CN1044344A - 智能电力计量装置 - Google Patents

Abstract

智能电力计量装置由电压、电流取样部分，模/数转换部分，数据处理部分和不挥发存贮介质组成，根据应用要求还可以加入多路切换部分、不受断电影响的定时装置、电气参数的测试装置和执行部件，可用于单用户或多用户的电能计量，并可实现按时间分段累计用电量，对各电气参数实时测量，还可以按要求控制用户电路，具有精度好，耗电低，成本不高的优点，是传统电度表的换代产品，可广泛应用于各种供电系统。

Description

所属领域：电气测量

技术背景：传统的电力计量装置由流过被测负载的电流和加在负载上的电压共同作用，产生电磁力，驱动机械传动装置，带动机械计数装置实现。这种电力计量装置功能单一，无法完成较为复杂的应用，在小电流和波形失真大时精度不高，环境温度变化大或电源电压变化对精度影响也较大。

本发明的目的是实现电力计量装置的智能化。该目的通过以下方式实现。

用于供电的交流市电电源一般是50HZ正弦波，根据负载不同采用单相或三相供电，其电压瞬时值随时间按正弦规律变化，由于电网和负载的变化，其频率和峰值都是不断波动的。按一个比较短的时间间隔（即取样周期）分别对市电电压和用户负载电流取样，作为该取样周期内市电电压和用户负载电流的平均值，只要取样周期足够短，引起的误差可以忽略不计;如将同一取样周期市电电压和用户负载电流的平均值相乘，即可得到该用户在此取样周期的平均功率，再与取样周期相乘，即可得到用户在这次取样周期消耗的电能，逐一累计，即可得到该用户的耗用电量。计算机模拟计算证明，只要取样周期与电源电压周期不成简单整数比，并且每周期取样2.56次以上，累计几百个周期（约十秒）后，在功率因数为0.2以上时，最大误差在0.5%以内，平均误差通常仅为0.1%左右，即使负载为可控全波或可控半波整流供电，在延迟135度以内导通（有效功率不到正常供电的10%）的条件下，误差一般也在1%以内;若每周期取样4.23次以上，在功率因数为0.2以上时，最大误差在0.1%以内。

本发明即按这一原理实现。附图1是其组成示意图。智能电力计量装置由电压、电流取样部分（1），模/数转换部分（2），数据处理部分（3）和不挥发存贮介质（4）组成，

电压、电流取样部分由数据处理部分控制，每一取样周期开始时由数据处理部分发一信号，使取样部分将此时的市电电压和用户负载电流分别取样。电压取样部分可以是电阻分压器，分压值选取应保证在可能最大的市电峰值时，取得的电压不超过模/数转换部分最大允许输入值，同时应使量化后的量纲计算较为方便，即在后续处理中能凑成多个尾数位为0的二进制整数，以便于计算处理，节省数据处理部分的工作时间。电流取样可以用取样电阻，也可用电流互感器等，选择的原则是使取样电路的压降在满足需要的前提下尽可能小，尽量减少对用户电路工作的影响，在最大额定负荷电流峰值时，电流取样电路产生的电压信号不得超出模/数转换部分的最大允许输入电压。取样部分可能包括放大和整形电路，使取得的微弱信号放大到满足后续处理电路的要求。当模/数转换部分的工作速度较慢，或是电压、电流模/数转换共用一套电路时，取样部分还应包括相应的取样-保持电路，由数据处理部分控制其工作状态，保持相应的信号送模/数转换部分处理。经过取样部分后，市电电压和用户负载电流成为已定标的电平信号。

模/数转换部分也由数据处理部分控制，将取样部分送来的代表该取样周期的市电电压和用户负载电流的电平信号，转变为数据处理部分能够接受并加以运算处理的数字量。模/数转换部分可以有二组模/数转换器，同时处理电压和电流信号以满足高速的要求，也可只用一组模/数转换器分时处理电压和电流信号以降低成本。在实现高精度电力计量装置时，应选用10位以上的模/数转换器，可获得0.2%以上的转换精度;而民用电力计量装置可用8位的模/数转换器，转换精度仅为0.8%，但如在取样部分增加一个精确绝对值电路，将原来的双向电压转变为单向脉动电压（输入、输出波形参见附图2），并在取样瞬间同时检测电压、电流的极性，送数据处理部分，极性相同时为正功率，应累加到原累计耗电中，若极性相反时为负功率，应从原累计耗电中扣减，这样可使8位模/数转换器得到0.4%的转换精度。模/数转换器的转换时间和数据处理部分处理一次取样所用时间之和应小于取样周期，模/数转换器的输出码制应便于数据处理部分处理。

数据处理部分是本装置的核心，它控制各部分按设定的时序协调工作，并完成全部数据处理任务。通常数据处理部分由微处理器和必要的附属电路（如程序存贮器和接口电路等）组成。它控制取样电路的取样，所取信号的传送，如有取样-保持电路时控制其工作状态，以及模/数转换器的启动，数据的读取，接口电路（如可能有的键盘、显示器件、通讯接口、微型打印机、测量接口、执行部件等）的动作等，还负责将市电电压和用户负载电流的数字量与取样周期经运算，得出在本次取样周期内用户耗用的电量，并正确累计（有时是扣减）到原累计耗电量中，再将其存贮到不挥发存贮装置里。由于取样周期较短（一般从几十微秒到几毫秒），每一取样周期中所得到的耗电量均很小，通常最低位一单位仅为微瓦秒数量级，而本装置的应用要求又不允许丢失精度，因此常需要6至7字节的多字长累计运算。为了提高处理速度，宜选用带有硬件乘法功能的微处理器。

不挥发存贮部分包括能与数据处理部分接口的不挥发存贮介质，不挥发即在电源中断时也能保持存贮信息不丢失。不挥发存贮介质可以是容量合适的EEPROM，有后备电池的静态RAM，微型打印机打印纸，磁性介质，也可经过数据处理部分的通讯接口利用其它计算机的存贮介质等，通过适当方式获取不挥发存贮介质的信息，即可达到读出用户用电量的目的。

对于三相供电系统，只要分别对三相的电压和用户电流同时取样，以后就可作类似上述的处理。

为了充分发挥数据处理装置的能力，降低成本和能源消耗，还可以如附图3在取样电路前增加一个多路切换部分，多路切换部分可以对一组用户的负载电流按需要任选一个送至取样电路。通常可用多路模拟开关，由数据处理部分依次产生选通各用户的地址信号，控制多路切换部分依一定次序选取每一用户并送往取样电路，按照前述处理过程，即可依次得出每一用户各自的耗电数据，并分别存入不挥发存贮装置的对应区域内，即可用一台电力计量装置计量一组用户的耗电量。应注意这时的取样周期不是一个用户所需的取样时间，而是扫描全组用户所用时间的总和。

为了满足用电按峰谷时间，以双重计费率或多重计费率分别计费的应用要求，还可以在本装置中增加一个不受断电影响的定时装置。该定时装置能产生准确的计时信号，使数据处理部分的内部时钟与之同步;当然也可以给数据处理部分原有的内部时钟增加后备电源，使其断电后也能维持计时。数据处理部分按照预先设定的时间划分要求，在每次数据处理前先判定当时处在规定时间的哪一段，将计算得到的用户耗电量分别累计到不挥发存贮装置里两组或多组存贮区域中相应的存贮区域内，即可得到一个用户或一组用户在各个规定时间段内的耗电量，以便分别计费。该定时装置应具有对时能力，以便管理人员定期校准。可用带后备电池的CMDS晶振时基电路和一组计数器实现，市电中断不影响其计时，市电恢复后，数据处理部分首先与定时装置比对，自动校准内部时钟，以便正常工作。

为了提高电力应用的管理水平，有时需要监测用户的各种电参数，这时可在本装置中增加各电气参数的测试部分。下面介绍一些测试方法的实现。为了测试，需要增加一些辅助电路和控制功能。如可以设置市电电压和用户负载电流的两组过零检测电路，过零检测信号送数据处理部分，数据处理部分根据市电电压两次过零时刻的间隔时间，即可算出市电的周期和频率;根据市电电压过零信号和某一指定用户负载电流过零信号之间的时间间隔和当前的市电周期，即可计算出该用户负荷电流与市电电压的相位差，从而计算出功率因数;根据已测知的市电周期，从各自过零后上升时刻起经过正好八分之一周期的瞬时，控制取样电路对市电电压或用户负载电流取样，即可得到当前市电电压或用户负载电流的有效值，并可进而计算出该用户的负荷功率。这些数据可以保存在存贮装置内供事后分析，也可以实时显示或从通讯接口送至其它计算机处理。显然本装置也可用于某些电气设备制造行业（如电机、电扇、电泵、家用电器等等）作成品检验或例行测试。增加测试功能时，应注意在选择取样周期时要预留一些取样周期不作电能计量用，测试时由数据处理装置根据需要在这些周期里执行测试任务。

在某些应用场合（如学生宿舍等），需要有限制用户最大负荷的功能，这时还可在本装置中增加一个或一组执行部件。对用户电流有效值定时取样，并与规定限额比较，若数据处理部分发现某用户超限，经过规定延迟时间如仍然超限，则控制执行部件动作，发出警告、报警信号，或切断该用户电源;在检测到无限额用户负荷超出本装置最大额定负载时，当然也可作类似处理。此外，对不同用户可以给予不同限额，与定时装置合用时，还可以实现按时间分段分别限制不等的最大负荷。若执行部件切断电源，则应有对应各用户的手动复位装置，使用户在减少负荷后手动恢复供电。

本发明的优点和积极效果：

1.本发明所述的智能电力计量装置功能相当于多台传统电度表、多台限荷装置、多用途数字电气测试装置和自动定时装置的有机组合，而成本仅稍高于相当数量的传统电度表。

2.本装置通用性好，各种规格、各种容量、交直流均可通用主要组成部分，只须对取样部分及软件作局部修改，实用性好。

3.本装置可用于电阻负载、感性负载、容性负载、可控全波和可控半波整流负载，在功率因数为0.2以上时，用低成本方案即可达到在0至50摄氏度温度范围内1.5%的精度，测量线性也优于传统电度表，同时对温度、电源电压变化不敏感。

4.集中一套装置服务于多用户，便于查表和管理，并可能实现查表自动化。

5.可实现按预定时间分段累计用电量，实行多重电费率收费制。

6.能实时监测各线路的各项电气参数，并可保存数据供分析用;也可用于同时测量多台电气产品的技术参数，或用于例行试验、质量检测等方面。

7.可以按预定要求对各线路独立加以控制，可用于限制用户负荷、定时开关等方面。

8.本装置本身节电，一台16用户的装置耗电仅5瓦以下，不到传统电度表耗电的20%，用户数更多时节电效果更显著;若全国城市普及使用达到250万台，每年仅电度表本身耗电一项就可节电4亿度以上。

如上述可见，本发明具有良好的经济效益和社会效益，是传统电度表的换代产品，可广泛应用于居民住宅、机关、学校、部队营房、工农业生-产单位等等。

本发明的实施例：

由于本装置可以增添多种功能，因此实现的方式很多。根据不同的应用场合，可以选择：

单用户还是多用户;

高精度（可达总误差0.3%以内）还是一般精度;

单一费率还是多重费率;

是否需要测试功能;

是否需要执行功能;

用户接口和输入输出的形式（如输入用简易键盘，输出用LED发光数码管;输入输出均用通讯接口……）;

本装置可以实现以上各项选择内容的任意合理组合。为节省篇幅，介绍一种民用16用户双重费率智能电力计量装置，带有测试功能，其中6个用户有限荷功能。

本实施例框图见附图4，该装置可用于16个用户，每户最大允许电流为7安，最大负载功率为1540瓦，有熔丝作短路保护，其精度为1.5%，工作温度为0至50摄氏度，最小可感功率约8瓦。下面结合附图4简单介绍。

数据处理装置选用单片微机INTEL8031（5），如有条件宜选用8051以降低成本、减少耗电，时钟频率为12兆赫，典型指令周期为1微秒，有硬件乘除指令。输入设备为简易32键键盘，输出为8位LED数码管，并可扩展串行通讯接口以与计算机互通。

装置内有一可充电电池后备电源（6），用以支持CMDS实时时钟电路（7）和81C55存贮、I/D扩展器（8），市电停电时，实时时钟和存贮器的内容均不受影响，市电恢复时后备电池自动充电。

取样部分（9）：电压取样电路用电阻分压器，16个用户相线各有一个50毫欧电流取样电阻，将用户电流变为电压信号，该电阻必须接在相线上，本装置以相线为模拟地，其外壳应与内部电路完全绝缘，以确保安全。-16选1CMOS模拟开关（10）由8031控制，顺序给出16个用户的4位地址，依次选通各个用户取样电路。电压取样信号经过绝对值电路（11），电流取样信号经过放大倍数为10的绝对值放大电路（12），正弦波形变为类似全波整流输出的单向脉动电压信号，其最大允许值为5.10伏，分别送往各自的LF398取样-保持器（13，14），接收到数据处理部分发来的取样命令时，取样-保持器保持，同时电压、电流极性信号也保存在触发器（15）内，一组模拟开关由数据处理部分控制，逐次将需要的电压或电流信号（包括计量用和测试用信号）送到模/数转换器。

模/数转换器（16）选用ADC0804，其转换精度为8位，最大误差为0.4%，最大转换时间114微秒。基准电压调整到2.56伏，电源电压应为约5.5伏，以防止输入模拟信号过载，模拟输入端加有箝位电路，输入电压限制在5.2伏以内。数据处理部分完成准备工作（发送地址、选择信号等）后发转换命令，完成转换后模/数转换器中断微处理器，微处理器读取转换结果并作为无符号整数处理。

8031的一个定时器重复产生161微秒的节拍周期，每一取样周期分为三个节拍周期，三个节拍周期依次处理电流、电压和测试信号，每个节拍周期里作好取样准备后启动模/数转换，在转换过程进行时则完成各种处理和监控，第一节拍作上次取样所得结果的多字长运算，第二节拍处理上一周期可能未完成的测试信息，第三节拍处理键盘扫描、显示扫描，以及用户过载监视，这些处理所用时间应小于模/数转换所需的最小时间，完成后等待转换结束时模/数转换器发来的中断信号，再读数、设置标志，等待节拍定时中断，进入下一节拍或下一取样周期。

8031的程序存贮在2732A    EPROM（17）内，P0口作数据/地址总线，P2口的低4位作程序地址，P1口控制简易键盘，81C55的两个八位口用于动态数码管显示，六位口经缓冲后驱动继电器给六个用户供电，其余控制线也由8031端口担任，端口不够时可增加触发器（18）多路选通复用。各种控制信号由8031发出，精度一般在2至3微秒，可忽略其影响。键盘消除抖动、键盘扫描、动态显示等均以取样周期为时间基准，以减轻8031的额外开销。

8031片内RAM除用作工作寄存器、堆栈外，80个单元分别保存每一用户的5字节电量尾数信息，其余用作各种指针、标志和控制变量。81C55的扩展RAM分为2组，存放两个时间段内各用户的电量累计，每组128字节，每用户两字节为度数，5字节为尾数，1字节为标志（如有限额等）。每当时间段变换时，8031将上段的5字节尾数转存入81C55，而将另一组尾数取出继续累计。

应用8031的乘法功能处理电流、电压数据，由于取样周期是常数，并不需再相乘，只要在单位换算时考虑即可。判断乘积应迭加还是扣减后再执行相应的多字节加减法，然后判断尾数是否够一个整度数，如够则减去，并往相应整度存贮单元内加一。若整度数正好对应一个除最高位二或三字节外其余低字节近似为全0的二进制数，可以减少运算量。

定时装置由晶振和分频器（19）组成，产生每分钟一次的脉冲信号，微处理器用该信号同步内部RAM上的实时钟单元。当检测到掉电时，微处理器将时钟（即断电时刻）和电量尾数累计写入81C55，并将常数15840装入81C55定时器，启动对分钟脉冲计数，因81C55和定时装置都由后备电池供电，可以继续工作，来电时将断电时刻和断电后计时数（即累计断电时间）读出，就能校准RAM实时钟。因为15840分钟等于11天，这样连续停电在11天以内时，只要后备电池容量允许，不会发生计时误差。

测试部分按本发明所述的方法，通常一次测试需要多个取样周期才能完成。为避免干扰电力计量，多用户时测试部分有独立的多路切换器（20），用户电流绝对值放大器（21）和取样-保持器（22），电压、电流过零信号由一组模拟开关控制，中断微处理器。调用各项测试功能时，微处理器控制取样部分按程序要求取样，在测试节拍周期内完成模/数转换，经运算处理得到测试结果，精度约为1%;因计算一般较繁，而某些参数值的分布不广，为节省时间有些测试可采用查表和插值的方法计算。

执行部件是一组继电器（23），由81C55端口经驱动电路（24）控制，检测到某有限额用户超过限额时，经多个取样周期的延时（约几秒），再次测试如还是超限，则继电器断开，只到人工通过键盘复位才能恢复供电。

本装置有一32键简易键盘（25），用于人工发出显示和测量选择、复位、用户号指定等，机内有仅对管理人员开放的对时、初始化（换电池时用）按键;显示部分为8位LED数码管（26），可显示用户号、耗电量和各项测试参数，也可显示时间;本装置还可扩展与计算机或专用设备接口的串行接口。

Claims (9)

1、一种智能电力计量装置，其特征在于它由电压、电流取样部分，模/数转换部分，数据处理部分和不挥发存贮介质组成。

2、按照权项一所描述的智能电力计量装置，其特征在于前述取样部分前具有一个多路切换部分。

3、按照权项一或二所描述的智能电力计量装置，其特征在于具有一个不受断电影响的定时装置。

4、按照权项一或二所描述的智能电力计量装置，其特征在于具有一个电气参数测量装置。

5、按照权项一或二所描述的智能电力计量装置，其特征在于具有一个用以控制用户电路的执行部件。

6、按照权项三所描述的智能电力计量装置，其特征在于具有一个电气参数测量装置。

7、按照权项三所描述的智能电力计量装置，其特征在于具有一个用以控制用户电路的执行部件。

8、按照权项四所描述的智能电力计量装置，其特征在于具有一个用以控制用户电路的执行部件。

9、按照权项六所描述的智能电力计量装置，其特征在于具有一个用以控制用户电路的执行部件。