无源光电隔离型(电子式预付费电能表的基本原理)

电能作为一种商品，衡量其多少的唯一工具是电能表。随着电子工业的发展，正在向高智能、高精度、高可靠性和全自动计费的方向发展。

1、电子式电能表的基本原理

电子式电能表是基于电功率的测量技术，采用电子乘法器实现功率运算的新型电能计量仪表。具体是把输入的电压信号或电流信号经分压器和互感器进行增益和相位补偿后，分别送至有功乘法器和无功乘法器 (90 °相移后送无功乘法器 ) 产生脉冲信号，经过处理器、检测器等电路准确地测量出有功、无功、视在功率电能，并进行各种费率时段处理以及最大需量选择。

　 2、特点对比

（1）精度高。电子式电能表能在很宽的电压、电流范围内实现 1.0 至 0.1 级高精度的电能测量。 1.0 级表误差很容易控制在 +0.5%以内。 0.5级可控制在± 0.2%以内， 0.2级表可控制在± 0.1%以内。而机械式电能表做到 0.5 级就已经很困难了。

（2）误差曲线平直。从负载下限到最大负载，误差数据基本不变。而对于机械式电能表，即使调整优良也不可能实现，而且大部分机械式电能表在轻负载时误差数据偏大且为负值。

（3）误差衡定。在误差范围内不因内部条件变化而发生变化，校验数据基本不变。机械式电能表由于存在机械磨损的因素导致误差加大，必须定期 (3～6个月) 进行调整校验。实际应用中，只对少数大用户进行校验，对于占绝大多数的小用户和居民用户进行周期校验很难实现，运行中轻负载负超差现象仍然存在。

（4） TV 二次回路压降小。电子式电能表接入 TV 二次回路后，每相输入电流仅为 1OmA ，而且一只电子式表可同时实现有功、无功及最大需量测量，至少取代三只机械式电能表，对于同样的 TV 二次回路压降可减少到

甚至更小。而压降通常是负值。同时.电子式电能表对于提高电能计量精度，减少电量计量损失作用较大。

（5） 省去抄表环节。实现电量预购功能是电子式电能表的主要特点.用户到供电部门预先购买了电量，就不用抄表员去用户处抄表，减少用工成本。

（6） 便于信息化管理。电子式电能表装有微电脑和专用程序，所有程序和数据处理均自动完成。供电部门可通过计算机售电管理系统对用户实现预购电量、预置最大负荷限制、对电卡进行密码设置等功能。同时按需要储存用户表的出厂表号、表常数、计度器初始值、用户住址、姓名等相关信息以便进行系统的管理。

（7）记录判断及报警功能。电子式电能表在其数据卡中存有总电量、本次剩余电量和上次剩余电量、负电量、总购电次数等数据，便于供电部门与用户进行信息传递，保护供、用电双方的利益。电子式电能表自动计算用户消耗电量.并在电量小于一定量时数码管常亮并显示所剩电量，提醒用户及时购电。当用户电量剩至 5kW·h 时。报警提醒用户购电。

（8） 不受安装位置影响。机械式电能表由于受其工作原理的制约，对其安装位置尤其是悬挂角度要求很高，否则会影响精度和寿命。而电子式则不然.由于采用电子技术，其精度取决于采样及运算的准确度，而与安装位置无关。

3、存在的问题

（1）可靠性问题

电子式电能表对关键电子部件，如 PBC 板电源，数据卡的工作性能要求很高，其性能高低直接影响正常使用。

（2）抗干扰和抗过压能力差

对于低压表，由于电压回路直接接入电网。则存在电网浪涌冲击或其他干扰以及电网电压长时间偏高造成电子式电能表损坏的情况。

（3）产品成熟度有待提高

电子式电能表属新型计量产品.其产品结构不丰富，型号规格不多。可选择余地小。

4、电能表的选择

电能表分为单相、三相三线和三相四线三种。电能表的选择使用应参照以下要求：

（1）严格区分用户

在选用电能表前，首先应区分使用者是居民用户、工矿企业、还是服务业等等情况，对于数量庞大的居民用户尽量推荐使用电子式单相电能表，因为电子表校验周期很长，精度高。对于生产者如企业等用户，结合实际情况依照用户要求可选择使用电子式或机械式三相三线电能表，或者电子式或机械式三相四线电能表。虽然机械电能表校验周期短，但鉴于在一个辖区的工矿企业相对较少，因此，用户选用哪种电能表都行。如果属于新用户或者更新电能表. 以选择电子式电能表为宜。

（2）尊重用户，避免“一刀切”现象

单相机械式电能表在我国使用率是最高的，仪表生产厂家多，产品结构丰富，规格型号齐全，相关产业庞大。不能只因新型电子式电能表的功能优点而全面淘汰机械式电能表，应以科学发展观的态度，尊重国情，尊重用户选择，循序渐进，逐步推广电子式电能表。若全面更新换代，会造成产业链的极大浪费和大多数人的反对。因此，应结合实际情况，有选择地进行更换。

　（3）以用量定规格

电能表以电压或电流大小作为规格指标。电压规格分为： 11OV 、 220V 、 380V 等规格，电流规格分为： 2(10)A 、5(1 0)A 、5(20)A 、1O(30)A 、20(80)A 等规格。不同的用户选择不同的规格。对于大用电户，可结合互感器变比作适当选择。而对于小用电户。电流规格要以用户用电的大小而定.不能采取小规格电能表的办法限定用户的用电量。不能单纯考虑 TA 、TV 回路轻载时的误差让电能表超过载运行。标定电流应根据用户的用电功率和用电总量来正确选定。建议推广过载三倍表和二倍表。

5、电能表的发展趋势

电子式电能表解决了抄表和精度的问题，这是一个新的开端。相信在为期不远的将来，就能实现电能表能自动调节电压和电流规格，自动向供电部门中心机房发送用电数据，通过网络和移动通讯实现信息互通，到时用户只需向银行结算电费，供电部门只设客户服务中心以提供优质服务，从而实现新的供用电经营模式。

在当代计量工作中，智能化全自动电能表还未面世的真正原因不是技术问题，而是市场原因，是产业结构的原因。面对电子式电能表和将来智能化全自动电能表强势功能的体现和普及应用，机械式电能表何去何从，是摆在相关管理部门和供电部门面前的突出问题。根据我国国情.在一定的时间内机械式电能表和新型的电能表将同时存在。随着产业和人员结构的不断调整和进一步完善，新型智能化全自动计量仪器仪表才会推陈出新，逐步取得主导地位，促使计量工作迈向一个全新的台阶。

二）电子式电能表的知识拓展

图1

图2

图3

图4

（1）电度表应安装在室内，选择干燥通风的地方，安装电度表的底板应放置在坚固耐火不易受振动的墙上，建议安装高度为1.8米左右，安装后的电度表应垂直不倾斜。安装时应按规定将外壳上的接地端接地。

（2）电度表按规定的相序（正相序）接入线路，并按端钮盒盖上的接线图进行接线；应使用铜线或铜接头接入，铜线截面积应保证每平方毫米载流量不大于5A。拧紧螺钉，避免接线短路的接触不良造成炸毁设备和电度表。严禁带电接线和打开端钮盒盖。

三）几种典型的电子式电能表

1、单相电子式复费率电能表

能精确地计量有功电能、最大需量等数据。该表集有功、分时计费于一体，表中设有4种费率、10个时段；具有遥控器红外编程、掌上电脑红外抄表及RS485通信接口有线抄表功能，是电力部门进行现代化电能测量的理想计量仪表。

A、常用术语：

（1）复费率电能表。

有多个计度器分别在规定的不同费率时段内记录交流有功或无功电能的电能表。

（2）费率计度器。

由贮存器（用作贮存信息）和显示器（用作显示信息）二者构成的电——机械装置或电子装置，能记录不同费率的有功或无功的电能量。

（3）电能测量单元。

由被测量输入回路、测量等部分构成，进行有功或无功电能计量的单元。

（4）费率时段控制单元。

由费率计度器（含驱动电路）、时间开关及逻辑电路等构成，进行费率时段电能测量和显示的单元。

（5）峰、平、谷电量。

电力系统日负荷曲线高峰时段的电量称峰电量，低谷时段的电能量称谷电量，计量峰、谷时段以外的电能量称平电量，三者之和为总电量。

B、工作原理

单相电子式复费率电能表的工作原理框图如图所示。电流、电压采样电路是将流过线路的大电流和外部220V交流电压变换为合适的小电流、小电压信号，经电能专用集成电路转换成随功率变化的脉冲信号。单片微处理器接收到功率脉冲信号后进行电能累计，并且存入存储器中，同时读取时钟信号，按照预先设定好的时段分时计量，并将数据输出到显示器中显示，并且随时接收串行通信口的通信信号进行数据处理。

图5

C、主要功能特点

（1）4种费率、10个时段。

（2）最大需量计算采用滑差式。滑差时间为l、3、5、15min。

（3）当前一分钟平均功率的显示。

（4）5V／80ms有源或无源光电隔离电能脉冲输出。

（5）停电时间累计。

（6）具有红外遥控编程、RS485通信接口。

（7）可用12V外接电源掌上电脑红外抄表。

（8）可设固定显示和循环显示方式。

（9）可记录3个月（本月、上月、上上月）的有功总电能、各费率电能、最大需量及需量发生的时间等信息。

（10）遥控器可全面显示所有功能项，并可方便编程。

D、规格

图6

（3）电能计度器容量：99999.9 kW·h。

（4）需量计度器容量：99.999kW。

（5）绝缘耐压：≥2000 VAC。

（6）功耗（LED显示）：≤2VA。

（7）启动电流：0.4％I_b。

（8）电池功耗（停电不显示时）：≤0.4μA。

（9）工作温度：﹣20～﹢50 ^oC。

（10）存储和运输温度：﹣25～﹢50 ^oC。

（11）湿度：≤75％。

G、显示功能

（1）数码管显示。左边2位指示功能序号，右边6位指示内容。

（2）峰平谷指示灯。峰、平、谷指示灯中的一个亮依次代表右边6位显示为峰电量、平电量、谷电量；峰、平两灯齐亮表示尖峰电量；三灯全亮表示总电量。当功能序号显示00号时，峰、平、谷指示灯指示当前时段的费率，便于用户监视时段的正常切换。

（3）欠压指示灯。内部电池欠压时此灯常亮显示。

（4）电能脉冲灯。用于指示用户用电负载情况。

H、遥控器功能

（1）记忆键：编程时，将调整正确的数据记忆，同时功能号递增一位；读表时，显示“ 00”项功能序号。

（2）右移键。编程时循环移动要调整的数据位；在正常工作状态下，该键为循环显示和固定显示转换开关。

（3）上移及下移键。编程时，用以增、减闪烁位的数值；正常工作时，用以增、减显示项功能序号。

（4）编程键：在需要对电能表进行编程时按此键2s钟便可进入编程状态。

（5）清零键：在电能表最大需量需要清零时按此键可将最大需量值清零。

（6）复位键：编程状态时按此键退出编程，正常工作时按此键显示功能序号00项。

（7）数字键。数字键0～9在编程状态时用于修改数码管闪烁位的数值，正常工作时用于查看功序号项数据。

（8）自检键。用于检查数码管各段显示是否正常。

I、遥控器编程

出厂后第一次编程时务必进行总清操作（用遥控器清零键操作）。

（1）进入编程状态。按“编程”键，此时显示“ 99——0”，依次在数码管闪烁位输入6位密码，密码正确后进入编程状态，显示编程首项内容“00 X X X X X X”。若输入密码有误，则显示错误次数提示“99——X”，若连续错误超过10次，电能表将自动锁定当日编程功能。次日可再进行编程，其他功能不受影响。电能总清后密码为“000000”。

（2）选定编程项。进入编程状态后，左边两位数码管显示编程项目号，用遥控器上的数字键“0～9”或者按“上移”或“下移”键，改变到要编程的项目号。

（3）输入数据。按“右移”键选择数据位，其闪烁位可用数字键“0～9”或“上移”“下移”键输入数字。

（4）记忆数据：确认输入数据正确后，按记忆键保存该项数据。如果需要对其他项编程，重复（2）、（3）、（4）操作步骤。

（5）编程结束：按“复位”键结束编程。

（6）时段设置说明。时段总清后为00点00分，费率为l（1、2．3、4分别表示费率尖、峰、平、谷）。编程时各时段按24h制从早到晚排列。

（7）分时电量预置说明。只要将尖、峰、平、谷电量进行预置，系统会将4个电量自动累加写入总电量，而对总电量预置时各分时电量不受影响。

J、读表

表内存贮3个月的电量、最大需量，即当月、上月、上上月数据。新的一月数据以最大需量清零时刻起保存。

1．直接读表

表内显示可以设定为固定项目显示或循环显示。固定显示时，用户只要按遥控器上的“数字键”、“上移”或“下移”键显示相应功能顺序号项内容，按复位或记忆键显示回到“00 X X X X X X”项。

2．最大需量清零

最大需量清零是将当前电能表内电量、最大需量冻结保存。按清零键后电能表自动将上月电量、需量等数据存入上上月保存，将当前电量、需量等数据存入上月保存，当前需量置0，以后依次类推。

最大需量清零有自动和手动两种方式。当设置为自动方式时，必须设定用电结算日（01～28），电能表在该日的0时自动需量清零。若该日停电、则电能表在该日后的第一次通电时首先进行自动需量清零。当设置为手动方式时，按遥控器上的“清零”键，显示“ 98——0”，在数码管闪烁位输入6位密码，密码正确后，电能表自动进行需量清零，电能表总清后的最大需量清零密码为“000000”。

注意：编程密码与最大需量清零密码是相互独立的，为防止误操作，电能表每天只允许需量清零一次，第二次需量清零操作无效（且电能表显示NO）。

2、单相预付费电能表

单相预付费电能表是在普通单相电子式电能表基础上增加了微处理器、IC卡接口和表内跳闸继电器构成的。它通过IC卡进行电能表电量数据以及预购电费数据的传输，通过继电器自动实现欠费跳闸功能，为解决抄表收费问题提供了有效的手段。

A、基本原理

单相预付费电能表原理框图如图所示。测量模块为表计核心，它和普通电子式单相电能表采用相同技术输出功率脉冲到微处理器。微处理器接收到测量部分的功率脉冲进行电能累计，并且存入存储器中，同时进行剩余电费递减，在欠费时给出报警信号并控制跳闸。它随时监测IC卡接口，判断插入卡的有效性以及购电数据的合法性，将购电数据进行读入和处理。它还将数据输出到相应的显示器中显示。

图7

显示采用液晶显示器（LCD）或数码管显示（LED）。继电器一般为磁保持继电器，可以通断较大的电流。电能表中可扩展 RS485接口，进行数据抄读。

B、IC卡技术

在预付费电能表中IC卡技术是一个关键技术。IC卡是集成电路卡（Intergrated Circuit Gard）的简称。它将集成电路镶在塑料卡片上。它与磁卡比较有接口电路简单、保密性好、不易损坏、存储容量大、寿命长等特点。IC卡中的芯片分为不挥发的存储器（也称存储卡）、保护逻辑电路（也称加密卡）和微处理单元（也称CPU卡）三种。在电能表上使用的卡，这三种都有，接口往往采用串行方式的接触式卡。

下面对各种卡的构成特点及使用特点作简单介绍。

1．存储卡

在目前大量使用的存储卡中，可以分为以下3种。

（1）只读型。数据一次性写入存储器不可更改，往往由ROM或PROM存储器构成，其价格非常低廉，但数据内容不可改变，适用于游戏卡、特定标识卡等。

（2）计数型。芯片采用熔丝式的电路或存储单元锁死的电路，单元初始状态为1（未熔断或未锁死），当需要改写时，把相关单元熔丝烧断，单元状态变为0。计数卡简单可靠，数据内容不可改写，有很高的安全性，成本也较低；缺点是卡不可以改写，不能重复充值使用。它适用于电话卡、加油收费卡等。

（3）充值型。芯片采用电可擦除的存储电路，可以重复改写多次（一般为1万次以上），数据保持时间一般大于10年。它适用于卡的数据需要反复改写的场合，如收费卡、公路卡等。

2．加密卡

加密卡由电可擦除存储单元和密码控制逻辑单元构成，对于存储区数据的读写受到逻辑单元的控制不能任意进行，必须先核对密码后才可以操作，否则卡将被锁死。这样可以大大提高卡的安全保密性能。

加密卡中分主存储区、保护存储区、加密存储区三部分。其中主存储区数据可以任意读写。保护存储区数据可以任意读出，但改写需要先送“检验字”，芯片将检验字与存在加密存储区的密码比较，当检验结果一致时，控制逻辑打开存储器，可以进行写入。检验字比较次数限定4次，如果连续4次检验出错，芯片将锁死，整个芯片只能读出，不能再使用。加密存储区为存放密码和比较计数值的区域，此区域在校验字未比较成功前不能读写。

3．CPU卡

在卡上集成了存储器及微处理器。由于有了微处理器，CPU卡可以进行各种较为复杂的运算，而且从总线上直接进行检验字比较变为间接的卡的认证和识别，排除了从总线上破译密码的可能，安全性能有了很大提高。目前CPU卡已在金融卡中广泛使用。IEC7S16国际标准中，对CPU卡的结构、数据接口都有规定。

C、主要性能指标及功能

1．主要参数

（1）准确等级：1.0级；

（2）电流规格：5（20），10（40）A；

（3）电压回路功耗：＜2W；

（4）工作电压范围：（70%～130%）U_e；

（5）脉冲常数：5（20）A，3200imp/（kWh）；10（40）A，1600imp/（kWh）；

（6）起动电流：4%I_b；

（7）卡类型：加密卡；

（8）设计寿命：15年。

2．主要功能

（1）计量功能。计量有功电量，有功＝正向有功十反向有功。

（2）功率脉冲输出。脉冲宽度80±5ms，空触点输出，同时有脉冲LED指示。

（3）负荷控制。具有超功率自动断电的负荷控制功能，可以设置功率限额以及允许次数，当平均功率大于限额后，电能表跳闸并显示当时的功率。使用用户购电卡插入电能表可以恢复供电。但当超功率跳闸次数超过设定的允许次数时，电能表将不可恢复供电，只有使用了参数设置卡改变了功率限额后，才恢复供电。

（4）防窃电功能。具有自动检测短接电流回路的防窃电功能，当短接进出线时，电能表显示“O”并且记录窃电次数。

（5）显示。LCD显示可以设置自动及手动（按钮切换）方式显示如下几项数据：01：有功总电量；02：剩余电费；03：费率；04：剩余电费报警限额；05：功率限额；06：允许过载跳闸次数； 07：电能表常数；08：电能表编号。

（6）报警显示。当电能表自检出现故障时，显示：

E1X X X X X——存储器故障；

E2X X X X X——继电器故障；

E3X X X X X——时钟故障。

（7））预付费功能。使用购电卡可购电量送入电能表，电能表按设定的费率递减，当剩余电费小于设定的报警门限时，电能表跳闸，提醒用户去购电；此时插入购电卡可以恢复供电。当剩余电费小于0后，电能表将跳闸，直到购电后才恢复供电。

五）电流互感器

电流互感器安装时应注意极性（同名端），一次侧的端子为L1、L2（或P1、P2），一次侧电流由L1流入，由L2流出。而二次侧的端子为K1、K2（或S1、S2）即二次侧的端子由K1流出，由K2流入。L1与K1，L2与K2为同极性（同名端），不得弄错，否则若接电度表的话，电度表将反转。电流互感器一次侧绕组有单匝和多匝之分，LQG型为单匝。而使用LMZ型（穿心式）时则要注意铭牌上是否有穿心数据，若有则应按要求穿出所需的匝数。注意：穿心匝数是以穿过空心中的根数为准，而不是以外围的匝数计算（否则将误差一匝）.电流互感器的二次绕组有一个绕组和二个绕组之分，若有二个绕组的，其中一个绕组为高精度（误差值较小）的一般作为计量使用，另一个则为低精度（误差值较大）一般用于保护。电流互感器的联接线必须采用2.5mm2的铜心绝缘线联接，有的电业部门规定必须采用4mm2的铜心绝缘线，但一般来说没有这种必要（特殊情况除外）。

1、电流互感器运行中应注意的问题

（1）电流互感器在运行中二次侧不得开路，一旦二次侧开路,，由于铁损过大，温过高而烧毁，或使副绕组电压升高而将绝缘击穿，发生高压触电的危险。所以在换接仪表时如调换电流表、有功表、无功表 等应先将电流回路短接后再进行计量仪表调换。当表计调好后，先将其接入二次回路再拆除短接线并检查表计是否正常。如果在拆除短接线时发现有火花，此时电流互感器已开路，应立即重新短接，查明计量仪表回路确无开路现象时，方可重新拆除短接线。在进行拆除电流互感器短接工作时，应站在绝缘皮垫上， 另外要考虑停用电流互感器回路的保护装置，待工作完毕后，方可将保护装置投入运行。

（2）如果电流互感器有嗡嗡声响，应检查内部铁心是否松动，可将铁心螺栓拧紧。

（3）电流互感器二次侧的K2一端，外壳均要可靠接地。

（4）当电流互感器二次侧线圈绝缘电阻低于 10～20 兆欧时，必须进行干燥处理，使绝缘恢复后，方可使用。

2、技术参数

（1）互感器安装海拔高度不超过1000米；

（2）环境温度：-50C～+400C且日平均不能超过300C；

（3）额定电压：0.5KV～0.66KV；

（4）额定二次电流：5A；

（5）额定一次电流可见各种互感器的铭牌；

（6）绝缘性能：一次绕组对二次绕组及地和二次绕组对地能承受工频耐压3KV历时1分钟；

（7）绝缘耐热等级：E。

3、安装使用及维护

（1）互感器可垂直或水平安装；

（2）互感器的一次穿心匝数按铭牌规定进行穿心，一次电流应从P1流向另一端，二次电流从S1经过外电路流向S2，互感器为减极性，连接到互感器的导线截面积不小于2.5mm2，并把“S2”接线端子接地；

（3）互感器运行时严禁二次绕组开路；

（4）互感器的安装场所应干燥通风，空气相对温度不大于80%且周围无侵蚀性和爆炸性介质；

（5）互感器应进行周期性检验，对检验不合格的产品进行维修或更换。