智能电源和管理-智能电表-电能表
参考设计方案一
参考设计方案二
参考设计方案三
参考设计方案四
参考设计方案五
参考设计方案六
参考设计方案七
参考设计方案八
参考设计方案九智能电网从智能电表起步-模拟/电源-与非网
2009年10月，国家电网公司公布了新标准。新老对比，新标准对电表在计量、费控、通信、功耗、电子线路布线等技术指标要求均有了大幅提高，诸多先前对MCU附加功能由可选变成了必选项，更高的计算能力（DMIPS）以满足智能电表的高性能要求；更大的存储容量顺应复杂的数据处理需求；更多的I/O如SPI、I2C、智能卡、UART以及RTC等应对增加的周边器件支持能力。
从欧美国家智能电网发展进程来看，智能电网建设的主要受益者是智能电表生产商和二次设备企业。据悉，中国计划在2010年将有4000万只左右的智能电表装机量，而国家电网也已开始智能电表的招标工作。ADI、Freescale、NXP等国际半导体公司在短期内推出了各自新的智能电表产品和方案，以更加适合智能电表应用的方案，抢得中国智能电网建设的巨大商机。
ADI：汇聚式处理器核心平台
支撑中国乃至全球智能电网的将是通信技术、信息处理技术和控制技术，对应到相关的市场将涉及智能计量（智能电表）、电网智能化（网络基础设施及其控制）以及公用事业的信息技术应用（智能数据管理）。
传统电网向智能电网转变，要求电力设备具有更强的接口能力、通信能力和数据处理能力，这对电力设备的硬件方案平台的选择提出了极高的要求，这也对应了当前工业应用和测试测量的发展趋势，即支持以太网/无线连接实现易用性、针对高品质测量的简单连接、系统的可编程灵活性、从8/16位向32位解决方案转移。DSP+MCU的双处理器方案虽然解决了系统的控制和运算需求，但由此增加了开发复杂性和BOM成本的提高。ADI认为，由于智能电网多种标准共存的必然性，能灵活满足多种标准和功能要求的产品方案非常重要，因此结合了MCU和DSP优势、具有软件设计灵活性和强大处理能力的汇聚式处理器方案平台具有明显优势。
智能电网建设的主要受益者是智能电表生产商和二次设备企业。由于智能电表技术相对成熟，配电网络智能化的发展速度将快于输电网络。在智能电网建设初期，对电网调度系统和数字化变电站为主的二次设备的需求将大大增加，而AMI(高级计量体系)是电网智能化建设的第一步，在智能电网的投资中所占比例最大，主要涉及大量智能电表、传感器等设备。
是ADI公司推出汇聚式处理器，基于由ADI和Intel公司联合开发的微信号架构，它将一个32位RISC型指令集和双16 位乘法累加信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在一起。这种独特汇聚式架构很适合于全信号处理/分析能力要求，同时还可在单内核器件上提供高效控制任务执行能力。这种汇聚架构非常符合包括智能电表在内的智能电网基础设备的数据处理、各种高性能算法（如谐波分析）、通信功能的软件实现，以及对各种系统控制功能的支持。
基于Blackfin处理器的方案可以方便地利用软件来实现不同电力计量相关协议和各种通信协议算法，以及满足各种功能组合要求。 Blackfin处理器的强大处理能力使电力设备制造商能轻松实现各种通用或定制化的功能，能够在不改变(或很少改变)硬件的情况下迅速适应不断发展的标准和新型功能要求，并实现最低价格低至5美元以下。
在外设上，Blackfin系列提供了包括片内Flash、SDRAM或DDR控制器、并行接口PPI、异步串行接口UART、同步串行接口 SPORT、串行主从控制接口SPI、I2C、通用定时器、看门狗、实时时钟、GPIO管脚等，从而给客户提供了极大的设计便利性和丰富的可用片上设计资源。由于Blackfin提供了完整的硬件参考设计和软件开发环境，使得电力二次设备客户方便地进行旧应用方案的移植或重新开发新的应用方案。（如图1）
图1，基于Blackfin处理器的西门子智能电表功能框图
Blackfin处理器得到南京南瑞继保电气有限公司的采用，南瑞继保认为，在电网故障与短暂事件的检测与响应等关键应用中，Blackfin 处理器解决方案能有效地保证国家电网的可靠性。西门子在其最新自动抄表信息系统（AMIS）的智能电表核心引擎采用了Blackfin处理器&& BF531极具成本效益的计算性能。该处理器具有同时作为DSP和MCU进行无缝工作的能力，Blackfin处理器负责计算用户用电情况，并执行电力线调制解调器功能，通过电力线集中器进行高效双向通信，特别适合西门子AMIS高密度处理和动态通信应用要求。
ADI认为，中国政府已拟定智能电网发展规划，并启动了智能电网应用的先导工作，同时基于中国国家电网的统一管理体制，中国将是智能电网技术开发和应用的先行国家。中国无论在智能电网的技术研究还是技术应用上，与任何国家相比并不落后，中国本土企业抓住这波数字化浪潮，必将迎来企业飞速发展的机遇。
Freescale：为国网单相表量身定制
Freescale结合自己单片机产品的特点和电表设计的具体要求，推出了一款完全按国网单相多功能表要求设计的完整解决方案，9S08MZ60基于 Freescale目前主打的S08内核，片内有60K的程序空间和2K的RAM空间，外加功能完善的内部时钟模块；主要的片上外设包括：64引脚封装所提供的55个IO端口；2路硬件异步串口；三个16位定时计数器，总计支持多达10路引脚通道时间控制，其中任意一路均可以通过软件配置成输入脉冲沿捕捉、定时比较电平输出或PWM脉宽调制；共16路输入的8位ADC；另外硬件SPI和I2C模块各一个；还有一个8位的实时计数器可以在芯片休眠时维持定时计数并唤醒MCU；内部总线最高运行速度达20MHz。片上自带在线调试模块，开发调试高效方便。（如图2）
图2，Freescale专门针对中国电表市场推出的8位单片机9S08MZ60
在Freescale的设计方案中充分利用了几乎所有上述模块的硬件固有功能，最大限度地简化外围设计，在保证整体设计功能满足性能最优的同时，降低系统成本。其中：
&MCU工作于内部时钟，摒弃了传统的片外晶体振荡，简化电路，提高可靠性。内部时钟振荡的精度和稳定度通过运行过程中的动态标定来保证；
&2路硬件串口分别用于485抄表和电力线载波通讯。因这两路的通讯波特率最高都是9600bps，用硬件串口实现比较容易；
&16位定时器及其所附的引脚通道实现多种重要功能。首先是产生一个1ms间隔的系统时间节拍，用于所有软件任务的普通定时控制；通道的作用一是实现脉冲输入捕捉，例如检测计量芯片输出的电量脉冲；二是和软件配合模拟实现相对低速的异步串行通讯，这其中包括红外抄表通讯，ESAM和IC卡的ISO7816通讯；
&ADC模块完成两个重要任务，一是对电池电压的监测，二是交流掉电和交流恢复供电的状态检测；
硬件SPI模块则用于和前端计量芯片通讯，节约软件开销；
8位的实时计数器在交流掉电后芯片进入低功耗休眠状态时维持工作，用来周期性唤醒MCU，定时检测并记录开盖、按键、电池电压和交流恢复等状态。
针对特定的国网单相表新规约设计，方案中：计量部分目前设计采用Cirrus Logic的CS5464实现，理论上也支持其它同类的带SPI接口的计量芯片；实时时钟采用业界流行的RTC8025T；EEPROM为 24LC512，具体容量可按实际需要选择；液晶驱动芯片采用BU9792。
综合考虑设计实现的方便性和灵活性，Freescale将整个设计分解成4个独立硬件模块：主板，包含主电源和电池供电系统；MCU、实时时钟、数据存储和ESAM等关键芯片；隔离的485抄表通讯电路；PLC模块接口；开关和按键输入等。计量板，包含计量电路和断路控制继电器。只要改动此计量板，就可以评估不同的计量芯片。显示板，包含液晶屏及其驱动电路；电表的状态指示LED；红外抄表接口。IC卡读卡部分，包含IC卡座及其必要的读卡电路。主板和其他模块板之间都通过插针接口互联。
Freescale中国技术销售经理张明峰介绍，Freescale针对单相电表设计的整个MZ系列产品，从最小的8K/20引脚的 RS08MZ8到最大256K/80引脚的51MZ256，很好地覆盖了从简单单相表到复杂单相多功能表甚至三相多功能表的设计所需。对于此次国网单相表的设计，Freescale预估60K程序空间的S08MZ60应该基本满足设计要求。如果用户的设计增加功能需要编写更多代码的话，该系统可以在不改变任何硬件设计前提下，直接换用性能和引脚完全兼容的S08MZ96（96K Flash）或S08MZ128（128K Flash）的芯片。另外，Freescale还可以提供引脚完全兼容的32位内核芯片51MZ256（256K Flash）。
NXP：非接触式智能电表解决方案
非接触式技术集多种功能于一张卡中，包括电子钱包、公共交通和支付公路费等功能，多项服务集于一身使得运营商在巩固成本的基础上扩大了客户群并增加了收益。非接触式预付费技术，因避免了数据在用户和电网公司之间的传送而更加安全。
非接触式预付费智能电表系统可使智能卡和智能电表系统更加安全。非接触式智能表系统可自我管理，不需要派专人抄表或者派专人管理某处房子的电源系统。系统通信仅限于卡和读卡器之间，不需要将读卡器中的数据再传送到电网公司。消费者通过该系统可清楚地了解自己的使用量，从而会权衡用量并提前为水电消费做出预算。
非接触电表系统包含硬件和软件两个部分。硬件包括一个非接触读卡器，一个主控制器，外围设备，一个天线和配套部分；软件包括微控制器固件，主机驱动程序软件和演示软件。在主控制器上，基于Cortex-M0和Cortex-M3单片机。NXP目前重点智能电表方案包括LPC1700和LPC1100。NXP对Cortex-M0进行了精简处理，指令更易使用，这样便于被原有8位和16位MCU用户接受。由于NXP在M0核上采用C语言编程，使代码效率更高，程序所占容量更小，可节省综合成本。此外，产品基于ARM平台，可以做到无缝快速移植。 NXP认为，统一平台可以节省研发成本，降低研发时间。客户易于获得相关代码、资料和其它资源，并在工具、软件层面上方便获得更好技术支持。（如图3）
图3，NXP含有非接触连接的电表系统的框架图
为使智能表系统正常运行，NXP同时提供了许多配套产品系列，包括微控制器、显示驱动器、实时时钟、逻辑产品（一般产品，串行EEPROM，桥接芯片，UART, 具有I2C的温度传感器），电源管理产品（starplug家庭），普遍适用的分立（BISS晶体管，肖特基二极管，可再生能源技术）和无线通信模块。
NXP研发的产品中包括安全性极高的IC卡，可降低被操控的风险。此卡的读卡器中含有安全访问模块（SAMs），如电子护照一样安全性极高，并满足通用标准EAL5+。这种智能卡充分利用高安全性、低功耗、性能最优化的技术，将用于公钥基础设施的异常强劲的协同处理器和对称密钥加密结合起来支持 RSA, ECC, DES and AES。除提供最优化功能和最高安全性外，它还拥有简便易操作的先进操作系统和开放平台解决方案。
NXP智能识别产品事业部销售经理周波表示，智能电表行业目前还没有完全统一开放的技术标准，尽管现在行业内存在一些标准，但是又出现了一些新的标准。NXP专注于开发支持共同操作的产品，而不是排外的或者专有性质的产品。
中国IC设计业者需快速跟进
智能电网建设涵盖了信息化平台、调度自动化系统、稳定控制系统、柔性交流输电，变电站自动化系统、微机继电保护、配网自动化系统、用电管理采集系统等技术应用。智能电网技术包括相量测量（PMU）和广域测量技术（WAMS）；三维、动态、可视化调度技术；可再生能源发电、电源接入和并网技术；计量（AMI/AMR）技术；需求响应、需求侧管理（DSM）技术；配电自动化&&高级配电运行（ADO）功能；分布式发电技术、电力储能技术等。
根据国家电网公司2009年公布的发展规划，我国智能电网建设分为2009年6月至2010年为规划试点阶段、2011年至2015年是全面建设阶段，到2020年全面建成统一的智能电网。这应该是个有上万亿元投入规模的应用市场，但目前还很难看到中国本土设计公司的身影。据了解，目前国内电表厂家选择的主控芯片绝大部分都是国外芯片供应商，扎堆于消费电子领域的IC设计者们，要有进入被国际公司垄断领地的狼性，靠低价求生存的消费电子市场经营模式已快走到尽头了。ADI也在呼吁：中国本土企业抓住这波数字化浪潮，必将迎来企业飞速发展的机遇。
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第一讲：全面剖析智能电表结构和原理
第一讲：全面剖析智能电表结构和原理
近年来，智能电网(Smart Grid)的建设规模空前，已经是我国电力行业发展的必然趋势。智能电表作为智能电网的重要环节，它的发展对于智能电网的壮大具有不可替代的作用。下面是智能电表的一些基本知识，包括智能电表的结构分类、工作原理和特点等，从中你还可以了解到智能电表能带给用户的哪些好处，其智能关键表现在哪些方面？
一、智能电表的定义
所谓智能电表，就是应用计算机技术，通讯技术等，形成
近年来，智能电网(Smart Grid)的建设规模空前，已经是我国电力行业发展的必然趋势。智能电表作为智能电网的重要环节，它的发展对于智能电网的壮大具有不可替代的作用。下面是智能电表的一些基本知识，包括智能电表的结构分类、工作原理和特点等，从中你还可以了解到智能电表能带给用户的哪些好处，其智能关键表现在哪些方面？
一、智能电表的定义
所谓智能电表，就是应用计算机技术，通讯技术等，形成以智能芯片（如CPU）为核心，具有电功率计量计时、记费、与上位机通讯、用电管理等功能的电度表。
智能电表通过用户交费对智能IC卡充值并输入电表中，电表才能供电，表中电量用完后自动拉闸断电，从而有效地解决上门抄表和收电费难的问题。并对用户的购电信息实行微机管理，方便进行查询、统计、收费及打印票据等。
二、智能电表的结构分类
目前，国内智能电度表从结构上大致可分为机电一体式和全电子式两大类。机电一体式，即在原机械式电度表上附加一定的部件，使其既能完成所需功能，又能降低造价且易于安装，一般而言其设计方案是在不破坏现行计量表原有物理结构，不改变其国家计量标准的基础上加装传感装置变成在机械计度的同时亦有电脉冲输出的智能电表，全电子式则从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件，从而取消了电表上长期使用的机械部件，与机电一体化电度表相比具有电表体积减小，可靠性增加，更加精确，耗电量减少，并且生产工艺大大改善，不必只在原有意义上的专业电度表厂生产等优越性，最终会取代带有机械部件的计量表。
1、机电一体式的电度表
第一类机电结合的电度表，是在原有的机械表的基础上，加装电子式计数装置和相应的控制、通讯电路，或加上IC卡读写接口以实现自动计量计费和控制；其基本结构是在原有机械电度表的转盘上打孔或涂（贴）上能吸收光线的材料。这类电度表由于其计量原理没有改动，其计量精度和特性与机械表完全一样，而成本相对较高，其优势在于能充分利用现已安装使用中的大量的机械电度表，且其计量原理为大众所熟悉而容易接受。
另一类机电结合的电度表则是采用电子式计量电路在获得数字式脉冲信号后，通过微型电机驱动字码转轮得到电能计数 值，这种结构是最简洁可行的电子式电度表的方案，但遗憾的是其对计量电路的要求较高，即要求所有的表都按一个固定的比例将电能值转换为对应数量的数字脉冲，才能按正确的速度驱动微电机以转动字轮。这个比例就是所谓的电表常数（imp/kWh），由于电路中所用的决定脉冲速度的定时元件大都是参数离散性较大的阻容元件，为了保证电度表的计量精度和产品的一致性，就必须在生产过程中加强对元件的筛选和对半成品的调校，也就是说要增加相应的人力物力的投入并要延长生产周期，从而使电度表的生产费用和成本有所增加。另外这种结构的电度表在数据收集和用户缴费方式上与老式的机械表没什么区别，应属淘汰产品。
机电结合（一体式）的电度表
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2、全电子式电度表
当前电子式电能表对用户用电采样方式主要有两种形式。一种是用互感器采样，另一种为直接采样。采用互感器采样即利用电压互感器和电流互感器分别来采集用户的电压信号和电流信号；直接采样则是用热稳定性高的电阻分压网络来取得电压信号，而用电阻温度系数非常小的锰铜片进 行电流直接采样。采用互感器采样，在起动电流、线性范围、功耗和精度等指标皆不如直接采样，尤其是小电流时更为突出。 例如：额定电流为20A时，直接采样的启动电流为20mA，互感器采样的启动电流为40 mA。又如：采用专用的锰铜片进行直接电流采样的全电子电能表误差可调整到+0.5％，而采用电流互感器采样，由于激磁电存在，若不采取补偿措施，互感器本身误 差就可能超过5％。利用互感器采样的的优点是抗干扰性较强，线路简单，成本低。
全电子式电能表
三． 智能电表的工作原理和特点
1. 智能电表的工作原理
用户持IC卡到供电部门交款购电，供电部门用售电管理机将购电量写入IC卡中，用户持IC卡在感应区刷非接触式IC卡（简称刷卡，下同），即可合闸供电，供电后将卡拿走。当表内剩余电量等于报警电量时，拉闸断电报警（或蜂鸣器报警），此时用户在感应区刷卡即可恢复供电；当剩余电量为零时，自动拉闸断电，用户必须再次持卡交费购电，才可以恢复用电。
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。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。
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。
（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、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。
四、智能电表带给用户的好处
智能电表较普通机械式电能表有着计量更精准、智能扣费、电价查询、电量记忆、余额报警、信息远程传送的优势。
对电力公司而言，采用智能电表可省去人工抄表的成本，并且减少窃电的损失。除此之外，电力公司利用智能电表取得客户的用电量资料后，再用Internet的方式实时回传给用户参考，客户可据以分散用电的时间(因尖峰时段费率高)，作电力使用的管理，达到节省电费成本的效益。
对政府而言，智能电表有助用户节约用电，可以达到节能减碳的政策目标。
对于用户来说，可以节省电费开支，用户可充分利用峰、谷电价的差异自主定制用电方案，做到用相同的电，花最少的钱。
五、智能电表智能在什么地方
消费透明，用相同的电花最少的钱
使用智能电表后用户可以通过互联网查询到自家电表在任 意时段的用电量，帮助自己揪出家里的&用电大户&，同时也可以帮助居民改变不科学的用电习惯。比如，一些居民习惯把热水器长期开着让水保温，晚上睡觉时又不关电视机的总电源开关等。&
智能电表的液晶显示屏上会时刻显示此时的电价是多少，它能带给市民什么样的帮助呢？那就是用户可以充分利 用峰、谷电价的差异，自主定制用电方案。比如用电热水壶烧开水，可以推迟一会到电价便宜的时候再用，这样能做到用相同的电，花最少的钱。液晶显示屏上还能显示当前剩余金额、当月使用的电量、使用时段的电价等，用户能据此来判断当前用电状况。
即充即用，交费快速而便捷
安装了智能电表后，用户可以提前在电表中预存一定数额的电费，这样在相当一段时间之内都不用再往银行或者营业厅跑了。当然，这也意味着换装智能电表后，您在 买电时只能在电表中预存电费而不是电量，您在家中的电表里可以查到还剩下多少电费，而不再像现在一样查到的是剩余的电量。
此外，您还可以定期从银行直接往电表内转账划钱。而通过信息交互功能，您能对家中用电情况一清二楚。当电表中的余额少于一定的数值时，电表会提醒用户及时充值，当里面的电费用光时，会自动断电。
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智能电表真“敏感” 不拔插座也计量
关了电器但没有关闭电源开关或是没有拔掉电器插头，仍有微小电能在损耗。比如，根据他们经验和粗略测算，一台34英寸电视机，每天待机20小时，耗电0.3度左右，一个月下来就会将近10度电。
&&& 家住长风街的秦女士自从搬了新家，换用新的后，每月的电费要比原来多出十几块钱，明明电器没有增加，用电时间和原来也一样，怎么电费就&莫名&增加了？难道是新电表&走得快&？近日，她向太原供电公司亲贤营业厅反映了自家的这一问题。&&& 秦女士遇到的问题有一定普遍性。据供电客服热线95598统计表明，像秦女士这样发现自家电费比过去&无端&增加的市民还有不少，大家都怀疑是新装的智能电表在&作怪&。&&& 对此，太原供电公司营销部电能计量管理技术人员吴志刚说，这主要是因为，相比原来的机械电表，新换的智能电表灵敏度较高，居民家里平时浪费掉的微小电量都会被&捕捉计量到&，所以电费才会有所增加。而这种智能表，事先都经过检测，确认符合标准才能安装在居民家里。&&& 家里怎么还会浪费掉微小电量？吴志刚介绍，电器待机时，就是关了电器但没有关闭电源开关或是没有拔掉电器插头，仍有微小电能在损耗。比如，根据他们经验和粗略测算，一台34英寸电视机，每天待机20小时，耗电0.3度左右，一个月下来就会将近10度电。如果用的电器越多，功率越大，花的冤枉钱会更多，这一点，很多市民并不清楚，误以为关了电器就不再耗电。采访秦女士等十几位市民，他们也都表示，平时关了电器，没有再切断电源的习惯，也有的认为家电待机耗不了多少电。&&& 吴志刚还算了一笔账，如果一个家庭配备电视机、空调机、台式电脑、饮水机等各一台，这些家用电器按每天待机20小时计算，一个月将至少多耗电30多度。目前我市民用电每度的价格为0.477元，如果在不使用这些家用电器时，再切断电源，那么每个月至少会省下近15元钱，一年下来能省170元左右。&&& 因此，吴志刚通过本报告知广大用户，养成好的用电习惯，既省电，又安全，家里的电器不用时，要切断电源或拔下插头。如果电器插座用开关控制，通过开关就可以切断电源，不需要再拔下插头，更简单易。
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