仪表技术 Instrumentation Technology 2004年 第1卷 第1期...

电子电能表与电能测量技术讲座 　第十一讲　多功能电能表　　 摘 要：介绍多功能电能表应具有的基本功能，多功能电能表的工作原理、硬件原理框图和控制程序流程图。　　　　关键词：多功能电能表；多费率；最大需量；通信接口；单片机 多功能电能表是除计量有功电能、无功电能外，还具有分时、测量需量等两种以上功能，并能显示、储存和输出数据的电能表。 1　引言　　为解决电力供求矛盾，平抑电网负荷曲线，除对用户的用电量实施分时计量，以不同的费率收费，从经济上鼓励用户避开高峰期用电外，还常常考核大中型电力用户的用电需量，并以它的最大值作为对用电负荷进行监控的依据。　　以前供电部门只关注主要工业用电户消耗的无功电能，比如，在它们的供电合约中注明低功率因数的惩罚条款。随着社会的发展，人民生活水平的提高，使用空调器、洗衣机等功率因数不等于1的电器的普及，供电部门正在慎重地考虑在较小的工业用电户(甚至在住宅用户)的电能表上加装无功电能监控的必要性，即要求在更大范围内测量无功电能。　　除上所述，随着自动抄表技术和综合配电自动化技术的发展，还要求新型电能表具有存储信息和交换数据的能力等。　　电子式电能表以数字方式处理采集到的信息，由此带来诸多优点，并使得上述功能很容易在一块表上实现。 2　多功能电能表标准　　参照IEC标准和以前国内的有关标准，结合电力生产和经营管理的特点，原电力工业部和机械工业部分别在1997年、1995年批准、实施了两种“多功能电能表”标准，规定了测量参比频率为50Hz(或60Hz)的单、三相交流电能的安装式多功能电能表的功能、技术要求、试验方法、检测规则等。按照《多功能电能表》(DL/T614－1997)规定，它应具有下列基本功能：　　计量电能：计量多时段的单向、双向有功电能，单向、双向或四象限无功电能，并储存其数据(至少储存上个月或上个抄表周期的数据)。　　测量最大需量：在指定的时间区间内(一般为一个月)，测量单向或双向最大需量、分时段最大需量及其出现的日期和时间，并储存其数据；需量周期可在5、10、15、30、60min中选择，滑差(窗)式需量周期的滑差时间可在1、2、3、5min中选择；数据在指定的抄表日转存时，当月的最大需量值应自动复零，而非指定抄表日抄表时，数据不转存、最大需量也不复零；除自动复零外，还应提供手动(或抄表器)复零。　　多费率计量：具有日历、计时和闰年自动切换等功能，24h内至少具有可任意编程的4种费率和8个时段。　　记录事件：记录最大需量复零事件和编程事件等，失电后所有数据至少应能保存180d。　　预置功能：用外接或内附的编程器可预置当前日期和时间，电能表编号和用户号码，编程密码，脉冲常数(imp/k W·h)，有功、无功电能表起始读数，费率和时段，最大需量测量方式和需量周期及滑差时间，按月设定的用电结算日，需要时应能预置电流、电压互感器的额定变比。　　显示功能：显示测量的电能值、需量值、费率、预置数据和自检报警(出错)信息等。　　输出和通信功能：有电量脉冲输出能力；按《多功能电能表》(JB/T7656－95)规定，它应具有通信接口电路，能通过接口接受通信命令进行数据传输，定值调整、时段改变、遥控跳闸等。DL/T614－1997将此功能放入扩展功能中，要求多功能电能表应能实现本地或远程数据信息的采集和交换，且通信规约应符合有关标准规定。标准规定的其他扩展功能还有负荷监控功能，即预置各时段功率定值，超过功率定值则报警或延时跳闸等；失压记录和失压计时功能；记录日负荷曲线和记录并显示平均功率因数、分时段功率因数等功能。 3　多功能电能表 3．1　硬件　　多功能电能表的硬件结构框图如图1所示。与多费率电能表相似，一般也由测量单元、数据处理单元、时钟、通信接口和辅助电源等几部分组成。 　　测量单元　测量单元常以专用集成电路实现。对被测的三相电压、三相电流信号取样，经模/数转换电路将它们转换成数字量，对应的数字电压信号、数字电流信号相乘和相加，求得功率，然后将功率变换成脉冲信号，送数据处理单元处理。　　数据处理单元　数据处理单元由CPU、存储器等组成。CPU(单片机或DSP处理器)接收测量单元传送过来的信息，累计电能脉冲，计算最大需量，将结果存入存储器和准备好与外部通信，交换数据。表中存储器用来存储各个时段的用电量、最大需量及其发生的时间、时段费率号、电能表常数和控制程序等。　　显示器　电子式多功能电能表的显示器通常用LED数码管或LCD液晶显示屏与对应的驱动电路实现。　　时钟电路　与多费率电能表一样，为保证时段的正确切换和使电表具有日历/时钟功能，电能表内设有准确的实时时钟电路。　　通信接口　电能表内具有的标准接口通常为红外通信口、RS485通信口和RS232通信口等。通过接口，对电能表进行编程，实现本地或远程数据的信息采集和交换等。 3．2　测量原理 3．2．1　测量有功电能　　有功电能用常规方法测量。在ti时刻采集被测电压、被测电流，对转换得到的数字量作数字乘法运算，产生此时刻的有功功率；边采集处理边累加，经过一段时间后即得这段时间内用户消耗的有功电能EP： 式中，、为电压、电流的第i个采样值(ti时刻的采样值)，n为这段时间内的采样次数，Δt为采样时间间隔。 3．2．2　测量无功电能 无功电能可用移相法测量，即，将电压采样值移相(50Hz频为5ms)与电流采样值数字相乘，然后在一段时间内累加，即得这段时间内的无功电能EQ： 式中，为延时5ms的第i个采样值。 3．2．3　测量最大需量　　最大需量可用区间法测量，也可用滑差法测量。以区间法测量时，通常在15min内累计与功率成正比的脉冲数，乘以脉冲的电能当量，再除以15min得需量值P1，将其保存在最大需量的存储单元中；然后进行下1个15min区间的计算，得P2。若P2＞P1，则用P2代替P1，存入最大需量存储单元；反之不存。依此类推，使最大需量单元中始终保持15min平均功率的最大值。　　若以滑差法测量，则第2次在第1＋t min～15＋t min内计算平均功率，式中t为滑差区间对应的时间。第n次在第1＋nt min～15＋nt min内计算平均功率。每次将当前测得的值与已存入的最大值比较，和将大者保持在最大需量单元中。 3．2．4　分时段多费率测量　　分时段多费率测量的工作原理见第九讲。 3．3　控制程序　　多功能电能表的控制程序一般由主程序和中断服务子程序两部分组成。图2是一种比较典型的主程序流程图。 　　初始化后，主程序检查脉冲中断子程序累计的用电量是否达到某个预定的值(如0．01kWh)。到达则将此值记入累计用电量的单元。脉冲中断子程序中除累计电能脉冲之外，还按设定的不同时段将它们分别存入峰电量、平电量或谷电量单元。接着，主程序以当前测得的最大需量与预先设定的需量限定值进行比较。如果超出此值，则报警，同时作一次超量记录。若超量次数超过n次，则输出跳闸控制信号，使执行机构动作，切断供电电源。若当前需量小于设定的限值，则在一个积算周期结束后，将当前需量和超量次数清零。脉冲中断子程序重新计算，记录新的当前需量。当主程序查询到按键输入时，则按特定的键功能进行相应的处理，如，记录本月的最大需量和最大需量发生的时间等。若无键输入，则循环显示需要显示的电量值。　　图3是控制程序中的通信中断服务子程序。它按《多功能电能表通信规约》(DL/T645－1997)标准编写。多功能电能表一接到外部要求通信的命令，立即分析控制码的功能和作出相应的处理：读数据(控制码C＝01H，主站请求读数据)，写数据(C＝04H)，广播校时(C＝08H)，修改密码(C ＝0FH)等。 参考文献 ［1］本刊编辑部．多费率电能表［J］．仪表技术，2003，(5)．［2］朱青，白英会．基于SA2005M的三相电子式电能表设计［J］．仪表技术，2002，(6)．［3］本刊编辑部．以MSP430设计的电子电能表［J］．仪表技术，2003，(3). 仪表技术