智能電能表主要故障分析與對策

胡瑛俊，姚 力，吳 幸，周 佑

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

智能電能表是AMI（高級量測體系）建設(shè)中重要的組成部分，其作用不僅僅是計(jì)量設(shè)備的電能消耗，同時(shí)也作為用電信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息源頭以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)[1，2]。隨著大規(guī)模的應(yīng)用，智能電能表運(yùn)行質(zhì)量對于供電企業(yè)和電力消費(fèi)者顯得尤為重要。

從智能電能表運(yùn)行現(xiàn)狀與故障發(fā)生種類、特點(diǎn)入手，分析智能電能表常見故障現(xiàn)象和故障原因提出相應(yīng)防范措施，可為快速甄別、處置智能電能表故障提供幫助。

1 智能電能表運(yùn)行故障統(tǒng)計(jì)

截止2014年8月，浙江電網(wǎng)累計(jì)安裝智能電能表18657164只，總體運(yùn)行情況良好。智能電能表運(yùn)行發(fā)生的故障種類分為電能表燒毀、時(shí)鐘電池故障、時(shí)鐘異常、外觀破損、繼電器故障、通信故障、顯示故障、誤差超差、數(shù)據(jù)異常、停止工作及其他等11個(gè)大類，具體統(tǒng)計(jì)情況見圖1。分析2013年、2014年智能電能表運(yùn)行質(zhì)量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)智能電能表運(yùn)行故障有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）電能表燒毀、時(shí)鐘電池失壓、時(shí)鐘異常、外觀破損和繼電器故障等在故障中比例較高，占所有故障的82.5%。

圖1 浙江電網(wǎng)2013年、2014年智能電能表故障統(tǒng)計(jì)

（2）故障發(fā)生率與社會用電量以及環(huán)境因素有著密切聯(lián)系，極端天氣越多、社會用電量越大，則故障率越高。

（3）運(yùn)行故障率與電能表的使用時(shí)間成正比，使用時(shí)間越長，故障率越高。

（4）故障發(fā)生既有電能表元器件質(zhì)量、生產(chǎn)工藝等原因，也存在安裝施工質(zhì)量、外部因素等原因。

2 智能電能表主要故障的原因分析

2.1 智能電能表燒毀

電能表燒毀在運(yùn)行故障中所占比例最高，嚴(yán)重影響了供電企業(yè)電費(fèi)回收等工作，甚至還可能引發(fā)傷人或火災(zāi)等安全事故，有整表燒毀、接線端鈕盒熔化變形、表內(nèi)電流互感器或繼電器燒毀等情況。

智能電能表燒毀的主要原因：

（1）智能電能表安裝、接戶線和進(jìn)戶線連接不規(guī)范。部分智能電能表安裝在半露天狀態(tài)，雨水侵襲，易造成智能電能表長期受潮甚至雨水經(jīng)接戶線順入表箱或表尾，致使絕緣破壞。

（2）裝表人員在接線時(shí)未擰緊電流端子螺絲，因接觸不良致使接觸電阻增加，產(chǎn)生高熱，引發(fā)接線端鈕盒熔化變形。

（3）某些大用戶存在私增用電容量現(xiàn)象，負(fù)載電流超過智能電能表承受范圍。

（4）表內(nèi)元器件失效、被擊穿，或其他外部設(shè)備引發(fā)整表燒毀。如劣質(zhì)電動車充電器產(chǎn)生的電壓振蕩與諧波，引起因阻容分壓元件過壓而燒毀；雷電的侵入，使電源模塊中處于劣化與失效狀態(tài)下的壓敏電阻產(chǎn)生大量的熱量、出線開關(guān)質(zhì)量差等均可能導(dǎo)致智能電能表燒毀。

（5）不排除極個(gè)別用戶，為少支付電費(fèi)而故意燒毀智能電能表行為。

2.2 時(shí)鐘電池故障

時(shí)鐘電池是保證智能電能表計(jì)時(shí)準(zhǔn)確、停電液晶顯示、開蓋事件記錄等功能正常運(yùn)行的基礎(chǔ)[3]。考慮到智能電能表電池的要求，生產(chǎn)廠家普遍采用鋰亞硫酰氯電池。時(shí)鐘電池電路見圖2。

圖2 時(shí)鐘電池電路

圖中，電源經(jīng)降壓、整流、濾波后由三端穩(wěn)壓管7805穩(wěn)壓和二極管D10提升為5.7 V，并通過二極管D11與D12的降壓后分為兩路（即VDD和ZVCC節(jié)點(diǎn)）分別為智能電能表相關(guān)數(shù)據(jù)電路與載波通信等模塊供電。當(dāng)電源正常供電時(shí)，VDD為5 V，大于時(shí)鐘電池BT1的電壓3.6 V，二極管D9截止，即由電源供電，電池不供電。當(dāng)VDD電壓小于3 V時(shí)，二極管D9導(dǎo)通，由時(shí)鐘電池供電。BATC為時(shí)鐘電池BT1的電壓檢測引出腳。時(shí)鐘電池故障主要現(xiàn)象有：液晶屏顯示“ERR-04”或電池欠壓指示標(biāo)識；停電后液晶顯示無法正常喚醒；時(shí)鐘異常以及停電時(shí)數(shù)據(jù)保護(hù)、停電事件寫入失敗等。時(shí)鐘電池故障主要原因包括智能電能表軟硬件缺陷、電池本身質(zhì)量以及電池鈍化等。

硬件缺陷包括時(shí)鐘電池自身內(nèi)部微短路、外圍設(shè)計(jì)不合理、相關(guān)元器件損傷、助焊劑殘留等，智能電能表在震動、高溫高濕、雷電、大負(fù)載等特殊環(huán)境下線路板有可能形成新回路，造成不必要電池消耗。

軟件設(shè)計(jì)缺陷主要為停電后MCU（電能表微處理器）無法入低功耗狀態(tài)，電池因持續(xù)對MCU放電，導(dǎo)致容量過早耗盡。

另外，電能表入網(wǎng)前停電喚醒頻率偏高、電池內(nèi)部有雜質(zhì)、密封不良等本身品質(zhì)問題以及長期小電流下產(chǎn)生的電池鈍化問題，也是造成時(shí)鐘電池故障的原因。

2.3 時(shí)鐘異常

智能電能表可能對電量進(jìn)行多時(shí)段多費(fèi)率的計(jì)量，記錄存儲用戶用電數(shù)據(jù)和相關(guān)事件，因此要求具有準(zhǔn)確的時(shí)鐘單元。國家電網(wǎng)公司智能電能表技術(shù)規(guī)范[4，5]對時(shí)鐘單元在參比條件和工作溫度范圍下的時(shí)間偏差均做出了要求。

現(xiàn)有智能電能表時(shí)鐘單元的實(shí)現(xiàn)方案主要有獨(dú)立時(shí)鐘芯片模式和電表芯片的SOC（電能表專用芯片）模式[6]。前者時(shí)鐘芯片本身帶有計(jì)時(shí)和溫度補(bǔ)償功能單元，MCU可通過IC總線與時(shí)鐘芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。后者將時(shí)鐘電路RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）與LCD（液晶顯示器）驅(qū)動模塊、MCU等集成在專用芯片上，通過電容、數(shù)字補(bǔ)償?shù)仁侄未_保時(shí)鐘準(zhǔn)確。

時(shí)鐘異常現(xiàn)象主要為日期或時(shí)間的失準(zhǔn)，液晶屏顯示“ERR-08”，時(shí)鐘異常的主要原因包括[2]：

（1）時(shí)鐘電池欠壓或電源設(shè)計(jì)的缺陷引起，導(dǎo)致時(shí)鐘電路斷電不工作。

（2）對采用SOC模式的智能電能表，外部晶振負(fù)載電容參數(shù)、擬合頻率溫度曲線、電容頻率曲線及計(jì)算補(bǔ)償數(shù)據(jù)算法不合理，使時(shí)鐘失準(zhǔn)。

（3）MCU與時(shí)鐘芯片時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由于外部干擾、波形失真等原因，使時(shí)鐘數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生紊亂。

（4）制造工藝方面，線路板助焊劑殘留，在潮濕環(huán)境下對晶振頻率影響較大，進(jìn)而引起時(shí)鐘失準(zhǔn)。另外，晶振、時(shí)鐘芯片等元器件管腳的虛焊、短路等情況也有可能造成時(shí)鐘失準(zhǔn)。

2.4 繼電器故障

繼電器及其相關(guān)電路作為智能電能表用戶用電的控制單元，是實(shí)現(xiàn)供電企業(yè)對用戶跳閘、合閘等遠(yuǎn)程控制的關(guān)鍵。現(xiàn)有的智能電能表普遍采用磁保持繼電器[7，8]。智能電能表控制電路原理見圖3。

圖3 智能電能表控制電路原理

圖中，R+，R-接MCU I/O口，A，B接磁保持繼電器線圈引腳。當(dāng)R+為高電平，R-為低電平時(shí)，三極管 Q8，Q9，Q13導(dǎo)通，Q10，Q11，Q12截止，電流由B流向A，繼電器閉合。當(dāng)R+為低電平，R-為高電平時(shí)，三極管Q8，Q9，Q13截止，Q10，Q11，Q12導(dǎo)通，電流由A流向B，繼電器斷開。當(dāng)R+與R-同時(shí)為高電平或低電平時(shí)，繼電器不動作。繼電器激勵(lì)時(shí)間一般不小于30 ms，當(dāng)激勵(lì)結(jié)束后，繼電器可仍保持激勵(lì)時(shí)狀態(tài)，不需要連續(xù)通電。

繼電器故障主要表現(xiàn)形式有智能電能表開路、繼電器不動作、燒毀、實(shí)際狀態(tài)與跳閘燈指示不符；對于繼電器外置式智能電能表有電平或脈沖輸出方式錯(cuò)誤等。

引起繼電器故障的主要原因包括硬件、軟件以及繼電器制造工藝和參數(shù)設(shè)置以及使用環(huán)境等方面的因素：

（1）繼電器本身品質(zhì)問題，如觸點(diǎn)容量、觸點(diǎn)絕緣水平、觸點(diǎn)的斷裂變形或者粘連以及激勵(lì)能力缺陷等都是造成繼電器不動作或者智能電能表開路等故障的原因。

（2）軟件設(shè)計(jì)有缺陷、控制輸出參數(shù)配置錯(cuò)誤等，是造成繼電器內(nèi)置式智能電能表繼電器不動作或繼電器實(shí)際狀態(tài)與跳閘燈指示不符，繼電器外置式智能電能表電平或脈沖輸出方式錯(cuò)誤的主要原因。

（3）智能電能表長時(shí)間處于超負(fù)荷狀態(tài)或在超負(fù)荷情況下拉合閘，造成繼電器觸點(diǎn)發(fā)熱變形甚至燒毀。

（4）智能電能表通信異常、安全加密錯(cuò)誤也會造成繼電器動作的失敗。

3 防范智能電能表故障的對策

3.1 防止智能電能表燒毀

（1）在智能電能表設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮壓敏電阻、熱敏電阻、內(nèi)置繼電器等關(guān)鍵元器件選型的冗余度，如使用TMOV（金屬氧化物壓敏電阻）代替現(xiàn)有MOV（壓敏電阻）；硬件設(shè)計(jì)時(shí)增加必要的保護(hù)回路。

（2）表計(jì)安裝場所應(yīng)有防雨、防曬、防雷等措施，防止雨水、雷擊電流等進(jìn)入智能電能表內(nèi)部；提高裝表接電的工作質(zhì)量，加強(qiáng)裝接人員培訓(xùn)考核，避免出現(xiàn)因螺絲未擰緊等原因造成燒表。

（3）充分利用智能電能表過載事件記錄、負(fù)荷記錄以及用電信息采集系統(tǒng)，提前了解用戶超負(fù)荷用電行為，及時(shí)更換更大容量直接接入式電能表或經(jīng)低壓互感器接入式電能表。

3.2 減少時(shí)鐘電池故障

（1）加強(qiáng)智能電能表生產(chǎn)過程中電池等相關(guān)元器件的質(zhì)量控制，在電路設(shè)計(jì)上增加電池防鈍化電路。

（2）供貨前全性能測試以及供貨后全檢等質(zhì)量監(jiān)督過程中，增加對電池硬件質(zhì)量的檢測和可能會導(dǎo)致電池非正常損耗的軟件缺陷檢查，加強(qiáng)電池質(zhì)量的管控。

（3）利用智能電能表電池欠壓提示以及用電采集系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、更換故障電池或電能表。

3.3 消除時(shí)鐘異常

（1）生產(chǎn)廠家應(yīng)加強(qiáng)電源、電池電路設(shè)計(jì)的可靠性，避免時(shí)鐘電路出現(xiàn)斷電；加強(qiáng)生產(chǎn)工藝過程的質(zhì)量控制，避免出現(xiàn)虛焊、短路、線路板污染等問題。

（2）應(yīng)加強(qiáng)擬合頻率溫度曲線、電容頻率曲線及計(jì)算補(bǔ)償數(shù)據(jù)算法以及相關(guān)參數(shù)的驗(yàn)證，避免因軟件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致的時(shí)鐘異常。

（3）充分利用用電信息采集系統(tǒng)的對時(shí)功能，對已投入運(yùn)行的智能電能表時(shí)鐘進(jìn)行對時(shí)，確保時(shí)鐘準(zhǔn)確性。

3.4 防止繼電器故障

（1）在智能電能表控制回路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮繼電器觸點(diǎn)容量，繼電器激勵(lì)電路的激勵(lì)能力、相關(guān)元器件的冗余度、電源負(fù)載能力，并且應(yīng)有繼電器狀態(tài)檢測和保護(hù)電路。

（2）在繼電器等元器件選取上，選用質(zhì)量品質(zhì)高的元器件。電能表供貨驗(yàn)收環(huán)節(jié)應(yīng)開展電能表控制回路軟件正確性驗(yàn)證和針對繼電器的質(zhì)量檢測[7]。

（3）在使用過程中應(yīng)避免長時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行和大負(fù)載電流下的拉合閘對繼電器造成的損壞。

4 結(jié)語

對現(xiàn)場運(yùn)行中發(fā)生數(shù)量較多的電能表燒毀、時(shí)鐘電池欠壓、時(shí)鐘異常、繼電器故障等4類故障進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的故障預(yù)防對策。

下階段，將繼續(xù)分析統(tǒng)計(jì)浙江電網(wǎng)智能電能表運(yùn)行質(zhì)量數(shù)據(jù)，收集現(xiàn)場典型故障案例，利用可靠性分析技術(shù)和科學(xué)統(tǒng)計(jì)手段對智能電能表運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行故障進(jìn)行深入地分析與統(tǒng)計(jì)，進(jìn)一步提高供電企業(yè)對智能電能表質(zhì)量管控水平，降低故障發(fā)生率。

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