智能電能表失電故障的試驗分析

韓東，孫洋，劉惠穎，殷鑫，殷聰

（1.黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150001；2.哈爾濱電工儀表研究所，哈爾濱 150028）

0 引 言

智能電能表是用電采集系統(tǒng)應(yīng)用的重要組成部份，它運行的穩(wěn)定與否直接影響用電采集系統(tǒng)可靠運維；因此，智能電能表長期運行可靠是確保用電采集系統(tǒng)正常工作的保障。隨著智能電能表投入運行年限增加，陸續(xù)暴露出智能電能表從設(shè)計、元器件篩選、制作工藝質(zhì)量等不足的缺陷，其中智能電能表失電故障就是范例之一［1-4］。智能電能表失電故障現(xiàn)象表現(xiàn)為：當電網(wǎng)停電后再恢復(fù)供電時，智能電能表時鐘校時功能失效，時間記錄亂碼，表內(nèi)存電池電壓低于2.8伏，智能電能表電量不凍結(jié)等［5-9］。故障波及范圍之大，全國各省都相繼出現(xiàn)，以某省不完全統(tǒng)計為例，出現(xiàn)此類故障的智能電能表14.7萬只，占已運行表1%以上，2010年～2013年安裝智能電能表運行至今（統(tǒng)計至2016年），智能電能表運行2至5年，出現(xiàn)類似故障與運行表占有率分別為：0.62%（2013年）、1.61%（2014年）、1.64%（2015年）、1.94%（2016年）。某地區(qū)局，運行表200多萬只，近幾年相繼發(fā)現(xiàn)此類故障就達7萬多只。此故障危害極大，影響用電信息采集系統(tǒng)正常運行，給企業(yè)貿(mào)易結(jié)算和電量統(tǒng)計帶來很大困難。

為尋找故障根源，預(yù)防故障大范圍漫延發(fā)展，我們組織抽取7家國內(nèi)有代表性制造廠商樣品，進行了試驗測試研究，對其故障性質(zhì)進行了剖析，提出科學(xué)有效的解決方案，以避免今后再次出現(xiàn)類似故障發(fā)生。

1 智能電能表失電故障機理

智能電能表是一個專用的微處理器系統(tǒng)，它除具備計量功能以外，還具有雙向多種費率計量、用戶端控制、多種數(shù)據(jù)雙向傳輸通信等功能。智能電能表工作電源由兩路電源保障，當電網(wǎng)供電時，智能電能表工作電源由電網(wǎng)供電經(jīng)降壓整流提供微處理器（CPU）系統(tǒng)，執(zhí)行常規(guī)功能；當電網(wǎng)停電時，自動切換由表內(nèi)3.6 V，1200 mAh鋰電池供電，電池提供電源只支持智能電能表時鐘計時功能和查詢顯示功能，以保障電網(wǎng)再次供電時，智能電能表延續(xù)正常工作狀態(tài)。一旦電網(wǎng)停電時，表內(nèi)供電電池電壓低于2.8V，滿足不了微處理器工作時，智能電能表時鐘計時功能失效。由于智能電能表尚無長時間內(nèi)存記憶功能，當電網(wǎng)再次送電時，時鐘隨機亂碼，特別是年、月、日、小時亂碼，主站已無法執(zhí)行有效校時，此類故障統(tǒng)稱為智能電能表失電故障［10-11］。其危害是：電網(wǎng)供電后，智能電能表無法恢復(fù)正常工作狀態(tài)，系統(tǒng)時鐘校時功能失效，智能電能表計時功能亂碼失效，計量電能量無法凍結(jié)電量，用電信息采集系統(tǒng)電量統(tǒng)計功能失效，影響了采集系統(tǒng)正常運維，給用戶與運營企業(yè)的貿(mào)易結(jié)算帶來矛盾和困難，影響了企業(yè)營銷形象。

2 試驗檢測方法和結(jié)果

2.1 試驗?zāi)康暮头椒?/h3>

本次試驗以尋找智能電能表失電故障起源為目的，以電池失去能量原因為突破點，其影響因素環(huán)節(jié)有：①電池質(zhì)量問題；如：容量未達標，理化性能差等。②外部電路對電池影響；如：電網(wǎng)供電，外電路與電池形成回路未完全斷開，長時間放電，致使電能表運行一段時間內(nèi)電池放電（電壓低于2.8V）。③外電路與電池未完全斷開，由電網(wǎng)供電對電池形成反充電（不是充電電池），破壞電池理化過程，致使性能下降失電等。

（1）檢測電池工作狀態(tài)

①常溫環(huán)境下檢測電池工作狀態(tài)

智能電能表停電打開電池一端，串入直流電流表，電池接線柱兩端再并入一塊直流電壓表，智能電能表停電空載，檢測電池回路電壓、電流變化值。工作狀態(tài)兩種：僅CPU工作、CPU和液晶顯示同時工作。試驗接線如圖1所示。

圖1 常溫試驗接線圖Fig.1 Connection diagram of normal temperature test

②低溫環(huán)境下檢測電池工作狀態(tài)

將試驗方案A放入可調(diào)節(jié)溫度環(huán)境試驗箱中，調(diào)節(jié)溫度0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃，分別檢測電壓、電流變化值。

（2）直流穩(wěn)壓源替代電池供電檢測智能電能表工作狀態(tài)

摘除智能電能表內(nèi)電池，串入直流穩(wěn)壓源和直流電流表，電池接線柱兩端并入一塊直流電壓表，智能電能表停電空載，試驗接線如圖2所示。

圖2 直流穩(wěn)壓源試驗接線圖Fig.2 Connection diagram of DC stabilized power supply test

①穩(wěn)壓源3.6 V時檢測智能電能表電池回路工作狀態(tài)：

CPU工作、CPU和液晶顯示工作，檢測電壓、電流值。

②調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓源檢測智能電能表工作狀態(tài)：

從電壓3.6 V逐級降壓至CPU、液晶顯示不工作狀態(tài)時，監(jiān)測電壓、電流變化值。

（3）智能電能表供電檢測電池回路工作狀態(tài)：

由電網(wǎng)供電智能電能表空載，電池打開一端，串入直流電流表，電池接線柱兩端再并入一塊直流電壓表，監(jiān)測電壓、電流值，試驗接線如圖3所示。

2.2 試驗結(jié)果

試驗所用設(shè)備：檢測表計0.5級，環(huán)境溫度箱測量精度±1℃，直流穩(wěn)壓源0.5級，單相表檢定裝置0.2級。試驗樣品選擇國內(nèi)7家有代表性廠商產(chǎn)品，每家抽一只5（60）A，220 V，50 Hz，1200 imp單相智能電能表，分別以羅馬符號Ⅰ～Ⅶ排列順序稱呼。

圖3 供電試驗接線圖Fig.3 Connection diagram of power supply test

2.2.1 電池工作狀態(tài)下試驗結(jié)果

智能電能表停電空載，接線按圖1所示，試驗環(huán)境溫度常溫22℃，試驗數(shù)據(jù)如表1～表2所示。

表1 CPU工作時試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Test data with CPU running

表2 CPU和液晶顯示工作時試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Test data with CPU and LCD running

將2.1章節(jié)試驗方案（1）放入可調(diào)節(jié)溫度環(huán)境試驗箱內(nèi)，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃。實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 環(huán)境溫度變化試驗數(shù)據(jù)Tab.3 Test data with various temperatures

續(xù)表3

2.2.2 直流穩(wěn)壓源供電時電池回路試驗

為驗證比較電池供電能力，選用大功率直流源替代電池供電，進行相互比較尋找差距，試驗接線如圖2所示，試驗環(huán)境溫度22℃，智能電能表停電空載。另外，試驗時采用直流源輸出從額定電壓3.6 V逐級下降電壓、再上升電壓方式檢測智能電能表工作變化狀況，尋找智能電能表失電閾值電壓。

電壓下降至智能電能表失電后，智能電能表停止工作，即CPU時鐘停止；再繼續(xù)試驗CPU+LCD項就不做記錄，以下試驗是監(jiān)測智能電能表失壓后變化動向。直流穩(wěn)壓源從2.0 V電壓往上升壓，試驗數(shù)據(jù)與下降相符，試驗記錄略。

2.2.3 電網(wǎng)供電時電池回路試驗數(shù)據(jù)

智能電能表電網(wǎng)通電空載，電池回路打開電池一端串入電流表，電池二端接線柱并入電壓表，接線如圖3所示。試驗方案如下：

（1）試驗環(huán)境溫度23℃，智能電能表接入額定電壓220 V。實驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 電網(wǎng)供電時CPU工作試驗數(shù)據(jù)Tab.4 Test data with CPU running under grid power supply

（2）將2.2.3章節(jié)試驗方案（1）放入可調(diào)節(jié)溫度環(huán)境試驗箱內(nèi)，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃。實驗數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 溫度變化時CPU工作試驗數(shù)據(jù)Tab.5 Test data with CPU running under various temperatures

（3）反向電流測試，摘掉電池，電池接線柱兩端串入反接電流表。除了廠家Ⅲ和Ⅴ存在反向電流，其他廠家的反向電流均等于0。

3 試驗分析和改進措施

3.1 試驗結(jié)果分析

上述七廠家樣表是本年度（2016年）生產(chǎn)的新樣表，采用的電池均為國內(nèi)外品牌電池，電池器件為經(jīng)過中國電力科學(xué)院檢測合格產(chǎn)品，產(chǎn)品符合Q/GDW 11179.7-2014《電能表用元器件技術(shù)規(guī)范 第7部分：電池》，文中不對電池器件產(chǎn)品進行單獨相應(yīng)試驗檢驗。試驗檢測證明電池失電故障，不單一是電池和時鐘的問題，它與現(xiàn)場運維環(huán)境、智能電能表產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)、使用功能合理性相關(guān)聯(lián)。試驗結(jié)果分析如下：

（1）智能電能表停電電池工作狀態(tài)

常溫環(huán)境下，電池保持正常工作狀態(tài)，額定電壓上下波動±1%。電流：CPU工作時，7μA～25μA之間；CPU和液晶顯示工作時，24.5μA～51μA之間。當環(huán)境溫度下降從0至-40℃時，電壓相應(yīng)下降了0.14 V～0.43 V，電流從7.2μA～1 650μA。從試驗數(shù)據(jù)可看出，電池工作時電流分布較分散，常溫環(huán)境下試驗樣表能達到正常工作；當環(huán)境溫度下降至-30℃以下時，有些樣表出現(xiàn)失壓故障，如：Ⅰ、Ⅴ廠家，其它廠家樣表隨溫度的下降，電壓也相應(yīng)不同下降，電流增加，智能電能表工作正常。

（2）電網(wǎng)停電智能電能表電池電路由直流穩(wěn)壓源供電

為檢驗比較電池工作能力，選擇直流源給電池外電路供電，調(diào)節(jié)電壓尋找各智能電能表失電故障閾值電壓。試驗得出：隨著電壓逐級降低，電流不同程度普遍上升，當智能電能表失電時，有些表電流急劇成倍增加，與電池工作狀態(tài)變化相一致。通過試驗可以尋找智能電能表失電閾值電壓，廠家Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ的閾值電壓都為2.8 V，廠家Ⅱ和Ⅴ分別為3.4 V和3.2 V。

（3）智能電能表接入電壓220 V電池回路工作狀態(tài)

常溫環(huán)境下，智能電能表接入電壓220 V空載，電池回路有放電電流，各表分布為0.9μA～7.2μA，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度；隨著溫度下降，電池電壓普遍下降，符合電池變化特性，電流與常溫比較有所下降。摘除電池，電池回路Ⅲ、Ⅴ有反向電流。

綜合上述分析得出：電池外電路對智能電能表失電有較大影響。

（1）智能電能表正常工作時，智能電能表內(nèi)電池容量為1 200 mAh時，電池慢失電量，將2.2.1章節(jié)中表1試驗數(shù)據(jù)代入到公式（1）中進行換算，得到表6所示的運行年限。

式中Q為電池容量；I為實際工作電流；t為放電時間。在22℃連續(xù)運行環(huán)境下，只有Ⅲ和Ⅳ的電池壽命合格，其他廠商的電池壽命在5.5至7.7年。

表6 22℃時電池連續(xù)運行年限Tab.6 The running time of battery under 22℃

（2）智能電能表失電故障以閾值電壓作為基準，按設(shè)計理論推算電池保持2.8 V及以上，能夠保證微處理器系統(tǒng)正常工作，而Ⅱ、Ⅴ智能電能表失電閾值電壓高于2.8 V，說明電池外電路設(shè)計優(yōu)化或采用電氣器件（重點微處理器）存在缺陷。其它廠商雖然符合上述規(guī)律，但電池外電路損耗偏差較大，按質(zhì)量規(guī)范要求應(yīng)趨近于零，試驗證明外電路電池控制開關(guān)部分從設(shè)計結(jié)構(gòu)或組合器件存在不足。

3.2 技術(shù)改進措施

按智能電能表現(xiàn)有設(shè)計理念和生產(chǎn)工藝水平，電池技術(shù)未有重大突破基礎(chǔ)上，智能電能表產(chǎn)品使用壽命10年運行中，必然出現(xiàn)智能電能表失電故障，根據(jù)本次試驗分析總結(jié)，針對故障特點制定有效的措施如下：

措施一：改進電池外電路控制開關(guān)設(shè)計，選擇優(yōu)質(zhì)控制開關(guān)組合器件，使智能電能表正常工作時，外電路與電池形成回路損耗趨近零。即使外電路其它器件損耗偏大（控制開關(guān)性能提高），但由于電網(wǎng)臨時搶修或春檢，10年期間累計停電時間不會大于1年，也能保證智能電能表不出現(xiàn)失電現(xiàn)象；

措施二：根據(jù)特殊地理環(huán)境和特殊用戶用電情況，用電采集系統(tǒng)和智能電能表也應(yīng)進行相應(yīng)改進。如：智能電能表運行在寒冷地區(qū)，運行環(huán)境寒期較長的地區(qū)，由于電池特性，低溫時電壓下降，容量也相應(yīng)下降，運行一定時間后低溫時易出現(xiàn)智能電能表失電概率較大。另外，由于主要設(shè)施損壞檢修時間較長，特殊用戶不用電，電表拉閘斷電等。針對上述特例，應(yīng)采取措施是：智能電能表修改具有時間記憶功能，電網(wǎng)停電后鎖定失電時間年、月、日、時、分，避免亂碼出現(xiàn)，系統(tǒng)時間校準改為小時、分時校準功能（電網(wǎng)停電小于24小時）。

即使出現(xiàn)智能電能表失電或不裝設(shè)電池（電網(wǎng)停電時未有手動查詢功能），電網(wǎng)送電智能電能表自動恢復(fù)正常工作，節(jié)省電池和電池控制開關(guān)部分器件。對智能電能表長期斷電用戶（極少數(shù)），用電時可用手抄或系統(tǒng)特定校準年、月、日，系統(tǒng)自動校時后，智能電能表恢復(fù)正常工作。

4 結(jié)束語

智能電能表失電故障的頻繁發(fā)生已漫延波及到全國各省，隨著智能電能表運行年限增長故障率還將陸續(xù)上升，為制止類似故障繼續(xù)發(fā)生漫延擴大，本文敘述抽取國內(nèi)7家制造智能電能表廠商產(chǎn)品，進行有針對性試驗檢測，經(jīng)試驗結(jié)果綜合分析，找出了故障起始根源，并遵循客觀規(guī)律，科學(xué)的提出兩種改進技術(shù)措施方案，徹底根除故障繼續(xù)發(fā)生。

（1）在國內(nèi)乃至世界現(xiàn)今3.6 V鋰電池技術(shù)未有重大技術(shù)突破的前提下，繼續(xù)沿用現(xiàn)有的智能電能表電池外電路設(shè)計理念、制作工藝和器件組合，智能電能表10年壽命期間內(nèi)，必然出現(xiàn)智能電能表失電故障；

（2）結(jié)合現(xiàn)今技術(shù)能力，在不改變智能電能表原有的生產(chǎn)技術(shù)方案基礎(chǔ)上，采用本文提出的兩種技術(shù)改進措施，是能夠杜絕智能電能表失電故障繼續(xù)發(fā)生。