电表数据（精选11篇）
电表数据 篇1
0引言
近几年来,由于通信技术和信息技术的长足进步, 以及政府对环境保护方面条例的推行,高级量测体系 (AMI)因其在系统运行、资产管理,特别是通过负荷响应实现节能减排方面的显著效果而得到了广泛的应用[1]。大量智能电表的部署和应用,使得电力公司能获取高频率、广覆盖且时标一致的配电网末端的实测数据。同以往配电网量测具有的稀疏特点相比,高级量测体系除了能向电力公司提供用户结费所需的电能消费数据外,还能实时或准实时地获取各测量点的功率、电压、 电流及功率因数等重要运行参数[2]。通过近几年来智能电表的大规模安装和推广,目前各省电力公司的数据中心都累积了海量智能电表量测数据,如何运用这一宝贵的基础性数据资源,挖掘其潜在价值,为配电网的网络优化、优质运行及资产管理等业务提供有力支撑,是学术界和产业界共同关注的焦点,目前在美国、加拿大、 法国等国家对智能电表数据分析的相关研究和实践工作正如火如荼地开展。本文将在分析我国智能电表数据应用现状的基础上,深入探讨国内外行业内常用的智能电表数据分析方法及典型应用场景,并给出基于智能电表数据对配电网拓扑进行校验的分析实例。
1我国智能电表数据应用现状
由于高级量测体系能为实施各方带来显著效益, 2009年以来,国家电网公司全面推动了智能电表的安装和应用,截至2014年7月,已累计安装智能电表2.2亿只,用电信息采集系统覆盖2.3亿户[3]。南方电网公司也在加快计量自动化系统的建设,截至2014年8月, 南方电网公司下属的广东电网公司、深圳电网公司和广西电网公司已建成省级计量自动化系统,广西电网公司已实现厂站、专用变压器、配电变压器3类终端全覆盖, 低压集抄客户覆盖率44.1%[4],智能电表在我国得到空前的发展和应用。
从目前情况来看,我国的智能电表量测数据及采集系统呈现出规模大、采集频率高、数据存储时间长、数据多样化及测量点分布密集5个主要特征。1系统规模大:当前我国的采集系统一般以省为中心进行集中式部署。以浙江省电力公司为例,已在省公司数据中心建设覆盖全省十几个地市的超大规模采集系统,预计2016年将超过2000万用户[5]。一个以省为中心部署的采集系统,将包含数百万采集终端及几千万只智能电表, 其系统规模无疑是巨大的。2采集频率高:与传统抄表系统相比,智能电表数据采集间隔一般为15min,对于重点用户,采集频率可能还要更高,当前智能电表“生产数据”的速度比传统电表高出十倍甚至是百倍。3数据存储时间长:从数据分析的视角来说,原始累积数据越丰富、数据的时间尺度越长,对分析结果越有利;目前基于各种因素的综合考量,历史数据一般需要保存7 ~ 10年。对于如此长时间尺度的海量数据,如何管理、 分类、归档及保证其检索的性能,都是非常困难的事情。 4数据种类多样化:当前智能电表要求采集的数据类型是非常繁多的,其中包含电量类数据:总电能示值、各费率电能示值、最大需量等;负荷类数据:电压、电流、 有功功率、无功功率、功率因数等;事件类数据:终端和电表的各种事件和报警;工况数据:采集终端及计量设备的工况信息;电能质量类数据:功率、电压、谐波等;另外还有费控信息等其他数据。5测量点分布密集:无论是国家电网公司还是南方电网公司都对测量点提出了全覆盖要求,即测量点需覆盖变电站馈线出口、 专用变压器、公用变压器和低压用户,业务范围从原来单一的居民集抄扩大到厂站计量、大用户负荷管理及变压器监测等。
为充分挖掘智能电表数据的潜在价值,国家电网公司启动了一批基于智能电表数据应用的研究项目。例如基于营配数据融合的配电网资源优化及服务关键技术研究项目,就是充分应用智能电表量测数据,对用户用电消费行为、配电网规划设计模式、短期负荷预测等方面开展研究。另外为了消除配电和用电营销业务之间的数据孤岛,国家电网公司正在实施营配调数据贯通工作, 为智能电表数据的分析准备基础条件。目前中国电力科学研究院正在开展电力大数据相关研究,开发电力大数据平台,开展面向大数据的能效分析等关键技术研究, 可以预见智能电表数据的深层价值将在未来几年有所体现。不过目前我国对智能电表数据的分析和应用也存在数据碎片化、缺乏系统性,以及超大规模数据集计算效率不高等问题。
2智能电表数据分析方法
智能电表数据分析是指运用统计分析方法对收集来的大量原始智能电表量测数据进行处理、建模和计算, 提取有用信息并形成结论,挖掘其内在关联和深层价值,为电力公司的商业运营、电网规划和运行维护等提供决策支持,使其更具有洞察力的过程与科学。与智能电表数据相关的数学统计分析方法可以归结为以下主要4类:相关(correlation)分析、聚类(cluster)分析、 异常(exception)分析以及趋势分析[6]。
1)相关分析。相关分析是研究现象之间是否存在某种关联关系的一种统计方法。相关分析分为线性相关分析和偏相关分析等,在智能电表数据分析中,线性相关分析最为常用,它研究两个变量间线性关系的程度, 用相关系数R来描述。可以利用负荷与温度的相关关系, 结合天气情况来预测负荷高峰。也可以利用连接在同一配电变压器二次侧的智能电表电压测量值来对某一组电表的相关性进行分析。
2)聚类分析。聚类分析就是以一定的标准来汇集某一类数据。例如,连接同一个变压器的电表可以通过聚类分析来确定变压器的负荷。虚拟电表是人为定义的聚类,能够聚类具有同一属性的电表的数据,一种典型的虚拟电表是聚类具有线性关系的电表来进行区域规划和分析(如某一馈线或变压器的负荷)。
3)异常分析。异常分析是指对偏离一般规律的异常事件或现象进行原因追溯的分析方法。异常分析在设备故障和用电异常(如窃电)诊断等方面能发挥重大作用。如统计变压器故障前的一系列历史异常数据,对其进行抽样和建模,就可以预测变压器的故障,从而及时检修或更换。
4)趋势分析。趋势分析是将两期或多期连续的同一指标进行对比,得出它们的增减变动方向、数额和幅度,以揭示事物变化趋势和变化规律的一种分析方法。 趋势分析是智能电表数据分析的常用方法,最简单直接的分析就是利用多条趋势曲线同时展示某一用户用电量的同比或环比数据。设备故障前的趋势模型也能够用于辨别零件的毁坏或操作故障。
智能电表数据是配电系统某一时刻运行状态的真实反映,它必然满足或是符合电气工程基本原理和内在规律,如从电源向负荷方向,配电馈线的电压分布呈下降趋势;同一电源点下的各测量点的电压值相近且波动率相似;某一区域供入供出的电量必然守恒等等。基于电气工程的基本原理,采用智能电表量测数据为主要输入, 结合上述数学统计分析方法,以信息技术为实现手段, 求解某一配电系统特定问题的过程,称为智能电表数据分析法或数据分析元(smart meter data analytics),它是基于多学科的综合分析方法,为我们系统地求解某一问题提供理论指导,目前已成为电力公司数据分析的热点。美国电力科学研究院的T.A.Short,基于同一配电变压器二次侧的用户智能电表电压测量值具有强烈相关性的电气原理,采用线性回归的数学方法,以智能电表的电压值和电量值作为样本数据,实现了对变压器相位的识别,以及变压器与智能电表的电气连接关系和阻抗模型的自动创建[7]。加拿大BC Hydro公司通过类似的原理,利用相关分析,对配电网GIS的拓扑正确性进行校验。该方法的优势是不需要现场人工排查或是额外安装测量装置,只需利用电表数据进行分析就能得出准确的结论。从以上研究成果看出,智能电表数据分析元在实际的工程应用中已经取得了非常明显的效果。
在智能电表数据分析的实际应用中,我们通常需要从超大规模的数据集中提取、处理和运算数据,因此大数据处理是智能电表数据分析过程中需要解决的重大问题。以加拿大BC Hydro公司为例,一个普通居民用户的智能电表,每天会产生3KB以上的数据,每月是100KB左右。当安装智能电表数目达到160万时,计量数据库里每天增加11GB的数据[8]。我国由于人口众多、 地域辽阔,主要省份的电力用户数量都在千万以上,其数据规模可以想象将会更加巨大。
在此情景下,显然单机或通常意义上集群系统已无法在指定的时间内完成在对智能电表数据的运算, 应用并行 计算模式 已成为必 然。 并行计算(parallel computing)是指同时使用多个计算资源解决计算问题的过程,它的基本思想是用多个处理器来协同求解同一问题,即将被求解的问题分解成若干个部分,各部分均由一个独立的处理机来并行计算。并行计算系统既可以是专门设计的、含有多个处理器的超级计算机,也可以是以某种方式互联的若干台独立计算机构成的集群[9]。 目前开源的并行计算机集群系统主要有Hadoop、Spark等,这些系统已经被广泛使用在互联网和电信等领域, 相信在智能电表数据分析方面也会得到良好应用。
3智能电表数据分析主要应用场景
3.1客户行为分析
负荷曲线是客户消费行为的直观显示,智能电表数据能详细的记录客户消费细节,如间隔为15min的电量、 功率、电压等参数。由于具有相似消费习惯的客户具有相似的负荷分布形状,因此可以根据其负荷分布的相似度来对客户加以分类,从而更加方便企业对客户的分类和精细化管理,并针对某类用户制定更加有针对性的运营策略。
把用户实际的负荷曲线叠加到电网峰谷时段上,可以展现出用户更多的用电细节,计算其峰值时段的电能费用,估算用户错峰的潜力。因此利用智能电表数据对客户行为进行分析,能更有效地促进需求侧管理,合理抑制负荷峰值,提高电网资产的利用率。
3.2资产管理
利用智能电表数据来辅助配电网资产管理是智能电表数据应用的一个重要方向。通过对电表数据的分析, 可以监测设备的运行状态,提前识别设备故障,从而合理优化资产的维护和更换计划。美国的弗罗里达电力电灯公司(Florida Power & Light,FPL)利用智能电表量测数据,对故障配电变压器的二次侧电压数据进行回溯分析,结果发现故障变压器的二次侧电压在故障发生前2 ~ 3个月的时间内存在明显的偏高现象。通过对变压器故障机理深入分析得出,这类故障是由于高压侧绕组损坏,变压器变比发生变化而导致[10]。利用这一规律, FPL实施了全系统变压器的故障预警监测,主动更换将要故障的变压器,实现防患于未然。在AMI项目启动的第1个月(2012年11月),就发现了372台符合此条件的变压器(FPL变压器总数在879 000台左右)。 在2014年1 ~ 6月也已更换452台配电变压器(以电压高于252 V为判据,240 V为额定电压),它们大都是服务年限高于15年的老变压器。通过对智能电表数据的应用,FPL在系统运营方面得到了显著的收益,包括变被动故障为主动的计划停运维护,变压器更新开支平均节省25%,缩短了用户停电时间(比故障停运情形减少93 min)[11,12]。
从以上案例可以看出,智能电表数据能很好地帮助电力公司提高其资产的管理和运维水平,减少非必要的事故停电,提高用户满意度。
3.3故障定位与响应
通常电力公司一般依据客户电话来确定电网故障的位置,在派遣工作人员去现场处理之前,需要几个或是更多的故障电话来大致确认故障范围和影响区域,然而这样就会大大增加故障的处理时间。派遣现场工作人员处理故障前,利用电表数据和线路故障指示器联合判断故障地点,将极大地减少故障影响时间。
许多智能电表都是内置电容供电的智能传感器, 在线路停电后仍然能够上报“失电”故障信息(last gasp)至故障管理系统。从各智能电表接收到的故障信息能够清楚地判断故障范围,如果把智能电表和地理信息系统结合在一起,通过故障点的分布和拓扑关系可进一步显示各故障点的相关性。另外派遣现场作业人员处理故障前,调度中心的操作人员能够下发指令到相关的电表判断是否断电,这能够极大地减少故障误报。智能电表在恢复供电后也会上报“上电”信息(first breath)。智能电表和操作人员之间的这种互动过程能帮助确认故障修复并检测是否有多重电网故障同时存在。
3.4网损分析
目前配电网网损计算中存在的最突出问题就是供售电数据不同期,产生此问题的根本原因是不同电压等级的售电量抄表日期不一致,且与供电量的结算日期不同。而智能电表的大量应用,使电力公司可获得变压器、馈线和大量用户的同期(准同期)数据,依据这些数据可得到同期线损,较过去通过手工抄表数据所计算的结果要精确很多。
除了网损的同期问题外,网损计算的周期也是值得关注的问题。传统网损分析一般每月进行一次,属于事后折算定性分析,存在明显的滞后性和盲目性,往往不能正确评价损耗率是否合理,也不能及时做出补救措施。 电力是一种特殊的商品,每时每刻都随着工农业生产、 居民生活、天气等发生变化,线损率也随之变化。怎样来实时地跟踪这些变化,或者将发生变化的监测时间压缩到最小是亟待解决的问题[13]。智能电表采集间隔一般为15min,可以把原来一个月进行一次的网损分析缩短至15分钟级,甚至可以对重点关注的某个或一组用户,设置到5min或更小的间隔,这样可以为网损分析提供实时(或准实时)的测量数据,对电网运行过程中的用电异常、窃电行为提供及时主动预警。
3.5配电网状态估计
传统意义上,电力公司通过位于变电站内或配电线路沿线的SCADA设备来监测配电系统,例如线路重合闸设备、电压调节器和电容控制器等。SCADA测量能够提供电流、电压等信息,再结合配电管理系统DMS中的先进软件应用,可以有效地提升对配电线路分析、检测的清晰度和性能,对配电线路所有测量点实时电气信息做出状态估计,但是SCADA无法显示配电线路以外的电气信息。
智能电表数据可以补偿SCADA实时数据的不足, 其提供的小时冻结数据甚至是分钟冻结数据显著提升了状态估计精度。把智能电表系统收集的历史数据与天气信息和GIS模型结合起来,构建精度更高的用户模型。 用户数据实现近实时收集,随时掌握用户点的精确功率流,为配电网状态做出更精确的估计。
3.6电压和无功优化
集成的电压 / 无功优化(volt/var optimization,VVO) 与传统未经协调的局部控制方法不同,VVO使用全网实时信息和在线模型对配电网络进行全面评估,提供全网优化和协调控制策略,使各项调节控制措施产生的结果能与最佳控制目标一致。 当前应用的VVO系统采用准实时的配电网潮流模型,潮流模型建立在实时网络拓扑模型、节点负荷模型和二次回路等效模型之上。负荷模型的调整依靠变电站自动化和馈线自动化SCADA系统的测量来实现,并采用下游配电线路的状态估计电压作为配电网潮流模型的参考电压。因此客户端电压的精度取决于参考电压的精度与配电线路、配电变压器和二次回路等效模型的压降。这些模型的误差都给电压无功优化带来许多不确定性,降低了VVO的性能。利用覆盖全网的智能电表(包含馈线、配电变压器和居民电表) 和通信网络,智能电表的量测数据作为SCADA系统的冗余,能够通过减少无功优化中的不确定性,提升电压无功优化性能。
VVO的另一个目的是在不违反电力服务标准的情况下,使得任意用户点的配电电压尽可能低。大多数VVO方案依靠状态估计所得到的低电压限制和模型结果往往精度不够,VVO应用倾向于采用保守方案来保持电压不违反低电压门限。智能电表的历史数据和实时数据能显著提升模型的精度,并保证无功控制行为不违反运行限制。另外在系统中的薄弱点,通过对智能电表进行特定的设置,使其能为VVO返回近实时测量数据, 为其优化过程提供帮助。
综上所述,智能电表数据大量应用于配电网的规划设计、运行维护及客户服务等各个方面,除了上面列举的方向外,智能电表数据还可以广泛应用于负荷预测、 可靠性评估、相位识别、三相不平衡分析等方面。
4基于智能电表数据的配电网拓扑校验应用实例
本应用实例将介绍如何采用智能电表数据分析方法,对配电网地理信息系统(GIS)中设备的电气连接关系进行正确性校验。电力公司通常使用GIS系统来描述和管理配电系统中各种电力设备以及它们的电气连接关系,在已有的配电网GIS系统数据中,存在着大量的错误或者误差,例如:
1)实际电气拓扑关系与GIS系统数据不相符, 如电力用户与台式变压器的连接线路不相符、台式变压器与馈线的连接线路不相符等;
2)设备资产的地理位置错误、参数不一致等。
这些错误和误差对配电系统的资产管理、系统运维、供电中断响应以及维修人员的人身安全都有不良影响。目前,为了校验和修正这些错误或者误差,电力公司的通常做法是:当实际拓扑关系发生变更时,利用人工记录这些变更并更新GIS中的相关数据,或者专门组织人力进行实地巡测来修正这些错误。这些方法均需要耗费大量的时间、人力和物质资源,而且准确性不够,同时对于采用地下电缆铺设的台区、偏远台区等不具备良好的可操作性。
加拿大BC Hydro公司基于智能电表数据分析方法,为解决上述问题提供了新的思路,其主要分析过程如下:
(1)按一般的电气工程原理,配电网的电压分布具有以下特性:
1)因为与不同馈线相连的负荷的分布是不同的,所以其电压分布是不同的;
2)电压值的大小在同一馈线上从上游至下游呈递减趋势;
3)负荷在系统中是变化和相互影响的,如果两个负荷的电气距离越近,它们的电压曲线就越相似,相关度就越高,反之亦然。
(2)从GIS系统中选取某一配电变压器,例如此台区下共有13个电力用户的智能电表,利用这些智能电表的小时电压分布序列(一周的时间),按照样本数据相关性分析算法,对其进行相关系数计算(见图1),可得出一周内所有电表小时电压曲线之间的相关系数矩阵。可以看出,除了电表11和电表13,其他所有该变压器下的智能电表小时电压之间的相关系数都大于0.97,这样高的相关性可以表明这些电表确实都是接在该变压器下。 然而,电表11和13与其他电表之间的相关系数在比较低的0.67 ~ 0.78区间(在图1中以灰色底色示出),这表明这两个电表在实际的拓扑结构中可能是连接在其他变压器下的。 再把这两个检出的电表与其他相邻的台区内电表进行电压特性相关分析和量值比较,可以推断出其正确的接线位置。
BC Hydro公司基于智能电表数据对配电网拓扑进行正确性校验,是电气工程原理与其他分析方法相结合,用于解决电力系统实际生产运行问题的典型案例,具有很好的参考和借鉴意义,详细内容参见文献 [14-15]。
5结语
智能电表数据是配电系统运行的基础性数据,它为电力公司提供了规模巨大、时标一致、量测频率更高、覆盖范围更广的可信数据源。聚类、相关分析等统计学方法,以及信息技术都是进行智能电表数据分析的常用手段。当然综合应用电气工程、统计学和大数据等相关学科,寻找智能电表数据与电网运行的内在关联,系统地求解某一配电系统的实际问题,已成为智能电表数据分析的重要方法。挖掘智能电表数据蕴含的深层价值,将作为未来电网的一个基本功能,广泛服务于运营决策、配电网规划、运行管理及客户服务等各个方面,为配电系统迈向智能化提供更加有力的支撑。
电表数据 篇2
二、 质量要求技术标准，供方对质量负责的条件和期限：按需方提供的设计图纸、订货要求及国家行业标准生产、并经政府有关职权部门认可，供方提供终身服务。
三、 包装、交(提)货地点，运输方式及到站港和费用负担：供方负责送货到需方工地( )。
四、 验收标准、方法：按图纸及国家有关行业标准、政府有关职权部门相关要求验收。
五、 产品质量：产品质量实行三包壹年，自需方安装完毕并经供电部门验收合格之日起计。供方在接到需方提出质量问题的通知之日起三个工作日内负责包修、包换或者包退，并承担维修、调换或退货而支付的实际费用。供方不能维修或者不能调换的，按不能交货处理。(电度表由需方提供给供方，供方负责安装，表的质量问题由需方负责——电表箱购买用)。
1
六、 结算方式及期限：合同签订后，需方预付20%货款，预付款到供方帐户后十五个工作日内供货，在双方交接货物验收完毕后并由供方出具催款通知单起7个工作日内支付货款60%，余款在安装完毕，经有关政府职权部门验收合格，扣除总货款1%的保修金后10个工作日内支付，付款时供方开具足额发票给需方(含保修金)，保修金在保修期满后七个工作日内退还给供方。
七、 违约责任：
1、供方不能交货的，合同解除，供方除退还需方预付的20%货款外，还应按总货款的5%向需方支付违约金;
2、供方迟延交货的，每迟延一天，按总货款的2%支付违约金给需方; 3、如因供方原因不能通过供电部门的验收，供方须对不合格部分进行整改、调换或退货，并按迟延交货承担责任，如造成需方损失的，还应承担赔偿责任;
4、需方逾期付款的，每逾期一天，按所欠货款的2‰支付违约金给供方;
5、合同履行期间，任何一方无故毁约的，均须赔偿对方损失。 八、 解决合同纠纷的方式：协商。
九、 本合同一式肆份，供需双方各执贰份，自双方签字盖章之日起
生效。
供方：需方：
地址：地址：
委托代理人：委托代理人：
电话：电话：
日期：日期：
智能电表到底准不准? 篇3
北京电力公司负责人：针对这些疑问，上海市质监局曾做过调查，结果显示，申请鉴定的750只“可疑”电表中，合格率为 97.3%，其中近期所换的170只新表，抽检结果全部合格。而在发现的6只不合格电表中，2只因电池电量不足，1只因通讯故障，1只因脉冲灯长亮，还有2只计量性能有偏差。
??电费增加的原因之一，有可能是智能电表与老电表相比，新电表的灵敏度更高了，能检测到老电表无法检测到的电流。比如，一些用户习惯充电后不拔下充电器，或者关电视时用休眠的功能。在这些情况下，老电表可能无法检测出电流量，而智能电表却能检测出来。
??此外，居民感觉电费大幅增加，大多是在去年冬季。而去年全国气温较同期偏低，因此居民家中取暖设备尤其是空调的用电量激增，这可能也是电费大幅增加的一个原因。
张秀彬：除去本身存在问题的智能电表，其他电表可以放心使用。智能电表是一项成熟的技术，新表固然比老的机械电表灵敏，但是在计数的方面，没有根本变化。电力部门并没有让电表走快的手段，电表一直处于封闭、带电工作状态，让它快走是很难的。
??另外，电力公司不可能通过调高电压来增加电费收入。因为用户的电压大小，是由配电站内变压器的变电出线决定的。虽然在用电高峰、低谷之间，用电负荷的落差会很大，但电压差别不明显。所以电压的高低，不会对用电计数产生很大影响。
??当然，百姓的感受也要重视。新电表刚刚应用，存在一个“磨合期”，目前的硬件检查虽然显示没有问题，但是现在普遍使用电脑管理，软件的匹配也是需要考虑的因素。因此，在电表新旧交替的时期，百姓是直接使用者，他们提出的问题，相关部门应认真地对待，在经过缜密调查后，还人们一个踏实用电的信心。 □张秀彬（上海交通大学电子信息与电气工程学院教授）
智能电表数据分析及应用综述研究 篇4
21世纪以来,随着经济全球化和科技的快速发展,不可再生能源日益消耗以及生态环境污染加剧等问题,严重困扰了人类社会发展。能源是人类赖以生存的物质基础,也是国民经济发展的重要支撑。解决能源问题的根本途径在于提高能源利用效率,大力开发利用清洁能源和新能源。电能作为一种易于传输的高效、清洁二次能源,在人类使用的能源结构中占据非常大的比重。电能是经过化石燃料发电转化而来的,通过配电网络传输给用户使用。为了满足经济社会发展的电力需求,适应电力发展以及电力需求的多样性,构建安全可靠、清洁环保、经济高效、友好互动的智能电网已成为当前国家战略发展的重中之重。
智能电表作为智能电网中的一个重要基本组成部分,具有原始用电数据采集、用电信息存储、双向多费率计量、用户端控制以及双向通信等功能,是实现用用电电信信息息集集成成分分析析与与优优化化的的重重要要基基础础。。智智能能电电表表的的部署,供电公司每隔15分钟就能自动读取一次用电数据。由于高频率快速采集用电数据,产生海量的用电信息,就构成了电力行业中的大数据。通过对这些海量的智能电表数据进行分析挖掘,为用电客户、供电企业和社会环境提供更好的创新服务,这就是智能电表数据分析的价值所在。本文综合大量智能电表相关的文献,对智能电表数据分析方法、相关分析应用以及产生的收益进行深入地总结研究。
1 电表大数据分析带来的收益
( 1) 用电客户受益
智能电表能为用户提供全方位的信息交换功能,实时传送用电信息和当前电价,科学合理安排用电计划,促进用户及时调整用电模式,避免集中用电带来电网难以负荷的用电高峰,节能减排,优化人们生活。可让企业用户合理安排生产经营活动,改变用电时间,降低生产成本。其中,图1表示智能电表在现代智能家居当中的应用情况。
( 2) 电力公司受益
通过对用电数据分析,准确获取用户的用电行为,对用户进行细分,建立缴费风险评估,针对不同用电模式下的用户,提供不同的用电服务; 在用电峰谷时段制定不同电价,利用价格杠杆来平抑用电峰谷的波动幅度,实现削峰平谷,优化电力生产分配,节约能源; 快速检测电网的异常故障,包括大灾难预警与处理、停电管理、窃电检测等安全检测控制。
( 3) 政府部门受益
通过电能消耗数据,可以从总体判断住房空置率,为房地产行业调控提供决策支持; 判断一个地区经济活跃程度或居民富裕程度,便于国家宏观政策的制定。
( 4) 社会环境受益
通过用电行为分析,合理的安排用电,更好地提高高能能源源的的利利用用效效率率,,节节能能减减排排的的同同时时,,也也大大力力发发展展风风能、太阳能等清洁能源和可再生能源,减少了不可再生能源的消耗。
2 智能电表数据分析的相关应用
2. 1 电力负荷预测
电力负荷预测是电力系统规划运行的重要组成部分,从根本上保证了电力系统的可靠运行。预测结果决定了一个地区未来一段时间电力的需求量及其电网的供电容量。根据预测周期不同,分长期预测、中期预测、短期预测、超短期预测,相对应的是年度预测、月度预测、日预测和小时预测。
负荷预测方法可以大体分为三类: 传统预测、改进传统预测以及软件算方法[1]。传统预测包括: 回归分析法、指数平滑法、加权迭代最小二乘法。改进传统预测有: 自适应预测、随机时间序列和支持向量机等。软件算方法包括: 遗传算法、模糊逻辑、神经网络和专家系统等。表1给出了不同周期预测的对比情况。文献[2]使用人工神经网络结合天气数据和智能电表的历史数据进行日前负荷预测。针对传统负荷预测模型的缺陷,文献[3]提出了一种基于气象因素修正的灰色短期负荷预测方法,识别历史日温度序列中的异常并进行修正,提高了预测的精准度。黎祚等人[4]应用权重标度法的思维,对电力负荷进行中长期预测。文献[5]通过统计用电量时间序列之间的关系,基于机器学习技术,考虑家庭之间的关联性对用户进行短期负荷预测。长期负荷预预测测受受能能源源消消耗耗量量、、国国民民收收入入、、人人口口增增长长率率以以及及经经济等影响因素共同决定的。文献[6]综合考虑这些因素,采用人工神经网络和人工神经模糊推理系统对土耳其地区的峰值负荷进行长期预测。文献[7]基于实时电价条件下,提出了一种遗传算法优化改进的灰色神经网络模型,对短期负荷进行预测,采用遗传算法对网络进行优化,提高了预测的精确度。
2. 2 异常用电检测
非技术性损耗一直以来都是全球供电领域关注的重要问题。而窃电和非法用电等异常用电行为则是构成非技术损耗的重要组成部分。一般通过篡改电表、非法搭接等手段窃取用电,给电力公司带来了巨大的损失,增大了电力系统供电负担。
智能电表能够通过检测表箱开启、接线变动、表计软件更新等事件,及时发现窃电行为的发生。通过将总表的数据和其下所有表计数据进行比对,检测出异常用电情况。文献[8]对智能电表中常见窃电方式进行归纳分类,提出了相应的防窃电技术,利用DSP微处理器设计智能电表防窃电平台。文献[9]讨论了窃电行为带来的影响,并且讨论了多种检测窃电行为的方法。文献[10]提出了AMIDS的概念,AMI入侵检测系统,一个集成的入侵解决方案,用以辨识AMI中恶意盗取用电的各种尝试。通过正常和异常的负荷曲线对比发现,AMIDS具有高精确的窃电检测性能。文献[11]提出了一种基于遗传算法的支持向量机模型来检测非法用电情况。文献[12]针对用电异常的窃电检测基于博弈论的原理,设计了一个电力公司和电力小偷之间的博弈机制模型。电力小偷的目的是窃取预定量的电力,同时最小化被检测出来的可能性; 而电力公司则希望最大化检测出窃电异常的可能性和最小化导致管理这个异常检测的运营成本。
2. 3 电力系统需求响应管理
电力需求响应机制是指电力用户针对市场价格调节信号或者根据电力公司的激励措施而改变其固有的习惯用电模式的市场参与行为。当前有关需求响应机制的研究主要围绕不同定价策略来进行的,用户根据电力公司发布的价格信号,包括分时电价、实时电价和尖峰电价,相应的调整用电需求,将用电时段调整到低电价时段,并在高电价时段减少用电,以此实现减少电费开销的目的。
( 1) 分时电价
分时电价能够很好地反映电力公司在不同时段供电成本差异的电价机制。根据电网的负荷特性不同同,,按按照照不不同同时时段段划划分分电电价价,,一一般般分分为为:: 季季节节电电价价和和峰谷分时电价。文献[13]研究了分时电价的定价原则,建立模型运用历史电表数据进行仿真模拟。文献[14]基于用户响应和满意度,运用博弈论模型对我国分时电价定价进行研究。文献[15]提出了一种基于支持向量机的回归算法,对分时电价下用户需求响应行为进行建模研究。
( 2) 实时电价
实时电价最早来源于F. C. Schweppe提出的现货电价[16],在给定的时间段内向用户提供实时电价。实时电价是电力系统的理想定价机制,电力公司根据电力供需情况,实时制定电价,通过调整的实时价格信号引导用户参与系统的运行管理,激励用户在低谷时段用电,削减峰值负荷,达到削峰填谷的目的,实现电力系统负荷需求的理想化,节能减排的同时降低用户的电费支出。Samadi P从用户的总能耗水平出发建立能耗调度模型,以用户总效用最大和电能提供者的成本最小为目标,设计了一种分布式实时电价算法[17]。文献[18]提出了一种自治住宅能源调度框架,基于实时定价费率下,建立用户在支付电费最小和电器等待时间最小之间取得折中的模型。
( 3) 尖峰电价
虽然实时电价是最理想的定价,但是鉴于技术上和设备环境上的难度,全方位实施实时电价并不现实。尖峰电价就是在分时电价和实时电价的基础上发展起来的另一种动态电价机制,是在分时电价上叠加尖峰费率而延伸出来的,能反映短期的市场供电成本。Zhang Qin等人分析了用户如何响应尖峰电价,考虑了用电端和供电端的双方利益,通过一个价格需求弹性矩阵和一个混合电价模型来预测电价[19]。Karen Herter等人将用户对尖峰电价响应的情况进行了分析总结: 居民用户能够根据调整的价格信号进行负荷调整; 并且在炎热夏天的高峰负荷时段支持使用尖峰电价电能表[20]。
2. 4 互动反馈机制管理
电力公司通过对电表数据的统计挖掘分析,对用户的用电行为展开研究,并将相应的合理建议反馈给用户,用户通过和电力公司交互式互动,可以给双方都能带来巨大的利益。何永秀等人对我国几个典型城市的居民智能用电情况进行问卷调查和数据统计分析,采用模糊综合评价方法对居民用电态度进行量化评分,根据居民的偏好和智能用电行为分析,为智能电网下居民互动机制设计提出了合理化的建议[21]。文献[22]对美国大西洋沿岸中部电力公司的智能电表用户进行了深入采访和跟踪调查。运用行为决策研究的方法,了解有关智能电表的消费观念。并将相应的决策意见反馈给居民用户。为了能给电力用户提供类似电话清单的用电清单,帮助用户调整和规划家电的使用,文献[23]提出一种运用相似度比较,可用于家用智能电表的负荷识别方法,能够自动识别负载的类型,杜绝大功率阻性负载的使用,有效的防治大功率阻性负载的使用,减少火灾隐患。张素香等人使用智能电表历史数据,基于云计算平台的K - means聚类算法,针对智能小区的居民用电行为展开研究,建立了峰时耗电率、负荷率、谷电系数等时间序列特征[24]。研究表明,能量消耗反馈工作可以有效地降低家庭能耗,文献[25]设计了以最大限度节约能源为约束条件,对用户的用电反馈的不同方法进行了系统的分析,并且向消费用户进行定性访谈,以便得到更好的反馈信息。
2. 5 安全与隐私
智能电网并不是一个单独的设备、应用、系统或者网络,利用通信技术和信息技术来优化从供应者到消费者的电力传输和配电过程。在智能电网AM I计量体系的实现中,只能给你电表会自动的手机大量的信息并将信息传送到电力公司、消费者以及第三方服务提供商。这些数据可能包含侵害个人隐私的个人识别信息。通过对负载信息数据进行分析,就可以得知各时段电器的使用情况,图2表示设备的负载信息[26]。
文献[27]介绍了一个由智能电表能够匿名安全地高频( 每隔几分钟) 传输电表数据的方法,数据通过一个第三方托管机构验证匿名计读数,从而用电数据信息和居民用户分离开来。此外,文献[28]提出了一个用于电表细粒度读数一般计算的隐私保护协议,可以让被hack篡改的电表的使用严重受限。协议允许用户在他们自己的电表设备上进行执行并证明计算读表的准确性,同时也不会泄漏任何细粒度的用电数据。文献[29]针对目前已有的各种智能电表隐私保护解决方案进行分析,就方案实施的杂性,效率,稳健性和简单性等方面评判它们的优点和缺点。文献[30]通过数据分析可以得出某用户一天各个时段电器的使用情况,主要介绍智能电表的隐私问题,就五个方面阐述电表数据的用途以及面临的隐私威胁还有现存的法律政策等问题。文献[31]比较系统的讲解了智能电表所面临的一些隐私安全问题,并对可获取电表数据机构进行划分。
3 结束语
随着现代基于智能电网的智能能源管理系统的日益推进和发展,智能电表将会逐步普及到每个家庭用户当中。智能电表的好处是有目共睹的,通过对智能电表电力大数据的分析,能够帮助用户错峰用电,促进家庭用户调整用电模式,节省开支; 能够帮助企业用户合理安排生产经营活动,降低生产成本。能够帮助电网公司以及政府部门,较为准确的预测未来电力负荷曲线,帮助节能减排,降低能效等。在智能电表数据带来巨大收益的同时,也应该清楚的注意到其中所面临的用户安全隐私等问题,这些都是要重点关注的问题,也希望在今后的发展当中,能有相应的政策机制来帮助保护大家的用电隐私。
摘要：随着智能电网的快速发展,其核心设备的智能电表吸引了相关用户、企业、政府部门的密切关注。智能电表基本能够每隔15分钟自动读取一次用电数据。高频率快速采集用电数据产生了海量的用电信息,这就构成了电力行业中的大数据。通过对这些海量电表数据挖掘分析,可以为用电客户、供电企业和社会环境提供更好的创新服务。文中综合大量智能电表相关的文献,对智能电表部署、智能电表应用分析以及对电力用户、电力公司和社会环境等产生收益进行了系统地总结和分析。
电表的诉苦 篇5
十年前，主人家只有三盏灯，我工作起来很轻松，一年到头不慌不忙。十年中的头三年，主人家添了抽油烟机、收录机和黑白电视，我也不觉得怎样忙碌，又过了大约两年，主人家可能认为我太轻松了，就买来电熨斗，电吹风，洗衣机，电冰箱和21寸的大彩电，给我进一步施加了压力。好在那时我觉得年轻总觉得忙一点没什么。可谁之五年之后，主人家得寸进尺，先是将原来的彩电换成34寸的大彩电，没出一月，有买来进口的高档音响组合，还经常唱卡拉ok。转过年去，他们又将原来的普通洗衣机换成烘干功能的全自动洗衣机，还在洗漱间安了电热水器。为了帮助两个孩子学外语，主人又买了两台复读机，我的工作量空前增大。
最让我难以承受的工作压力是，主人家的电热水瓶、电热壶、电饭煲、电火锅、电烤箱、轧浆机，如果和心爱的空调同时使用，我会承受不住而跳闸。直到家里添了电脑和打印机，我实在力不从心了，主人才让我背着一串长长的数字光荣“隐退”。
智能电网/电表芯片成创新热点 篇6
ADI三相电能计量IC精度可达0.1％
有分析人士指出，未来5年，随着智能电网部署的增长，智能电表在全球安装的数量将高达2亿块。在中国，与智能电网相关的5960亿美元经济刺激计划正在实施过程中，预计在未来3至5年内将部署1.7亿块智能电表。而在美国政府为升级本国电网的拨款中，有一部分是用于使13％的美国家庭(1千8百万户家庭)在未来3年之内能装上智能电表。在欧洲，意大利及瑞典已经完成先进计量基础设施(AMI)的部署，将所有普通电表更换为智能电表。法国、西班牙、德国和英国预计在未来10年内完成AMI部署。
09年12月，美国ADI公司宣布最新推出四款高精度电能计量IC—ADE7878、ADE7868、ADE7858及ADE7854，可用于提高商业、工业及住宅智能电表的精度和性能。
ADI公司能源部门总监Ronn Kliger说：“在总有功及无功电能的计量方面，这四款产品的精度和动态范围超越了电能表行业Class 0.2规范的要求。这四款新器件还能以0.1％的精度同时测量无功和有功功率。此外，其中一款产品还具备基波电能测量功能，这对电能质量监测而言至关重要。”
ADE7878、ADE7858及ADE7854高精度电能计量Ic为多相配置而设计，包括三线及四线、Y型及delta型。在1000：1的动态范围内，它们可为有功及无功电能测量提供0.1％的精度：在3000：1的动态范围内，可为有功及无功电能测量提供0.2％的精度。这些新产品还可在1000：1的动态范围内为电流有效值和电压有效值测量提供0.1％的精度。
除了能测量每个相位和零线电能之外，ADE7868％及ADE7878还能监测电能质量参数，如SAG、峰值、周期、角度测量及相序等。另一项业界首创就是在保持正常运行的同时，ADE7868和ADE7878具备各种防窃电功能，以确保正常的工作，这可减少现场求助和电表检修的时间。
飞思卡尔MZ系列MCU专为国网打造
去年下半年，中国国家电网公司对智能电网进行了全新的规划，对单相电表设计提出一系列要求，例如：基本计量功能增加，费控功能复杂，具备多种抄表通讯模式，以及外壳模具统一、电子线路布局布线位置相对固定等。
在充分研究中国国网新标准有关单相电表设计要求的錾础上，飞思卡尔推出TMZ系列8位微控制器(MCU)芯片，集成了60kB、961kB或128kB闪存，提供64引脚QFP封装。MZ系列微控制器还提供32位处理器芯片，集成2S6kB闪存。MZ系列中的所有芯片都可以实现64引脚芯片完全兼容，用户无需修改PCB(印制电路板)布线就能进行产品升级。所提供的一站式参考设计(如图1)包含必要的硬件和软件，完全符合中国国网电表新标准，可简化智能电表开发，加快产品上市速度。
飞思卡尔亚太区市场经理曾劲涛说，中国国网新标给数字电表企业带来了重新洗牌的机会，同时也给芯片供应商带来了机遇。目前在国内市场份额已经同比翻番。此次飞思卡尔根据中国国网新标专门推出的64引脚的单项电表用9S08MZ60、MZ96、MZ128 MCU，三项电表用51MZ256等，还做好了样机，客户立即可以拿来参加招标，招标成功后可再进一步优化；或者用其他方案招标成功后，用飞思卡尔这些芯片改良。
恩智浦MCU在智能电表系统中的应用
根据智能电表发展蓝图，NXP推出了基于ARM Cottex的MCU解决方案——LPC1700系列，为业界性能较高的Cortex-M3微控制器。EEMBC测试结果显示，以相同时钟速度运行时。LPC1700执行应用程序代码的速度比其它主要Cortex-M3竞争产品平均快35％。LPC1700在智能电表系统中的应用主要包括三相(多功能)表、单相复费率／多功能表和多功能终端。
具体来看，LPC1700的主要特点有：具有100MHz处理速度的ARM Cortex-M3控制器：嵌套向量中断处理器；内存保护单元：唤醒中断处理器，可以满足各种优先级中断的自动唤醒：四种省电模式：睡眠、深度睡眠、掉电、深度掉电。
据NXP大中华区多重市场半导体事业部市场总监金字杰介绍，NXP计量系统方案的外围采用了优化设计，具有防窃电等多种功能，可使用非接触式读卡技术完成预付费。其智能MX安全解决方案中，可配有室内多计量表无线连接用ISM-band收发器，并有多种标准芯片可选，诸如SMPS(开关电源)芯片、低功耗实施时钟、显示驱动器、小信号分立器件和标准逻辑器件等。
Intersil将收购本土电源芯片企业一磐大微电子
2009年12月15日。Intersil公司宣布签署了收购磐大微电子的最终协议。磐大是一家私营fabless公司，在高集成度电源管理IC技术上具有优势，为无线、音频、视频和数据通信方案提供高性能模拟和混合信号Ic，其产品主要用于消费类终端市场，如手机、个人导航设备、便携式多媒体播放机和其他流行的消费电子产品等应用。Intersil称此举可使该公司在中国和亚太区消费电子市场的进一步扩张。
诺基亚与ST—Ericsson携手推动TD-SCDMA发展
诺基亚与ST-Ericsson宣布，双方将在TD-SCDMA技术及解决方案领域建立长期合作伙伴关系。作为合作的一部分，ST-Ericsson将成为诺基亚基于Symbian操作系统的TD-SCDMA终端及解决方案的主要芯片组平台供应商之一。双方此次合作将提升诺基亚在TD－SCDMA标准方面的行业地位。这次合作不仅将帮助两家公司提升在中国移动市场的领先地位，更将为中国用户创造更丰富、更好的使用体验。
NS优化图形电源设计工具推出全新电源模块
电源是每个电子设计中重要的一环，考虑到成本、效率、设计尺寸等多种复杂因素，设计电源成为电子工程师一项极具挑战性的工作。为了帮助经验并不丰富的设计者更简单快捷实现电源设计，美国国家半导体(Ns)宣布推出WEBENCH Visualizer设计工具，帮助工程师形象快速地选择一款最理想的电源系统设计解决方案。
WEBENCH VisuaIizer是全新的互动式的工具，它包含基于NS公司所有电源相关产品的设计解决方案，这些方案大部分是由NS及合作分销商共同开发的参考设计。目
前WEBENCH设计网页支持升压、降压，Cepic、反激、固定频率及恒定导通时间设计，电流模式及电压模式，有超过25种系统结构，在性能方面输入电压设计从1v到100V，输出的电压0.6v到300V，输出功率高达300W，效率最大能够达到96％，频率最高可以达到3MHz。方案的大小在14mm×14mm以上，数据库方面提供25种不同的开关电源供应器结构及21，000款元器件，工程师能够从上亿款电源供应器设计解决方案中进行筛选，而且整个过程只需几秒的时间。
NS推出全新SIMPLESWITCHER电源横块系列的前三款产品LMZIO504、LMZ12003、LMZ14203，内置高效的同步开关稳压器及简易线性稳压器，因此无需像开关稳压器那样需要额外加设外置电感器，系统的线路布局更加简单。此电源模块可以精简电源供应系统的设计，并确保供电系统可为FPGA、微处理器、DSP以及其他负载点(POL)电源转换系统提供稳压供电，因此是医疗设备、广电视频设备、通信设备、工业及军事设备的理想供电系统解决方案。这一系列的电源模块采用的封装技术正在进行专利申请，其优点是产生较少电磁干扰，符合有关ENSS022(CISPR22)B类电磁波辐射的规定。工程师可以利用WEBENCH Power Designer电源系统设计工具和全新的WEBENCH Power Architect电源结构设计工具设计，同时内置SIMPLE SWITCHER电源模块进行电源系统的设计。改良版WEBENCH Power Architect设计工具可以支持多输出的直流／直流电源供应系统设计，而且大幅缩短这类系统的设计时间。
吴雄昂：ARM成功在于顺势而为
在过去的2009年，虽然经济危机的影响挥之不去，但是对于ARM公司在中国的业务来说，却是稳健而快速。越来越多的中国客户开始选择ARM最先进的Cortex系列处理器技术、Mall GPU技术以及物理IP技术，用于设计有竞争力的产品。目前，中国已经成为ARM全球授权业务增长最快的市场。
对于ARM公司在市场上的这种表现，ARM中国区总经理吴雄昂认为，ARM的成功就在于顺势而为。
首先是半导体业日益激烈的竞争，使得越来越多的半导体供应商开始走向合作。因此以ARM架构为核心的生态系统，成为业界公认的最经济合作模式。加入这个生态系统的公司，可以获得其他成员创造的技术成果的支持，而不必自己以更大成本重新去研发。
其次，ARM架构获得了软件公司的大力支持，营造了优秀的软件环境。随着需求多样化使得系统本身日益复杂、软件在整个系统中的地位变得越来越重要性，但是软件企业不可能对所有的硬件系统进行支持，只能选择部分主流的硬件系统进行充分支持，ARM架构获得大多数半导体供应商的认可，成为主流硬件架构之一，因此获得了如Adobe等软件公司的全力支撑。
第三，ARM架构建立的商业模式获得了大多数厂商的认可。在这个商业模式中。采用ARM架构的半导体供应商只需要付出很少的版税就可以获得授权，售出产品本身的大部分利润都留了下来，这也是ARM架构受到欢迎的重要原因之一。
第四，移动互联网的迅猛发展，使得消费者对移动体验备受关注，而ARM架构本身非常适合移动终端使用，因此ARM架构迅速普及就是再自然不过的事情了。
太阳诱电超薄多层陶瓷电容服务于超薄手机
智能手机均具备超大液晶显示屏、上网浏览、视频和音乐欣赏、高清拍照等功能，在追求小型、轻薄的同时，也在不断追求液晶显示的超大化和拍照功能的高清化。为了避免追求高性能而导致手机体积庞大，通过使用超薄多层陶瓷电容器为首的超薄表面实装元器件，可将液晶显示模块和摄像模块做得小型且轻薄，以实现手机的小型、轻薄以及高性能化。
近日，太阳诱电宣布1005型、厚度0.22mm的多层陶瓷电容器AMKl0SBJ474MC(1.00×0.50×0.22mm，厚度是最大值)投入生产，该产品适用于手机等小型、轻薄便携设备Ic的电源电路，可实现静电容量0.47uF。目前，太阳诱电展开了3种型号、12种大容量超薄多层陶瓷电容器产品的批量生产，它们是：1005型厚度为0.22mm的AMK105BJ474MC，厚度为0.33mm的AMK105BT225MP(1.0×0.5×0.33mm，厚度是最大值，电容2.2uF)以及1608型厚度为0.5mm的AMK107Bj106MK(1.6×0.8×0.5mm，厚度是最大值，电容10uF)。
东南大学与R＆S开启全方位合作
为共同促进电子测试与测量技术领域的合作，服务及推动中国高等教育的发展，支持国家级重点实验室及相关学科建设，东南大学与R&S公司日前共同成立了“东南大学，罗德与施瓦茨联合实验室”，并将开展包括研究生奖学金、实验课程、联合技术培训、项目研究等全方位合作。罗德与施瓦茨公司(R&S)将提供价值约2400万人民币的设备及软件支持实验室建设。2009年11月19日，R&S公司总裁兼首席运营官克里斯汀，莱赫先生应邀访问东南大学，与东南大学副校长蒲跃朴先生共同签署了合作协议，并为联合实验室揭牌。莱赫先生在致辞中提到，R&S公司在做好产品和技术的同时，一贯致力于高科技人才的培养，并力求回馈社会，促进无线通信新技术的社会应用。与东南大学的合作就是R&S公司致力中国信息人才培养和信息技术发展的实际举措之一。
WAPI标准获得国际无线大厂支持
WAPI标准影响着所有具有Wi-Fi功能的移动设备，在物理层接口定义了技术规范和测试方法。为了达到认证标准，Wi-Fi功能必须与中国工业和信息化部(工信部)颁发的技术规范保持一致。目前，两家领先的无线半导体供应商英国csR公司和美国博通(Broadcom)公司相继宣布，推出支持WAPI标准的无线产品。
CSR公司宣布的是CSR9000蓝牙+Wi-Fi产品已通过WAPI认证。CSR公司手机事业部资深市场经理JohnGaitanos表示，CSK的wi—Fi安全技术与市场上大部分传统的同类产品相比更先进。通过使用硬件加密引擎，CSR9000远比那些采用较慢的WAPI软件解决方案的产品具有更快的吞吐量。高速吞吐量优势显著改善了用户体验，用户可以以更快的速度下载网页和其他内容。
另一无线产品巨头博通公司则宣布，在中国销售的所有WLAN产品均采用了WAPI标准。通过软硬件结合的方式，Broadcom流行的WLAN解决方案都支持WAPI标准，因此制造商可以为中国消费者提供各种WLAN连接的家庭连网产品和移动设备。
电表数据 篇7
一、电表数据为了电力公司能更方便的进行用户抄表, 系统通过3G网络采集485电表数据, 用stm32芯片控制485电表数据的采集和控制华为MU103模块来完成。
MU103模块负责通过3G网络方式接受上位机传送的控制命令并发送485电表采集的数据。上位机界面用VB2005编写, 形成人性化的可视化界面发送命令, 并把采集到的电表数据显示在电脑上。如果现场出现故障, 下位机能够主动的和上位机联络, 发送现场图片, 将故障报给上位机。系统框架如图1所示:
二、系统软硬件技术关键
根据系统分析, 上位机主要完成两项功能:数据库服务 (SQL) 和界面设计。数据库设计主要是把下位机传来的电表数据编入数据库, 方便工作人员使用电脑轻松地进行用户数据统计与整理, 并向用户发送相关信息。合理的界面设计可形成可视化界面, 方便对用户的各类信息进行汇总和处理。上位机终端通过RS232连接华为MU103模块连接到3G网络, 发送控制命令并接收数据。下位机数据用RS485传输, 通过MU103接收来自的上位机的控制命令采集485电表的数据, 并通过3G网络传送给上位机。其中, RS232和RS485的主要区别是:RS232传输距离有限, 速率较慢, 在异步通信时, 只有20Kbps, 它只支持一对一通信。而RS485接口在总线上允许连接多达128个收发器, 最高速率可达10Mbps, 最大传输距离可达1219米。下位机程序中的测控模块不仅可以完成对电表数据采集的任务, 还可实时地监督各通路状况, 及时地把故障报给上位机。
下位机采用stm32芯片, 其内核是ARM 32位的Cortex-M3 CPU, 该处理器是最新一代的嵌入式ARM处理器, 最高72MHZ工作频率;内置64K或128K字节的闪存存储器, 用于存放程序和数据;内置20K字节的SRAM, CPU能以0等待周期访问 (读/写) 。
电表系统的通信协议采用多功能电能表通讯规约 (DL/T645-1997) 。核心程序是整个通讯程序, 主要有三部分:数据接收部分、命令执行部分、数据发送部分。工作人员发送数据采集命令经3G网络传送至下位机, 下位机成功接收命令后完成485电表数据采集任务, 并将采集到的数据经3G网络传送至上位机。程序框架图如图2所示:
三、网络测试与仿真
在仿真环境下, 模拟仿真上位机和下位机的交互通信, 并记录实验数据, 解决异常问题, 完成网络测试指标。调试成功后, 连接实际电路, 排除异常问题, 并在上位机用户界面上成功显示传送回来的电表数据。
四、电表数据采集系统的应用前景
可以实现一个控制室对社区或更大范围内的电表进行统一的集中抄表、管理, 这样可以节约大量的人力物力。同时, 抄表系统有自动诊断功能, 可以将当前的电表状态实时的传送到控制室, 给控制室提供当前的最新资料。抄表系统采用3G网络进行数据传输, 无特殊情况下, 仅仅传输电表数据, 这样的数据传输量相当的小, 在特殊情况下, 可以采集图像信息。采用这种方式, 可以在最大的程度上降低运营成本。与传统的人力抄表来说, 减少的成本是相当可观的。现在国家提出要向信息化社会发展, 传统的抄表方式势必会被这种智能的抄表系统所取代, 这种技术也是未来发展的一个方向。这个抄表系统的市场空间很大, 在国家相关政策的推动下, 这个技术被广泛的推广使用。
五、结语
通过利用现行在我国兴起的3G网络技术可以建立一个系统的、大面积的电表抄表系统, 可以满足居民区以及大型企业的电表抄表收费等管理需求, 方便快捷经济, 对于智能化管理用电起到举足轻重的作用。
摘要：通过3G网络对多个不同地点不同电表数据进行无线采集, 将采集来的数据送入数据库, 并在可视化界面上显示。这样, 工作人员就可以轻松地对用户数据进行远程统计与整理, 并向用户发送资费等相关信息。
关键词：3G网络,可视化,485电表,华为MU103
参考文献
[1]郭天祥编:《51单片机C语言教程》 (第一版) , 电子工业出版社, 2009, 1。
[2]康华光主编:《电子技术基础》 (第五版) 高等教育出版社, 2006, 1。
[3]谭浩强、张基温:《C语言程序设计教程》 (第三版) , 高等教育出版社, 2006, 8。
电表数据 篇8
多用电表在人教版普通高中课程标准实验教科书《物理》选修3-1第二章《恒定电流》第8节中作出了较详细的介绍, 要求学生掌握多用电表构造及测电压、电流、电阻的原理, 且能正确使用多用电表。由于实际的多用电表体积较小, 操作起来演示给学生看有些不方便, 分析多用电表内部结构就更不方便了。笔者运用Flash制作了一个仿真多用电表的课件, 弥补了这些不足, 能够实现以下功能:
◇机械调零、测量电压 (电流) ;
◇红黑表笔接法、线圈电流流向与指针偏向关系;
◇测量电阻之前电阻调零、测电阻;
◇每个档位随机练习读数;
◇多用电表内部结构初步分析。
该课件常用于学生实验前对多用电表理论和操作的讲解或在高三多用电表复习课中使用, 在实践中经过本人不断的完善, 已基本上能模拟真实电表的所有功能。要完成把表头 (小量程的电流表) 改装成大量程的电压表和电流表的复习、电阻测量原理、正确的使用多用电表、练习多用电表的读数等方面的教学任务, 用此课件可大大提高教学效率;对多用电表的外观、电压 (电流、电阻) 的测量、多用电表的测量原理及内部结构初步分析, 都可形象、直观地演示和讲解, 达到事半功倍的效果。下面谈谈“多用电表”课件的制作过程和如何利用课件突破多用电表教学上的难点。
多用电表仿真的操作
为了轻松引领学生进入形象、直观操作多用电表的场景, 就需要课件模仿测电压、电流和电阻时, 仿真程度要高, 如图1是本课件外观。下面是课件制作过程中要注意的几个关键位置。
1.表笔与表笔插孔的导线随表笔位置变化而变化
当按住鼠标左键拖动红、黑表笔时, 要实现表笔与表笔插孔间的导线自由伸缩。以红表笔为例, 可新建一个影片剪辑, 画一根斜线, 宽为100, 高为100, x、y坐标都为零, 拖到场景中, 实例名称为hongx, 设置该剪辑在场景的坐标为相应的插孔的坐标, 如果红插孔的实例名称为hongk, 红表笔的实例名称为hongb, 通过实例坐标变换利用下面代码可实现导线随表笔自由伸缩:setProperty ("hongx", ＿xscale, hongb.＿x-hongk.＿x) ;setProperty ("hongx", ＿yscale, hongb.＿y-hongk.＿y) 。
2.机械调零
为了每次启动课件时多用电表的指针偏转都有一个随机的偏角, 为机械调零操作作准备, 可用代码4-random (8) 使指针随机出现偏离表盘零刻度-4°～4°中任一度数, 另在机械调零旋钮图标左右放一无编辑内容但有触发区域的按钮, 当点击按钮时, 使机械调零图标有旋转效果, 如果机械调零旋钮图标的实例名称为jxxn, 多用电表的指针的实例名称为zz, 在机械调零旋钮图标左按钮动作窗口加如下代码:jxtl+=0.2;zz.＿rotation+=0.2;jxxn.＿rotation+=3;右按钮动作窗口加如下代码:jxtl-=0.2;zz.＿rotation-=0.2;jxxn.＿rotation-=3。
3.各档位实现练习随机读数
在画多用电表的刻度盘时, 可把指针满偏时偏角定为90°, 在随机读数按钮加入如下代码:zz.＿rotationt=random (900) /10, 可实现指针随机偏转。
4.移动红、黑表笔测电压、电流与电阻时, 实现指针正确偏转
当红、黑表笔接触电极时, 指针作相应的偏转, 主要用到Test () 触发语句, 下面以直流电压250V档和欧姆×100档为例谈谈制作过程。在主场景中建两个用于与表笔接触的接线柱影片剪辑, 实例名称分别为hongj、heij;把多用电表中两个模拟电流 (正向电流和反向电流) 的箭头影片剪辑, 实例名称分别为:dl1、dl2, 直流电压输入框的变量名为dl, 如下为直流电压250V档动作代码:
其他档位的代码类似, 只是量程不同。
电流档实现多量程
学生在本章《恒定电流》第4节中对串、并联电路的电流关系、电压关系理论上作了充分的学习, 且知道如何利用串、并联知识把表头改装成电压表和电流表, 但向学生提出多量程电流表的电路是如何设计的, 很多学生会设计如图2所示的电路图, 这种电路图在理论上是可以的, 但实际应用上会由于在换档过程中电流全部从表头流过而烧坏表头。合理的电路图是怎样的呢?点击本课件电表外壳拖动鼠标, 多用电表内部大致结构一览无余, 通过分析采用图3电路图就避免了这种问题的发生。
电流流向与指针偏转理论分析
红表笔为什么接多用电表内部电源的负极?在多用电表教学过程中这个问题通常是个难点, 从表头的工作原理上看, 指针偏转是由于通电的线圈在磁场中受到安培力作用, 当电流反向时受到的安培力也反向了, 指针也跟着反偏, 其实多用电表在测电流、电压、电阻时, 指针都是从左向右偏, 流过线圈电流越大偏角越大。当用多用电表测电压时, 红表笔接电势高的, 电流从红表笔流入, 测电流时, 电流从红表笔流入, 那么测电阻时, 电流也必须从红表笔流入, 否则指针会反偏, 所以电流应从黑表笔流出, 从红表笔流入, 当然红表笔接欧姆表内部电源的负极。同时利用本课件辅助说明, 点击多用电表外壳按住鼠标左键移走外壳, 露出表头内部的线圈和永久磁体, 当测电压、电流、电阻时, 就会看到线圈中有电流流过, 当表笔接反时, 线圈中电流也反向, 指针反偏。
欧姆档换不同的倍率要重新电阻调零
教材中有关欧姆表原理电路图如图4所示, 很多学生不免产生疑惑, 如果根据该电路图欧姆档不同倍率的中值电阻 (欧姆表的内电阻) 应该是相同的, 因为不同倍率进行电阻调零时, 表头的满偏电流是相同的;另一方面, 倍率不同, 指针半偏时所代表的电阻显然不同, 如本课件, 中值为20, 当是×1档表示20Ω, ×10档表示200Ω, ×100档表示2000Ω, ×1K档表示20000Ω, 这两者之间显然是矛盾的!学生在这方面疑问很多, 似懂非懂, 多用电表欧姆档不同倍率进行电阻调零时, 当指针满偏流过表头的电流的确是相同的。
在这里, 笔者把多用电表欧姆档电路图简化如图5所示, 电路主要由调零电路和换档电路组成, 教材中重点为了说明欧姆表工作原理而介绍的是最简单电路图, 没有体现换档电路的变化, 导致学生错误认为不同的档位总电流相同, 实际上不同倍率的总电流不同、总电阻不同, 即不同的倍率的中值电阻是不同的, 所以每次换不同的倍率都要重新电阻调零, 可借助本课件多用电表内部电路图向学生作初步的介绍, 为学生今后在这方面的学习激发热情。
点评
优秀的课件应该服务于教学, 本课件应属于其中一个范例。一, 通过课件教者可方便形象、直观地介绍、演示电表的外观、使用方法和操作步骤, 达到事半功倍的效果。二, 课件充分利用多媒体优势, 在作品中添加一个随时移开多用电表面板即可看到内部结构示意图的效果, 突破了实物仪器的限制, 将多用表的使用与其对应的测量原理有机结合起来, 在学生头脑中留下深刻印象, 有效化解了教学中的难点, 这也是本课件的一大亮点。三, 课件基本实现了对多用电表真实使用环境的模拟, 不仅方便教师进行课堂教学, 同时也适用于学生课后进行自主学习和复习。
需要指出的是, 课件在设计及制作的一些细节上仍然存在需要进一步改进的地方。比如, 表笔与接线柱接触判断的精确性, 文本框数值与指针位置的同步性及指针不经过一个转动过程直接跳到对应位置等。尽管这些是细节, 但对学生来说却可能因此而产生错误认识。
智能电表特点及其应用 篇9
1 智能电表的构成、原理及特点
1.1 原理
电子式智能电表,是在电子式电表的基础上,近年来开发面世的高科技产品,它的构成、工作原理与传统的感应式电能表有着很大的差别。感应式电表主要是由铝盘、电流电压线圈、永磁铁等元件构成,其工作原理主要是通过电流线圈与可动铅盘中感应的涡流相互作用进行计量的。而电子式智能电表主要是由电子元器件构成,其工作原理是先通过对用户供电电压和电流的实时采样,再采用专用的电能表集成电路,对采样电压和电流信号进行处理,并转换成与电能成正比的脉冲输出,最后通过单片机进行处理、控制,把脉冲显示为用电量并输出,构成原理图详见图1。
通常我们把智能电表计量一度电时A/D转换器所发出的脉冲个数称之为脉冲常数,对于智能电表来说,这是一个比较重要的常数,因为A/D转换器在单位时间内所发出脉冲数个的多少,将直接决定着该表计量的准确度。目前智能电表大多都采用一户一个A/D转换器的设计原则,但也有些厂家生产的多用户集中式智能电表采用多户共用一个A/D转换器,这样对电能的计量只能采用分时排队来进行,势必造成计量准确度的下降,这点在设计选型时应该注意。
1.2 特点
由于采用了电子集成电路的设计,再加上具有远传通信功能,可以与电脑联网并采用软件进行控制,因此与感应式电表相比,智能电表不管在性能还是操作功能上都具有很大的优势。
(1) 功耗:
由于智能电表采用电子元件设计方式,因此一般每块表的功耗仅有0.6w～0.7w左右,对于多用户集中式的智能电表,其平均到每户的功率则更小。而一般每只感应式电表的功耗为1.7w左右。
(2) 精度:
就表的误差范围而言,2.0级电子式电能表在5%～400%标定电流范围内测量的误差为±2%,而且目前普遍应用的都是精确等级为1.0级,误差更小。感应式电表的误差范围则为+0.86%～-5.7%,而且由于机械磨损这种无法克服的缺陷,导致感应式电能表越走越慢,最终误差越来越大。国家电网曾对感应式电表进行抽查,结果发现50%以上的感应式电表在用了5年以后,其误差就超过了允许的范围。
(3) 过载、工频范围:
智能电表的过载倍数一般能达到6～8倍,有较宽的量程。目前8～10倍率的表成正为越来越多用户的选择,有的甚至可以达到20倍率的宽量程。工作频率也较宽,在40HZ～1000HZ范围。而感应式电表的过载倍数一般仅为4倍,且工作频率范围仅为45～55HZ之间。
(4) 功能:
智能电表由于采用了电子表技术,可以通过相关的通信协议与计算机进行联网,通过编程软件实现对硬件的控制管理。因此智能电表不仅有体积小的特点,还具有了远传控制(远程抄表、远程断送电)、复费率、识别恶性负载、反窃电、预付费用电等功能,而且可以通过对控制软件中不同参数的修改,来满足对控制功能的不同要求,而这些功能对于传统的感应式电表来说都是很难或不可能实现的。
2 智能电表的功能应用
根据本人设计的一些工程实例,对不同工程特点、不同用电性质、不同使用场所,如何合理地选用不同功能特点的智能电表,做些粗浅探讨。
2.1 住宅中的选用
目前住宅中电能的计量在全国大部分地区都还采用感应式电能表,但感应式电表存在一些明显的不足。以高层住宅为例,目前往往是一梯多户型的。而有些地方供电局对于单相电表箱大小做了限制,如最多不能超过16表。这样对于一个一梯8户的住宅单元,如果采用感应式电表则必须每两层设一个表箱,如果是26层的高层住宅来说就得设13个表箱。这对于以后的抄表、维护都显得费时、费力,与现在提出的电网现代化管理的要求更是极不相适应。对于一些多层住宅来说,表箱可以集中放置在一楼门厅或楼梯口,但过大的表箱往往要与各种弱电箱挤占空间,结果往往是一面墙上挂满了各种箱体,这不但会影响美观,而且有时在设计上会出现满足不了规范要求(如强弱电间距、箱体安装高度)等问题。
如果采用集中式智能电表,由于体积小,功能多,不仅能在一定程度上解决传统电表占用空间的问题,还能更好地实现用电的现代化管理。
首先,集中式智能电表整个表箱体积小,目前一些产品在一个壁挂式表箱内可容纳多达39个用户,而箱体大小仅为930×610×160。而对于这样一个同样大小的箱体,如果采用应式电表,则最多只能装10个表左右。可见,采用集中式智能电表能大大减小空间的占用。
其次,集中式的智能电表利用RS485总线,通过集中器,通讯机与管理中心计算机进行连网,计算机通过相应的智能电表管理软件可对电表中的信息进行计算,统计,打印、参数设定及断送电等功能控制。这样通过网络,小区物业或供电部门便可足不出户对用户进行抄表、断送电操作等,实现高效率、现代化的用电管理,见图2。
而针对住宅中的应用,智能电表还可配置更多的功能模块。所以目前的智能电表不仅能对用户实现远传抄表、自动断送电功能,而且还有如下功能:
(1)复费率功能:通过对管理软件的设定实现不同时段收费或不同用电量段的不同收费,并能实现公摊部分用电的平均分配或按比例分配;
(2)查询功能:可以随时随地地查询任一户、任单元,或整个小区住户的用电量;
(3)数据存储、备份功能:目前智能电表都有采用专用的存储芯片,即使在断电后数据仍可保存数年之久,有的产品为了更高的可靠性,采用了多处数据存放的措施,这样万一一处数据出错或丢失,可由其它处进行纠错、还原;
(4)防作弊功能:采用授权密码操作,并设有运行日记,可以详细记录操作的操作过程,防止恶意的操作或作弊。
2.2 集体宿舍楼中的选用
以学生宿舍楼为例,以往学生宿舍的用电管理都是把每间宿舍的电表集中在楼栋管理员处,由管理员按学校作息制度,人工地对楼栋的宿舍和公共部分进行断送电控制。这样的管理方法显然是落后了,而且对于目前学生公寓楼存在的如电炉,电热毯,电热棒等涉及用电安全的电器的使用,没办法做到有效的杜绝。目前专门针对学生宿舍用电开发的智能电表,则能做到自动控制断送电和安全用电管理。
2.2.1 定时断送电
针对学生宿舍用电特点,智能电表可以通过对用电管理软件的设定,实现对智能电表内模拟开关的控制(见图1),从而达到定时断送电的功能。而且通过管理软件不仅能实现定时控制功能,管理员还可实时地对某间宿舍进行断送电控制,这就实现了更加灵活的用电管理。
2.2.2 双回路控制
每回路电源通过智能电表控制单元后,可分为两个支路:一支路接宿舍内照明和插座(卫生间照明除外),该支路根据学校作息制度实现自动的定时断送电;另一支路接宿舍内卫生间照明、空调回路,该回路为24小时常开回路,仅在宿舍被断电后才断开。这样实现了宿舍更加人性化的用电管理,系统设计详见1图3。
2.2.3 恶性负载识别
目前学生宿舍普遍存在使用大功率用电器及一些影响电网质量和用电安全的用电设备,如电炉、电热棒,电热毯等(被称之为恶性负荷)。针对这些负荷智能电表可以实现自动识别,并警报、断电,在当此类负荷去掉后,才自动送电的功能,这样就能有效杜绝了这些恶性负载的使用,达到宿舍安全用电管理的要求。
2.3 商场、店面、办公楼等场所的选用
与前面所述住宅和宿舍用电相比,商业场所在用电性质有较大不同。首先商业用户都是以租赁的方式使用,因此用户流动性大,这样一方面在电费收取上显得尤为不便,另一方面,碰上一些恶意欠费的用户,这样会给出租方带来一定的损失。
其次,有些商业场所用电计量表就装设在用户一侧,甚至为了方便用户的用电管理,表箱都未上锁。而传统感应式电表由于采用接线端子外露设计,一些用户就私自改动接线等非法手段进行窃电,据统计我国每年因窃电造成的经济损失就有好几个亿元。
针对上述商业场所用电收费难、窃电等现象,目前的智能电表就相应地开发出预付费、反窃电功能的电能表。
2.3.1 预付费功能
预付费用电有磁卡式、电卡式、直接购电等方式,目前普遍采用的是直接购电式的预付费方式。所谓直接购电预付费就是用户到供电部门或物业管理部门去买电,而供电部门或物业管理部门则采用远控或手持售电机将电量直接注入用户电表内。这样当用户表内用电量减少到设定值时,可通过声光报警等手段提示用户购电,而当电量用完时,就可以通过管理软件上预先的设定,实现断电或其它控制手段,这样就能有效地避免了欠费用电现象的出现。
2.3.2 窃电功能
与传统的感应式电表外形设计相比,目前的智能电表上都采用了接线端子内置的设置方法,即把接线端子封在整个表壳内,并加强了外壳结构,使电表难以被打开,或打开表后有明显痕迹,并有永久性记录。同时,采用屏蔽和抗干扰性强的电子元件,并具有异常接线检测能力。所以目前智能电表具有反反向窃电、火线短路窃电、强磁场窃电等多种反窃电功能,这就在一定程度上杜绝了偷电、漏电的现象。
总结前面所述,可以看出,与传统感应式电表相比,智能电表不仅有高可靠性、高准确度等优点,而且还有适应现代在多样化用电要求的各种功能。同时由于采用软硬件结合的操作方式,这就使得智能电表在控制和使用上更加灵活,同时还可以通过软件的进一步开发适应不断变化的市场需求。相信在未来的几年里,随着产品进一步的应用推广和技术上的更成熟完善,这种现代化的电能计量产品,将更多地被用户(包括电业职能部门)认可和选用。
参考文献
[1]《多用户集中式电能表技术现状与探讨》[J],福建建筑电气,2007年第三期
[2]国家质量技术监督局计量司、中国计量出版社合编,《电能表技术手册》中国计量出版社2000.8
再谈多用电表表盘刻度 篇10
表头是多用电表的核心部件，剖面图如图2，当处于磁场中的可动线圈通过电流后，其与永久磁铁的磁场相互作用产生转动力矩，从而使线圈带动指针产生转动，同时游丝产生反力矩，阻止线圈转动，平衡时指针静止，指出示数。因为线圈是置于圆弧型的磁极和由软铁做成的圆柱型铁蕊之间的空隙中，因而空隙中的磁场是均匀的，并呈辐射状。
造成表盘刻度不同分布的原因如下：
1. 直流电压、电流刻度
由电磁学的知识可知，表头可动线圈通电流后产生转动力矩：M=NBSI。
N：线圈匝数B：空隙中的磁感应强度
S：线圈面积I：通过线圈的电流强度
若线圈带动指针转过的角度为α，则游丝形变产生的反力矩为：
Mf=Kα(K为游丝的弹性系数)。
二力矩平衡时：M=Mf。
由于N, B, S, K均为定值，因此指针的偏转角α与流动表头的电流成线性关系，而流过表头的电流又是经电阻分压电路直接取样于被测电路的，即表针偏转角的大小又正比例地反映了被测电路电压或电流的大小，因而在表盘上应按电压、电流的大小进行均匀刻度。
2. 电阻刻度
用多用电表电阻挡测电阻时，其原理步骤如图3、4所示。
当红黑表笔短接时，调节R得到满偏电流值：
E：电池电动势R：调零电阻
R：电池内阻Rg：表头内阻
当红黑表笔接入电阻Rx时，得到测量电流值：
其中NBSE, R+r+Rg均为定值。
上式表明，每个被测电阻Rx都有一个对应的指针偏转角α，其函数关系如图5，从图中可以看出，指针偏转角α与Rx并不呈线性关系，随着被测电阻Rx的均匀增大，偏转角并非均匀减小，而是开始时减小得快，而后减小得慢，最后无限趋近于零。这样按偏转角随电阻的变化而变化的规律在表盘进行刻度时，是不均匀的。被测电阻为零，即红黑表笔短接时，流经表头的电流最大，指针偏转角最大，故其电阻“0”刻线应在最右边。当红黑表笔断开时，流经表头的电流为零，指针偏转角为零，指针位置刻度为欧姆刻度的无穷大处，且从“0”刻线开始向左刻度间隔应是先疏后密。
3. 交流电压刻度
巧解中学电表类问题 篇11
关键词：串联,并联,开关,电压表,电流表
一、开关和电表在电路判定中的“角色”与联系
在教师引导学生可以通过“定义法、电流法、拆除法、节点法”等等方法去判定串、并联电路之后, 学生基本上能够通过其中一种方法去熟练的判定出串、并联电路。此后, 在大多练习中会出现这样一类题:
例1:如图1所示, 要使L1和L2两灯组成串联电路, 应闭合开关________ , 断开开关________ ;要使L1和L2两灯组成并联电路, 应闭合开关, 断开开关。
对于这样一类题, 教师首先要帮助学生理解断开和闭合的开关在电路中充当的“角色”。即断开的开关就相当于开路, 而闭合的开关就相当于一条导线。然后教师引导学生可以利用“电流法”:电流从电源的正极流出经过所有用电器回到电源的负极, 电流的路径只有一条, 则为串联电路。即:闭合开关S2, 断开开关S1、S3两灯组成串联电路。闭合的开关S2就相当于一条导线, 电流可以通过;断开的开关S1和S3就相当于开路, 电流不可以通过。如图2所示这样电流从电源正极→1→2→3→电源负极, 电流的路径只有一条, 即组成了串联电路。对于如何断开或闭合开关组成并联电路, 我们可以引导学生通过“节点法”:不论导线有多长, 只要其间没有电源、用电器等, 导线可以任意拉长、缩短, 甚至导线两端均可以看成同一个点, 从而找出各用电器两端的公共点, 电流的路径有两条 (或多条) , 则为并联电路。如图2所示, 当电流流经节点1, 若开关S1闭合, 就相当于一条导线, 那么节点1和3就可看为同一个点, 即L1和L2的公共点, 然后电流分别经过L1和L2, 在节点2汇合最终回到电源负极。即:闭合开关S1、S3, 断开开关S2, 电流的路径有两条, 两灯组成并联电路。相信学生掌握这种方法后, 通过一两道同类型的习题进行巩固是可以突破这个难点的。但在学生学完电表之后, 与上面相似的这类题又会出现, 而且难度也会更大。
例2:如图3所示, 要使L1和L2两灯组成串联电路, a是________ 表、b是________ 表、c是________ 表;要使L1和L2两灯组成并联电路, a是________ 表、b是________ 表、c是________ 表。对于这个电路图学生似曾相识, 但刚开始可能无从入手。我们还是首先要引导学生在分析电路时, 电压表和电流表分别在电路中充当的“角色”。由于电压表的内阻很大, 在初中阶段分析电路时可以看成开路, 而电流表的内阻很小, 在初中阶段分析电路时可以看成导线。这样在教师的引导之下, 学生可能会发现既然在分析电路时“断开的开关”和“电压表”都可以看成是开路, “闭合的开关”和“电流表”都可以看成是导线, 那么例2这道题完全可以类比例1来做, 这样就大大降低了分析电路的难度。在例1中闭合开关S2, 断开开关S1、S3两灯组成串联电路。闭合的S2相当于导线, 那么可以相当于导线的还有电流表, 那么S2的位置其实可以用一个电流表来替代;断开开关S1、S3都相当于开路, 那么分析电路时可以看成开路的还有电压表, 那么S1、S3的位置就可以分别用两个电压表去替代。即:要使L1和L2两灯组成串联电路, a是电压表、b是电流表、c是电压表。并联电路的形成也仿照上面用类比例1的方法去做, 可以得出:要使L1和L2两灯组成并联电路, a是电流表、b是电压表、c是电流表。教师对比例1和例2两道试题的过程中利用“类比”和“等效替代”的思想, 引导学生归纳和总结解决实际问题的方法, 可以帮助学生快速突破难点。在日常教学中慢慢渗透一些物理解题的思想, 学生也会逐渐养成善于思考和总结的学习习惯, 对知识融会贯通, 达到事半功倍的效果。
二、电压表和电流表的“归属”问题
在学习电流表的使用时, 学生已经知道电流表应串联在被测电路中。对于简单的电路学生一眼就可以看出电流表是测量哪部分的电流。例如:在图4中学生很容易就能看出电流表A1测量的是流过L1的电流, 电流表A2测量的是流过L2的电流, 而电流表A测量的是干路的总电流。因为电流表A1与L1串联, 电流表A2与L2串联, 电流表A串联在干路上。
如果把电路变形成图5所示的电路, 学生可能就没那么容易判断出电流表是测量哪部分的电流了。但是实际上图4和图5的电路是一样的, 只要我们按照上面讲到的“电流法”还是可以判断出电流表A1与L1串联, 电流表A2与L2串联, 电流表A串联在干路上, 就能判断出电流表测量的是哪部分电流。总之只要记住电流表与哪部分电路串联就测哪部分电路的电流。相对于电流表的学习而言, 电压表的“归属”问题在理解上就有一定的难度了。电压表是应与被测电路并联的, 若是图6这样的图学生很容易就能看出电压表测量的是L1两端的电压。
如果把图6变为图7这样的呢?在做题过程一部分同学会就会误认为电压表测量的是L2两端的电压, 有的同学甚至认为是测量电源和L2的总电压。造成这样的错误判断, 原因一方面可能是对电路的组成及其在电路中的作用理解的不是很透彻;另一方面可能是还没有弄清楚电压表到底与被测电路中的哪部分并联。
针对造成错误的原因, 可以用以下几种方法帮助学生理解:
1. 从电路基本组成在电路中的作用入手。
电路中的电能是由电源提供的, 电源的电压即为电路的总电压 (不考虑电源的内阻) 。若认为电压表与电源和L2同时并联, 那么电压表所测的电压应为电源和L2两端电压之和。而电源电压就是电路的总电压, 凭空多出了L2两端电压, 有悖科学。既然不是测量电源和L2这部分电路, 那么就是测量L1这部分电路了, 因此电压表测量的是L1两端电压。
2. 利用“节点法”。
从上文已经知道不论导线有多长, 只要其间没有电源、用电器等, 导线可以任意拉长、缩短, 甚至导线两端均可以看成同一个点。如果将1、2两个节点向上移动就变成了图8, 学生可以很清楚地看出电压表是与L1并联, 即电压表测量的是L1两端电压。
3.“电流法”加“节点法”。