余宇紅
(國網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院，上海200437)
摘 要： 智能電能表的可靠性將對智能電網(wǎng)的電能信息采集產(chǎn)生直接影響，也關系著千家萬戶的安全、穩(wěn)定用電，但在使用過程中不可避免會出現(xiàn)各種故障。本文在介紹智能電能表工作原理的基礎上，重點分析智能電能表計量性能故障的原因，并提出改進計量可靠性的相應措施，對智能電能表的生產(chǎn)和應用具有一定的實際參考價值。
關鍵詞： 智能電能表；故障；計量性能；研究
0 引言
智能電能表作為智能電網(wǎng)中的基礎設備，其可靠性不僅關系到電力企業(yè)的發(fā)展、形象，而且關系到電能貿(mào)易的準確、可靠，關系到廣大電力客戶和居民的切身利益。
智能電能表在實際應用中會出現(xiàn)故障，甚至暴露出批次質量問題，因此，對智能電能表的故障進行分析研究具有一定的實際意義。其中，智能電能表計量性能故障是諸多問題中最為常見的一種，且由于計量性能故障現(xiàn)象而引發(fā)的計量糾紛日益增多。所以加強對智能電能表工作原理的了解和對計量性能故障的分析與檢測，對于減少計量糾紛和提高智能電能表的運行可靠性十分必要。
1 智能電能表工作原理
智能電能表由測量單元、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元等組成。其工作原理框圖如圖1所示。
圖1中首先對電力線路電壓和電流進行采樣，然后將采樣的電流、電壓模擬信號轉化為精確的數(shù)字量，送到電能計量芯片中，然后經(jīng)過一系列的數(shù)字處理，轉化成脈沖信號再送給CPU。CPU通過串行接口將計量芯片的數(shù)據(jù)讀出，并根據(jù)預先設定的時段完成分時電能計量和最大需量計量功能，根據(jù)需要顯示各項數(shù)據(jù)，通過紅外、485 接口和載波接口進行通信傳輸，并完成運行參數(shù)的監(jiān)測，記錄存儲各種數(shù)據(jù)。
2 計量性能故障的分析與檢測
根據(jù)國網(wǎng)公司統(tǒng)一發(fā)布的“故障類別和具體故障信息模板”顯示，智能電能表計量性能故障包括：停走、誤差超差、潛動、不啟動等。結合本公司多年什項拆回試驗中智能電能表出現(xiàn)的故障現(xiàn)象及其分布情況得出：計量性能故障約占故障總數(shù)的73%，而其中停走和誤差超差又占其中的99%。所以，本文對產(chǎn)生停走和誤差超差故障原因及其檢測方法展開進一步分析。
2.1 停走故障
在多年的智能電能表拆回試驗統(tǒng)計分析中發(fā)現(xiàn)，比例最高的故障現(xiàn)象為停走，約占計量性能故障總數(shù)的84%。該類故障共同表現(xiàn)為：電能表不計量。根據(jù)其他具體現(xiàn)象的不同，分為以下兩類：
（1）不計量，且液晶無顯示，脈沖無輸出
根據(jù)故障現(xiàn)象初步判斷，內(nèi)部計量芯片、CPU均沒有正常工作，此時故障可能出在電源供電電路上。具體電路圖如圖2。
如上圖所示，外部電源經(jīng)變壓、整流、穩(wěn)壓后對內(nèi)部芯片進行供電。橋式整流D2、D3、D4、D5將交流電壓整流為比較連續(xù)、穩(wěn)定的直流電壓；濾波電容C2、C4、C6、C8對整流后的電壓進行濾波；三端穩(wěn)壓管U2輸出一個穩(wěn)定的+5 V電壓，保證內(nèi)部各芯片正常工作。根據(jù)電能表供電回路的工作原理，檢測使用萬用表直接測量穩(wěn)壓管端U2的輸出電壓，以此電壓值就能判斷電源供電回路是否異常。
根據(jù)電源供電回路發(fā)生故障位置的不同，可分為以下幾種情況：
①變壓器繞組出現(xiàn)斷線、匝間短路或變壓器燒壞；
?、诙O管或三極管等整流、穩(wěn)壓回路元器件損壞；
?、蹆?nèi)部負荷開關觸點斷開。
?。?）不計量，且液晶有顯示，脈沖有輸出
智能電能表主要由兩個功能系統(tǒng)組成：計量系統(tǒng)和CPU處理系統(tǒng)。計量部分由電阻分壓網(wǎng)絡完成電壓信號取樣，錳銅繼電器完成電流信號取樣，取樣后的電壓電流信號送入計量芯片，計量芯片內(nèi)部通過乘法器轉換為功率信號并以脈沖信號輸出，CPU處理系統(tǒng)采樣脈沖信號并同步輸出電能表的校表脈沖，CPU處理系統(tǒng)對采樣到的脈沖信號進行累加，將最終處理的數(shù)據(jù)送存儲器保存，并通過LCD顯示器進行顯示。
從上述故障現(xiàn)象和原理分析可知，有脈沖輸出則表示計量芯片工作正常，故障現(xiàn)象可能出現(xiàn)在CPU與計量芯片脈沖輸出的連接線路上，或者CPU與存儲器、顯示器的連接線路上。此時可查CPU對應管腳的焊接情況，檢查是否虛焊或測量計量芯片輸出腳與CPU管腳連接是否正常。
2.2 誤差超差故障
誤差超差故障也是比較常見的，在多年智能電能表拆回試驗統(tǒng)計分析中，其占計量性能故障總數(shù)的15%。根據(jù)故障現(xiàn)象及其發(fā)生部位的不同，分為以下三類：
（1）誤差跳變，無規(guī)律
本文以RN8209計量芯片為例進行說明，如圖3所示，根據(jù)常見故障發(fā)生部位不同，此類故障又可分為以下兩種情況：
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圖3計量芯片中VREF為計量芯片內(nèi)部基準電壓輸入管腳，為電流采樣、零線電流采樣、電壓采樣的ADC模數(shù)轉換電路提供基準電壓，該基準電壓的合理取值范圍為2.5 V±0.3 V。如果計量芯片內(nèi)置的模數(shù)轉換電路的電壓基準發(fā)生故障，就會造成電流采樣、零線電流采樣、電壓采樣均發(fā)生偏離。該基準電壓一旦發(fā)生偏差，則三路采樣的數(shù)模轉換將失去轉換基準，導致提供給后端電路的數(shù)字信號與實際采樣值嚴重不符。
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在計量芯片系統(tǒng)中晶振（圖3右側）提供計量芯片所需時鐘源，計量芯片的一切指令都是建立在這個基礎上。計量芯片晶振如果發(fā)生故障，會導致計量芯片對采樣信號處理異常，使得計量芯片中的快速脈沖計數(shù)器累計出現(xiàn)異常，從而出現(xiàn)電能表計量不準確的情況。
?。?）誤差超差，有規(guī)律
這里包括三種情況：計量芯片采樣用的電阻、電容及計量芯片虛焊或搭錫，引起采樣信號變化；計量芯片采樣用的電阻、電容在生產(chǎn)中有損傷，在運行一段時間后引起阻值或容值變化，引起采樣信號變化；在生產(chǎn)時由于計量芯片采樣用的電阻、電容及計量芯片管腳沒有清洗干凈，有助焊劑等殘留物，在受潮后引起采樣信號變化。
根據(jù)誤差超差的具體情況可以判斷：如果基本誤差均在功率因素0.5L或0.8C時超差，說明是釆樣用的貼片電容故障；如果基本誤差均在功率因素1.0時超差，說明是采樣用的貼片電阻故障。
?。?）誤差快溢出，或嚴重超差
在歷次分析中還發(fā)現(xiàn)，有些故障發(fā)生時智能電能表脈沖指示燈閃爍異常，出現(xiàn)誤差快溢出現(xiàn)象。經(jīng)過多次開蓋檢測發(fā)現(xiàn)，這種情況很大部分是由于錳銅繼電器（用于電流采樣和負荷跳合閘）在錳銅片部分與采樣線接觸不良、松動斷開等原因造成。接線原理圖如圖4所示。如1、2端點與錳銅壓接不牢固造成1、2之間懸空，從而導致輸入至計量芯片的電流信號嚴重偏離實際值。在懸空情況下，電流信號為無窮大，則產(chǎn)生誤差快溢出，即飛走現(xiàn)象。
3 提高計量可靠性的措施
通過以上分析可以看出，智能電能表計量性能故障主要表現(xiàn)為停走和誤差超差。造成上述兩種計量性能故障的原因可以概括為以下兩方面：內(nèi)部元器件故障；鏈接線路接觸不良或者虛焊。因此，元器件、生產(chǎn)工藝是決定智能電能表計量性能可靠性的兩個關鍵技術因素。
3.1 高質量的元器件
只有使用高質量的元器件才能為高可靠性的產(chǎn)品搭建出扎實的硬件基礎平臺。在元器件質量把關的第一環(huán)節(jié)是對產(chǎn)品供應商的評價與選擇。其次是對自然環(huán)境和人為環(huán)境的有效控制。如自然環(huán)境中溫度和濕度的并存作用往往是引起元器件腐蝕的主要原因；人為因素包括運輸和使用中受到振動、沖擊、碰撞等機械損傷，以及周圍環(huán)境的電磁影響等。所以，生產(chǎn)廠家必須高度重視環(huán)境條件對元器件存儲、運輸、加工等環(huán)節(jié)的影響。
3.2 先進的生產(chǎn)工藝
高質量的元器件最終需要在生產(chǎn)實施環(huán)節(jié)得到體現(xiàn)，只有與元器件特性相吻合的工藝、工裝，才可能生產(chǎn)出具有高可靠性的產(chǎn)品。為此，通過完善工藝結構，改進工藝方法，制定與實施作業(yè)標準等措施，可在生產(chǎn)過程中減少甚至消除影響計量可靠性退化的各種隱患。
4 結論
本文從智能電能表的計量性能故障現(xiàn)象入手，結合其內(nèi)部工作原理，分析產(chǎn)生該現(xiàn)象的各種原因，為智能電能表的故障分析和檢測提供思路，為可靠性制造水平的提升提供參考依據(jù)，對智能電網(wǎng)的建設具有非常重要的現(xiàn)實意義。
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