本发明涉及交流电过电压、过电流换档及保护，特别是电度表“用电高峰”和“用电低峰”实行分段计量收费的装置和方法。

公知的交流电过电压、过电流换档装置，都是把交流电整流，经大时间常数（一个周期以上）的积分滤波变成直流后再进行比较放大和控制。由于这种装置时间常数较大，换档速度低。因此在计量中使用有很大的附加误差，在保护中使用有很大的不可靠性。特别是在世界能源紧张的情况下，实行用电低、高峰分段计量收费，以促使用户在用电低峰时多用电、用电高峰时少用电是节省能源的重要途径。而公知的用电低、高峰分段计量计价是分时区计量计价的办法。这种办法将每天划分出若干计价时区，分别计量后再分别计价。显然它需要有一个十分精确的时钟系统，特别是由于电度表分散在各用户，无法实施经常有效的校对，时钟误差会逐步积累，以至使用电高、低峰时区完全错位，无法使用，尤其当停电造成时钟不运行时，这种误差的积累将导致这种方法完全无法使用。由于这些主要原因，这种方法无法被普遍推广。

本发明的任务是发明一种反应灵敏迅速的过压、过流换档及保护装置，用过电压或欠电压区分“用电高峰”和“低峰”的新方法，采用本发明的装置达到“用电高峰”和“低峰”分段计量的目的。

图1、2给出了本发明的框图。本发明有取样单元（1）、正半周样本电平形成电路或锯齿波形成电路（2）、负半周样本电平形成电路或锯齿波形成电路（3）、正半周样本清零电路（4）、负半周样本清零电路（5）、比较放大器（6）和（7），选通电路（8）、控制执行单元（9），（10）是换档控制或保护控制的目的执行部件，当换档控制的是电度表时，它可以是电度表的电压绕组，电流绕组或阻尼、计数系统或多个计量系统的切换装置。在以下说明中均以（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）的公共线为零电位。

A、B两端是装置的输入端。当输入交流电压Ui在“A”端相对于“B”端为正的半周即正半周（反之为负半周一以下同）时，（1）按比例取出正半周样本信号选通进入（2），负半周样本信号进入（3），（2）和（3）的主要部分由积分电路构成。它们分别将正半周信号和负半周信号积分产生与输入电压Ui正半周和负半周成比例的电平信号，（4）保证在正半周信号进入（2）时，即负半周结束时刻产生清零脉冲，瞬间把（2）清零，（5）则保证在负半周信号进入（3）时，即正半周结束时产生清零脉冲，瞬间把（3）清零。于是由（2）在正半周结束时及由（3）在负半周结束时产生的样本电平将分别与输入电压的正半周和负半周成比例。（2）和（3）的积分电路上还可并联一个放电电路，由于放电电路使积分电路不积分后会放电，因此（2）和（3）将形成一个锯齿状样本信号，其中（2）中形成的信号电压是在正半周内达到最大值且其后一直放电下降到下一个正半周重新积分充电为止，而（3）中形成的信号电压是在负半周内达到绝对值最大且其后一直放电，电平上降到下一个负半周重新积分充电为止。锯齿电压的幅值、下降（上升）速度、直流分量都与输入电压的正、负半周成比例。（2）和（3）分别输至（6）和（7）的一个输入端上。而（6）和（7）的另一个输入端分别接基准电压Uz2和Uz1（这两个基准电压的绝对值一致）上，（6）和（7）是高电压增益的比较放大器，样本信号和基准电压稍有差别，（6）和（7）就输出高电平“1”或低电平“0”。（8）是选通电路，G是（8）的选通控制端，选通控制信号取自输入电压（或电流），当输入电压（或电流）是在负半周时，G控制（8）保证把（6）和（9）接通，就是说（6）两个输入端即样本信号和Uz2在进入负半周后的比较结果控制（9）。如果（2）没有并接放电电路，那么进行负半周后（2）中的电平信号仍是正半周积分的样本电平，这个电平与Uz2相比“高”还是“低”，将在负半周刚到来时产生“比较结果”-控制（9）的指令，这种状态在负半周内基本不变（相对而言）。如果（2）并有放电电路，这时情况就不一样了：刚进入负半周时，样本电平也许比Uz2高，但再过一段时间（或移动一个相位角）后，随着样本电平下降就可能变为比Uz2低（当然也许样本电平始终比Uz2低），于是，输入电压幅度不同就可以造成在负半周不同时刻（或不同相位）上（2）的输出改变状态，从而实现“电压-转相”控制。当输入电压（或电流）是在正半周时，G控制（8）保证（7）和（9）接通，样本电平和Uz1在（7）中比较，并将进入正半周后的比较结果控制（9）。和正半周的情况类似，如果（3）没有并接放电电路，那么进入正半周后（3）中的电平信号仍是负半周积分的样本电平，这个电平与Uz1相比“低”还是“高”，将在正半周刚到来时产生“比较结果”-控制（9）的指令，这种状态在正半周内基本不变。如果（3）并有放电电路，则同样会随输入电压高低引起（7）在正半周不同相位、时刻改变（9）的状态，从而实现另一个半周的“电压-移相”控制。（8）也可以通过（9）本身具有的选通功能实现，比如（6）只控制负半周才能导通、（7）只控制正半周才能导通的单向控制部件如三极管、场效应器件、晶闸管等，这时（8）和（9）就成为一个部件，而控制端G的功能已被控制部件的单向特性完成。

如果取样电路（1）不从输入电压Ui上取样，而从换档装置的输出侧取样，那么整个换档、保护控制将取决于输出电压。如果取样电路（1）不从输入电压或输出电压上取样，而从串联在执行部件（9）所在回路中电阻、电感或其他“电流-电压”转换电路上取样，即样本信号与回路电流成比例时，输至（2）和（3）的信号就将是与流过回路中的电流成比例的样本信号，于是本发明的装置成为过电流换档、保护装置。当进行电流取样时，样本信号一般较小，因此样本信号在进入（2）和（3）前或进入（6）和（7）前需加放大器（11）和（12）放大，放大后再将信号送（6）和（7）。当然在过电压换档、保护装置中如样本信号不够大，同样也可以在信号进入（6）（7）前加放大器（11）和（12）进行予放大。

放大器（6）和（7）输入端分别有“+”端和“-”端，改变接法可以改变输出控制的逻辑关系，即过电压（或过电流）时，（9）由“通”或“关”变为“关”或“通”的换档、保护控制。

“用电高峰”和“用电低峰”是总负荷高和低的代名词：由于发电机本身内阻及传输线电阻的存在，当总负荷重（即“用电高峰”）时，发电机内阻及传输线电阻上的压降增加，表现出端电压下降，而总负荷轻（即“用电低峰”）时，发电机内阻及传输线电阻上的压降减小，表现出端电压上升。因此，端电压的升降本质上就是“用电高、低峰”的外部表现。因而用实际端电压相对于标准端电压的“高”还是“低”，可以简单而准确地定义“用电高峰”和“用电低峰”。特别需要指出的是，电网供电真正会对负荷造成不良影响的最主要原因正是用电高峰造成端电压过低，因此，用端电压高低来定义“用电高峰”和“低峰”，并以此区、别收费，使用户在端电压低时少用电，电压高时多用电，无疑是均衡用电的最佳决策。根据这个道理，本发明的方法是在电度表中加装“过电压换档装置”。当电压超过设定值（“用电高峰”和“用电低峰”的划分标准值）Us后，把电度表中的电压线圈或电流线圈、或阻尼、计数系统自动切换换档（换档就是变更抽头、并入或串入阻抗部件等），使电度表每千瓦时的读值（对机械计度的表来说，使每度的转数减小）缩小固定的比例数K。也可以在电压低于Us后，使电度表每千瓦时的读值扩大一个比例K。这样一来，虽然用电高峰和用电低峰没有分别计量，但由于用电高峰和用电低峰同样消耗一度电后，实际指出的度数不同，因而按这种电度表记录的度数收费，本质上已经实现了“高峰”、“低峰”的分别计价。自然，其中的K值，反映计价政策的需要，K值越大，对用电低峰用电的刺激力就越大。

由于各用户与变电站距离不同，变电站到用户的传输线电阻不同，每个用户“用电高峰”时的端电压有一定差别，而用电低峰时的端电电压也有差别（但这时的差别较小，因这时负载电流很小，发电机内阻及传输电阻上的压降较小），即在24小时内平均电压会有商别。如果按端电压高低来区别用电低高峰，那么位置在平均电压低一些地方的用户，比平均电压高一些地方的用户，相对而言将会有长一些的时间处在“用电高峰”内，因而用户与用户之间按计高、低价时间衡量就产生了“机会不均等”。当有必要解决这个问题时，可采用以下一种或几种办法结合解决：1.分区域分档设置Us的方法：由权威管理机关按变电站与用户的半径距离划出若干区域，每一个区域规定一个标准的用电高峰和低峰的电压界限标准Us。比如将用电高峰或低峰分别定Us在235V、230V、225V等，再由Us决定输入（6）、（7）的Uz2和Uz1，在用户电表安装时调好。当然也可通过调整取样比例实现。

2.自动补偿的方法：将输入（6）、（7）的基准电压Uz2、Uz1的绝对值通过电路自动实现与24小时内的端电压平均值成比例关系，即24小时内端电压（即电度表的输入电压）的平均值低时，Uz2、Uz1的绝对值亦适当降低;而平均值高时，Uz2、Uz1的绝对值也适当升高，这样就实现了不同区域内的自动补偿，使用户获得更均等的机会。实现这种比例关系较简单的方法是将电网电码坟分压后经整流滤波（时间常数很大，即在24小时一个周期内电压变化不大）后产生基准电压Uz2、Uz1。复杂一些的办法是采用脉冲与数字电路，将电度表实际处在“用电高峰”或“低峰”的时间进行累计（比如在（9）执行换档指令时，产生一个逻辑“1”与时钟脉冲相“与”，然后进行计数），当时间超过设定值（比如规定24小时中每个用户定为有12小时的时间作为用电低峰”，那么这个12小时即为设定值）时，通过D/A转换技术及其他控制技术产生动态的Uz2、Uz1的修正量。通过经常的动态修正，使电度表实际工作在“用电低峰”的时间自动校正在设定值左右。

3.收费时补偿的办法：在电度表中装的过压换档装置，其Uz1、Uz2是按统一标准设定的，不加补偿。但在实际收费时，按与变电站的半径距离分区加权的办法收费，这是一种事后弥补的办法。

用装置中的控制执行部件（9），控制目的部件（10）的抽头、并入或串入阻抗部件的档端，则构成过压、过流换档装置，若（9）控制的（10）是保护电路的开关则构成过压、过流保护装置。

本发明的特征是：

a.正半周样本信号是在正半周内由（2）积分形成，而只在负半周内经（6）与基准电压Uz2比较产生控制指令，由（9）执行，正半周取样、负半周控制是通过选通电路（8）或由有单向控制特性的（9）实现的。

b.负半周样本信号是在负半周内由（3）积分形成，而只在正半周内经（7）与基准电压Uz1比较产生控制指令由（9）执行，负半周取样、正半周控制是通过选通电路（8）或由有单向控制特性的（9）实现的。

c.有清零电路（4），它在正半周到来及负半周结束时将（2）清零，保证（2）输出的样本电平与正半周输入电压（或电流）成比例，有清零电路（5），它在负半周到来及正半周结束时将（3）清零，保证（3）输出的样本电平与负半周输入电压（或电流）成比例。

d.用于电度表“用电高峰”和“用电低峰”分段计量时，是通过端电压相对于标准电压Us在“用电高峰”时“低”及“用电低峰”时“高”的规律性，在电度表中加装本发明“过电压换档装置”，使电度表中的电压线圈或电流线圈，或阻尼、计数系统由（9）换档（即变更抽头、并入或串入阻抗部件等）实现的。

本发明的装置和方法，由于正半周取样后，即在负半周实施控制，负半周取样后又即在正半周实施控制，且每次取样前即进行清零，因此，样本信号没有积累误差;样本信号和基准比较后的结论都移相（小于180°）后执行，从总体上看没有因控制延迟滞后带来误差和不稳定，实现了灵敏迅速的过压、过流换档和保护。同时用过压（或欠压）划分“用电高峰”和“用电低峰”，并在电度表中用过压换档的办法实现了“用电高峰”和“用电低峰”的分段收费，方法简单，无积累误差，易于普遍实行。

图3、图4给出了本发明所述装置方法的实施例。

取样单元（1）是并联在输入端、或输出端（即（10）两端）的电阻R1和R2（或电感、变压器、光敏、压敏、热敏器件组成的耦合器）分压构成，或由串联在负载电路中的阻抗Z1（或电感元件）构成，取样信号选通进入（2）和（3）是通过二极管D2、D3或三极管T4和T6、T3和T5实现的。（2）和（3）主要由积分电容C2和C1构成，当作移相控制时，其旁并有电阻R6、R7，电容C2和C1一端可以按（4）、（5）、（6）、（7）的公共端，也可分别接到负电源和正电源上。清零电路可以由NPN型三极管T2和PNP型三极管各T1及电阻R8、电容C3组成的微分电路构成，微分电路的输入脉冲可以是由输入电压Ui降压箝位产生，在输入电压负半周要结束时，由于箝位电路产生一正跳沿（本实施例中电阻R9、二极管D3、D4、电容C4、C5组成（6）、（7）的正负电源，同时在R9与D3、D4的连接处即G端产生与Ui同频率、同相位的方波脉冲），经微分后的脉冲正好使T2瞬间通导，使C2清零，正跳脉冲同时加在三极管T1上，但对T1不起作用。在输入电压正半周要结束时，由于相位电路产生一个负跳沿，它经微分电路加在T1的基极，使T1瞬间短路电容C1，使之清零。放大器（12）、（11）可以由三极管T4、T6和T3、T5分别组成，当有负载电流流过电阻Z1时，T4和T3分别在正半周和负半周产生集电极电流，负载电流越大，集电极电流就越大，通过T6、T5向电容C2、C1充电的电流就越大，在半个周期内C2、C1上的电荷量就越多，样本电平的绝对值就越高。放大器（11）和（12）还可以用其他放大器来实现。选通电路（8）可以由“或非”门HF和“与非”门YF组成，“或非”门和“与非”门的公共端可以接在电阻R9和D3、D4的连接处G端，“或非”门的另一端接（6）的输出，而“与非”门的另一端接（7）的输出。“或非”的是在G端为负电平时把（6）和（9）接通，而“与非”门是在G端为正电平时把（7）和（9）接通。

本装置和方法在电度表中作“用电高峰”和“用电低峰”分段计量使用时，A、B两端接在电度表输入电压端上，在电度表电压绕组L与B端间串入分档阻抗Z2（Z2的大小由权威管理机关确定，由它决定比例系数K），（9）可以由双向可控硅KG（或继电器、三极管、场效应管）构成，NPN型三极管T8，PNP型三极管T7，电阻R10，R11和电容C6、C7构成KG的触发电路，T7、T8的发射极接KG的控制极，KG和Z2并联。按实施例给出的电路，当输入电压Ui超过设定值Us后，（6）在负半周到来时，C2上的电平将超过Uz2，（6）输出高电平，“HF门”输出低电平，T8截止，KG在负半周不导通，而（7）在正半周到来时，C1上的电平绝对值将超过Uz1，（7）输出低电平，“YF门”将输出高电平，T7截止，KG在正半周也不导通，于是Z2串入电压线圈L中，电度表实现“用电低峰”计量数缩小一个比例的目的。同时，由于Z2的串入使电度表在夜间的功耗大大减小，大量节约电能。反之，当输入电压Ui低于设定值Us后，KG将在正负半周内都导通，Z被短路，电度表按正常转速计量。电阻R10、R11和电容C6、C7，可以提高触发功率，C6在正半周被充电，在负半周到来时，若T8导通可以瞬间提供大触发电流，C7在负半周被充电，在正半周到来时，若T7导通，可以在瞬间提供大触发电流，保证使KG有效触发，电阻R10和R11分别按在正电源和负电源上。