智能電表電應(yīng)力可靠性試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

何圣川 郭斌 馮興興 王翠 蔣天齊

摘 ?要：智能電表作為智能電網(wǎng)的核心部件，其種類(lèi)多、數(shù)量大、覆蓋面廣，但故障率一直在上升，維護(hù)性工作不斷增加。故文章模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件，設(shè)計(jì)了一種智能電表電應(yīng)力可靠性試驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)可以模擬電網(wǎng)過(guò)壓、工頻過(guò)壓、欠壓等多種電應(yīng)力以及實(shí)負(fù)載運(yùn)行，能夠通過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行提前發(fā)現(xiàn)電能表故障，解決了現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)工作一直存在的矛盾。

關(guān)鍵詞：電應(yīng)力;實(shí)負(fù)載;可靠性試驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM933.4 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）28-0092-04

Abstract： As the core component of smart grid， smart meter has many kinds， large quantity and wide coverage， but the failure rate has been rising and the maintenance work has been increasing. Therefore， this paper simulates the field operation conditions， and designs a kind of intelligent meter electrical stress reliability test platform， which can simulate many kinds of electric stress and real load operation， such as overvoltage， power frequency overvoltage， undervoltage and so on. The fault of watt-hour meter can be found in advance through long-term operation， which solves the contradiction that has always existed in the field inspection work.

Keywords： electrical stress; real load; reliability test platform

引言

隨著南方電網(wǎng)公司智能電能表系列企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，南網(wǎng)公司對(duì)智能電能表及采集終端設(shè)備質(zhì)量管控工作愈加重視，目前智能電能表及采集終端在實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)方面都具有一套完善的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系，用于保證產(chǎn)品質(zhì)量滿(mǎn)足技術(shù)要求。然而，在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境條件下，智能電能表及采集終端仍缺乏相應(yīng)的測(cè)試手段和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)， 導(dǎo)致運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性方面存在薄弱環(huán)節(jié)。智能電能表和采集終端設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)會(huì)受到各種因素及突發(fā)事件的影響，即使在試驗(yàn)室檢驗(yàn)合格的設(shè)備，也可能因復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境而出現(xiàn)異常，導(dǎo)致計(jì)量偏差或性能下降等質(zhì)量缺陷。因而提出了一種模擬實(shí)際環(huán)境的各種電應(yīng)力方案，搭建一個(gè)可靠性試驗(yàn)平臺(tái)，達(dá)到提前預(yù)知電能表可能發(fā)生的故障功能。

1 研究現(xiàn)狀

王思彤、羅瑋等人結(jié)合電子式電能表的失效分布特性，提出了反映質(zhì)量保證最小壽命的指標(biāo)應(yīng)是滿(mǎn)足可靠度目標(biāo)值得可靠壽命[1-2];盧晗通過(guò)分析電能計(jì)量裝置選型及裝表接線(xiàn)中存在的問(wèn)題，研究討論了通過(guò)提高電能計(jì)量裝置的防竊電性能和計(jì)量準(zhǔn)確度等方法來(lái)增強(qiáng)其可靠性管理[3];黨三磊等人設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種適用于智能電表的多應(yīng)力可靠性試驗(yàn)平臺(tái)[4-5];徐錦濤等人以智能電表電路圖為基礎(chǔ)提出一種新的可靠性建模方法，結(jié)合元器件應(yīng)力法以此來(lái)對(duì)智能電表的基本可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)[6]。可見(jiàn)電表的可靠性一直是電表行業(yè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，且在理論研究以及平臺(tái)設(shè)計(jì)方面取得了一定成就，但是智能電表質(zhì)量保障體系存在著很多問(wèn)題，針對(duì)多種電應(yīng)力以及實(shí)負(fù)載運(yùn)行的模擬平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究的很少。

2 硬件方案設(shè)計(jì)研究

由于現(xiàn)場(chǎng)用電環(huán)境比較復(fù)雜，電表或終端會(huì)受到各種電應(yīng)力的作用，電網(wǎng)操作會(huì)產(chǎn)生瞬間過(guò)壓，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)會(huì)擊穿拉弧引起群脈沖干擾，負(fù)載短路或容性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，非線(xiàn)性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生諧波干擾，甩負(fù)載會(huì)產(chǎn)生短時(shí)工頻過(guò)壓，感應(yīng)雷會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓等等。這些干擾都是從電網(wǎng)的電壓線(xiàn)或電流線(xiàn)傳入電表，它們會(huì)對(duì)電表本身和通信產(chǎn)生影響，因此模擬以上情況對(duì)切實(shí)掌握環(huán)境因素對(duì)智能電能表的影響是十分必要的。其實(shí)驗(yàn)方案如下：

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)描述

智能電表的可靠性控制平臺(tái)包括三層，其上層部分主要功能是對(duì)進(jìn)線(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，由單相調(diào)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模塊稱(chēng)為單相電壓調(diào)節(jié)區(qū)（供電區(qū)）;其中層部分為PLC控制區(qū)，實(shí)現(xiàn)不同模式的自由切換;其下層主要由電網(wǎng)沖擊負(fù)載模擬模塊、電網(wǎng)脈沖干擾模擬模塊、電網(wǎng)諧波干擾模塊、實(shí)負(fù)載模擬模塊和報(bào)警模塊組成，構(gòu)成電應(yīng)力仿真區(qū)和實(shí)負(fù)載模擬區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)電應(yīng)力仿真功能和實(shí)負(fù)載模擬功能。單相負(fù)載柜結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 負(fù)載柜接線(xiàn)描述

智能電表的可靠性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)首先連接220V單相電源，通過(guò)單相調(diào)壓模塊調(diào)節(jié)輸入電壓，可調(diào)范圍在0～220V，可分級(jí)輸出440V、240V、220V、64V，連接表柜，作為輸入信號(hào)。掛表柜的輸出經(jīng)過(guò)PLC控制的繼電器連接負(fù)載仿真控制柜的電應(yīng)力仿真區(qū)和實(shí)負(fù)載模擬區(qū)，可根據(jù)需求自由切換選擇不同掛表柜的不同運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)模擬監(jiān)測(cè)不同情況下的負(fù)載仿真功能。單相負(fù)載柜接線(xiàn)原理圖如圖2所示。

2.3 可靠性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊具體介紹

可靠性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要單相調(diào)壓模塊、電網(wǎng)過(guò)壓模擬模塊、工頻過(guò)壓、欠壓模擬模塊、電網(wǎng)脈沖干擾模擬模塊、電網(wǎng)沖擊電流模擬模塊、電網(wǎng)諧波模擬模塊、電網(wǎng)電壓暫斷、掉電（刀閘實(shí)驗(yàn)）模塊、實(shí)負(fù)載模擬模塊、報(bào)警模塊等組成，其系統(tǒng)圖如圖3所示，接下來(lái)對(duì)其進(jìn)行具體介紹。

2.3.1 單相調(diào)壓模塊

單相調(diào)壓模塊包括帶漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)、220V單相調(diào)壓器交流升壓電源TDGC2-3kW數(shù)顯0～500V可調(diào)變壓器3000W，主要實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)過(guò)壓模擬、工頻過(guò)壓、欠壓模擬，以及實(shí)現(xiàn)正常的供電模塊。滿(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)所用的電網(wǎng)沖擊負(fù)載模擬模塊、電網(wǎng)脈沖干擾模擬模塊等不同使用情況下使輸出功率留有適當(dāng)余量，尤其滿(mǎn)足了在電網(wǎng)脈沖干擾模擬模塊、電網(wǎng)諧波干擾模塊等沖擊型負(fù)載使用時(shí)留有足夠大輸出功率余量。

2.3.2 電網(wǎng)過(guò)壓模擬模塊

電網(wǎng)過(guò)壓模擬模塊主要用于重現(xiàn)電網(wǎng)操作過(guò)電壓、甩負(fù)載過(guò)電壓，通常在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生2倍UN過(guò)電壓概率較高，最高過(guò)電壓可達(dá)6-7倍，但發(fā)生概率較低，因此選用3倍UN作為瞬間過(guò)電壓值，通過(guò)PLC的DO輸出模塊控制繼電器，采用小電流去控制大電流模式，實(shí)現(xiàn)具有一定的保護(hù)功能的自動(dòng)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)220V/440V 以及57.7/116V的過(guò)電壓模擬實(shí)驗(yàn)。

2.3.3 工頻過(guò)壓、欠壓模擬模塊

工頻過(guò)壓、欠壓模擬模塊主要用于模擬電網(wǎng)較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)壓、欠壓、過(guò)流，該干擾可能會(huì)引起電表發(fā)熱、黑屏，該干擾的產(chǎn)生采用升壓、降壓變壓器模擬產(chǎn)生，其在單相調(diào)壓模塊中實(shí)現(xiàn)，通過(guò)PLC的DO輸出模塊根據(jù)需求自由切換選擇相電壓10%波動(dòng)的波動(dòng)情況下198V/242V 52V/64V的工頻過(guò)電壓和欠電壓參數(shù)來(lái)模擬對(duì)電表的影響實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電表發(fā)熱以及黑屏現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)。

2.3.4 電網(wǎng)脈沖干擾模擬模塊

電網(wǎng)脈沖干擾模擬主要用于再現(xiàn)電網(wǎng)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)拉弧產(chǎn)生脈沖干擾，該脈沖干擾幅值較高、上升沿較陡，能量較小，對(duì)電表有較強(qiáng)的干擾，但不會(huì)損壞電表。該脈沖的模擬采用真空開(kāi)關(guān)斷開(kāi)感性負(fù)載來(lái)模擬，由于單相異步電動(dòng)機(jī)本身就是一個(gè)大的感性負(fù)載，故可通過(guò)PLC的輸出模塊DO來(lái)控制繼電器，進(jìn)而控制單相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)停止，來(lái)模擬拉弧產(chǎn)生的脈沖干擾。因此選用YL8022極數(shù)2極 額定功率1100W額定電壓220V的單相異步電機(jī)。

2.3.5 電網(wǎng)沖擊電流模擬模塊

電網(wǎng)脈沖用于重現(xiàn)電網(wǎng)短路故障或電容負(fù)載產(chǎn)生的沖擊大電流，這種短時(shí)沖擊電流會(huì)對(duì)電表采樣電路產(chǎn)生影響，該沖擊電流模擬采用對(duì)電力電容充電模擬，因?yàn)踅z燈本身存在電容，可以利用其特點(diǎn)可以在冷態(tài)可產(chǎn)生10倍的沖擊電流，故選擇型號(hào)為S14-E27的鎢絲燈，其額定功率10及其以下，額定電壓為110V-240V。其主要通過(guò)PLC的DO輸出端控制繼電器，進(jìn)而控制鎢絲燈的充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)脈沖模擬。

2.3.6 電網(wǎng)諧波干擾模擬模塊

電網(wǎng)諧波干擾模擬模塊用于模擬電網(wǎng)非線(xiàn)性負(fù)載產(chǎn)生的諧波干擾，該波形可能會(huì)對(duì)電表計(jì)量和電表電源產(chǎn)生影響。由于全隔離單相可控硅交流調(diào)壓模塊是集同步變壓器、相位檢測(cè)電路、移相觸發(fā)電路和輸出可控硅于一體，當(dāng)改變控制電壓的大小，就可改變輸出可控硅的觸發(fā)相角，即實(shí)現(xiàn)單相交流電的調(diào)壓。因增強(qiáng)型全隔離單相可控硅交流調(diào)壓模塊適用于電流變化率（dv/dt）的場(chǎng)合，故諧波的模擬采用增強(qiáng)型單相可控硅調(diào)壓模塊DTY-H220D35進(jìn)行模擬，同時(shí)選擇合適的散熱器進(jìn)行散熱。

2.3.7 電網(wǎng)電壓暫斷、掉電（刀閘試驗(yàn)）

電網(wǎng)電壓暫斷、掉電（刀閘實(shí)驗(yàn)）用于模擬電網(wǎng)大型負(fù)載突然、短暫把電壓拉低或突然停電，這些干擾會(huì)對(duì)電表電源和電表掉電存數(shù)產(chǎn)生影響。該干擾的產(chǎn)生通過(guò)PLC的DO輸出模塊控制繼電器進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)K3斷電6秒、上電6秒循環(huán)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而完成電網(wǎng)電壓暫斷、掉電（刀閘實(shí)驗(yàn)）模擬實(shí)驗(yàn)的影響。

2.3.8 實(shí)負(fù)載模擬模塊

實(shí)負(fù)載模擬模塊供長(zhǎng)期監(jiān)控掛表柜電表走字使用，由PLC控制繼電器進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)掛表柜測(cè)試的自由切換。其實(shí)負(fù)載在本項(xiàng)目中選用100W 500Ω的鋁殼制動(dòng)剎車(chē)電阻，因鋁殼電阻的主要物理特征是變電能為熱能，也就是說(shuō)鋁殼電阻是一個(gè)耗能元件，電流經(jīng)過(guò)它就產(chǎn)生內(nèi)能，可模擬正常家用電路耗能原件，便于監(jiān)控電表走字的實(shí)現(xiàn)。

2.3.9 報(bào)警模塊

進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的過(guò)載保護(hù)報(bào)警功能，當(dāng)負(fù)載過(guò)大，有漏電或人員觸電時(shí)，設(shè)備會(huì)進(jìn)行安全報(bào)警提示，并自動(dòng)切斷電源，確保操作者人身安全。

3 系統(tǒng)測(cè)試方案設(shè)計(jì)

室外環(huán)境模擬區(qū)就是在真實(shí)氣候環(huán)境下進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)，同時(shí)增加了陽(yáng)光輻射試驗(yàn)，臺(tái)體通過(guò)程序自動(dòng)進(jìn)行負(fù)載電流控制。每個(gè)臺(tái)體可掛20塊表即2個(gè)型號(hào)的電表，每月對(duì)電表數(shù)據(jù)進(jìn)行一次抄讀，通過(guò)對(duì)比平均電量查看走字一致性對(duì)電表誤差進(jìn)行分析，同時(shí)每月巡視目測(cè)電表一次，觀察電表有異?，F(xiàn)象。

試驗(yàn)結(jié)束流程：試驗(yàn)時(shí)間按照長(zhǎng)期運(yùn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)束，出試驗(yàn)報(bào)告，電表走報(bào)廢流程：電表出現(xiàn)故障，分析故障原因，對(duì)故障表進(jìn)行修復(fù)，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn);電表出現(xiàn)重大故障，則該型號(hào)表停止試驗(yàn)，出故障分析報(bào)告，電表走報(bào)廢流程，如圖4所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證電應(yīng)力可靠性平臺(tái)的有效性，選擇與已有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的同批次的具有可靠性的未使用的電表抽取20臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)其參數(shù)、時(shí)間、是否清零進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到測(cè)試結(jié)果與在客戶(hù)使用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果類(lèi)似，由于電應(yīng)力的電磁干擾等主要導(dǎo)致了黑屏、數(shù)據(jù)紊亂、設(shè)備死機(jī)等現(xiàn)象，且出現(xiàn)的故障率較為類(lèi)似，因此此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以作為智能電表失效率的研究，檢驗(yàn)電表的可靠性，做到了提前預(yù)測(cè)電表可能出現(xiàn)的故障。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)電表運(yùn)行系統(tǒng)的故障可靠性業(yè)務(wù)的需要，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的多種電應(yīng)力和實(shí)負(fù)載模擬的可靠性試驗(yàn)平臺(tái)，詳細(xì)設(shè)計(jì)了該處理平臺(tái)的電應(yīng)力仿真區(qū)和實(shí)負(fù)載模擬區(qū)，經(jīng)搭建設(shè)計(jì)了對(duì)智能電表試驗(yàn)的測(cè)試方案，大大提高了發(fā)現(xiàn)隱患問(wèn)題的概率，將潛在故障充分暴露出來(lái)。

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