多功能电量表技术工艺发展趋势分析市场研究 - 社会稳定性评价报告_商业计划书_产业发展规划_立项报告扶持资金申请_稳评

多功能电量表技术工艺发展趋势分析

第一节产品技术发展现状

1、引进的三相多功能电能表新技术

引进的三相多功能表新技术，代表目前国际上电能表技术的最高水平：

1）高精度、长寿命计量

准确度为0.1%的有功电能计量，超过IEC在线计量的最高准确度要求，其误差曲线的带宽为+/-0.05%；

0.2S级三相基波表，具有分相的2—50次谐波有功功率计量；

0.2S级长寿命的电网关口表，具有电能质量计量模块。

2）高速率、实时测量

交流采样速率为256点/周波，记录周期最短为10毫秒；

电能质量计量：63次谐波、电压闪变、故障录波78微秒的瞬变，供电可靠性指标的记录为99.9999999%。

3）开放式、高速率通信技术应用

开放式通信协议IEC62056-61/62/53/46/42，抄表、费率、负荷控制数据交换；

互联网通信，自动发送E-mail报警信号、系统运行状态刷新、数据记录，通过以太网连接到某些国际知名的电量计费系统的关口表，Web服务器可直接读取电表各种实际数据、电能质量参数，无需任何专用软件。

4）三相电能计量专用芯片

采用低频滤波法计量谐波无功功率的三相计量芯片，高位∑-△A/D，负荷动态范围1000：1，线性度0.1%，具有温度测量功能，片上接口可直接与微分电流互感器连接；

精度优于0.1%的三相SOC单芯片，21位2阶∑-△A/D，32位可编程的电能量计算引擎，负荷动态范围2000：1，片内集成：高速8051单片机、硬实时钟、LCD驱动电路、看门狗电路、定时器、多种存储器、多种通信接口等。

5）谐波功率电能计量标准

在欧洲：三相0.01级标准表，具有谐波功率计量功能；建立起谐波有功功率、谐波视在功率的计量传递标准；

在美国：电能表自动校准系统，在任意波形谐波总含量30%以下，计量准确度为+/-0.005%—0.05%；高精度三相标准表，在功率因数低于0.5（60°—90°），计量准确度为+/-0.02%/功率因数；电能功率标准源，提供七种非正弦信号的无功功率计算方法。

需要指出：尽管IT产业新技术的应用，推动了进口电能表技术的快速发展，但是现在进口的在线电能表产品技术不规范，0.1级电能表、任意波形功率和电能计量、0—360°计量等关注的问题正在探索，电能表误差稳定性、可靠性指标尚未量化，器件损坏、数据丢失、自检有误的情况时有发生，这些情况说明进口电能表技术走向成熟还有一个很长的过程。

2、国产三相多功能电能表新技术

国产电子式三相多功能表技术开发起步较晚，近几年，注重吸收国际计量技术与管理经验，强化自主开发，取得了许多新的技术成果：

1）三相多功能表

0.2S级有功功率计量，16位∑-△A/D，160MIPS的DSP，交流采样速率256点/周波，运行和备用两套费率时段，负荷曲线记录和容量为4M字节的存储器，宽电源电压范围，互感器合成误差补偿，变压器铜损、铁损计算。

0.5S级三相基波有功表。

采用三相SOC单芯片或三相有功、无功计量芯片的低端三相多功能表设计，从技术上适应电表量大、面广的市场需求。

高压电能表，采用电子式传感器，悬浮式电源设计，有功电能计量准确度为0.5级，用于10千伏中压电网直接计量电能量。

2）谐波功率、电能计量

三相谐波表，有功功率计量0.2S级，无功功率计量0.5S级，高准确度的基波和谐波有功电能计量，采用实时积分法计算总有功电能，通过FFT算法，提供基波、谐波电能量和谐波功率方向；

冲击负荷电能计量理论与算法，应用广义功率理论，定义任意波形的单相电路和三相电路的功率，应用正弦电路功率理论、传统非正弦电路功率理论和广义功率理论进行冲击负荷的有功、无功、视在、畸变、三相不对称功率电能的计算；

基于IIR型Hilbert数字滤波法的谐波无功功率的测量，Hilbert数字滤波器具有优越的频率响应特性，数值计算简单，经计算的谐波无功功率，与仿真实验结果只差0.02%；

谐波有功功率潮流分析方法，经研究指出：FFT理论具有局限性，实际的电力负荷，除基波和整数倍频成份外，尚有间谐波存在，需要开发电能表新的算法。

3）三相电能计量专用芯片

具有基波/谐波电能计量的三相多功能计量芯片，16位∑-△A/D、24位DSP，负荷动态范围1000:1，线性度0.1%，测量带宽21次谐波，集成温度传感器；

采用Hilbert数字滤波器计量谐波无功功率的三相计量芯片；

采用数字并行算法和降低晶振频率技术的低功耗三相有功功率计量芯片。

4）基于GPRS通信网的用电需求侧管理系统及其终端

该系统具有远程抄表、用电异常信息报警、电能质量检测、线损分析、无功电压管理和电力负荷控制管理等功能，系统指标为：并发数据量不小5万采集点，一次采通率不小于95%，二次采通率不小于99.5%，遥测合格率大于98%，对时精度小于100毫秒。

5）关口表远程校准系统

该系统由多路关口表的测量、校准回路和计算机通信网络构成，就是将高精度三相标准表置于变电站内环境条件符合要求的场所，被测电流的变换是通过计量电流互感器的二次回路接入0.02级、5/0.5A的中间互感器，标准表和关口表的三相接线方式和有功、无功计量方式是通过工控机指令切换，关口表的实时误差通过专用信道送至系统主站，整个系统误差为0.1%。

6）电能质量和电能计量标准

准确度为0.02%的数字式三相标准表，四象限测量，多种无功功率计量方式，谐波和基波有功功率计量，50次谐波分析，三相不对称测量；

电力系统的正弦无功功率计量标准，它以电流比较仪技术为基础，通过基本电学参量溯源，正弦无功功率计量的扩展不确定度为75×10-6；

电力系统的电能质量计量标准，包括：谐波电压、电流测量，谐波次数从直流和2—100次整数倍谐波，任意次间谐波，谐波电压扩展不确定度为0.02%，谐波电流扩展不确定度为0.04%；闪变，常用的指标是短时间闪变Pst（10min）和长时间闪变Plt（2h），该标准装置的扩展不确定度为0.5%；频率：1Hz-21MHz，该装置扩展不确定度为2×10-10；相位，该标准装置扩展不确定度为0.02°；

产品技术规范，鉴于国际上尚未有三相多功能表的统一标准，中国电工仪器仪表标准化技术委员会组织起草国家标准《多功能电能表特殊要求》，现正进入审定阶段。制定该标准的目的，是为制造商和使用电能的用户提供一个产品技术规范，并使其体现产品订货技术规范的大部分内容，多功能表的通用要求，将参照中国相关国家标准的的内容。

综上所述，经过十几年的发展，中国的三相多功能表门类比较齐全，中、低端电表技术开发水平较高，特别是冲击负荷电能计量理论与算法、谐波无功功率计量、具有谐波功率计量的三相专用芯片、高压电能表、GPRS通信技术应用、电能远程校准等技术项目具有创新意义。但是也应该看到，高端电表技术没有完全过关，电网关口计量仍以进口电表为主导产品，这是一个值得深思的问题。

第二节产品工艺特点或流程

电子式三相三线多功能电能表采用专用大规模集成电路和和SMT生产工艺。

1、SMT生产工艺

1）单面组装：

来料检测—丝印焊膏（点贴片胶）—贴片—烘干（固化）—回流焊接—清洗—检测—返修

2）双面组装；

A：来料检测—PCB的A面丝印焊膏（点贴片胶）—贴片—烘干（固化）—A面回流焊接—清洗—翻板—PCB的B面丝印焊膏（点贴片胶）—贴片—烘干—回流焊接（最好仅对B面—清洗—检测—返修）

此工艺适用于在PCB两面均贴装有PLCC等较大的SMD时采用。

B：来料检测—PCB的A面丝印焊膏（点贴片胶）—贴片—烘干（固化）—A面回流焊接—清洗—翻板—PCB的B面点贴片胶—贴片—固化—B面波峰焊—清洗—检测—返修）

此工艺适用于在PCB的A面回流焊，B面波峰焊。在PCB的B面组装的SMD中，只有SOT或SOIC（28）引脚以下时，宜采用此工艺。

3）单面混装工艺

来料检测—PCB的A面丝印焊膏（点贴片胶）—贴片—烘干（固化）—回流焊接—清洗—插件—波峰焊—清洗—检测—返修

4）双面混装工艺

A：来料检测—PCB的B面点贴片胶—贴片—固化—翻板—PCB的A面插件—波峰焊—清洗—检测—返修

先贴后插，适用于SMD元件多于分离元件的情况

B：来料检测—PCB的A面插件（引脚打弯）—翻板—PCB的B面点贴片胶—贴片—固化—翻板—波峰焊—清洗—检测—返修

先插后贴，适用于分离元件多于SMD元件的情况

C：来料检测—PCB的A面丝印焊膏—贴片—烘干—回流焊接—插件，引脚打弯—翻板—PCB的B面点贴片胶—贴片—固化—翻板—波峰焊—清洗—检测—返修

A面混装，B面贴装。

D：来料检测—PCB的B面点贴片胶—贴片—固化—翻板—PCB的A面丝印焊膏—贴片—A面回流焊接—插件—B面波峰焊—清洗—检测—返修

A面混装，B面贴装。先贴两面SMD，回流焊接，后插装，波峰焊

E：来料检测—PCB的B面丝印焊膏（点贴片胶）—贴片—烘干（固化）—回流焊接—翻板—PCB的A面丝印焊膏—贴片—烘干—回流焊接1（可采用局部焊接）—插件—波峰焊2（如插装元件少，可使用手工焊接）—清洗—检测—返修

A面贴装、B面混装。

2、集成电路流程

集成电路设计的流程一般先要进行软硬件划分，将设计基本分为两部分：芯片硬件设计和软件协同设计。芯片硬件设计包括：

1）功能设计阶段

设计人员产品的应用场合，设定一些诸如功能、操作速度、接口规格、环境温度及消耗功率等规格，以做为将来电路设计时的依据。更可进一步规划软件模块及硬件模块该如何划分，哪些功能该整合于SOC内，哪些功能可以设计在电路板上。

2．设计描述和行为级验证

能设计完成后，可以依据功能将SOC划分为若干功能模块，并决定实现这些功能将要使用的IP核。此阶段将接影响了SOC内部的架构及各模块间互动的讯号，及未来产品的可靠性。

决定模块之后，可以用VHDL或Verilog等硬件描述语言实现各模块的设计。接着，利用VHDL 或Verilog 的电路仿真器，对设计进行功能验证（function simulation，或行为验证behavioral simulation）。

注意，这种功能仿真没有考虑电路实际的延迟，但无法获得精确的结果。

3．逻辑综合

确定设计描述正确后，可以使用逻辑综合工具（synthesizer）进行综合。综合过程中，需要选择适当的逻辑器件库（logic cell library），作为合成逻辑电路时的参考依据。硬件语言设计描述文件的编写风格是决定综合工具执行效率的一个重要因素。事实上，综合工具支持的HDL语法均是有限的，一些过于抽象的语法只适于做为系统评估时的仿真模型，而不能被综合工具接受。逻辑综合得到门级网表。

4．门级验证（Gate-Level Netlist Verification）

门级功能验证是寄存器传输级验证。主要的工作是要确认经综合后的电路是否符合功能需求，该工作一般利用门电路级验证工具完成。

注意，此阶段仿真需要考虑门电路的延迟。

5．布局和布线

布局指将设计好的功能模块合理地安排在芯片上，规划好它们的位置。布线则指完成各模块之间互连的连线。

注意，各模块之间的连线通常比较长，因此，产生的延迟会严重影响SOC的性能，尤其在0.25微米制程以上，这种现象更为显著。

目前，这一个行业仍然是中国的空缺，开设集成电路设计与集成系统专业的大学还比较少，其中师资较好的学校有上海交通大学，哈尔滨工业大学，西安电子科技大学，哈尔滨理工大学,复旦大学，华东师范大学等。

第三节国内外技术未来发展趋势分析

正视现状，展望未来，需要超前预测电表应用领域和技术要求的不断变化，才能正确把握今后产品技术的走向。

1、应用领域的拓展：近几年，中国的社会用电量迅速增长，全国联网，特高压电网建设，百万千瓦级发电机并网，家居网络化进程，电网经营管理改进和计量新技术应用等要素，推进电表应用领域的扩展，主要是：

从用电计量计费扩大到配电变压器、变电站的经济管理和用电需求侧管理的计量。

从用户计费扩大到发电厂上网电量、跨省电网联络线交换电量的计费。