC
将捕获值暂存 取 路 数
, RA
据 至 M
中 存
允许捕获 断
始捕获值吗?
起
J ADC
挂号 次
燕几
列 启动
赢糯 事件
T=
本次捕获值
一上次
l 捕获值
取定时器 当前值为
, ADC
定时基准 启动
s= s+
洲沪沪 T T T l
一~、、~ N / 取整 以
’ =
I M T 间间
< 动七生乡夕 用取余 时
一 丁
动间 挂
J 设置更新标志 隔 号
胎
瓜
T:
以 时间间隔
ADC s
挂号启动 T
以
恢复现场 时间间
返回 隔 号
挂
N点采样完成?
设置采样
结束标志
数据处理
恢复 场, 回
现 返
图2 程序框图
5 量 了 经 、 、 可
结束语 方面我们也找到 更 济 有效 靠的方
目 同 采 法已 用 。
前双速率 步 样 成功地运 在楼 法
宇 动 系 三相 力 测 ,
自 化 统中的 电 参数监 中 实现 参 考 文 献
. .一 、 、
1 双 同 采 法 交流测最 的应用 电
三 方伟林等 速率 步 样 在 中r二相电压 相电流 三相有功功率和功率因
, 7 4
, 、 测与 表 199 ( )
的实 压的 测 仪
数 时监测 其中电流 电 监 精度为 . .
e ,
2 涌芳 In ll 位单片 京 天 空大学出版. , . , 孙 机 北 航 航 社0 2% 三 于0 3%
相有功优 数据刷新速率优 1995.
/ 。 ,
于3 我 :
次 秒 通过这次实践 们发现单片机在 1999 03 18
收稿日期
。 三
测量领域的应用潜力无限 在 相电力参数测
王亚东 编发)
(
1994 5
7 ( )
(上接第 页)
. .
. . .
5 1 朱小丹 我国现代电能表发展展望 新型电能计鼠仪表杨本渤 高梢度功率电能仪表的发展概况 电测与仪表
, .19
及抄表
系统技术研讨会论文集 北京 9
1990(8)
.
. . 1
华东电业管理局中国华东电力集团公司技术委员会 电6 林 我国电能 理用 器仪表发展概况 电测与仪
炳海 管 仪
.. 能计最 代化华东电网电能 最 状况与展望 型电能
199)9f 现 计 技术 新表 ( )
. .
. 、 .
计最仪表及 系 术 论文 19
7 回 抄表 统技 研讨会 9
薛德普 对电能表生产 技术的 顾与展望 电测与仪
. :
收 日 191991(7) 稿 期 9 0 加表
. . ,
8 王滋 国外电于电能表发展 向 电世 1992() (周广义 编发)
庭 动 界
. . .
9 电力系 能计量 状及建议 测 仪表
减 德 统中电 现 电 与
55