专利名称：普适电能表的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电能表的计量方法，尤其是能防止技术性窃电、准确计量非简谐量电能。
背景技术：
目前采用的电感式电能表及电子式电能表，其计能原理基于对负载工作电压、电流强度为简谐量时的理论结论。由于电路一般不是线性时不变电路，且由于电子电力器材的广泛应用，负载的工作电压、电流强度函数波形偏离正弦波，这种畸变具有普遍性。畸变的电压、电流强度作为非简谐量，其对应的电能计量应用基于简谐量电压、电流强度的电能计量模式设计的感应式电能表或电子式电能表，必然出现理论偏差。偏差的程度随着畸变程度加剧而增大，甚至失去计量作用。
基于对负载的电流函数进行分析而构建傅里叶级数形成的电流函数数学模型，这种模型包含了可能的控制电压技术及非线性时不变电路的参数/变量对电流函数波形的影响。
现代电子技术尤其是模拟集成电路与逻辑电路使得所述电流强度函数的傅里叶级数形成的数学模型具有可测量性。
下面对电子控制电压技术对电流强度函数波形的影响作简单说明如果设取电源电压为u~(x)=2u2ej(x-π2)]]>即u(x)2u2sinx,x=2πft----(1)]]>一般地，负载的工作电压及其控制方式是不可能或难于直接测量的，我们只能测得其工作的电流强度函数并对其进行分析
i(x)α02+Σn=1∞(anconnx+bnsinnx)=i0+Σn=1∞2insin(nx-ψu)----(2)]]>其中i0=α02=12π∫-ππi(x)dx,an=1π∫-ππi(x)connxdx,bn=1π∫-ππi(x)sinnxdx,]]>in=(an2+bn2)/2,ψu=-arctg∂nbn,n=1,2,3,···]]>这是电流强度函数的一股形式，适合一切负载或负载网络，并可由现有技术加以测量获取。
由于电子电路的广泛应用，负载的工作电压受控制的形式多种多样，它们均可以由图1、图2这两类控制输出而获得图1中 =2πu2·[A02+(A1conx+B1sinx)+Σ(Anconnx+Bnsinnx)----(3)]]>其中A0＝-cosα1+cosα2+cosβ1-cosβ2A1=-sin2α1+sin2α2-sin2β1+sin2β22]]>B1=-2α1+2α2-2β1+2β2+sin2α1-sin2α2+sin2β1-sin2β24]]>An=cosnπ[cos(n-1)α1-cos(n-1)α2]-cos(n-1)β1+cos(n-1)β22(n-1)-cosnπ[cos(n+1)α1-cos(n+1)α2]-cos(n+1)β1+cos(n+1)β22(n+1)]]>Bn=cosnπ[sin(n-1)α1-sin(n-1)α2]-sin(n-1)β1+sin(n-1)β22(n-1)-cosnπ[sin(n+1)α1-sin(n+1)α2]-sin(n+1)β1+sin(n+1)β22(n+1)n=2,3,···]]>图2中 =2πu2·[A02+(A1conx+B1sinx)+Σ(Anconnx+Bnsinnx)]----(4)]]>
其中A0＝2cosα-2cosβ-(π2α)sinα+(π2β)sinβA1＝2sin2α 2sin2βB1=2α+2β-sin2α-sin2β2]]>An=1+cosnπ2[-cos(n-1)α-cos(n-1)βn-1+cos(n+1)α-cos(n+1)βn+1+2sinαsinnα-2sinβsinnβn]]]>Bn=1-cosnπ2[-sin(n-1)α+sin(n-1)βn-1+sin(n+1)α+sin(n+1)βn+1+2sinαcosnα+2sinβcosnβn]n=2,3,···]]>上述两类控制技术代表了一切技术上的可能，但应用最常见的只是其中的某些特例。对于交流电路电能计量有实际意义的只有三种(图1的特例)二极管单向导通(控制)电路；Triac双向控制电路；双GTO双向控制电路。
对于不止采用一种电压控制技术的负载网络，容易证明它们不能等效于一种控制电压方式而不增加控制导通参量。虽然，从(2)与(3)、(4)的对比中可以知道，一般地，电压受控必然导致对计量有贡献的一次谐波(基波)发生相移。这是计量偏差的根源。
可以看出(详细说明略)，传统的感应式电表与电子式电能表对于负载的耗能计量均基于下述公式Pφ=12π∫-ππi(x)·2u2sinxdx=i2u2cosφ----(5)]]>其中i(x)的相位差为φ，i(x)，a(x)=2u2sinx]]>均为简谐量。
显然，当i(x)为非简谐量时，由式(2)知一、只有基波对电功计量有贡献；二、基波存在因导通受控制(即电压受控制)而“附加”的相位差。
非线性时不变电路还存在有别于电压控制产生的傅里叶级数，但可以认为其“等效”于某种控制电压的方式。为了简化模型，设电路为受控电压工作状况的线性时不变，电源为理想电源且不含抑制高频的设施。我们可以简单地讨论前述三种特殊电路的计量误差1、半波-L-R电路参图3、图6。
uf(x)=2πu2+22u2sinx+2πu2Σn=1∞(-12n-1+12n+1)cos2nx]]>i(x)=2πu2R+22u2Rcosφsin(x-φ)-22πu2RΣn=1∞cosφn4n2-1cos(2nx-φn)]]>Pφ=12π∫-ππi(x)·2u2sinxdx=12u22Rcos2φ----(6)]]>PR=u22R[2π2+14cos2φ+4π2Σn-1∞(cosφn4n2-1)2----(7)]]>其中φ=arctgωLR,φn=arctg2nωLR,n=1,2,3,···]]>显然，φ→0时，Pφ→PR→12u22R;]]>理论上计量无偏差。
φ→π2]]>时，PR→2π2u22R,PR→0;]]>不计量电能。
|cosφ|≤22π]]>时，PR＞Pφ，即出现理论偏差。
2、Triac-L-R电路参图4、图7。
uf(x)=2πu2sin2αsinθsin(x-θ)+2πu2Σn=1∞sin2nα2n-sin2(n+1)α2(n+1)sinθncos[(2n+1)x+θn]]]>i(x)=2πu2Rsin2αsinθcosφsin(x-θ-φ)+2πu2RΣn=1∞sin2nα2n-sin2(n+1)α2(n+1)sinθncosφncos[(2n+1)x-φn+θn]]]>Pφ=12π∫-ππi(x)·2u2sinxdx=1πu22Rsin2αsinθcosφcos(θ+φ)----(8)]]>PR=1π2u22R(sin2αcosφsinθ)2+1π2u22RΣn=1∞[sin2nα2n-sin2(n+1)α2(n+1)sinθncosφn]2----(9)]]>其中φ=arctgωLR,φn=arctg(2n+1)ωLR,]]>θ=arctg2sin2α2π-2α+sin2α,θn=arctg1-cos2nα2n-1-cos2(n+1)α2(n+1)sin2nα2n-sin2(n+1)α2(n+1),n=1,2,3,···]]>显然，α→π-φ时，Pφ→1πu22R(φcosφ-sinφ)cosφ<0;]]>相当于电表倒转。
α→π/2，φ→π/2时，Pφ→-1πu22ωL,PR→0;]]>相当于电表倒转。
α→π/2，φ→arctgπ2]]>时，Pφ→0,PR→1π2u22R,]]>相当于用电电表不转。
3、2GTO-C-R电路参图5、图8。
uf(x)=2πu2sin2αsinθsin(x+θ)+2πu2Σn=1∞Cnsin[(2n+1)x+θn]]]>i(x)=2πu2Rsin2αsinθcosφsin(x+θ+φ)+2πu2RΣn=1∞Cncosφnsin[(2n+1)x+θn+φn]]]>Pφ=12π∫-ππi(x)·2u2sinxdx=1πu22Rsin2αsinθcosφcos(θ+φ)----(10)]]>PR=1π2u22R(sin2αsinθcosφ)2+1π2u22RΣn=1∞Cn2cos2φn----(11)]]>其中φ=arctg1ωCR,φn=arctg1(2n+1)ωCR,]]>θ=arctg2sin2α2α-sin2α,θn=arctg1-cos2nα2n-1-cos2(n+1)α2(n+1)sin2nα2n-sin2(n+1)α2(n+1)]]>Cn=[1-cos2nα2n-1-cos2(n+1)α2(n+1)]2+[sin2α2n-sin2(n+1)α2(n+1)]2,n=1,2,3,···]]>显然，α→π-φ时，Pφ→1πu22R[(π-φ)cosφ-sinφ]cosφ<0;]]>α→π/2，φ→π/2时，Pφ→-1πωCu2,PR→0;]]>α→π/2，φ→arctgπ2]]>时，Pφ→0，Pφ→1π2u22R.]]>从上述简单讨论可以发现，在实际电路中，R、L、C的某些形式的组合在受控电压下使得计量出现不同形式的偏差，其中，包括电能表少计量(正常的受控制用电)、不计量甚至负计量(技术性窃电)。
发明内容
为了克服感应式电能表和电子式电能表不能准确计量非简谐量对应的电能的缺点，减少电能计量损失，防止窃电现象发生，本发明提供一种电能计量装置|方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是由电流采样电路和特殊电流对比采样电路采集负载电流，经模/数转换后由逻辑电路或|和模拟集成电路进行运算分析，求取电流强度i(x)及工作电压uf(x)的直流成分、基波成分和第三项，分别(并加权)计量所消耗的电能(或电费)，存储并显示其值。
在分析电流采样电路中直流成分及高次谐波超过一定比例后，特殊电流对比采样电路接受指令，自动在负载中接入一定值的标准电阻(使所测电流较电流采样电路所测值以5％左右)，根据对比测定各频率下负载的电抗，推算出各次谐波的电压值。
对于侦测到的超过某一规定标准的非简谐电能，加权计费；对于侦测到的超过另一规定标准的非简谐电能，预以警告、断电。
各谐波的电能的计量按照两个取样电路获取的电流强度i(x)及工作电压uf(x)的傅里叶级数，由逻辑电路或|和模拟集成电路进行运算。
本发明的有益效果是可以准确地计量负载用电量，尤其是在电子电力器材广泛适用、电流强度/电压函数波形严重偏离正弦波的非简谐量电能计量具有重要意义，即可以减少计量误差，合理分担电费，防止技术性窃电，提高电网质量和经济效益。
图1是采用α1，α2，β1，β2四个导通角参量的电压控制输出波形。
图2是采用α，β削波峰的电压控制输出波形。
图1、图2包括了现有可能的一切电压控制输出波形。
图3是半波-L-R电路示意图。
图4是双向晶闸管控制输出的L-R电路示意图。
图5是可关断进提晶闸管双向控制输出的L-R电路示意图。
图6、7、8分别是半波、双向可控、双向可关断控制输出的电压波形。
图9是本发明的第一个实施例的原理电路图。
图10是本发明的第二个实施例的原理电路图。
图11是本发明的特殊电流对比采样电路示意图。
具体实施例方式
在如图9的第一个实施例中，首先由电流采样电路采样，经模/数转换后进行分析当电流中非基波成分在允许的范围内(例中假定90％)，按照传统的计量方式进行电能计量。
当电流中非基波成分超过某一规定标准，发出指令，启动特殊电流对比采样电路采集负载电流，经模/数转换后进行分析，求出直流、基波、倍频及三倍频的电压值及相应的电功率，并根据相应规范进行加权计量或计费。
当电流中非基波成分超过另一规定标准，预以警告、断电。
计量的电能或电费存储后输出、显示。
电能计量取几次谐波、相应的技术规范应该由相关技术监督部门根据需要制定，或许已经有这种技术规范。
图10是第二个实施例，与图9不同的是模/数及数/模转换及运算、逻辑电路有所不同。
图11所示的特殊电流对比采样电路主要由(晶闸管)开关S、标准电阻组组成。当接受指令后、S转换到标准电阻组，阻值由低转高，保持在使电流强度下降5％左右。这样，可以知道每种频率分量在标准电阻上的电流强度、电压值，进而推定在各次频率下负载的电阻值、电压值和耗散的功率。
在上述实施例中，电流采样由模拟电路或|和数字电路进行运算。详细的应用电路不复赘述。
电流采样电路的采样运算后可得下列参量i0=α02=12π∫-ππi(x)dx]]>an=1π∫-ππi(x)connxdx]]>
bn=1π∫-ππi(χ)sinnχdχ]]>in=(an2+bn2)/2]]>ψn=-arctganbn,n=1,2,3,···]]>特殊电流对比采样电路的采样运算后可得下列参量u0=A02=12π∫-ππI(x)dx]]>An=1π∫-ππI(x)connxdx]]>Bn=1π∫-ππI(x)sinnxdx]]>un=(an2+bn2)/2]]>ψn=-arctgAnBn,n=1,2,3,···]]>特殊电流对比采样电路耗能较多，在正常情况下不启动。只有当电流中非基波成分低于规定标准值时，才按照不同情况启动特殊电流对比采样电路进行定时、间歇性采样。一般只需要模拟集成电路或逻辑电路运算求取电流强度与工作电压的直流成分、基波、倍频、三倍频的有效值即可。
特殊电流对比采样电路的工作原理在任一频次下的电流强度 对于标准电阻r，有un＝inr＝InZnn＝1，2，3，…由于r的值对负载影响不大，在一定的较短时间内，可以认为测量的条件没有变化，反复测出n次频率下的电流强度in、In值，经过对比运算，求出其电压的有效值，进而算出该次谐波的电能。最后根据有关规范加权计算总的用电量或者电费，并同时实现其它存储、控制、输出功能。
Zn为在n次频率下的负载电抗。
权利要求
1一种电能表，主要由电流采样电路特殊电流对比采样电路模/数转换器模拟集成电路或/和逻辑电路数/模转换器存储输出控制机构等组成，其特征是由电流采样电路和特殊电流对比采样电路采集负载电流，经模/数转换后由逻辑电路或|和模拟集成电路进行运算分析当电流中非基波成分在允许的范围内，按照传统的计量方式进行电能计量。当电流中非基波成分超过某一规定标准，启动特殊电流对比采样电路采样后经模/数转换、分析，求出各频次的电功率，进行加权计量或计费。当电流中非基波成分超过另一规定标准，预以警告、断电。
2根据权利要求1所述的电能表，其特征是特殊电流对比采样电路在负载电路中串联了标准电阻组以测量其电流强度标准电阻组的阻值一般达到使其电流强度值下降5％左右且足以准确对比计量、分析。
3根据权利要求1所述的电能表，其特征是对特殊电流对比采样电路的取样进行分析，求取在直流基波倍频及三倍频等不同频率下的负载等效电抗(或电阻)。
4根据权利要求1所述的电能表，其特征是特殊电流对比采样电路的采样方式是定时、间歇性采样。
全文摘要
一种电能表的计量方法。可以减少计量误差，合理分担电费，防止技术性窃电，提高电网质量和经济效益。由电流采样电路和特殊电流对比采样电路采集负载电流，经模/数转换后由逻辑电路或和模拟集成电路进行运算分析。当电流中非基波成分在允许的范围内，按照传统的计量方式进行电能计量。当电流中非基波成分超过某一规定标准，启动特殊电流对比采样电路。采样后经模/数转换、分析，求出各频次的电功率，进行加权计量或计费。当电流中非基波成分超过另一规定标准，预以警告、断电。特殊电流对比采样电路主要由(晶闸管)开关S、标准电阻组组成。
文档编号G01R11/24GK1702465SQ20051007931
公开日2005年11月30日 申请日期2005年6月16日 优先权日2005年6月16日
发明者赵熙华 申请人:赵熙华