http://www.ed-china.com/ART_8800019820_400013_500015_OT_666F9D21.HTM?click_from=2100001470,8000008671,2007-04-11,EDCOL,ARTICLEALERT

 

公用事业计量一直受储存问题的困扰,现在正在获得某种程度的新生——尤其表现在电计量方面。这是因为所有的电力配电系统都很脆弱。计量过去几乎被电力专业的电子工程师垄断。如今,它对芯片、电路板和系统设计师以及软件编写者完全开放着。

磁阻电动机电表已有100多年的历史,现在,正在被芯片替代,芯片不仅更廉价、更精确,而且能将有功功率和无功功率分量分开,并提供有远程读数的途径。

计量业类似于汽车业。圈内参加者相对较少时,需要革新的方面很多,参加者占据着其预期市场位置,另外,像汽车一样,一旦将芯片或技术用于某种产品,即代表在长期的成品生命周期内会大批量销售。

我家房子入口处使用的新型家居仪表就是一个例子(见图1)。去年夏天,当我们装太阳能板时,承包商帮助我们与电力公司商议新的电费率。我们按所用的电量来付费,或者将我们发的电存下,在用电高峰期,大约为28美分/千瓦时。在非用电高峰期,价格降至7美分/千瓦时。计量表一直跟踪记录这两种数据,我们一年结账一次。

照片显示有电表快速读数端口。由于有这个端口,电表读数不必等LED面板循环5个显示,这种技术属于基础技术。现在的趋势是远程读数,开拓了很多可能性。RF驱动读数已经使用了一些年头了,但它目前正在变得愈发复杂,更新型的无线技术使上载更快、更安全。

辅助计量

每个用电户至少需要一个电表。但很多人没有意识到用户确实有购买大量辅助计量表的潜力,用户用这些表读他们自己的用电量。

辅助计量曾经主要用于公寓建筑物。只要允许,屋主将与电力公司商议用电合同,按住户的实际用电量收费。最近,辅助计量对大型制造公司而言,已经变得很重要。

它向管理者表示了,某个站点的总能量消耗如何在不同的部门、租户或者在建筑物或机构内的各个环节之间分配。另外,它对峰值负载抑制、用电限制、综合以及其他能让用电量更低的业务会有帮助。

当然,管理部门必须了解数据的用途。仍然有可能改进和简化数据采集和储存,使人们能够显示、操作数据和管理用电系统的用户接口方面也一样。

普通参与者在辅助计量业务方面创新的一个例子就是瑞士LEM公司,其Wi-LEM系统能使用户制作廉价的、可重新配置的基于ZigBee的辅助计量系统。装配中所付出的劳动比固定电源引线附近的电流探针和安装Wi-LEM硬件多不了多少。系统由电表节点(EMN)、网状门(MG)和网状节点(MN)构成。

每个EMN与所监控的系统或机器的电线用分裂铁芯变压器相接。EMN以5~30分钟间隔测量有功和无功能量、最大电流和最小电压。MG是独立的ZigBee网关,该网关管理其配置为无线网结构的EMN网络。任何一个MG能够管理的EMN都多达240个,能够同时储存其网络的最新数据。

因为EMN与MG之间的通信常常限于25m视线范围,LEM提供MN,MN是尽可能大地扩展网络范围的简单重复器。通过MG,在本地EMN网和更远的EMN之间通信,用户能构建覆盖整个制造中心或居民设施的系统。

计量原理

时间可以追溯到19世纪90年代,与我们大家一起成长的机电感应仪表是基于磁阻或者涡流电机的。水平金属圆盘在由永磁体提供的磁场中转动。交流电压和供电电流感应的磁场产生一转矩,使圆盘转动。圆盘在永磁场中的转动产生的涡流阻碍该转动。

交流线电压和拉出的功率都会影响圆盘的旋转速度,因此,旋转速度与接至计量表的电路所需的功率成比例。圆盘转动增加多刻度盘的钟表装置,该装置记录下消耗的能量。一般地,圆盘旋转一周代表7.2瓦时(Wh)。

电度表的国际标准是IEC 61036,该标准规定了一些环境要求,如表本身能消耗多大的功率、必须能承受多高的电压,以及如精度和电磁兼容的性能参数。

IEC 61036计量表按精度可分为1类或2类,按额定工作电压(UN)、用于大多数测量的基本电流(IB)和保证精度情况下的最高电流(IMAX)可对这些类再进行细分(见表1、 2、 3:“IEC 61036电气要求”)。

数字计量表的设计

可从制造计量表芯片的经销商处获得大量的设计参考资料。想评估其选择的工程师可在线获取大量信息。美国模拟器件(Analog Devices)、Cirrus Logic、美信(Maxim)、微芯(Microchip)和德州仪器(Texas Instruments)几个公司都提供有明确为数字计量表用的芯片。但数字计量芯片是传奇性的半导体公司,如Teridian(见图3)的一项业务。

为了解一个基本的计量芯片的内部组成结构,可以ADI的ADE7752为例,该芯片仅读取有功功率。ADI将它称作“具有脉冲输出的多相能量计量IC”,意思指它是严格的测量器件。该芯片用于Y或Δ连接的三相电源,包含了总共6个16位、二阶、δ-σ模数转换器(ADC)。有功功率测量的带宽是14kHz,过采样率为833kHz。

从外部看,电压传感器可能是电位变压器或电阻分配器(图4a和4b)。当然,变压器提供与主电源的隔离。由于有电阻分配器,芯片输入可偏置在中线附近。分配器方法的优点在于可调整RA与RB的比值,VR可提供一种校正增益的简单方法。

为检测电流,ADI推荐每一通道配一个电流变压器(见图4c)。电流通道的共模电压可由负荷电阻(RB)至计量芯片的模拟地间的中心抽头取得。可选择变压器匝数比和RB的值,使在最大负载下提供500mV的峰值差分电压。

将电压和电流数字化后,高通滤波器滤掉电流信号中的直流成分,消除掉所有偏移影响。瞬时功率可通过将各相的电流和电压信号相乘得到。为得到有功功率分量,将每相的瞬时功率信号进行低通滤波。将结果相加,得到总的有功功率。

与平均有功功率成比例的计量芯片输出频率可通过累加总有功功率信息得到。然后,将平均有功功率信息相加以获得有效能量信息。

ADE7752的低通滤波方法仅记录有功功率,忽略电抗性电流和谐波电流。图5上部给出了单位功率因数的情况,下部为纯电抗位移功率因数(DPF) =0.5(电流滞后电压60)的情况。在电压和电流波形为正弦波的简单情况下,瞬时功率信号(直流项)的有效功率分量等于电压、电流与相位偏移的余弦三者之积的一半。

将该情况延伸到任意非正弦电压和电流波形的情况,并把这些波形分离成其傅立叶分量:此处(见方程):

v(t)为瞬时电压
VO为平均电压
VN为N电压谐波的均方根值(rms)
αN为电压谐波的相位角。

类似地(见方程):

就是说,谐波有功功率可通过求和得到。欲了解ADE7752的更多信息,可点击查看ADI的应用笔记AN-641

作者:Don Tuite

Advertisements