智能電能表主要故障分析與對(duì)策

胡瑛俊，姚 力，吳 幸，周 佑

（國(guó)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(jí)量測(cè)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(duì)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(lèi)、特點(diǎn)入手，分析智能電能表常見(jiàn)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(lèi)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(lèi)，具體統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)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(huì)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(huì)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(zhǎng)，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(zhǎng)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(guò)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(dòng)車(chē)充電器產(chǎn)生的電壓振蕩與諧波，引起因阻容分壓元件過(guò)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(kāi)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(kāi)蓋事件記錄等功能正常運(yùn)行的基礎(chǔ)[3]?？紤]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(jiàn)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(guò)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(cè)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(shí)；停電后液晶顯示無(wú)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(xiě)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(dòng)、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(wú)法入低功耗狀態(tài)，電池因持續(xù)對(duì)MCU放電，導(dǎo)致容量過(guò)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(wèn)題以及長(zhǎng)期小電流下產(chǎn)生的電池鈍化問(wèn)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(duì)電量進(jìn)行多時(shí)段多費(fèi)率的計(jì)量，記錄存儲(chǔ)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(guó)家電網(wǎng)公司智能電能表技術(shù)規(guī)范[4，5]對(duì)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(zhuān)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(guò)IC總線與時(shí)鐘芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。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(dòng)模塊、MCU等集成在專(zhuān)用芯片上，通過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)用戶跳閘、合閘等遠(yuǎn)程控制的關(guān)鍵?，F(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(jiàn)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(kāi)。當(dāng)R+與R-同時(shí)為高電平或低電平時(shí)，繼電器不動(dòng)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(kāi)路、繼電器不動(dòng)作、燒毀、實(shí)際狀態(tài)與跳閘燈指示不符；對(duì)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(wèn)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(dòng)作或者智能電能表開(kāi)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(dòng)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(zhǎng)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(huì)造成繼電器動(dòng)作的失敗。

3 防范智能電能表故障的對(duì)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(chǎng)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(guò)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(guò)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(cè)試以及供貨后全檢等質(zhì)量監(jiān)督過(guò)程中，增加對(duì)電池硬件質(zhì)量的檢測(cè)和可能會(huì)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(guò)程的質(zhì)量控制，避免出現(xiàn)虛焊、短路、線路板污染等問(wèn)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(duì)時(shí)功能，對(duì)已投入運(yùn)行的智能電能表時(shí)鐘進(jìn)行對(duì)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(cè)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(kāi)展電能表控制回路軟件正確性驗(yàn)證和針對(duì)繼電器的質(zhì)量檢測(cè)[7]。

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

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(lèi)故障進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的故障預(yù)防對(duì)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(chǎng)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(duì)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(duì)智能電能表質(zhì)量管控水平，降低故障發(fā)生率。

[1]朱寧輝，白曉民，高峰.雙向智能電能表功能需求和結(jié)構(gòu)性能分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，35(11)∶1-6.

[2]王文靜.智能電能表的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理策略研究[J].電測(cè)與儀表，2014，51（11）∶23-27.

[3]徐晴，紀(jì)峰，田正其.智能電能表用鋰亞電池故障分析及防鈍化設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表，2013，50（572）∶98-102.

[4]國(guó)家電網(wǎng)公司.Q/GDW 1827-2013三相智能電能表技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2013.

[5]國(guó)家電網(wǎng)公司.Q/GDW 1364-2013單相智能電能表技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2013.

[6]范卓霞，楊草田.基于SOC方案的電能表日計(jì)時(shí)誤差控制研究[J].浙江電力，2014，33（5）∶33-36.

[7]紀(jì)峰，郭興昕，徐晴，等.智能電能表磁保持繼電器批量檢測(cè)方法的研究[J].電測(cè)與儀表，2013，50（575）∶18-22.

[8]馬利人，彭中華.智能電能表中磁保持繼電器工控的綜合分析[J].計(jì)量技術(shù)，2010（2）∶22-25.