论文部分内容阅读
摘要：电子式电能表以其优越性能替代了机械式电能表。针对实际应用中用户反映的电子式电能表计费多的问题，从单相预付费电子式电能表的原理、性能及与传统机械式电能表性能比较等方面加以分析，以期可以解决用户的疑惑。
关键词：单相预付费电子式电能表；原理；性能；机械式电能表
中图分类号：TM933.4 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）12-0058-03
电子式电能表以其灵敏度及准确度高、频率范围广、抗干扰能力及过载能力强、功耗及误差小、环境适应性好等优越性能替代了机械式电能表。但在实际应用中，很多家庭用户反映电子式电能表比过去机械电能表“跑”得快、计费多。为了解决用户的疑惑，从单相预付费电子式电能表的原理、性能及與传统机械式电能表性能比较等方面加以分析。
1 单相预付费电子式电能表的工作原理
单相预付费电能表是在单相电子式电能表上增加了表内跳闸继电器、IC卡接口、微处理器等部分重新组合而成。它通过继电器自动实现欠费跳闸功能，通过IC卡进行电能表电量数据以及预购电费数据的传输，从而更有效地解决了抄表计费问题。
1.1 基本原理
单相预付费电能表原理框图如图1所示。测量模块是电能表计量的核心，与普通电子式单相电能表相比，其采用了相同的技术输出功率脉冲到微处理器端。微处理器则接收来自测量部分的功率脉冲进行电能的累加，并存储在存储器中；同时还要进行剩余电费的递减操作，在用户欠费时发出报警信息并控制跳开用户供电开关。微处理器随时监测IC卡接口，保证插入卡的购电数据的合法性和有效性，读入购电数据并做相应处理，同时在相应的显示器中显示相关数据信息。该仪表采用数码管（LED）或液晶显示器（LCD）进行数据信息的显示。继电器一般为磁保持继电器，可开断和闭合较大电流。电能表中可扩展RS485接口，进行数据的抄读。
1.2 IC卡技术
IC卡技术是预付费电能表中的关键技术之一。IC卡是集成电路卡（Integrated Circuit Card）的简称，它是镶嵌在塑料卡片上的一种集成电路。与磁卡相比，其接口电路简单，储容量大，保密性好，不易损坏，寿命长。在电能表上使用的IC卡主要分为存储卡、加密卡和CPU卡3种，接口往往采用串行方式。各种卡的构成及使用特点如下。
1） 存储卡。目前使用的存储卡可以分为以下3种：①只读型。数据一次性写入存储器，不可更改。只读型卡往往由ROM或PROM存储器构成，价格低廉，数据内容不可改变，适用于游戏卡、特定标识卡等。②计数型。芯片采用存储单元锁死的电路或熔丝式的电路，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。计数型卡简单、可靠，数据内容亦不可改写，具有很高的安全性，成本也较低，缺点是卡不可以改写，不能重复充值使用，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 a，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，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3个部分。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，不能再写入。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CPU卡上集成有存储器及微处理器，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转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。
2 单相预付费电子式电能表的主要功能及性能指标
2.1 主要功能
1） 预付费功能。将购电量输入购电卡后，用户在电能表中插入购电卡并被识读后，即能将所购电量送入电能表，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。
2） 计量功能。能够精确测量正、反两个方向的有功电量，有功电量=正向有功电量 反向有功电量。
3） 负荷控制功能。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，此时插入购电卡可以恢复供电。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，只有使用参数设置卡改变功率限额后，才恢复供电。
4） 显示功能。单相预付费电能表采用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。
5） 报警显示功能。当电能表自检出现故障时，显示：
E1×××××——存储器故障；
E2×××××——继电器故障；
E3×××××——时钟故障。
6） 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。
2.2 主要性能指标 1） 工作电压范围：为额定电压220 V的80%～120%；2） 额定频率：50 Hz；3） 电压回路功耗：<2 W；4） 准确度等级：1.0级；5） 电流规格：5（20），10（40）A；6） 工作温度：-25～60 ℃；7） 工作湿度：≤85%。
3 电子式电能表与机械式电能表的性能比較
3.1 可靠性比较
机械式电能表根据其在实际使用中的主要用途可分为有功电能表、无功电能表等；而电子式电能表因其可以实现正、反向有功电量计量、四象限无功计量等功能，有时可以用一块电子式电能表代替几块感应式电能表，从而大大降低了二次回路的压降，提高了整个计量装置的可靠性。
3.2 准确度及稳定性比较
电子式电能表可方便地利用各种补偿达到较高的准确度等级，误差稳定性也较好；而感应式电能表由于机械磨损，其准确度等级较低，且误差很容易发生变化。
3.3 灵敏度比较
电子式电能表的电子线路本身灵敏度极高，可比机械表高一个数量级，而且可以长时间保持这种高灵敏度；而机械表的机械摩擦阻力是根本性问题，目前无法克服，特别是在低转速时，机械摩擦力接近静态摩擦力，数值明显增高，因而计量漏洞将增大，长时间工作后尤为甚。
3.4 功耗比较
由于电子式电能表采用的CMOS元件自身功耗很小，通常情况下功耗仅为感应式电能表的三分之一左右。
3.5 精度比较
电子式电能表电路中的A/D变换器的精度可达2～14以上，因此分辨力和精度很高，可以设计0.5级以上的高精度电能表。机械表由于采用磁路结构，非线性失真大，一致性差，因此要采用各种补偿机构，而采用补偿机构又降低了稳定性，也不利于生产使用中的调校。
4 结语
综上所述，随着电子式电能表的推广应用，用户会逐渐体会到电子式电能表的高可靠性、高灵敏度、高准确性、高稳定性等优越性能所带来的积极意义。相信随着我国电力企业自动化管理水平的提高，以及互联网 时代的来临，包括单相预付费电子式电能表在内的电子式电能表在今后的电能计量工作中将发挥更大的作用。
参考文献
[1] 郭松林，林海军，张礼勇.电子式电能表专用芯片分类及原理[J].电测与仪表，2002（10）：5-7.
[2] 叶发新.电子式电能表校验问题分析及改善措施[J].广东科技，2009（16）：227-228.
[3] 潘坤明.电子式电能表计量准确性的干扰因素与解决措施[J].电子制作，2016（4）：46.
关键词：单相预付费电子式电能表；原理；性能；机械式电能表
中图分类号：TM933.4 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）12-0058-03
电子式电能表以其灵敏度及准确度高、频率范围广、抗干扰能力及过载能力强、功耗及误差小、环境适应性好等优越性能替代了机械式电能表。但在实际应用中，很多家庭用户反映电子式电能表比过去机械电能表“跑”得快、计费多。为了解决用户的疑惑，从单相预付费电子式电能表的原理、性能及與传统机械式电能表性能比较等方面加以分析。
1 单相预付费电子式电能表的工作原理
单相预付费电能表是在单相电子式电能表上增加了表内跳闸继电器、IC卡接口、微处理器等部分重新组合而成。它通过继电器自动实现欠费跳闸功能，通过IC卡进行电能表电量数据以及预购电费数据的传输，从而更有效地解决了抄表计费问题。
1.1 基本原理
单相预付费电能表原理框图如图1所示。测量模块是电能表计量的核心，与普通电子式单相电能表相比，其采用了相同的技术输出功率脉冲到微处理器端。微处理器则接收来自测量部分的功率脉冲进行电能的累加，并存储在存储器中；同时还要进行剩余电费的递减操作，在用户欠费时发出报警信息并控制跳开用户供电开关。微处理器随时监测IC卡接口，保证插入卡的购电数据的合法性和有效性，读入购电数据并做相应处理，同时在相应的显示器中显示相关数据信息。该仪表采用数码管（LED）或液晶显示器（LCD）进行数据信息的显示。继电器一般为磁保持继电器，可开断和闭合较大电流。电能表中可扩展RS485接口，进行数据的抄读。
1.2 IC卡技术
IC卡技术是预付费电能表中的关键技术之一。IC卡是集成电路卡（Integrated Circuit Card）的简称，它是镶嵌在塑料卡片上的一种集成电路。与磁卡相比，其接口电路简单，储容量大，保密性好，不易损坏，寿命长。在电能表上使用的IC卡主要分为存储卡、加密卡和CPU卡3种，接口往往采用串行方式。各种卡的构成及使用特点如下。
1） 存储卡。目前使用的存储卡可以分为以下3种：①只读型。数据一次性写入存储器，不可更改。只读型卡往往由ROM或PROM存储器构成，价格低廉，数据内容不可改变，适用于游戏卡、特定标识卡等。②计数型。芯片采用存储单元锁死的电路或熔丝式的电路，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。计数型卡简单、可靠，数据内容亦不可改写，具有很高的安全性，成本也较低，缺点是卡不可以改写，不能重复充值使用，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 a，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，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3个部分。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，不能再写入。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CPU卡上集成有存储器及微处理器，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转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。
2 单相预付费电子式电能表的主要功能及性能指标
2.1 主要功能
1） 预付费功能。将购电量输入购电卡后，用户在电能表中插入购电卡并被识读后，即能将所购电量送入电能表，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。
2） 计量功能。能够精确测量正、反两个方向的有功电量，有功电量=正向有功电量 反向有功电量。
3） 负荷控制功能。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，此时插入购电卡可以恢复供电。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，只有使用参数设置卡改变功率限额后，才恢复供电。
4） 显示功能。单相预付费电能表采用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。
5） 报警显示功能。当电能表自检出现故障时，显示：
E1×××××——存储器故障；
E2×××××——继电器故障；
E3×××××——时钟故障。
6） 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。
2.2 主要性能指标 1） 工作电压范围：为额定电压220 V的80%～120%；2） 额定频率：50 Hz；3） 电压回路功耗：<2 W；4） 准确度等级：1.0级；5） 电流规格：5（20），10（40）A；6） 工作温度：-25～60 ℃；7） 工作湿度：≤85%。
3 电子式电能表与机械式电能表的性能比較
3.1 可靠性比较
机械式电能表根据其在实际使用中的主要用途可分为有功电能表、无功电能表等；而电子式电能表因其可以实现正、反向有功电量计量、四象限无功计量等功能，有时可以用一块电子式电能表代替几块感应式电能表，从而大大降低了二次回路的压降，提高了整个计量装置的可靠性。
3.2 准确度及稳定性比较
电子式电能表可方便地利用各种补偿达到较高的准确度等级，误差稳定性也较好；而感应式电能表由于机械磨损，其准确度等级较低，且误差很容易发生变化。
3.3 灵敏度比较
电子式电能表的电子线路本身灵敏度极高，可比机械表高一个数量级，而且可以长时间保持这种高灵敏度；而机械表的机械摩擦阻力是根本性问题，目前无法克服，特别是在低转速时，机械摩擦力接近静态摩擦力，数值明显增高，因而计量漏洞将增大，长时间工作后尤为甚。
3.4 功耗比较
由于电子式电能表采用的CMOS元件自身功耗很小，通常情况下功耗仅为感应式电能表的三分之一左右。
3.5 精度比较
电子式电能表电路中的A/D变换器的精度可达2～14以上，因此分辨力和精度很高，可以设计0.5级以上的高精度电能表。机械表由于采用磁路结构，非线性失真大，一致性差，因此要采用各种补偿机构，而采用补偿机构又降低了稳定性，也不利于生产使用中的调校。
4 结语
综上所述，随着电子式电能表的推广应用，用户会逐渐体会到电子式电能表的高可靠性、高灵敏度、高准确性、高稳定性等优越性能所带来的积极意义。相信随着我国电力企业自动化管理水平的提高，以及互联网 时代的来临，包括单相预付费电子式电能表在内的电子式电能表在今后的电能计量工作中将发挥更大的作用。
参考文献
[1] 郭松林，林海军，张礼勇.电子式电能表专用芯片分类及原理[J].电测与仪表，2002（10）：5-7.
[2] 叶发新.电子式电能表校验问题分析及改善措施[J].广东科技，2009（16）：227-228.
[3] 潘坤明.电子式电能表计量准确性的干扰因素与解决措施[J].电子制作，2016（4）：46.