第一節(jié) 產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1、引進(jìn)的三相多功能電能表新技術(shù)

引進(jìn)的三相多功能表新技術(shù)，代表目前國際上電能表技術(shù)的最高水平：

1）高精度、長壽命計量

準(zhǔn)確度為0.1%的有功電能計量，超過IEC在線計量的最高準(zhǔn)確度要求，其誤差曲線的帶寬為+/-0.05%；

0.2S級三相基波表，具有分相的2—50次諧波有功功率計量；

0.2S級長壽命的電網(wǎng)關(guān)口表，具有電能質(zhì)量計量模塊。

2）高速率、實時測量

交流采樣速率為256點/周波，記錄周期最短為10毫秒；

電能質(zhì)量計量：63次諧波、電壓閃變、故障錄波78微秒的瞬變，供電可靠性指標(biāo)的記錄為99.9999999%。

3）開放式、高速率通信技術(shù)應(yīng)用

開放式通信協(xié)議IEC62056-61/62/53/46/42，抄表、費率、負(fù)荷控制數(shù)據(jù)交換；

互聯(lián)網(wǎng)通信，自動發(fā)送E-mail報警信號、系統(tǒng)運行狀態(tài)刷新、數(shù)據(jù)記錄，通過以太網(wǎng)連接到某些國際知名的電量計費系統(tǒng)的關(guān)口表，Web服務(wù)器可直接讀取電表各種實際數(shù)據(jù)、電能質(zhì)量參數(shù)，無需任何專用軟件。

4）三相電能計量專用芯片

采用低頻濾波法計量諧波無功功率的三相計量芯片，高位∑-△A/D，負(fù)荷動態(tài)范圍1000：1，線性度0.1%，具有溫度測量功能，片上接口可直接與微分電流互感器連接；

精度優(yōu)于0.1%的三相SOC單芯片，21位2階∑-△A/D，32位可編程的電能量計算引擎，負(fù)荷動態(tài)范圍2000：1，片內(nèi)集成：高速8051單片機(jī)、硬實時鐘、LCD驅(qū)動電路、看門狗電路、定時器、多種存儲器、多種通信接口等。

5）諧波功率電能計量標(biāo)準(zhǔn)

在歐洲：三相0.01級標(biāo)準(zhǔn)表，具有諧波功率計量功能；建立起諧波有功功率、諧波視在功率的計量傳遞標(biāo)準(zhǔn)；

在美國：電能表自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，在任意波形諧波總含量30%以下，計量準(zhǔn)確度為+/-0.005%—0.05%；高精度三相標(biāo)準(zhǔn)表，在功率因數(shù)低于0.5（60°—90°），計量準(zhǔn)確度為+/-0.02%/功率因數(shù)；電能功率標(biāo)準(zhǔn)源，提供七種非正弦信號的無功功率計算方法。

需要指出：盡管IT產(chǎn)業(yè)新技術(shù)的應(yīng)用，推動了進(jìn)口電能表技術(shù)的快速發(fā)展，但是現(xiàn)在進(jìn)口的在線電能表產(chǎn)品技術(shù)不規(guī)范，0.1級電能表、任意波形功率和電能計量、0—360°計量等關(guān)注的問題正在探索，電能表誤差穩(wěn)定性、可靠性指標(biāo)尚未量化，器件損壞、數(shù)據(jù)丟失、自檢有誤的情況時有發(fā)生，這些情況說明進(jìn)口電能表技術(shù)走向成熟還有一個很長的過程。

2、國產(chǎn)三相多功能電能表新技術(shù)

國產(chǎn)電子式三相多功能表技術(shù)開發(fā)起步較晚，近幾年，注重吸收國際計量技術(shù)與管理經(jīng)驗，強化自主開發(fā)，取得了許多新的技術(shù)成果：

1）三相多功能表

0.2S級有功功率計量，16位∑-△A/D，160MIPS的DSP，交流采樣速率256點/周波，運行和備用兩套費率時段，負(fù)荷曲線記錄和容量為4M字節(jié)的存儲器，寬電源電壓范圍，互感器合成誤差補償，變壓器銅損、鐵損計算。

0.5S級三相基波有功表。

采用三相SOC單芯片或三相有功、無功計量芯片的低端三相多功能表設(shè)計，從技術(shù)上適應(yīng)電表量大、面廣的市場需求。

高壓電能表，采用電子式傳感器，懸浮式電源設(shè)計，有功電能計量準(zhǔn)確度為0.5級，用于10千伏中壓電網(wǎng)直接計量電能量。

2）諧波功率、電能計量

三相諧波表，有功功率計量0.2S級，無功功率計量0.5S級，高準(zhǔn)確度的基波和諧波有功電能計量，采用實時積分法計算總有功電能，通過FFT算法，提供基波、諧波電能量和諧波功率方向；

沖擊負(fù)荷電能計量理論與算法，應(yīng)用廣義功率理論，定義任意波形的單相電路和三相電路的功率，應(yīng)用正弦電路功率理論、傳統(tǒng)非正弦電路功率理論和廣義功率理論進(jìn)行沖擊負(fù)荷的有功、無功、視在、畸變、三相不對稱功率電能的計算；

基于IIR型Hilbert數(shù)字濾波法的諧波無功功率的測量，Hilbert數(shù)字濾波器具有優(yōu)越的頻率響應(yīng)特性，數(shù)值計算簡單，經(jīng)計算的諧波無功功率，與仿真實驗結(jié)果只差0.02%；

諧波有功功率潮流 分析 方法，經(jīng) 研究 指出：FFT理論具有局限性，實際的電力負(fù)荷，除基波和整數(shù)倍頻成份外，尚有間諧波存在，需要開發(fā)電能表新的算法。

3）三相電能計量專用芯片

具有基波/諧波電能計量的三相多功能計量芯片，16位∑-△A/D、24位DSP，負(fù)荷動態(tài)范圍1000:1，線性度0.1%，測量帶寬21次諧波，集成溫度傳感器；

采用Hilbert數(shù)字濾波器計量諧波無功功率的三相計量芯片；

采用數(shù)字并行算法和降低晶振頻率技術(shù)的低功耗三相有功功率計量芯片。

4）基于GPRS通信網(wǎng)的用電需求側(cè)管理系統(tǒng)及其終端

該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程抄表、用電異常信息報警、電能質(zhì)量檢測、線損 分析 、無功電壓管理和電力負(fù)荷控制管理等功能，系統(tǒng)指標(biāo)為：并發(fā)數(shù)據(jù)量不小5萬采集點，一次采通率不小于95%，二次采通率不小于99.5%，遙測合格率大于98%，對時精度小于100毫秒。

5）關(guān)口表遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)

該系統(tǒng)由多路關(guān)口表的測量、校準(zhǔn)回路和計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，就是將高精度三相標(biāo)準(zhǔn)表置于變電站內(nèi)環(huán)境條件符合要求的場所，被測電流的變換是通過計量電流互感器的二次回路接入0.02級、5/0.5A的中間互感器，標(biāo)準(zhǔn)表和關(guān)口表的三相接線方式和有功、無功計量方式是通過工控機(jī)指令切換，關(guān)口表的實時誤差通過專用信道送至系統(tǒng)主站，整個系統(tǒng)誤差為0.1%。

6）電能質(zhì)量和電能計量標(biāo)準(zhǔn)

準(zhǔn)確度為0.02%的數(shù)字式三相標(biāo)準(zhǔn)表，四象限測量，多種無功功率計量方式，諧波和基波有功功率計量，50次諧波 分析 ，三相不對稱測量；

電力系統(tǒng)的正弦無功功率計量標(biāo)準(zhǔn)，它以電流比較儀技術(shù)為基礎(chǔ)，通過基本電學(xué)參量溯源，正弦無功功率計量的擴(kuò)展不確定度為75×10-6；

電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量計量標(biāo)準(zhǔn)，包括：諧波電壓、電流測量，諧波次數(shù)從直流和2—100次整數(shù)倍諧波，任意次間諧波，諧波電壓擴(kuò)展不確定度為0.02%，諧波電流擴(kuò)展不確定度為0.04%；閃變，常用的指標(biāo)是短時間閃變Pst（10min）和長時間閃變Plt（2h），該標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度為0.5%；頻率：1Hz-21MHz，該裝置擴(kuò)展不確定度為2×10-10；相位，該標(biāo)準(zhǔn)裝置擴(kuò)展不確定度為0.02°；

產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范，鑒于國際上尚未有三相多功能表的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，中國電工儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會組織起草國家標(biāo)準(zhǔn)《多功能電能表特殊要求》，現(xiàn)正進(jìn)入審定階段。制定該標(biāo)準(zhǔn)的目的，是為制造商和使用電能的用戶提供一個產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范，并使其體現(xiàn)產(chǎn)品訂貨技術(shù)規(guī)范的大部分內(nèi)容，多功能表的通用要求，將參照中國相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的的內(nèi)容。

綜上所述，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，中國的三相多功能表門類比較齊全，中、低端電表技術(shù)開發(fā)水平較高，特別是沖擊負(fù)荷電能計量理論與算法、諧波無功功率計量、具有諧波功率計量的三相專用芯片、高壓電能表、GPRS通信技術(shù)應(yīng)用、電能遠(yuǎn)程校準(zhǔn)等技術(shù)項目具有創(chuàng)新意義。但是也應(yīng)該看到，高端電表技術(shù)沒有完全過關(guān)，電網(wǎng)關(guān)口計量仍以進(jìn)口電表為主導(dǎo)產(chǎn)品，這是一個值得深思的問題。

第二節(jié) 產(chǎn)品工藝特點或流程

電子式三相三線多功能電能表采用專用大規(guī)模集成電路和和SMT生產(chǎn)工藝。

1、SMT生產(chǎn)工藝

1）單面組裝：

來料檢測—絲印焊膏（點貼片膠）—貼片—烘干（固化）—回流焊接—清洗—檢測—返修

2）雙面組裝；

A：來料檢測—PCB的A面絲印焊膏（點貼片膠）—貼片—烘干（固化）—A面回流焊接—清洗—翻板—PCB的B面絲印焊膏（點貼片膠）—貼片—烘干—回流焊接（最好僅對B面—清洗—檢測—返修）

此工藝適用于在PCB兩面均貼裝有PLCC等較大的SMD時采用。

B：來料檢測—PCB的A面絲印焊膏（點貼片膠）—貼片—烘干（固化）—A面回流焊接—清洗—翻板—PCB的B面點貼片膠—貼片—固化—B面波峰焊—清洗—檢測—返修）

此工藝適用于在PCB的A面回流焊，B面波峰焊。在PCB的B面組裝的SMD中，只有SOT或SOIC（28）引腳以下時，宜采用此工藝。

3）單面混裝工藝

來料檢測—PCB的A面絲印焊膏（點貼片膠）—貼片—烘干（固化）—回流焊接—清洗—插件—波峰焊—清洗—檢測—返修

4）雙面混裝工藝

A：來料檢測—PCB的B面點貼片膠—貼片—固化—翻板—PCB的A面插件—波峰焊—清洗—檢測—返修

先貼后插，適用于SMD元件多于分離元件的情況

B：來料檢測—PCB的A面插件（引腳打彎）—翻板—PCB的B面點貼片膠—貼片—固化—翻板—波峰焊—清洗—檢測—返修

先插后貼，適用于分離元件多于SMD元件的情況

C：來料檢測—PCB的A面絲印焊膏—貼片—烘干—回流焊接—插件，引腳打彎—翻板—PCB的B面點貼片膠—貼片—固化—翻板—波峰焊—清洗—檢測—返修

A面混裝，B面貼裝。

D：來料檢測—PCB的B面點貼片膠—貼片—固化—翻板—PCB的A面絲印焊膏—貼片—A面回流焊接—插件—B面波峰焊—清洗—檢測—返修

A面混裝，B面貼裝。先貼兩面SMD，回流焊接，后插裝，波峰焊

E：來料檢測—PCB的B面絲印焊膏（點貼片膠）—貼片—烘干（固化）—回流焊接—翻板—PCB的A面絲印焊膏—貼片—烘干—回流焊接1（可采用局部焊接）—插件—波峰焊2（如插裝元件少，可使用手工焊接）—清洗—檢測—返修

A面貼裝、B面混裝。

2、集成電路流程

集成電路設(shè)計的流程一般先要進(jìn)行軟硬件劃分，將設(shè)計基本分為兩部分：芯片硬件設(shè)計和軟件協(xié)同設(shè)計。芯片硬件設(shè)計包括：

1）功能設(shè)計階段

設(shè)計人員產(chǎn)品的應(yīng)用場合，設(shè)定一些諸如功能、操作速度、接口規(guī)格、環(huán)境溫度及消耗功率等規(guī)格，以做為將來電路設(shè)計時的依據(jù)。更可進(jìn)一步 規(guī)劃 軟件模塊及硬件模塊該如何劃分，哪些功能該整合于SOC內(nèi)，哪些功能可以設(shè)計在電路板上。

2．設(shè)計描述和行為級驗證

能設(shè)計完成后，可以依據(jù)功能將SOC劃分為若干功能模塊，并決定實現(xiàn)這些功能將要使用的IP核。此階段將接影響了SOC內(nèi)部的架構(gòu)及各模塊間互動的訊號，及未來產(chǎn)品的可靠性。

決定模塊之后，可以用VHDL或Verilog等硬件描述語言實現(xiàn)各模塊的設(shè)計。接著，利用VHDL 或Verilog 的電路仿真器，對設(shè)計進(jìn)行功能驗證（function simulation，或行為驗證behavioral simulation）。

注意，這種功能仿真沒有考慮電路實際的延遲，但無法獲得精確的結(jié)果。

3．邏輯綜合

確定設(shè)計描述正確后，可以使用邏輯綜合工具（synthesizer）進(jìn)行綜合。綜合過程中，需要選擇適當(dāng)?shù)倪壿嬈骷欤╨ogic cell library），作為合成邏輯電路時的參考依據(jù)。硬件語言設(shè)計描述文件的編寫風(fēng)格是決定綜合工具執(zhí)行效率的一個重要因素。事實上，綜合工具支持的HDL語法均是有限的，一些過于抽象的語法只適于做為系統(tǒng)評估時的仿真模型，而不能被綜合工具接受。邏輯綜合得到門級網(wǎng)表。

4．門級驗證（Gate-Level Netlist Verification）

門級功能驗證是寄存器傳輸級驗證。主要的工作是要確認(rèn)經(jīng)綜合后的電路是否符合功能需求，該工作一般利用門電路級驗證工具完成。

注意，此階段仿真需要考慮門電路的延遲。

5．布局和布線

布局指將設(shè)計好的功能模塊合理地安排在芯片上， 規(guī)劃 好它們的位置。布線則指完成各模塊之間互連的連線。

注意，各模塊之間的連線通常比較長，因此，產(chǎn)生的延遲會嚴(yán)重影響SOC的性能，尤其在0.25微米制程以上，這種現(xiàn)象更為顯著。

目前，這一個 行業(yè) 仍然是中國的空缺，開設(shè)集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)專業(yè)的大學(xué)還比較少，其中師資較好的學(xué)校有 上海交通大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，西安電子科技大學(xué)，哈爾濱理工大學(xué),復(fù)旦大學(xué)，華東師范大學(xué)等。

第三節(jié) 國內(nèi)外技術(shù)未來發(fā)展趨勢 分析

正視現(xiàn)狀，展望未來，需要超前預(yù)測電表應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)要求的不斷變化，才能正確把握今后產(chǎn)品技術(shù)的走向。

1、應(yīng)用領(lǐng)域的拓展：近幾年，中國的社會用電量迅速增長，全國聯(lián)網(wǎng)，特高壓電網(wǎng)建設(shè)，百萬千瓦級發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，家居網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程，電網(wǎng)經(jīng)營管理改進(jìn)和計量新技術(shù)應(yīng)用等要素，推進(jìn)電表應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，主要是：

從用電計量計費擴(kuò)大到配電變壓器、變電站的經(jīng)濟(jì)管理和用電需求側(cè)管理的計量。

從用戶計費擴(kuò)大到發(fā)電廠上網(wǎng)電量、跨省電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線交換電量的計費。

從315千伏安及以上的大工業(yè)用戶計費擴(kuò)大到100千伏安及以上的商業(yè)、非工業(yè)、普通工業(yè)戶的計費，以上電表應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，引起計量點總量估計由60萬個擴(kuò)大到400萬個，電表應(yīng)用需求量前景看好。

2、技術(shù)要求的更新：隨著電表應(yīng)用范圍擴(kuò)大，電力系統(tǒng)提出許多具有專業(yè)特點的計量要求

傳統(tǒng)計費電表的通用要求，有功、無功電能計量，最大需量計量，費率時段，單方向、雙方向和不完整的四象限計量，多參數(shù)測量，多種計時要求，多種通信方式，自檢、報警，停電抄表，失壓、斷相、停電、失流、三相不對稱、編程預(yù)置、需量復(fù)位等事件記錄。

新提出的通用要求，運行和備用兩套費率時段，0-360°計量，具有時標(biāo)的視在電能計量，最小需量計量，Qh計量，溫度誤差自動補償，諧波電壓、電流總含量和諧波污染程度測量，防竊電基礎(chǔ)技術(shù)，同時，計費電表要準(zhǔn)確可靠，功能簡單、實用。

關(guān)口表的特殊要求，最高準(zhǔn)確度提高到0.1級，電表穩(wěn)定性和可靠性指標(biāo)要量化，低負(fù)荷計量，需量周期、費率時段的同步和主、副表實時比對，電表遠(yuǎn)程校準(zhǔn)等。

大工業(yè)戶計量的特殊要求，諧波、沖擊負(fù)荷計量，功率越限報警，主變壓器損耗計量，互感器合成誤差補償，電能質(zhì)量計量等。

中等容量戶計量的特殊要求，大電流計量，半波通過電流互感器計量，三相不平衡、不對稱計量。

變電站進(jìn)線、出線計量的特殊要求，主變壓器損耗計量，變電站的有功、無功、視在電能平衡計量，無功功率控制信號輸出，用戶線路的特殊要求，參照大工業(yè)戶計量的特殊要求內(nèi)容。

配電變壓器計量的特殊要求，停電采集，三相不平衡、不對稱測量，中性線電流測量，變壓器油溫測量，變壓器損耗計量和有功、無功、視在電能平衡，電力線路損耗電量的核實等。

用電需求側(cè)管理系統(tǒng)終端的特殊要求，功率越限報警和主動上報，電力負(fù)荷開關(guān)投切信號輸出等。

同時，為整頓與抑制目前出現(xiàn)的對三相多功能表功能要求過多，技術(shù)條件出臺無序的情況，建議電力系統(tǒng)按不同應(yīng)用領(lǐng)域制訂統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范。

注：諧波污染程度，暫定義為：非基波視在功率/基波視在功率

3、產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展趨向

三相多功能表技術(shù)要跟蹤應(yīng)用需求的不斷變化，也就明示了今后產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展趨向：

電表多門類：由單一的計費產(chǎn)品發(fā)展到關(guān)口計量、配電變壓器計量、變電站計量、大工業(yè)戶計量、中等容量戶計量、用電需求側(cè)管理系統(tǒng)及終端6類產(chǎn)品，分別制訂產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范。

關(guān)口電能表，要發(fā)展高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、快速測量、0-360°計量、多通信方式和協(xié)議，經(jīng)國際、國內(nèi)同類電表的比較，提出量化指標(biāo)和測試方法。

計費用三相多功能表要計量準(zhǔn)確、簡單可靠、講求實用，逐步發(fā)展三相SOC單芯片，開發(fā)具有諧波電壓、電流總含量和諧波污染程度的測量技術(shù)， 研究 溫度、電壓、頻率、相位改變的自適應(yīng)計量。

諧波有功、無功、視在功率電能計量實用化產(chǎn)品，改進(jìn)諧波下的功率因數(shù)計算方法，推進(jìn)電能質(zhì)量市場建立與發(fā)展，也為提高冶煉企業(yè)、電氣化鐵路的計量準(zhǔn)確度做準(zhǔn)備。

早期三相多功能表需要更新?lián)Q代，要通過調(diào)查 研究 ，提出新一代電表技術(shù)規(guī)范。

基于GPRS通信網(wǎng)的用電需求側(cè)管理系統(tǒng)及終端，要改進(jìn)實時性和安全性技術(shù)，從長遠(yuǎn)看，即使將來電力不緊張，用于配電變壓器計量與抄表、居民用電遠(yuǎn)程抄表，其發(fā)展前景也很好。

電力網(wǎng)損耗計量與防竊電基礎(chǔ)技術(shù)，包括：電量具有時標(biāo)，電量波動 分析 軟件，電量異常報警與主動上報，變壓器、電力線路損耗計量，電力系統(tǒng)節(jié)點、母線和電力線路的電量平衡計量。

全國聯(lián)網(wǎng)、省網(wǎng)的總電量計量、計算和電能量數(shù)據(jù)組網(wǎng)，要提到議事日程。

加強國內(nèi)電能質(zhì)量和電能計量標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，包括：基波、諧波功率電能計量標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)，進(jìn)口急需而國內(nèi)缺門的國際新型計量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，滿足在線電表新產(chǎn)品計量溯源的要求。最后是 研究 制訂三相多功能表質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)與測試方法，提高在電網(wǎng)上運行電表的整體技術(shù)品質(zhì)。

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