电能表发展历程：从电解原理到多功能电子式电能表的百年演变
电能表是电力系统中极为重要的组成部分，主要负责测量电路中消耗的电能量。时代在发展，社会经济在进步，电能表发展到如今经历了一个漫长的过程。电能表在世界上出现和发展已有一百多年。1881 年最早的电能表根据电解原理制成。这种电能表每只重达几十公斤，很笨重，且无精度保证。当时它仍被作为科技界重大发明受到重视和赞扬，很快在工程上被采用。随着科学技术发展，1888 年交流电被发现和应用，感应式电能表随之诞生。
80 - 90 年代开始使用损耗电能表。
这些特点为实现自动化抄表提供了有利条件。
2000 年起，开始着力发展智能电能表。智能电表属于新型全电子式电能表，具备电能计量的功能，能进行信息存储及处理，可实现实时监测，还能做到自动控制以及信息交互。它既支持双向计量，又能满足阶梯电价、分时电价、峰谷电价等实际需求，同时也是实现分布式电源计量、双向互动服务、智能家居、智能小区的技术基础。它能够自动对居民用电负荷情况进行示警，这样就能避免因超负荷而引发的短路以及火灾等严重事故。并且，居民缴纳电费有两种方式，一是使用充值卡，二是通过网上充值，这两种方式都很方便快捷。
感应式电表工作原理
感应式单相电能表也就是机械式单相电能表，它是依据电磁感应原理而设计的。电度表接入被测电路后，被测电路的电压 U 会加在电压线圈上。在电压线圈的铁芯中，会形成一个交变的磁通。其中，这个磁通的一部分 ΦU 会从回磁极出发，穿过铝盘，再回到电压线圈的铁芯中。同样地，被测电路的电流 I 通过电流线圈后，也会在电流线圈的 U 形铁芯中形成一个交变磁通 Φi。这个交变磁通 Φi 会从 U 形铁芯的一端由下至上穿过铝盘，接着又从铝盘由上至下穿过，最后回到 U 形铁芯的另一端。电度表的电路和磁路情况如图 6 - 3 所呈现。回磁板 4 是由钢板冲压制作而成的。其下端伸入到铝盘的下部。并且与隔着铝盘以及电压部件的铁芯柱相互对应。这样就能构成电压线圈工作磁通的回路。
(a)铁芯结构 (b)电路和磁路
两个磁通穿过铝盘，这两个磁通是交流磁通，并且是在不同位置穿过铝盘。于是，就在各自穿过铝盘的位置附近产生了感应涡流，就像图中所示那样。这两个磁通与这些涡流相互作用，就在铝盘上产生了推动铝盘转动的转动力矩。
转动力矩 MP 作用于铝盘，它与被测电路的有功功率成正比。铝盘在转动力矩的作用下开始转动后，会切割穿过它的永久磁铁的磁通Φf，进而在铝盘上产生一个涡流if。这个涡流与永久磁铁相互作用，会产生一个作用于铝盘且与其转动方向相反的力矩Mf，此力矩被称为制动力矩。其方向始终与铝盘的转动方向相反。
铝盘在转动力矩作用下开始转动后，转速逐渐增加，其制动力矩也随之不断增加，直至制动力矩与转动力矩达到平衡。在此状态下，作用在铝盘上的总力矩为零，铝盘的转速不再上升，而是稳定在某个特定的转速上。
智能电表
智能电能表由测量单元、数据处理单元、通信单元等构成。它具备电能量计量、数据处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能。智能电表需通过用户交费对智能 IC 卡进行充值并将充值信息输入电表，如此电表才可供电。当表中电量用完时，电表会自动拉闸断电，这样便有效地解决了上门抄表以及收电费难的问题。对用户的购电信息进行微机管理，这样能方便进行查询，能方便进行统计，能方便进行收费，还能方便打印票据等。
智能电表可进行信息远程传送。
智能电表的分类
目前，国内的智能电能表主要有两种类型。一种是属于机电一体式的。另一种是属于全电子式的。
机电一体式
机电一体式，是在原来的机械电度表上附加一定部件。这样做能使其既能完成所需功能，又能降低造价且易于安装。一般来说，其设计方案是在不破坏现行计量表原有的物理结构，不改变其国家计量标准的基础上，加装传感器装置，从而变成在机械计度的同时也有电脉冲输出的智能电表。
第一类机电结合的电度表，其基础是原有的机械表。它会加装电子式计数装置以及相应的控制、通讯电路，或者加上 IC 卡读写接口，以此来实现自动计量计费和控制。它的基本结构是在原有机械电度表的转盘上进行处理，要么打孔，要么涂（贴）上能吸收光线的材料，通过光电转换，把机械转盘的转动转变为电脉冲信号，然后再进行相应的计数处理。这类电度表的计量原理未作改动，所以它的计量精度和特性与机械表是完全一样的，并且它的本钱相对来说比较高。
一类机电结合的电度表采用电子式计量电路，获得数字式脉冲信号后，依靠微型电机驱动字码转轮，从而得到电能计数值。这种结构是电子式电度表中最简洁可行的方案，但存在遗憾之处，即对计量电路要求较高，需要所有的表都按照一个固定比例，将电能值转换为对应数目的数字脉冲，这样才能以正确速度驱动微电机来转动字轮。这个比例是所谓的电表常数（imp/kWh）。电路中所用决定脉冲速度的定时元件，大多是参数离散性较大的阻容元件。为保证电度表的计量精度和产品一致性，需在生产过程中加强对元件的筛选和对半成品的调校。这意味着要增加相应的人力物力投入，还要延长生产周期，从而使电度表的生产费用和成本有所增加。这种结构的电度表在数据收集方面与老式的机械表没什么区别，在用户缴费方式上也与老式的机械表没什么区别，所以应属淘汰产品。
全电子式智能电表
全电子式智能电表在计量到数据处理方面都运用以集成电路为核心的电子器件，以此取消了机械部件。全电子式智能电表的体积比机电一体化智能电表小，其可靠性更高，计量更精确，耗电量也更小，生产工艺得到了极大改善。全电子式智能电表将会逐渐取代带有机械部件的计量表，这是未来社会发展的必然趋势。
全电子式电度表系统组成：
水表、电表、气表、热表等具有脉冲输出的计量表是远传表。它的计量方式和传统表相同，只是在原基表上增添了脉冲输出功能，每个脉冲代表一定的计量值。采集器会通过远传表的脉冲输出端口来采集脉冲。
采集器具备同时采集水表、电表、气表、热表等输出的脉冲信息的能力，它能把这些脉冲信息转化为计量认可的物理量，然后将其存储在各采集器的存储器里。借助治理微机，能够查询系统中任意一户的耗能信息，并且在治理微机的抄表等命令作用下，能够将用户信息上传。
转换器的主要任务如下：其一，完成与采集器的数据通讯工作；其二，向采集器下达电量数据冻结命令；其三，定时循环接收采集器的电量数据，或者根据系统要求接收某个电表或某组电表的数据；其四，根据系统要求完成与主站的通讯，并将用户用电数据等主站需要的信息传送到主站数据库中。下行通道是转换器与采集器之间的通讯线路，主要包含三种方式，分别是总线抄表系统、载波抄表系统和红外抄表系统。通讯信道上行通道是转换器与主站之间的通讯线路，能够采用电话、无线、专线等通讯介质。
4、系统治理软件功能。系统治理软件以通讯作为基础，将数据库当作核心，能够提供数据处理、查询、统计、报表以及备份等功能。它采用面向对象与模块化相结合的方式，能够灵活地满足不同客户的要求，像特殊格式报表以及权限控制等。它支持客户原有的治理系统，还可以与其他治理软件进行接口，提供数据接口和通讯接口，具备网络通讯功能。它可以同时对多个小区进行治理，为各小区设置通讯参数。在电表治理方面，能够设置电表的原始参数、地址以及其状态。在费率治理方面，能够随意设置多种费率，设置各能源的单价。在用户治理方面，能够治理和控制每户的用量，管理用户的结算方式。它具有实时抄表功能，系统可以抄取各能源表的实时数据。它具备用度自动计算功能，能够实现将公共能源损耗均匀分摊或者按比例分摊到每户，并且根据查表数据和单价，自动计算每户应交用度，以便向用户收费。它具有打印功能，能够打印各用户的用度清单。它还具有查询功能，能够随时查询任一户、任一单元全部住户以及整个小区内所有住户的耗能信息。
智能电表的工作原理
下图是一个智能电表的原理框图：
下图是一个硬件设计图：
把脉冲显示为用电量并输出。智能电表计量一度电时，A/D 转换器发出的脉冲个数通常被称之为脉冲常数。对于智能电能表而言，这是一个重要的常数。因为 A/D 转换器在单位时间内发出脉冲个数的多少，会直接决定该表计量的准确度。
目前大多数智能电表采用一户一个 A/D 转换器的设计原则。有些厂家生产的多用户集中式智能电表则采用多户公用一个 A/D 转换器。采用多户公用一个 A/D 转换器时，对电能的计量只能分时排队进行。这种方式会造成计量准确度的下降。
智能电表的采样方式
当前电子式电能表对用户用电的采样方式主要存在两种。一种方式是通过互感器进行采样。另一种方式是直接进行采样。
采用互感器采样时，通过电压互感器采集用户的电压信号，通过电流互感器采集用户的电流信号；而直接采样则是利用热稳定性高的电阻分压网络获取电压信号，利用电阻温度系数小的锰铜片进行电流的直接采样。
互感器采样的方式，在启动电流方面不如直接采样，其启动电流为 40mA，而直接采样在额定电流为 20A 时启动电流为 20mA；在线性范围方面不如直接采样；在功耗方面不如直接采样；在精度方面不如直接采样。尤其是当电流值很小时，这种差异更为明显。不过，互感器采样的优点在于抗干扰性较强，且线路简单，成本比较低。比如，有一种全电子电能表，它采用专用的锰铜片进行直接电流采样，这种电能表的误差能够调整到+0.5%。而另一种采用电流互感器采样的电能表，如果不采取补偿措施，那么互感器本身的误差可能会超过 5%。
智能电表的抄表方案
电度表是电费收取的计量依据，它涉及到抄表这一环节。从现行的技术角度来看，主要有两种类型，一种是 IC 卡式，另一种是远传抄表式。
IC 卡电表收费系统的成本比较低，并且可靠性很高，使用寿命也比较长。IC 卡是通过硅片来存储信息的，一张 IC 卡至少能够使用 10 年，甚至更久。IC 卡电表收费系统的安全性很高，不容易被仿制，收费也很准确，不容易出现错误。它具备很强的加密性能。采用 IC 卡电表收费系统能够提升居民用电收费的治理水平，这样就能确保电力部门可以及时收到电费，因为如果用户不继续买电，就会被断电。IC 卡表的系统功能包含预收费功能、报警功能、断电功能、显示功能和加密功能。
IC 卡表的整个收费系统包含主机、IC 卡电表以及 IC 卡这三个部分。IC 卡电表的收费系统，达成了用电收费的电子化，其技术既成熟又可靠。正因如此，IC 卡收费系统在我国获得了较为广泛的推广。但是，从系统的角度去看，用户终端和系统主机之间没有直接的联系。只有当用户持卡交费的时候，才能够了解到用户的情况。这样就导致了信息反馈存在滞后的问题。可以说，用户终端在这种情况下仍然与整个网络是脱节的。从经济角度而言，电力部分先收费后送电的做法不符合经济政策。可以认为，在一定程度上，这侵犯了用户的利益。正因如此，如今有许多城市已在原则上不再审批新的 IC 卡表项目。从长远的角度来看，IC 卡收费系统只能作为一种过渡性的产品。
远程自动抄表系统能够自动抄收用电数据，能够杜绝人工操作所带来的所有弊端。用户的用电数据可以直接进入用电营业的计算机管理系统，用电管理人员能够随时对用电情况进行监视，一旦发现问题（例如故障、窃电等），就可以及时进行处理。线损情况对供电部分的经济效益有直接影响。以前，无论是人工抄读还是使用 IC 卡表，都无法准确计量线损情况，要找到线损原因也很困难。而采用远传抄表后，能够几乎同时获取总表读数和分表总读数，这样就可以随时掌握线损情况，并且能够比较容易地分析线损原因，以便对其进行处理。形势发展后，居民可在银行开设个人账户。营业计算机治理系统与银行联网后，能完成数据的自动抄收、处理以及银行转账交费等全套操作，从而真正实现用电治理的自动化。目前国内的远传抄表系统主要有 485 总线和载波抄表这两种形式。载波集抄系统是借助专用芯片对用电数据进行调制解调，通过电力线进行通讯来实现集中抄表。485 总线方式的数据传输具有可靠性高的特点，并且造价相对较低。然而，它也存在一些缺点，比如需要进行布线，安装过程较为复杂。此外，拉线还容易被人为破坏。特别是在现在很多小区不允许拉明线的情况下，这种总线方式在施工方面会遇到困难。现在采用较多的方案是，用户终端到数据集中器采用电力线载波通讯，而数据集中器到上位机则使用专用电话线。当然，针对小区的不同情况，存在很多这样的方案，即采用 485 总线并且与电力载波配合起来进行使用。
全电子式智能电表的用电量数据已数字化，所以能很方便地与各种数据收集传送电路配合，从而组成自动计量计费系统。它是现行家用电度表的换代产品，这类产品大量使用后，供电部门能节省大量抄表计算工作，还能及时回收电费，也就是先付费后用电，具有巨大的经济效益和社会效益。智能电表有两种常见的抄表方案，一种是总线制集中抄表，另一种是电力载波集中抄表，这两种抄表方案都是远程抄表。
- 由集中器集中供电。
电力载波抄表是一种集中抄表系统，它直接利用现有的低压输电线路来进行数据传输。这样就省去了铺线工程，其优势十分明显。
该系统是高新产品，它集微电子技术、通讯技术和计算机技术于一体。它具有显著特点，比如高可靠且安装简单。它广泛适用于城市的电表抄收、计费和监控，也适用于农村的电表抄收、计费和监控，还适用于城市的气表抄收、计费和监控，以及农村的气表抄收、计费和监控。电力线的作用是给用电设备传送电能，而非传送数据，正因如此，电力线对数据传输存在诸多限制。其一，配电变压器会对电力载波信号起到阻隔作用，这就导致电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内进行传送；其二，不同的信号耦合方式会使电力载波信号损失有所不同；其三，电力线自身存在固有的脉冲干扰。另外，电力线上存在高削减、高噪声、高变形的情况，这使得电力线成为一个不理想的通信媒介。然而，由于现代通信技术的发展，使得电力线载波通信成为了可能。在电力线载波通信中，数据信号的信噪比决定了传输距离的远近。电力线载波通信的关键在于选用一个功能强大的电力线载波专用 Modem 芯片。
智能电表的工作特点
智能电表采用了电子集成电路的设计，并且具有远传通信功能，能够与电脑联网且采用软件进行控制。所以，与感应式电表相比，智能电表在性能方面和操作功能上都具有很大的优势。
智能电表采用电子元件设计方式，所以一般每块表的功耗在 0·6w 到 0·7w 左右。对于多用户集中式的智能电表，平均到每户的功率更小。而一般每只感应式电表的功耗约为 1·7w。
就表的误差范围来说，2·0 级电子式电能表在 5%到 400%标定电流范围内进行测量时，其误差是±2%。目前普遍应用的是精确等级为 1·0 级的电能表，这种电能表的误差比 2·0 级电子式电能表更小。感应式电表的误差范围是+0·86%到-5·7%。因为存在机械磨损这种无法克服的缺陷，所以感应式电能表会越走越慢，最终导致误差越来越大。国家电网曾对感应式电表展开抽查。抽查结果显示，在使用了 5 年之后，有 50%以上的感应式电表，其误差超出了允许的范围。
智能电表的过载倍数通常能达到 6 到 8 倍，其量程较为宽泛。当下，8 到 10 倍率的表正成为越来越多用户的选择，有的甚至能达到 20 倍率的宽量程。智能电表的工作频率较宽，在 40HZ 到某个范围。而感应式电表的过载倍数一般只有 4 倍，并且其工作频率范围仅在 45 到 55HZ 之间。
功能：智能电表采用了电子表技术，能够通过相关通信协议与计算机相连网，还可通过编程软件对硬件进行控制管理。这些功能传统感应式电表很难或不可能实现。
-END -
制造业的未来呈现为智能化，而智能化的根基在于传感器；互联网的走向是物联网，物联网的基础同样是传感器。
《传感器技术》汇集了一套关于各种传感器的基础知识，并且对各种传感器的原理进行了介绍。
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