电能表的发展历程回顾及展望

电能表的发展历程回顾及展望

刘畅李冬伟

国网天津市电力公司城东供电分公司天津300171

摘要：本文回顾了电能表发展的历史进程，并分析了建设泛在电力物联网的新形势下，电能表的研究方向和发展趋势。根据不同的原理，电能表的发展经历了电解原理安时计、感应式电能表、电子式电能表、机电一体式电能表、智能电能表几个发展阶段。在建设泛在电力物联网的背景下，智能电能表可以考虑从通讯实时化、采集数据全面化、用电智能化几个角度进行进一步深入研究。

1.引言

电能表发明之初是作为发电、输电、配电和用电各个环节的经济核算和节能管理的重要工具。随着科技的持续进步，以及用电需求的不断改变，电能表的工作原理和结构经历了数次更新换代，性能不断优化。在建设泛在电力物联网的背景下，电能表的应用场景不再只局限于计量和采集，而是更接近于用户侧感知设备。本文回顾了电能表发展的历史进程，并分析了建设泛在物联网的新形势下，电能表的研究方向和发展趋势。

2.电能表发展历史回顾

2.1电能表的出现

从十九世纪法拉第发现电磁感应定律开始，随着电能在生产生活中的应用和技术的发展和成熟。但是不同于阳光、蒸汽、石油、天然气等能源，电看不见摸不着，当时的科学家们利用不同原理，设计出不同工作方式的电能表。由于电能在最早开始投入生产的时候使用的是直流电，因此1880年（或1881年）爱迪生利用电解原理发明了第一台直流电能表（安时计）。爱迪生将电解装置接入电路，通过电解过程中某种化合物的生成量来计算电能转化，在已知电解质种类的情况下，可以计算单位时间内的电荷转化量，进而计算电流量。

2.2感应式电表

随着工业进程不断加快，受技术的限制，直流电已经无法满足市场的要求，交流电登上了历史的舞台。交流电的发现和应用，又向电能表的发展提出了新的要求。1889年，匈牙利岗兹公司一位德国人布勒泰制作成总重量为36.5kg的世界上第一块感应式电能表。感应式电表的工作原理比较简单：当把电能表接入被测电路时，电流线圈和电压线圈中就有交变电流流过，这两个交变电流分别在它们的铁芯中产生交变的磁通；交变磁通穿过铝盘，在铝盘中感应出涡流；涡流又在磁场中受到力的作用，从而使铝盘得到转矩（主动力矩）而转动。负载消耗的功率越大，通过电流线圈的电流越大，铝盘中感应出的涡流也越大，使铝盘转动的力矩就越大。即转矩的大小跟负载消耗的功率成正比。功率越大，转矩也越大，铝盘转动也就越快。铝盘转动时，又受到永久磁铁产生的制动力矩的作用，制动力矩与主动力矩方向相反；制动力矩的大小与铝盘的转速成正比，铝盘转动得越快，制动力矩也越大。当主动力矩与制动力矩达到暂时平衡时，铝盘将匀速转动。负载所消耗的电能与铝盘的转数成正比。铝盘转动时，带动计数器，把所消耗的电能指示出来。

1905年出现了增加非工作磁路改进成九十度的方法，大大提升了电能表各项参数。随后性能较好的高导磁材料的出现，大大地减轻了电能表的重量并缩减了其体积。上世纪三十年代开始，电能表釆用铬钢、铝镍合金代替原来的镍铜，并通过降低电能表转盘的转速来降低其损耗，同时改善了电能表的负荷特性。

感应式电表因结构简单、造价低廉、维修方便、操作安全在电能计量中得到了广泛引用。但是感应式电表也有自身的缺点：消耗人力、准确度低、功能扩展困难、防窃电能力差。

2.3电子式电表

二十世纪六十年代末，日本发明了时分割乘法器并提出了其测功率原理，实现了全电子化测量装置，受到全世界的关注。被测量的电压、电流经电压和电流转换器转换后送至乘法器，乘法器完成电压和电流瞬时值相乘，输出一个与一段时间内的平均功率成正比的直流电压U，然后再利用U与关系，将电压转变为表示频率的信号。经计数显示控制显示在显示器上。电子式电能表的出现很好地解决了感应式电表的一些问题：功能强大、准确度高、防窃电能力强。但是由于全部由电子元件构成，电子式电表最大的缺点就是使用寿命短，除此之外，维修复杂、抗干扰能力弱也是限制其发展的因素。

2.4机电一体式电表

上个世纪末，针对电能表实现多功能、高精度及便于自动抄表、具有先进通讯接口等诸多功能扩展需要，出现机电一体式的特种电表，且功能完善。机电式电表采用感应式电能表作基表，同时应用电子电路来实现新的功能。机电一体式电表，既克服了电子式电能表由于电子元件容易老化寿命短的问题，也克服一般机电式电能表工艺的不足，并可在各种恶劣环境条件下的正常运行。但是既然机电式电表以感应式电表作为基表，就还存在着感应式电表的缺点。

2.5智能电表

随着全球性“智能电网”和国家电网公司“电力用户用电信息采集系统”建设的开始，电能表不再仅作为单一计费仪表而存在，而是正向智能化、系统化、模块化和多元化的系统终端发展，智能电表应运而生。智能电表是一种新型全电子式电能表，具有电能计量、信息存储及处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能，支持双向计量、阶梯电价、分时电价、峰谷电价等实际需要，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。它还能对居民用电负荷情况自动示警，避免超负荷导致的短路及火灾等严重事故。另外，居民可以使用充值卡或网上充值两种方式缴纳电费，方便快捷。随着智能电网建设的不断推进，智能电表已逐渐完全取代感应式电表和机电一体式电表。

3.智能电能表发展趋势展望

伴随着智能电网的建设和发展，作为智能电网的终端，智能电能表得到了大规模推广和应用。2019年1月，国家电网公司正式提出了建设枢纽型、平台型、共享型企业，在坚强智能电网基础上建设泛在电力物联网的发展目标，这意味着智能电能表研究和发展面临着前所未有的机遇和挑战。在建设泛在电力物联网的背景下，智能电能表可以考虑从通讯实时化、采集数据全面化、用电智能化几个角度进行进一步深入研究。

3.1通讯实时化

目前投用的智能电能表设备多采用PLC通讯，电能表每间隔一定时间对用户用电信息进行采样、传输，不能满足物联网条件下实时电价查询、用电负荷实时监测、调整的功能，需要进一步拓展通讯网络数据传输量，实现数据的实时采集、传输。

3.2采集数据全面化

在现有基础上进一步拓展电能表所采集信息的维度，同时通过多维分析工具对用电信息采集的数据进行深入挖掘，通过管理和分析扩大数据的使用范围，终结果是双向互动，即满足了用户的个性化需求，又方便的实现生产（发电厂发电），运输（供电单位供电），销售（电力客户用电）三个环节的协同调度和济运行，进而实现电能资源优化配置，达到节能减排的目的。

3.3用电智能化

对于每一个家庭或用电单元，用户可根据实时电价等用电信息，调用电设备的工作时间，根据电力价格决定是否出售家庭太阳能或风能等微型分布式发出的多余电量；而供电公司可以及时地获取大量用户的用电信息，通过各项用电优惠政策调节用户的用电习惯，有利于电力系统更加平稳、可靠地运行。智能电能表一方面通过包括电力线、无线网络、移动网络在内的通信网络传送信息，在用户和电力公司间建立了一条双向网络；另一方面智能电能表将和智能调温器、智能洗衣机等家庭智能电器相连，实施科学合理的家庭用电计划。智能电能表不再是一个终端产品，它是连接用电用户和配电中心的一个中间环节，将用电信息以及配电信息及时告知给用配电双方，达到资源利用效率的大化