智能电表的工作原理是什么？如何进行设计？

一、智能电表的基本原理

智能电能表利用电子电路/芯片来测量电能，其原理如图所示。

智能电表工作原理图

智能电能表用分流器或电流互感器将电 流信号变成可用于电子测量的小信号，用分压电阻或电压互感器将电压信号变成可用于电子测量的小信号，再利用专用的电能测量芯片将来自电压互感器、电流互感器的模拟信号转换成数字信号，并对其进行数字积分运算，然后输出频率与电能成正比的脉冲信号，脉冲信号被送到微计算机处理后进行液晶显示。

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。

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：

智能电表的工作特点智能电表不只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。

智能电表的工作原理如下：

1. 数据采集：智能电表通过自身的传感器采集用电量等数据，并将数据以数字信号的形式发送至电力公司数据中心。电力公司通过使用通讯网关将智能电表的数据进行汇总，并以Web或APP的方式展示给终端用户。

2. 数据处理与储存：电力公司接收到智能电表采集的数据后，会将数据在云服务器上进行处理。通过对数据的统计、分析和模式识别等技术，可以使用户清楚地了解自己用电量和开支，并可以通过调整用电习惯和设备，降低用电成本，并起到节能减排的作用。

3. 远程控制与管理：通过智能电表连接到电力公司的管理系统，可以实现对电网系统的远程控制管理，当电网发生故障或过载时，管理系统可以自动断开智能电表的供电以保护用户设备的使用安全。

二、智能电能表主要由以下几部分组成：

1、电源模块，给电能表提供工作电源。

2、计量模块，利用对电压和电流采样，通过计量芯片转换为实际电能的数字数据(电能脉冲)输出。

3、显示模块，用来显示电量和相关数据。

4、通信模块，用来和主机通信，数据传输的通道。

5、安全模块，保证数据传输的安全性。

6、时钟模块，为系统提供实时时钟，作为电量冻结、费率切换的依据。

7、存储模块，用来存储电能表参数、电量、历史数据等。

8、通断电模块，用来控制用户停送电。

现在的智能电表已经不仅仅是简单的计量了，还要传输多种数据，还有防窃电功能，智能电表相对于之前的机械电表更加安全，甚至可以分析出我们的用电习惯，那么智能电表的工作原理到底是什么呢，现在把单相智能电表和三相智能电表分别讲解。

单相智能电表工作原理图

单相智能电表工作原理简述本产品由计量芯片、高速数据处理器、实时时钟、数据接口等设备组成。在高速数据处理器的控制下，通过计量芯片准确获得电网运行各实时参数，并依据相应费率等要求对数据进行处理，其结果保存在数据存储器中，并随时向外部接口提供信息和进行数据交换，其原理框图如下图所示。

三相智能电表工作原理图

电能表工作时，电压、电流经取样电路分别取样后，送至放大电路缓冲放大，再由计量芯片转换为数字信号，高性能微控制器负责对数据进行分析处理。由于采用高精度计量芯片，计量芯片自行完成前端高速采样，计量算法稳定，微控制器仅需要管理和控制计量芯片的工作状态。图中的微控制器还用于分时计费和处理各种输入输出数据，并根据预先设定的时段完成分时有、无功电能计量和最大需量计量功能，根据需要显示各项数据、通过红外或 485 接口进行通讯传输，并完成运行参数的监测，记录存储各种数据。

智能电表部分组成：

1、电源模块，给电能表提供工作电源。

2、计量模块，利用对电压和电流采样，通过计量芯片转换为实际电能的数字数据(电能脉冲)输出。

3、显示模块，用来显示电量和相关数据。

4、通信模块，用来和主机通信，数据传输的通道。

5、安全模块，保证数据传输的安全性。

6、时钟模块，为系统提供实时时钟，作为电量冻结、费率切换的依据。

7、存储模块，用来存储电能表参数、电量、历史数据等。

8、通断电模块，用来控制用户停送电。

下面我们来着重介绍智能电能表安全模块

智能电能表安全模块，安装在电能表内，用以实现电能表数据的安全存储、数据加/解密、双向身份认证、存取权限控制、线路加密传输等安全控制功能。在对电能表进行参数设置、预存金额、信息返写和下发远程控制命令操作时，通过 ESAM 进行安全认证、数据加 / 解密处理以确保数据传输的安全性和完整性。ESAM保存电表费率时段、表号、客户编号、购电金额、购电次数等与计量计费相关的关键数据，修改时需要认证或认证 +MAC，保障数据存储的安全性。

智能电能表安全模块的特点

符合国家电网公司《智能电能表信息交换安全认证技术规范》中的安全功能性要求

支持 7816(T=0)、 SPI 通讯协议

支持 SM1 算法

支持包括透明文件、定长记录文件、循环记录文件、钱包文件等多种文件类型

文件支持明文、密文、明文 +MAC、密文 +MAC 四种认证方式

支持多级分散的密钥管理体系

7816 时钟频率：1 ~ 5 MHz

SPI 通信速率支持 1 ~ 10 MHz

数据保存时间大于 10 年，EEPROM 擦写次数大于 50 万次

支持休眠模式

封装形式：DIP8/SOP8/SOP14/SOIC8

工作温度：-40℃ ~85℃

工作电压：2.7V~5.5V