單相預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越性能替代了機械式電能表。針對實際應用中用戶反映的電子式電能表計費多的問題，從單相預付費電子式電能表的原理、性能及與傳統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。

關鍵詞：單相預付費電子式電能表；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、環境適應性好等優越性能替代了機械式電能表。但在實際應用中，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，從單相預付費電子式電能表的原理、性能及與傳統機械式電能表性能比較等方面加以分析。

1 單相預付費電子式電能表的工作原理

單相預付費電能表是在單相電子式電能表上增加了表內跳閘繼電器、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欠費跳閘功能，通過IC卡進行電能表電量數據以及預購電費數據的傳輸，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，在用戶欠費時發出報警信息并控制跳開用戶供電開關。微處理器隨時監測IC卡接口，保證插入卡的購電數據的合法性和有效性，讀入購電數據并做相應處理，同時在相應的顯示器中顯示相關數據信息。該儀表采用數碼管（LED）或液晶顯示器（LCD）進行數據信息的顯示。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，進行數據的抄讀。

1.2 IC卡技術

IC卡技術是預付費電能表中的關鍵技術之一。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。數據一次性寫入存儲器，不可更改。只讀型卡往往由ROM或PROM存儲器構成，價格低廉，數據內容不可改變，適用于游戲卡、特定標識卡等。②計數型。芯片采用存儲單元鎖死的電路或熔絲式的電路，單元初始狀態為1（未熔斷或未鎖死），當需要改寫時，把相關單元熔絲燒斷，單元狀態變為0。計數型卡簡單、可靠，數據內容亦不可改寫，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，可以重復改寫多次（一般為1萬次以上），數據保持時間一般大于10 a，適用于卡的數據需要反復改寫的場合，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成，存儲區數據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、保護存儲區、加密存儲區3個部分。主存儲區數據可以任意讀寫。保護存儲區數據可以任意讀出，但改寫需要先送“檢驗字”，芯片將檢驗字與存在加密存儲區的密碼比較，當檢驗結果一致時，控制邏輯打開存儲器，可以進行寫入。檢驗字比較次數限定4次，如果連續4次檢驗出錯，芯片將鎖死，整個芯片只能讀出，不能再寫入。加密存儲區為存放密碼和比較計數值的區域，此區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雜的運算，而且從總線上直接進行檢驗字比較轉變為間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卡的結構、數據接口都有規定。

2 單相預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，電能表按設定的費率遞減，當剩余電費小于設定的報警門限時，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，可以設置功率限額以及允許次數，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供電。但當超功率跳閘次數超過設定的允許次數時，電能表將不可恢復供電，只有使用參數設置卡改變功率限額后，才恢復供電。

4） 顯示功能。單相預付費電能表采用LCD顯示，可以設置自動及手動（按鈕切換）方式顯示如下幾項數據：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；07電能表常數；08電能表編號。

5） 報警顯示功能。當電能表自檢出現故障時，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。

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，誤差穩定性也較好；而感應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，特別是在低轉速時，機械摩擦力接近靜態摩擦力，數值明顯增高，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，可以設計0.5級以上的高精度電能表。機械表由于采用磁路結構，非線性失真大，一致性差，因此要采用各種補償機構，而采用補償機構又降低了穩定性，也不利于生產使用中的調校。

4 結語

綜上所述，隨著電子式電能表的推廣應用，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、高穩定性等優越性能所帶來的積極意義。相信隨著我國電力企業自動化管理水平的提高，以及互聯網+時代的來臨，包括單相預付費電子式電能表在內的電子式電能表在今后的電能計量工作中將發揮更大的作用。

參考文獻

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