电能计量装置中智能电能表的实践思路构架探讨

摘要：智能电能表是智能电网发展过程中的重要组成部分。智能电能表不仅能够有效地显示电量，还能够显示相对应的电能价格，对推动用电方式的革新具有积极的意义。由于电能表是电力系统中的必要设备，因此在我国未来的电工行业中需求量极大。文章主要针对智能电能表的基本原理、软硬件构架进行了介绍。

关键词：电能计量装置；智能电能表；防窃电；软硬件构架；智能电网；电力系统

中图分类号：TM933 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）34-0013-02

1 智能电能表简介

1.1 基本原理

智能电能表是以电子式电能表为基础开发出来的最新科技产品，其工作原理和基本构成和以往的感应式电表存在一定的差别。智能电能表的主要构成组件是电子元件，它们首先对电流和电压采样，然后通过电表集成电路将电流和电压信号转换为脉冲输出，最后再通过单片机的控制、处理，将脉冲显示输出。其基本构成图如图1所示：

1.2 智能电表的基本特点

因为使用电子集成电路设计，能够联网进行远程通信，因此，相对传统电表而言，智能电能具有其显著的优势：

1.2.1 功耗低。由于智能电能表是使用电子元件集成而成的，每块电能表的功耗不超过0.7W，远低于传统电能表。

1.2.2 精度高。由于机械磨损等无法避免的缺陷，感应电能表会出现越走越慢、误差越来越大的情况，而智能电能表则不会出现这种情况。

1.2.3 过载大、工频范围广。智能电能表的过载倍数能够达到6～8倍左右，量程较宽，同样，工作率也在40～1000Hz之间，范围较传统的电能表要广。

1.2.4 功能多。智能电能使用了电子表技术，因此能够通过联网进行网络通信，从而实现远程控制、远程抄表等功能，这对传统感应电表来说是无法实现的。

2 智能电能表的总体实践思路框架

2.1 硬件设计

从智能电能表的总体设计框架来看，可以将硬件分成五个主要的部分，如图2所示。其中，主机和计量芯片的选择十分重要，计量芯片是进行电力品质计算和电能分析的主要组件，因此将其分离出来进行专门的功能管理，例如费率管理、存储管理、通信等。

2.1.1 CPU核心模块。该部分基于ATmega64L构件，并与MAXQ3180通信，以读取最新的相关电力参数，并使用一定的算法计算，从而获取必要数据并将其显示到输出设备上。电源监视器主要用于对电压进行监视，以保证电压的正常范围，从而保护CPU正常工作。电存储器的非易失性、读写快、读写寿命长的特点对CPU的正常运行具有重要意义，主要用于保存仪表的既定参数。按键扫描电路则主要用于显示和参数的设定。

2.1.2 输入模块。该模块分为三相三线与三相四线两类接线方式，主要包括电流转换电路、电压转换电路和采样电路三部分。电流和电压调理电路是使用电流、电压互感器，其输出信号通过调理后转换成电压信号，再被传送到电压、电流输入设备中进行信号变换。

2.1.3 输出模块。输出模块使用TCP/IP协议进行输出，输出模块使用STM32F107微控制器通过串行接口和CPU通信，并把CPU读取的相关数据传送到微控制器上。这样，智能电能表就构建了一个以太网的通信接口，方便通信网络的构建。

2.1.4 电源开关模块。电源开关模块能够输出两组5V、一组15V的直流电压，从而保证CPU、输入输出模块和显示模块的电源供应。

2.1.5 显示模块。显示模块是一个相对独立的部分，即通过显示器将各类电力品质参数显示出来。

2.2 软件设计

智能电能表的软件部分主要包括显示程序、键盘程序、监控程序、数据处理程序、设定程序、校正程序、滤波程序、时钟程序、通信程序和算法程序等，通常使用C语言进行编程，软件结构使用了模块化的设计方式。智能电能表在使用的过程中，不仅能够对电度进行测量，还能测量电压、电流、功率、功率因数等品质参数。通常情况下，对单相两线、三相三线和三相四线系统，都是将一次电流和电压信号通过互感器转换成标准电压和电流信号，然后再经过二次电流和电压互感器转换成电流信号，最后再使用取样电阻获取相应的电压信号，并传送至计量芯片上，由ATmega64L控制器通过总线获取需要的电能品质参数。因为二次电流、电压互感器的输入、输出信号间存在相移的情况，因此会出现一个角差，这会对功率和电度等产生较大的影响。目前，市场上常用的产品是使用二次电流和电压互感器的副边使得硬件电路增加来补偿相移的。由于二次电流和电压互感器离散性较强，实现起来比较复杂。另外，还有使用放大器放大二次电流和电压互感器处理的信号，然后再传送到微控制器进行采样，同时使用电位器进行调节，这会在温度变化和振动时降低测量的精度。而计量芯片对滤波和限幅直接处理后会对电流和电压信号采样，然后通过补偿相角，除掉硬件补偿电路和信号放大电路，同时也不需要电位器进行满量程和零点调节，从而显著提高了测量精度。

MAXQ3180能够提供大部分的品质参数，且只需要进行做简单处理就能够进行显示、存储、显示和传输。另外，它还能提供基波电能、谐波电能、分相电流和电压的谐波均方根，这对电力质量的监控是很重要。

3 实验分析数据

这里我们应用精密的二相测试电源对智能电能表的精度进行论证，测试输入的电压为205～265V，电流范围为1～5A。通过对电流、电压有效值的测量实验，结果数据如表1和表2所示：

精度验证的结果说明，智能电能表的测量精度较高，电流的误差范围在0.2%以内，电压的误差范围也在0.2%以内，总体上精度均达到了设计的要求。

所以说，智能电能表在测量的精度上满足了设计的基本要求，并在电网的运行过程中实现了数据的互动，不仅能够对采集的数据、故障记录进行统计分析，还能满足数据采集的实时性要求，在电能计量装置中具有非常重要的作用。

4 结语

随着国外对智能电能表的大力推广，电能计量行业重新充满了活力，为国内的用电采集设备、电能计量装置市场带来了巨大的机遇。在智能电能表的推广和研究领域，国内厂商不断掀起新的高潮，各种新技术、新材料和新工艺的使用也极大提高了国内电能计量装置的水平，为我国的智能电网发展提供了有利的技术后盾。

参考文献

[1] 张有顺，冯井岗.电能计量基础[M].北京：中国计量出版社，2002.

[2] 薛秀娥.基于EPON智能电表ONU光模块嵌入式设计与实现[D].西安科技大学，2013.

[3] 徐程.适用于高寒地区的智能电能表的研究与设计

[D].华北电力大学，2013.

作者简介：余小刚（1962-），男，四川自贡人，国网四川省电力公司自贡供电公司工程师，研究方向：用电管理。

摘要：智能电能表是智能电网发展过程中的重要组成部分。智能电能表不仅能够有效地显示电量，还能够显示相对应的电能价格，对推动用电方式的革新具有积极的意义。由于电能表是电力系统中的必要设备，因此在我国未来的电工行业中需求量极大。文章主要针对智能电能表的基本原理、软硬件构架进行了介绍。

关键词：电能计量装置；智能电能表；防窃电；软硬件构架；智能电网；电力系统

中图分类号：TM933 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）34-0013-02

1 智能电能表简介

1.1 基本原理

智能电能表是以电子式电能表为基础开发出来的最新科技产品，其工作原理和基本构成和以往的感应式电表存在一定的差别。智能电能表的主要构成组件是电子元件，它们首先对电流和电压采样，然后通过电表集成电路将电流和电压信号转换为脉冲输出，最后再通过单片机的控制、处理，将脉冲显示输出。其基本构成图如图1所示：

1.2 智能电表的基本特点

因为使用电子集成电路设计，能够联网进行远程通信，因此，相对传统电表而言，智能电能具有其显著的优势：

1.2.1 功耗低。由于智能电能表是使用电子元件集成而成的，每块电能表的功耗不超过0.7W，远低于传统电能表。

1.2.2 精度高。由于机械磨损等无法避免的缺陷，感应电能表会出现越走越慢、误差越来越大的情况，而智能电能表则不会出现这种情况。

1.2.3 过载大、工频范围广。智能电能表的过载倍数能够达到6～8倍左右，量程较宽，同样，工作率也在40～1000Hz之间，范围较传统的电能表要广。

1.2.4 功能多。智能电能使用了电子表技术，因此能够通过联网进行网络通信，从而实现远程控制、远程抄表等功能，这对传统感应电表来说是无法实现的。

2 智能电能表的总体实践思路框架

2.1 硬件设计

从智能电能表的总体设计框架来看，可以将硬件分成五个主要的部分，如图2所示。其中，主机和计量芯片的选择十分重要，计量芯片是进行电力品质计算和电能分析的主要组件，因此将其分离出来进行专门的功能管理，例如费率管理、存储管理、通信等。

2.1.1 CPU核心模块。该部分基于ATmega64L构件，并与MAXQ3180通信，以读取最新的相关电力参数，并使用一定的算法计算，从而获取必要数据并将其显示到输出设备上。电源监视器主要用于对电压进行监视，以保证电压的正常范围，从而保护CPU正常工作。电存储器的非易失性、读写快、读写寿命长的特点对CPU的正常运行具有重要意义，主要用于保存仪表的既定参数。按键扫描电路则主要用于显示和参数的设定。

2.1.2 输入模块。该模块分为三相三线与三相四线两类接线方式，主要包括电流转换电路、电压转换电路和采样电路三部分。电流和电压调理电路是使用电流、电压互感器，其输出信号通过调理后转换成电压信号，再被传送到电压、电流输入设备中进行信号变换。

2.1.3 输出模块。输出模块使用TCP/IP协议进行输出，输出模块使用STM32F107微控制器通过串行接口和CPU通信，并把CPU读取的相关数据传送到微控制器上。这样，智能电能表就构建了一个以太网的通信接口，方便通信网络的构建。

2.1.4 电源开关模块。电源开关模块能够输出两组5V、一组15V的直流电压，从而保证CPU、输入输出模块和显示模块的电源供应。

2.1.5 显示模块。显示模块是一个相对独立的部分，即通过显示器将各类电力品质参数显示出来。

2.2 软件设计

智能电能表的软件部分主要包括显示程序、键盘程序、监控程序、数据处理程序、设定程序、校正程序、滤波程序、时钟程序、通信程序和算法程序等，通常使用C语言进行编程，软件结构使用了模块化的设计方式。智能电能表在使用的过程中，不仅能够对电度进行测量，还能测量电压、电流、功率、功率因数等品质参数。通常情况下，对单相两线、三相三线和三相四线系统，都是将一次电流和电压信号通过互感器转换成标准电压和电流信号，然后再经过二次电流和电压互感器转换成电流信号，最后再使用取样电阻获取相应的电压信号，并传送至计量芯片上，由ATmega64L控制器通过总线获取需要的电能品质参数。因为二次电流、电压互感器的输入、输出信号间存在相移的情况，因此会出现一个角差，这会对功率和电度等产生较大的影响。目前，市场上常用的产品是使用二次电流和电压互感器的副边使得硬件电路增加来补偿相移的。由于二次电流和电压互感器离散性较强，实现起来比较复杂。另外，还有使用放大器放大二次电流和电压互感器处理的信号，然后再传送到微控制器进行采样，同时使用电位器进行调节，这会在温度变化和振动时降低测量的精度。而计量芯片对滤波和限幅直接处理后会对电流和电压信号采样，然后通过补偿相角，除掉硬件补偿电路和信号放大电路，同时也不需要电位器进行满量程和零点调节，从而显著提高了测量精度。

MAXQ3180能够提供大部分的品质参数，且只需要进行做简单处理就能够进行显示、存储、显示和传输。另外，它还能提供基波电能、谐波电能、分相电流和电压的谐波均方根，这对电力质量的监控是很重要。

3 实验分析数据

这里我们应用精密的二相测试电源对智能电能表的精度进行论证，测试输入的电压为205～265V，电流范围为1～5A。通过对电流、电压有效值的测量实验，结果数据如表1和表2所示：

精度验证的结果说明，智能电能表的测量精度较高，电流的误差范围在0.2%以内，电压的误差范围也在0.2%以内，总体上精度均达到了设计的要求。

所以说，智能电能表在测量的精度上满足了设计的基本要求，并在电网的运行过程中实现了数据的互动，不仅能够对采集的数据、故障记录进行统计分析，还能满足数据采集的实时性要求，在电能计量装置中具有非常重要的作用。

4 结语

随着国外对智能电能表的大力推广，电能计量行业重新充满了活力，为国内的用电采集设备、电能计量装置市场带来了巨大的机遇。在智能电能表的推广和研究领域，国内厂商不断掀起新的高潮，各种新技术、新材料和新工艺的使用也极大提高了国内电能计量装置的水平，为我国的智能电网发展提供了有利的技术后盾。

参考文献

[1] 张有顺，冯井岗.电能计量基础[M].北京：中国计量出版社，2002.

[2] 薛秀娥.基于EPON智能电表ONU光模块嵌入式设计与实现[D].西安科技大学，2013.

[3] 徐程.适用于高寒地区的智能电能表的研究与设计

[D].华北电力大学，2013.

作者简介：余小刚（1962-），男，四川自贡人，国网四川省电力公司自贡供电公司工程师，研究方向：用电管理。

摘要：智能电能表是智能电网发展过程中的重要组成部分。智能电能表不仅能够有效地显示电量，还能够显示相对应的电能价格，对推动用电方式的革新具有积极的意义。由于电能表是电力系统中的必要设备，因此在我国未来的电工行业中需求量极大。文章主要针对智能电能表的基本原理、软硬件构架进行了介绍。

关键词：电能计量装置；智能电能表；防窃电；软硬件构架；智能电网；电力系统

中图分类号：TM933 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）34-0013-02

1 智能电能表简介

1.1 基本原理

智能电能表是以电子式电能表为基础开发出来的最新科技产品，其工作原理和基本构成和以往的感应式电表存在一定的差别。智能电能表的主要构成组件是电子元件，它们首先对电流和电压采样，然后通过电表集成电路将电流和电压信号转换为脉冲输出，最后再通过单片机的控制、处理，将脉冲显示输出。其基本构成图如图1所示：

1.2 智能电表的基本特点

因为使用电子集成电路设计，能够联网进行远程通信，因此，相对传统电表而言，智能电能具有其显著的优势：

1.2.1 功耗低。由于智能电能表是使用电子元件集成而成的，每块电能表的功耗不超过0.7W，远低于传统电能表。

1.2.2 精度高。由于机械磨损等无法避免的缺陷，感应电能表会出现越走越慢、误差越来越大的情况，而智能电能表则不会出现这种情况。

1.2.3 过载大、工频范围广。智能电能表的过载倍数能够达到6～8倍左右，量程较宽，同样，工作率也在40～1000Hz之间，范围较传统的电能表要广。

1.2.4 功能多。智能电能使用了电子表技术，因此能够通过联网进行网络通信，从而实现远程控制、远程抄表等功能，这对传统感应电表来说是无法实现的。

2 智能电能表的总体实践思路框架

2.1 硬件设计

从智能电能表的总体设计框架来看，可以将硬件分成五个主要的部分，如图2所示。其中，主机和计量芯片的选择十分重要，计量芯片是进行电力品质计算和电能分析的主要组件，因此将其分离出来进行专门的功能管理，例如费率管理、存储管理、通信等。

2.1.1 CPU核心模块。该部分基于ATmega64L构件，并与MAXQ3180通信，以读取最新的相关电力参数，并使用一定的算法计算，从而获取必要数据并将其显示到输出设备上。电源监视器主要用于对电压进行监视，以保证电压的正常范围，从而保护CPU正常工作。电存储器的非易失性、读写快、读写寿命长的特点对CPU的正常运行具有重要意义，主要用于保存仪表的既定参数。按键扫描电路则主要用于显示和参数的设定。

2.1.2 输入模块。该模块分为三相三线与三相四线两类接线方式，主要包括电流转换电路、电压转换电路和采样电路三部分。电流和电压调理电路是使用电流、电压互感器，其输出信号通过调理后转换成电压信号，再被传送到电压、电流输入设备中进行信号变换。

2.1.3 输出模块。输出模块使用TCP/IP协议进行输出，输出模块使用STM32F107微控制器通过串行接口和CPU通信，并把CPU读取的相关数据传送到微控制器上。这样，智能电能表就构建了一个以太网的通信接口，方便通信网络的构建。

2.1.4 电源开关模块。电源开关模块能够输出两组5V、一组15V的直流电压，从而保证CPU、输入输出模块和显示模块的电源供应。

2.1.5 显示模块。显示模块是一个相对独立的部分，即通过显示器将各类电力品质参数显示出来。

2.2 软件设计

智能电能表的软件部分主要包括显示程序、键盘程序、监控程序、数据处理程序、设定程序、校正程序、滤波程序、时钟程序、通信程序和算法程序等，通常使用C语言进行编程，软件结构使用了模块化的设计方式。智能电能表在使用的过程中，不仅能够对电度进行测量，还能测量电压、电流、功率、功率因数等品质参数。通常情况下，对单相两线、三相三线和三相四线系统，都是将一次电流和电压信号通过互感器转换成标准电压和电流信号，然后再经过二次电流和电压互感器转换成电流信号，最后再使用取样电阻获取相应的电压信号，并传送至计量芯片上，由ATmega64L控制器通过总线获取需要的电能品质参数。因为二次电流、电压互感器的输入、输出信号间存在相移的情况，因此会出现一个角差，这会对功率和电度等产生较大的影响。目前，市场上常用的产品是使用二次电流和电压互感器的副边使得硬件电路增加来补偿相移的。由于二次电流和电压互感器离散性较强，实现起来比较复杂。另外，还有使用放大器放大二次电流和电压互感器处理的信号，然后再传送到微控制器进行采样，同时使用电位器进行调节，这会在温度变化和振动时降低测量的精度。而计量芯片对滤波和限幅直接处理后会对电流和电压信号采样，然后通过补偿相角，除掉硬件补偿电路和信号放大电路，同时也不需要电位器进行满量程和零点调节，从而显著提高了测量精度。

MAXQ3180能够提供大部分的品质参数，且只需要进行做简单处理就能够进行显示、存储、显示和传输。另外，它还能提供基波电能、谐波电能、分相电流和电压的谐波均方根，这对电力质量的监控是很重要。

3 实验分析数据

这里我们应用精密的二相测试电源对智能电能表的精度进行论证，测试输入的电压为205～265V，电流范围为1～5A。通过对电流、电压有效值的测量实验，结果数据如表1和表2所示：

精度验证的结果说明，智能电能表的测量精度较高，电流的误差范围在0.2%以内，电压的误差范围也在0.2%以内，总体上精度均达到了设计的要求。

所以说，智能电能表在测量的精度上满足了设计的基本要求，并在电网的运行过程中实现了数据的互动，不仅能够对采集的数据、故障记录进行统计分析，还能满足数据采集的实时性要求，在电能计量装置中具有非常重要的作用。

4 结语

随着国外对智能电能表的大力推广，电能计量行业重新充满了活力，为国内的用电采集设备、电能计量装置市场带来了巨大的机遇。在智能电能表的推广和研究领域，国内厂商不断掀起新的高潮，各种新技术、新材料和新工艺的使用也极大提高了国内电能计量装置的水平，为我国的智能电网发展提供了有利的技术后盾。

参考文献

[1] 张有顺，冯井岗.电能计量基础[M].北京：中国计量出版社，2002.

[2] 薛秀娥.基于EPON智能电表ONU光模块嵌入式设计与实现[D].西安科技大学，2013.

[3] 徐程.适用于高寒地区的智能电能表的研究与设计

[D].华北电力大学，2013.

作者简介：余小刚（1962-），男，四川自贡人，国网四川省电力公司自贡供电公司工程师，研究方向：用电管理。