單相預(yù)付費電子式電能表原理及性能分析

臧增剛

摘要：電子式電能表以其優(yōu)越性能替代了機械式電能表。針對實際應(yīng)用中用戶反映的電子式電能表計費多的問題，從單相預(yù)付費電子式電能表的原理、性能及與傳統(tǒng)機械式電能表性能比較等方面加以分析，以期可以解決用戶的疑惑。

關(guān)鍵詞：單相預(yù)付費電子式電能表；原理；性能；機械式電能表

中圖分類號：TM933.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）12-0058-03

電子式電能表以其靈敏度及準確度高、頻率范圍廣、抗干擾能力及過載能力強、功耗及誤差小、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)越性能替代了機械式電能表。但在實際應(yīng)用中，很多家庭用戶反映電子式電能表比過去機械電能表“跑”得快、計費多。為了解決用戶的疑惑，從單相預(yù)付費電子式電能表的原理、性能及與傳統(tǒng)機械式電能表性能比較等方面加以分析。

1 單相預(yù)付費電子式電能表的工作原理

單相預(yù)付費電能表是在單相電子式電能表上增加了表內(nèi)跳閘繼電器、IC卡接口、微處理器等部分重新組合而成。它通過繼電器自動實現(xiàn)欠費跳閘功能，通過IC卡進行電能表電量數(shù)據(jù)以及預(yù)購電費數(shù)據(jù)的傳輸，從而更有效地解決了抄表計費問題。

1.1 基本原理

單相預(yù)付費電能表原理框圖如圖1所示。測量模塊是電能表計量的核心，與普通電子式單相電能表相比，其采用了相同的技術(shù)輸出功率脈沖到微處理器端。微處理器則接收來自測量部分的功率脈沖進行電能的累加，并存儲在存儲器中；同時還要進行剩余電費的遞減操作，在用戶欠費時發(fā)出報警信息并控制跳開用戶供電開關(guān)。微處理器隨時監(jiān)測IC卡接口，保證插入卡的購電數(shù)據(jù)的合法性和有效性，讀入購電數(shù)據(jù)并做相應(yīng)處理，同時在相應(yīng)的顯示器中顯示相關(guān)數(shù)據(jù)信息。該儀表采用數(shù)碼管（LED）或液晶顯示器（LCD）進行數(shù)據(jù)信息的顯示。繼電器一般為磁保持繼電器，可開斷和閉合較大電流。電能表中可擴展RS485接口，進行數(shù)據(jù)的抄讀。

1.2 IC卡技術(shù)

IC卡技術(shù)是預(yù)付費電能表中的關(guān)鍵技術(shù)之一。IC卡是集成電路卡（Integrated Circuit Card）的簡稱，它是鑲嵌在塑料卡片上的一種集成電路。與磁卡相比，其接口電路簡單，儲容量大，保密性好，不易損壞，壽命長。在電能表上使用的IC卡主要分為存儲卡、加密卡和CPU卡3種，接口往往采用串行方式。各種卡的構(gòu)成及使用特點如下。

1） 存儲卡。目前使用的存儲卡可以分為以下3種：①只讀型。數(shù)據(jù)一次性寫入存儲器，不可更改。只讀型卡往往由ROM或PROM存儲器構(gòu)成，價格低廉，數(shù)據(jù)內(nèi)容不可改變，適用于游戲卡、特定標識卡等。②計數(shù)型。芯片采用存儲單元鎖死的電路或熔絲式的電路，單元初始狀態(tài)為1（未熔斷或未鎖死），當需要改寫時，把相關(guān)單元熔絲燒斷，單元狀態(tài)變?yōu)?。計數(shù)型卡簡單、可靠，數(shù)據(jù)內(nèi)容亦不可改寫，具有很高的安全性，成本也較低，缺點是卡不可以改寫，不能重復(fù)充值使用，適用于電話卡、加油收費卡等。③充值型。芯片采用電可擦除的存儲電路，可以重復(fù)改寫多次（一般為1萬次以上），數(shù)據(jù)保持時間一般大于10 a，適用于卡的數(shù)據(jù)需要反復(fù)改寫的場合，如收費卡、公路卡等。

2） 加密卡。加密卡由電可擦除存儲單元和密碼控制邏輯單元構(gòu)成，存儲區(qū)數(shù)據(jù)的讀寫受到邏輯單元的控制，不能任意進行，必須先核對密碼后才可以操作，否則卡將被鎖死。這樣可以大大提高卡的安全保密性能。加密卡中分主存儲區(qū)、保護存儲區(qū)、加密存儲區(qū)3個部分。主存儲區(qū)數(shù)據(jù)可以任意讀寫。保護存儲區(qū)數(shù)據(jù)可以任意讀出，但改寫需要先送“檢驗字”，芯片將檢驗字與存在加密存儲區(qū)的密碼比較，當檢驗結(jié)果一致時，控制邏輯打開存儲器，可以進行寫入。檢驗字比較次數(shù)限定4次，如果連續(xù)4次檢驗出錯，芯片將鎖死，整個芯片只能讀出，不能再寫入。加密存儲區(qū)為存放密碼和比較計數(shù)值的區(qū)域，此區(qū)域在校驗字未比較成功前不能讀寫。

3） CPU卡。在CPU卡上集成有存儲器及微處理器，由于有了微處理器，CPU卡可以進行各種較為復(fù)雜的運算，而且從總線上直接進行檢驗字比較轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接的卡的認證和識別，排除了從總線上破譯密碼的可能，安全性能有了很大提高。目前CPU卡已在金融卡中廣泛使用。IEC7S16國際標準中，對CPU卡的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)接口都有規(guī)定。

2 單相預(yù)付費電子式電能表的主要功能及性能指標

2.1 主要功能

1） 預(yù)付費功能。將購電量輸入購電卡后，用戶在電能表中插入購電卡并被識讀后，即能將所購電量送入電能表，電能表按設(shè)定的費率遞減，當剩余電費小于設(shè)定的報警門限時，電能表跳閘，提醒用戶去購電，此時插入購電卡可以恢復(fù)供電。當剩余電費小于0后，電能表將跳閘，直到購電后才恢復(fù)供電。

2） 計量功能。能夠精確測量正、反兩個方向的有功電量，有功電量=正向有功電量+反向有功電量。

3） 負荷控制功能。具有超功率自動斷電的負荷控制功能，可以設(shè)置功率限額以及允許次數(shù)，當平均功率大于限額后，電能表跳閘并顯示當時的功率，此時插入購電卡可以恢復(fù)供電。但當超功率跳閘次數(shù)超過設(shè)定的允許次數(shù)時，電能表將不可恢復(fù)供電，只有使用參數(shù)設(shè)置卡改變功率限額后，才恢復(fù)供電。

4） 顯示功能。單相預(yù)付費電能表采用LCD顯示，可以設(shè)置自動及手動（按鈕切換）方式顯示如下幾項數(shù)據(jù)：01有功總電量；02剩余電費；03費率；04剩余電費報警限額；05功率限額；06允許過載跳閘次數(shù)；07電能表常數(shù)；08電能表編號。

5） 報警顯示功能。當電能表自檢出現(xiàn)故障時，顯示：

E1×××××——存儲器故障；

E2×××××——繼電器故障；

E3×××××——時鐘故障。

6） 防竊電功能。具有自動檢測短接電流回路的防竊電功能。當短接進出線時，電能表顯示“O”并且記錄竊電次數(shù)。

2.2 主要性能指標

1） 工作電壓范圍：為額定電壓220 V的80%～120%；2） 額定頻率：50 Hz；3） 電壓回路功耗：<2 W；4） 準確度等級：1.0級；5） 電流規(guī)格：5（20），10（40）A；6） 工作溫度：-25～60 ℃；7） 工作濕度：≤85%。

3 電子式電能表與機械式電能表的性能比較

3.1 可靠性比較

機械式電能表根據(jù)其在實際使用中的主要用途可分為有功電能表、無功電能表等；而電子式電能表因其可以實現(xiàn)正、反向有功電量計量、四象限無功計量等功能，有時可以用一塊電子式電能表代替幾塊感應(yīng)式電能表，從而大大降低了二次回路的壓降，提高了整個計量裝置的可靠性。

3.2 準確度及穩(wěn)定性比較

電子式電能表可方便地利用各種補償達到較高的準確度等級，誤差穩(wěn)定性也較好；而感應(yīng)式電能表由于機械磨損，其準確度等級較低，且誤差很容易發(fā)生變化。

3.3 靈敏度比較

電子式電能表的電子線路本身靈敏度極高，可比機械表高一個數(shù)量級，而且可以長時間保持這種高靈敏度；而機械表的機械摩擦阻力是根本性問題，目前無法克服，特別是在低轉(zhuǎn)速時，機械摩擦力接近靜態(tài)摩擦力，數(shù)值明顯增高，因而計量漏洞將增大，長時間工作后尤為甚。

3.4 功耗比較

由于電子式電能表采用的CMOS元件自身功耗很小，通常情況下功耗僅為感應(yīng)式電能表的三分之一左右。

3.5 精度比較

電子式電能表電路中的A/D變換器的精度可達2～14以上，因此分辨力和精度很高，可以設(shè)計0.5級以上的高精度電能表。機械表由于采用磁路結(jié)構(gòu)，非線性失真大，一致性差，因此要采用各種補償機構(gòu)，而采用補償機構(gòu)又降低了穩(wěn)定性，也不利于生產(chǎn)使用中的調(diào)校。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著電子式電能表的推廣應(yīng)用，用戶會逐漸體會到電子式電能表的高可靠性、高靈敏度、高準確性、高穩(wěn)定性等優(yōu)越性能所帶來的積極意義。相信隨著我國電力企業(yè)自動化管理水平的提高，以及互聯(lián)網(wǎng)+時代的來臨，包括單相預(yù)付費電子式電能表在內(nèi)的電子式電能表在今后的電能計量工作中將發(fā)揮更大的作用。

參考文獻

[1] 郭松林，林海軍，張禮勇.電子式電能表專用芯片分類及原理[J].電測與儀表，2002（10）：5-7.

[2] 葉發(fā)新.電子式電能表校驗問題分析及改善措施[J].廣東科技，2009（16）：227-228.

[3] 潘坤明.電子式電能表計量準確性的干擾因素與解決措施[J].電子制作，2016（4）：46.