电能表使用的环境(7)

电力系统---电能表使用的环境（7）安装式电能表是永久性地接在电网上的。

对安装式电能表的技术要求，除了电能表的功能外，还和使用的环境密切相关。

要是电能表不能适于它使用的环境，对环境的各种干扰不能抗御，它的计量电能的功能也就无法实现。

我们来看看从发电、输变电到用电户的配电网络。

它如图26所示。

图26 配电网络我们从左边开始向大家介绍：先是电站。

在电站，由煤和核的动力带动燃气轮机，或由水带动水轮机，再由水轮机或燃气轮机带动发电机发电完成了热能或机械能到电能的转换。

发电机发出的电，其电压是不高的，不适于传输。

为了减少传输的损耗，要把电压升高到11万、22万甚至50万伏的电压。

这由变电站（升压）完成。

很高电压的电能通过高压传输线传输到很远城市的变电站。

变电站把11万、22万或50万电压的电能变成6千、1万或3.5万伏的电压输送到各工厂、学校和居民区，在那里的变压器再把这些电压的电能变成如220V或380V适于我们的计算机、电灯、马达等用电器使用。

在城市上空，既有1万伏的输电线（有瓷瓶）又有220V/380V的输电线（一般无瓷瓶）。

整个配电系统的情况大致如此。

发电站的设备有：核反应堆和锅炉、燃气轮机、发电机和升压变压器，当然瓷瓶和电缆是用得很多的。

在上网前发出的电能要用互感器和电能表进行测量。

我国的发电厂目前大多是国有的，但现在已经放开，民资和外资也可建设电厂，但投资较大，一般要几个亿甚至几十、几百个亿才能建设一个电厂。

电力传输线：包括铁塔、电缆、绝缘子和变电站，再到各工厂的变压器组成一个电网，它是国有的，各个国家如此，我国也是如此。

在变电站的输出（6千伏、1万伏或3.5万伏）到各工厂的变压器输入，也要用互感器和电能表测量电能；这些都是用所谓的高压电表进行测量（在我国为57.7V或100V），配用的互感器的一次电压为6000V、10000V、35000V，二次电压为57.7V(四线)或100V（三线）；电流互感器也应是高压的，一次电流视耗电量的大小而定，二次电流一般为5（6）A。

所以电能表的规格为，四线：3x57.7V,3x- /5A；三线：3x100V，3x-/5A；原来所用的电表是1级的感应式电表；现正如果用电量为200万千瓦时/月或500万千瓦时/月在改为0.5S、0.2S级的多功能电能表。

这就是我们通常所称的电网。

变压器输出的是3x220/380V的低压电，供居民等使用。

低压电由普通的1级或2级电能表来测量电能。

整个电网，电表约占总投资的5%。

所以，关于电力产品，我们还大有用武之地。

互感器（测量用的和保护用的）、绝缘子、变压器和电缆，我们公司都有对外业务。

不管是电表业务或电力产品业务，都是电网用的，有些信息是相关的。

我们回到我们的正题。

正如前述，电力的传输采用三线制或四线制。

其连接如图27和图28所示。

图中还画出了电能表输入电路的构造。

图27 三相三线制输配电图28 三相四线制输配电图中，螺旋状的表示变压器的线圈，是供电电源；长方块的是负载。

电路中也画出了电能表的测量元件，三线制采用两元件电能表测量，四线制采用三元件电能表进行测量。

图27中，有一个三角形的接地符号，这不是中线，它代表在电能表中的参考点。

图28中，有一根输电线没有画出，那就是供电端的中性点和负载端的中性点之间的接线省略了。

此线中的电流就是所谓的中线电流。

它也是电能表的参考点。

整个电网应是高可靠性的。

从发电、输变电到用电户，电网的运行情况都受到严密的监视。

如果用电量大大增加，需要新的发电机并网发电或反之；大的用电器的停止工作或起动；部分电网的偶然短路或开路（故障）；等等，电网都得做出适当的反应，使电网平稳地运行。

所以对于电网，还有负控系统、保护系统及为了使电网在高效率下运行的电力自动化系统，都是不可缺少的。

电表也是在这样的系统上工作的，所以它必然会受到左邻右舍的干扰。

这些干扰是：突然的大电流冲击；突然的高电压冲击；电网电压、频率的波动；电网的谐波；电网雷击的影响；另外，各种用电器发出的各种干扰，如高频电磁场等等，曾经发生过在电表旁边使用移动电话致使电表无法工作的例子；电表工作时也不能发生影响其它电器正常工作的干扰信号等等。

这些都是对电表的基本要求，因为电表不满足这些要求，就不能很好地工作，也就不能很好地计量电能。

IEC 关于静止式电表的各项标准都是回绕这些情况提出的。

所以，电力系统，实际上由三个系统组成。

第一个系统是供电，把发出的电力输送给各个用户使用。

这正如人的心脏，由它把血液输送给人体器官的各个部分，供应各种养料。

第二个系统是实现负载控制、进行保护和提高效率的系统。

在这个系统中也要进行各种电参数的测量，不过它是为控制电力系统而设立的，而不是为了计费—涉及贸易的公正、公平、准确原则的。

此系统正在发展，一开始是最起码的保护，例如，哪里一路电网因某种原因短路了，要拉闸，就是把这部分电路切断，保证其它电路正常的运行；或者是用电量太大，要把某些次要的用电户切断保证重要的用电户如医院、机场等的用电要求；到后来就是怎样使电网的生产效率提高，在经济上使电网得到最大的效益，这就是电力自动化，在我国正在发展之中。

第三个系统就是自动抄表的AMR 系统，这是我们要关心的，下面我们就要为大家进行解绍的。

在我们下一讲回到讨论标准以前，我们再向大家介绍一些电工原理方面的基础知识。

我们大家知道，我们使用的电网是交流电网，其意思是它的电压、电流是随时间而变化的。

图29示出了单相电压（电流）随时间变化的波形。

图30是三相电压（电流）的波形。

图29 单相电压、电流的波形图30 三相电压（或电流）的波形对于直流，不管是电压或电流都是恒定不变的，它们的电压值或电流值能够很好地被人了解。

对交流怎么办？一般是这样考虑的：当一个交流加于电热器产生的热效应和施加直流产生的热效应相同时，此交流电压（或电流）就被认为和此直流电压（或电流）相同。

根据此规定，我们来看看交流电压（或电流）的量值。

我们看图29。

电压（或电流）从0开始增大，达到一个最大值。

这个最大值称为峰值，也称幅值。

然后慢慢减小回到0。

回到0后继续减小变负（电压或电流反向）。

这种变负一直到负的最大值（负峰值，正峰值一般和负峰值在数值上相等）。

到达负峰值后，慢慢增加，渐渐回到0，然后又如前述那样往复循环。

从0开始到正峰值，回到0再向负到达负峰值后又回到0所需的时间称为一个“周期”，对于频率为50Hz 的电网，周期为20毫秒。

根据上面关于交流电压（电流）的定义，交流电压（或电流）的值为V P /1.4142式中V P 为峰值电压（电流）。

此值称为交流电压（电流）的“有效值”或“均方根值”，用V RMS 表示。

我们平时所说的电压、电流都是指的有效值。

作为大家思考的一个问题是，功率和电能，例如500千瓦或300千瓦时，它们是有效值吗？请阅读此讲座的同事发邮件给我说明此事。

我们从图29可见，电流的波形和电压的波形是类似的，但电流要比电压慢通过0到达最大峰值。

电压过0点和电流过0点之间的时间Δt 称为电压电流之间的相位差。

相位差往往用角度表示。

对于50Hz 的电网，角度Ф=360°×Δt/20ms我们说电功率为W=U ×ICOS Φ、无功功率var=U ×ISIN Φ、视在功率A P =U ×I,其中的Φ就是这个角，U 、I 都是有效值。

由于电压、电流等量值都和时间有关，所以它们是所谓的“向量”，即有方向的量。

用向量表示一个电压时，向量的长短就是其有效值，它的方向根据参照向量的方向画出其时间（或相位）的关系。

例如，图29中，如果电压如下面图31所示，电流相对于电压滞后一个角度φ，也如图31所示。

图31 用向量表示电压、电流在图31中，我们看到参照的向量是U A ，I A 在时间上比U A 滞后一个角度φ（图中用手写体的φ表示），而U B 比U A 滞后120°，U C 比U B 滞后120°，这就是说一个向量按顺时针方向在时间上延后的是“滞后”。

对于U C ，我们同样可以看成它在时间上要比U A 领先120°，所以也可说成是“超前”U A 120°。

一个电压对称的系统，U A 、U B 、U C 之间的相位角应该严格地为120°，并且U A 、U B 和U C在数值上应相等，即它们的有效值应相等。

图中，我们看到，电流也是用向量表示的，它们对于各自的电压滞后角度φA、φB、φC，所谓“电流平衡”，指的是φA、φB、φC相等，I A、I B、I C也相等。

这些在标准中，在对电表进行试验时都有严格的规定。

下面，我们来向大家介绍电力系统的第三个系统—自动抄表系统。

我为你供电，我向你收费，这是天经地义的。

收多少？这是关键，当然你用电用得多，就应该收得多，反之也是。

这就需要电能表来计量你用电多少。

以前用的机械表，你用的电能显示在机械计度器上，用电量作为一种信息，只能记录，无法传输。

虽然电能量也是用十进制数字显示的，但不是“数字化”的，因为这些数字无法直接送入计算机处理。

记录的千瓦小时只能靠人工抄读，然后手工输入计算机，再计算电费。

但是，对于电子式电能表，所用的千瓦小时，已经数字化，作为信息，它无需人工介入而可以传输而，传输到电能计量中心的计算机，计算电费、开出账单和发票，从而形成了一个集抄表、收费于一起的系统。

这就是这个系统的基本情形。

下面我们来看一个典型的自动抄表(AMR)系统。

图32 一个典型的自动抄表系统这个系统是一个典型的自动抄表系统。

由于图是别的文章中剪贴过来的，所以不十分清楚。

下面我们加以说明.宝塔尖的是电力公司的计量自动化服务器，它通过公共电话网络（广域网）和作为采集器的电表（A3 ALPHA电表）相连接。

采集器电表承担着数量很大的用户电表和计量自动化服务器的连接桥樑。

采集器电表和用户电表直接进行通信，但由于有的用户电表离采集器电表距离很远，直接通信有一定困难，这时有的用户电表也作为桥樑把较边远的电表和采集器电表联系起来。

图中我们看到，用户电表之间是用双向箭头联系的，它表示是“双向”的，即所有的通信都是双向的，实际上就是电表的读数可以上传，计量自动化服务器的命令也可以通过采集器电表（和用户电表）发给各个用户电表。

采集器电表和用户电表之间是通过局域网GSM或CDMA进行无线通信。

这样一个系统，不仅把各个用户电表的电能读数和需量读回来，计算各种电费、开出账单和发票，传输标准时间、发布命令（例如改变费率、夏令时、节假日等等或其它的编程）。

这是一个较为简单的自动抄表系统。

当然，通信方式可以改变，例如，采集器电表和计量自动化服务器之间可以用载波、无线等进行通信；采集器电表和用户电表之间的通信也可利用其它方式进行通信，以便最终达成计量自动化服务器和用户电表之间的通信。