一起智能電表頻繁掉電重啟事故的原因分析

陳克緒，鄧高峰，朱 亮，趙震宇

（國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，江西南昌 330096）

0 引言

智能電表的主要功能是為用戶提供一個電網(wǎng)的入戶接口，對每戶的電能進(jìn)行計量，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響計量準(zhǔn)確性和公司經(jīng)營效益，關(guān)系著公司的社會形象。2013年8月初，現(xiàn)場運維人員反映A臺區(qū)的多塊Z型號單相費控智能電能表出現(xiàn)頻繁掉電重啟的現(xiàn)象。江西省電力公司計量中心立即安排技術(shù)人員去現(xiàn)場進(jìn)行故障的排查和分析，并從現(xiàn)場帶回故障樣表在試驗室進(jìn)行測試。

1 現(xiàn)場故障情況

1.1 故障表的基本參數(shù)

安裝在上述臺區(qū)的電能表均為某廠家生產(chǎn)的DDZY3-Z型單相費控智能電能表，其基本參數(shù)如表1所示：

表1 故障電能表基本參數(shù)

安裝在該批次電能表上的載波模塊基本信息如表2所示。

表2 故障表所用載波模塊基本信息

1.2 現(xiàn)場確認(rèn)故障現(xiàn)象

按照國網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q／GDW 1354-2013《智能電能表功能規(guī)范》的要求：智能電能表應(yīng)可以記錄掉電的總次數(shù)，以及最近10次掉電發(fā)生及結(jié)束的時刻。在電表安裝位置可以觀察到同一單元安裝的10塊電能表均以不同的頻率反復(fù)重啟?，F(xiàn)場用電能表數(shù)據(jù)抄讀系統(tǒng)對這些故障表進(jìn)行最近10次的掉電記錄的查詢：圖1所示是表號為120000233787的電能表上10次的掉電記錄。

2 電能表掉電重啟的原因分析

圖2所示是該批次電能表的變壓器部分電路；圖3所示是該批次電能表的MCU供電電路原理圖。

圖2 電能表的變壓器部分電路圖

圖3 電能表的MCU供電電路圖

電能表從變壓器的二次繞組端取交流電壓，通過整流得到供給載波模塊的模擬電源VCC_12 V。VCC_12 V作為穩(wěn)壓管7805的輸入，得到約為5.7 V的輸出電壓VCC_5 V7，在其后端再通過二極管降壓后得到約為5 V的直流電壓，分別供給電能表的各個功能部分。

根據(jù)Q/GDW 1354-2013《智能電能表功能規(guī)范》要求：電能表的單相電壓應(yīng)低于電能表的啟動電壓（此值取為參比電壓下限的60%）[1]。為了及時反應(yīng)表計供電情況，此型號電能表將掉電檢測點選擇在MCU的供電電路的VCC_12 V端，事件觸發(fā)閥值取7.5 V。當(dāng)VCC_12 V端電壓低于7.5 V，電能表的單片機(jī)程序產(chǎn)生中斷事件并記錄掉電事件，電能表進(jìn)入電池供電的低功耗模式。當(dāng)VCC_12 V端電壓高于7.5 V時，電能表的單片機(jī)程序判斷供電正常并重啟復(fù)位。

根據(jù)以上對電能表掉電重啟原理的分析，可以知道造成電能表頻繁的掉電重啟可能有以下幾個原因：

1）給電能表供電的交流測220 V電壓太低，電能表正常掉電。當(dāng)交流供電電壓恢復(fù)后，電能表復(fù)位重啟；

2）溫度過高等環(huán)境因素導(dǎo)致載波模塊本身出現(xiàn)功能性故障；

3）現(xiàn)場電能表進(jìn)行載波通訊時，載波模塊的功耗過大導(dǎo)致電能表的VCC_12V端電壓被拉低到掉電閥值7.5 V以下，電能表發(fā)生掉電。不進(jìn)行載波通訊時，載波模塊的功耗降低，VCC_12 V端電壓恢復(fù)到掉電閥值7.5 V以上，電能表復(fù)位重啟。

3 試驗及分析

現(xiàn)場測量故障電能表的供電電壓，在出現(xiàn)掉電重啟現(xiàn)象時，故障電能表的交流供電電壓是230 V左右，排除了因供電電壓不穩(wěn)而導(dǎo)致的電能表頻繁掉電重啟。 利用單相電能表檢定裝置對故障樣表進(jìn)行載波模塊通訊功能試驗，試驗結(jié)果為符合國網(wǎng)公司要求，能正常進(jìn)行數(shù)據(jù)的通訊，證明載波模塊功能正常。

為進(jìn)一步分析清楚電能表出現(xiàn)頻繁掉電重啟的原因，在試驗室對從現(xiàn)場取的一塊表號為120000233789的故障樣表進(jìn)行帶載能力測試。帶載波模塊的單相電能表的通信模塊弱電接口采用2×6雙排插針作為連接件，弱電接口采用2×6雙排插座作為連接件[2，3]。單相電能表與通信模塊弱電接口管腳定義見表3。

表3 電能表與通信模塊弱電接口管腳定義說明

在電能表接口的17和19管腳之間電壓（載波模塊上的10和12端之間電壓）即為電能表供給載波模塊工作的直流電壓VCC_12 V。將故障樣表的載波模塊取下，在試驗室用標(biāo)準(zhǔn)源給樣表電壓端子加220 V的參比電壓，分別測量樣表給載波模塊供電的直流電源在空載和帶96 Ω電阻負(fù)載下的電壓值[2]。表4所示是電能表帶載能力測試結(jié)果。

表4 電能表帶載能力測試結(jié)果

結(jié)果顯示該電能表供給載波模塊的功率約為1.53 W，滿足國網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q／GDW 1355-2013《單相智能電能表型式規(guī)范》規(guī)定的電能表供給載波模塊的功率應(yīng)大于或等于1.5 W的要求[4，5]。利用電能表載波通訊測試系統(tǒng)對電能表內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行抄讀，觀察電能表進(jìn)行載波通訊時VCC_12 V的電壓波形。圖4所示是帶3.2版本載波模塊的電能表在通訊時的VCC_12 V電壓波形。

圖4 載波模塊為3.2版本的電能表在通訊時的VCC_12V電壓波形

從圖4中可以看出：在電能表沒有載波通訊時，VCC_12 V電壓為17.5 V。在電能表進(jìn)行載波通訊時，VCC_12 V電壓被拉低到9.2 V。顯然載波模塊在進(jìn)行載波通信時功耗劇增，功耗大于1.5 W。

在現(xiàn)場測量部分故障電能表的VCC_12 V端電壓：當(dāng)電能表進(jìn)行載波通訊時，測得的電壓均約為7 V，低于此型電能表的掉電閥值7.5 V。此時電能表單片機(jī)的程序誤判斷發(fā)生掉電，觸發(fā)掉電中斷事件并記錄掉電的開始及累計掉電的次數(shù)，電能表進(jìn)入低功耗模式且載波通訊中斷。由于載波通訊中斷，VCC_12 V的電壓恢復(fù)7.5 V以上，電能表的單片機(jī)內(nèi)程序判斷電能表供電恢復(fù)正常并記錄掉電結(jié)束時間。單片機(jī)內(nèi)主程序復(fù)位并控制電能表重啟。由于集中器會定時對臺區(qū)內(nèi)載波表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因此造成電能表的VCC_12 V端電壓值頻繁在7.5 V上下浮動，最終導(dǎo)致了現(xiàn)場電能表出現(xiàn)了頻繁的掉電重啟故障。

在試驗室將故障樣表的載波模塊取下，在VCC和地之間加純阻性負(fù)載，在電阻值為24 Ω時，用萬用表測VCC和地兩端電壓約為6.92 V，模擬電能表現(xiàn)場運行時掉電的情況。試驗結(jié)果如表5所示：

表5 通訊模塊功耗測試結(jié)果表

由以上試驗可知，現(xiàn)場運行的故障表載波通訊時，VCC_12 V電壓被拉低是由通訊模塊的動態(tài)功耗過大引起。

4 結(jié)論及改進(jìn)措施

4.1 結(jié)論

電表廠家依據(jù)給載波模塊供電直流電壓VCC_12 V是否大于7.5 V來判斷電能表是否發(fā)生掉電。電能表在現(xiàn)場進(jìn)行載波通訊時，該批次電能表載波模塊的功耗較大，VCC_12 V端電壓因此被拉低到掉電閥值7.5 V以下，造成程序的誤判斷發(fā)生掉電；在通訊結(jié)束后，由于載波模塊的功耗變小，VCC_12 V端電壓又恢復(fù)到掉電閥值7.5 V以上，程序判斷電能表供電正常，電能表復(fù)位重啟。

現(xiàn)場電能表的VCC_12 V端的電壓不斷在閥值7.5 V上下浮動，導(dǎo)致電能表頻繁的發(fā)生掉電重啟。

4.2 改進(jìn)措施

1）對電表判斷掉電事件的電路重新設(shè)計。

新的國網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)要求電能表不能因為載波模塊的問題出現(xiàn)工作異常，為避免此類故障的發(fā)生，我們建議對電表判斷掉電事件的電路重新設(shè)計。硬件上將掉電事件判斷電壓取在7805穩(wěn)壓管后的VCC_5 V7，因為此處電壓更加穩(wěn)定，不會因通訊模塊功耗增大而導(dǎo)致電壓降低；為配合硬件上的改動，將以VCC_5 V7處電壓作為判斷掉電依據(jù)的閥值設(shè)為4.2 V。

2）對載波模塊信號放大電路進(jìn)行改進(jìn)，減小其動態(tài)功耗。

現(xiàn)場運行的電表載波模塊功耗過大，建議廠家更換低功耗載波模塊，通過限制載波模塊消耗功率避免此型電能表的誤動。針對上述情況，載波模塊廠家專門開發(fā)了3.7版本的低功耗載波模塊，對信號放大電路進(jìn)行改進(jìn)（電路原理圖如圖5所示，信號電纜元器件參數(shù)的修改情況詳見表6），現(xiàn)場該批次的電能表已全部更換動態(tài)功耗更小的通訊模塊，檢測安裝3.7版本載波模塊后電能表在通訊時的VCC_12 V電壓波形如圖5所示。

圖5 通訊模塊信號放大電路原理圖

表6 改進(jìn)的器件參數(shù)對比表

圖6 載波模塊帶為3.7版本的電能表在通訊時的VCC_12 V電壓波形

從圖6可以看出：電能表在進(jìn)行載波通訊時的VCC_12 V電壓為12.8 V，高于掉電閥值7.5，此時電能表正常工作，不會發(fā)生掉電事件的誤判斷而造成電量的少計量。

3）增加電表通訊情況下，通訊模塊的VCC端和地之間的電壓波動測試試驗。

為避免此類故障發(fā)生，對2013年江西省第二批到貨前的電能表，在全性能測試中增加通訊模塊的VCC端和地之間的電壓波動測試試驗，該試驗的具體步驟如表7所示：

表7 通訊模塊的VCC端和地之間的電壓波動測試方法

電能表頻繁掉電重啟造成電量少計，采集率低，由于載波模塊的外殼體積較小，過大的功耗也會增加模塊的發(fā)熱，長期處于此種工作狀態(tài)，會造成模塊使用壽命的減少。通過上述措施保證了電能表在現(xiàn)場的可靠運行，避免了其它批次和型號的電能表出現(xiàn)類似的故障，保障了用電客戶的利益，維護(hù)了國家電網(wǎng)公司的企業(yè)形象。

[1]Q／GDW 1354-2013智能電能表功能規(guī)范[S].

[2]秦曾煌.電工基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，1990.

[3]Rollin J. Parker，Robert J.Studders. Permanent Magnets and Their Application［M］.California：John Wiley and Sons，Inc.1962.

[4]Q／GDW 1364-2013單相智能表技術(shù)規(guī)范[S].

[5]GB/T 17215.321-2008交流電測量設(shè)備特殊要求第21部分：靜止式有空電能表(1級和2級)[S].