單相智能電能表現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與壽命評(píng)估

楊芾藜，鄭可，鄒波，張兵，周譚杰

(國(guó)網(wǎng)重慶電力公司營(yíng)銷服務(wù)中心，重慶 401123)

0 引 言

由于遠(yuǎn)程信息采集系統(tǒng)、自動(dòng)化流水線檢測(cè)系統(tǒng)等高級(jí)量測(cè)體系為電力部門和電力用戶帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。2009年以來，國(guó)家電網(wǎng)全面推動(dòng)了智能電能表的安裝和應(yīng)用，現(xiàn)如今智能電能表已經(jīng)得到了全面的普及，特別是單相智能電能表現(xiàn)已覆蓋90%以上的居民用戶。單相智能電能表(以下簡(jiǎn)稱智能表)應(yīng)用地域廣泛，使用環(huán)境變化差異大，安裝數(shù)量巨大，現(xiàn)在各個(gè)地區(qū)安裝的智能表使用期限已經(jīng)陸續(xù)達(dá)到了8年,按《JJG596-2012電子式交流電能表》檢定規(guī)程要求需大批量輪換,需耗費(fèi)大量的人力財(cái)力。然而隨著技術(shù)的進(jìn)步當(dāng)前的智能表設(shè)計(jì)壽命普遍在10年～15年[1], 這就意味著即使到達(dá)輪換周期后，實(shí)際上仍然有大量在用電能表質(zhì)量性能完好。因此如何對(duì)在用智能表準(zhǔn)確度及性能進(jìn)行檢測(cè)，使輪換周期智能化，最大限度的使用智能表；如何能夠采用一種更為經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、合理的方法來改進(jìn)目前一刀切式的管理措施將有效節(jié)約社會(huì)資源,這是電力部門和電力用戶十分關(guān)心的問題。

2010年，國(guó)際計(jì)量法制組織(OIML)專門編寫了《采用抽樣方法對(duì)使用中民用儀表進(jìn)行后續(xù)檢定》(Surveillance of Utility Meters in Service Based on Sampling Inspection)的文件，探討了在使用期限內(nèi)對(duì)電能表等計(jì)量表計(jì)實(shí)施抽樣檢定的方法，目前，英國(guó)、德國(guó)等歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已逐步采用抽樣統(tǒng)計(jì)方法合理延長(zhǎng)電能表的使用時(shí)限[2-5]。

以往的相關(guān)研究大部分是通過多應(yīng)力退化試驗(yàn)(ADT)和加速壽命試驗(yàn)(ALT)等模擬場(chǎng)外環(huán)境應(yīng)力數(shù)據(jù)[6-9]，基于掛網(wǎng)前的測(cè)量誤差通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算對(duì)智能表預(yù)期剩余壽命進(jìn)行評(píng)估[10-14]。然而智能表的實(shí)際使用條件復(fù)雜多變，試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒K究不能完全模擬智能表的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，這給評(píng)估結(jié)果造成了很大的不確定性[15-21]。因此文章通過挑選多個(gè)典型使用環(huán)境下已經(jīng)在網(wǎng)運(yùn)行了7年以上不到8年的智能表安裝點(diǎn)作為試驗(yàn)點(diǎn)，這些安裝點(diǎn)包括了農(nóng)村戶外輸電桿、鄉(xiāng)鎮(zhèn)多層樓梯間、城市高層配電井等不同的運(yùn)行環(huán)境。直接在掛網(wǎng)點(diǎn)不斷電，不改變使用環(huán)境，用大功率負(fù)載源、電暖氣、電吹風(fēng)、燈泡等多種組合負(fù)載。通過高精度現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀、安裝式標(biāo)準(zhǔn)電能表等同時(shí)對(duì)同一負(fù)載點(diǎn)通過多種方式進(jìn)行基本誤差檢測(cè)、電量走字誤差檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)束后將試驗(yàn)智能表帶回實(shí)驗(yàn)室通過單相電能表檢定裝置進(jìn)一步對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行檢測(cè)。最終和智能表掛網(wǎng)運(yùn)行前的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，來評(píng)估到期運(yùn)行的智能表的可靠性和預(yù)期壽命[22-23]。

1 方案概述

文中研究主要基于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下多個(gè)設(shè)備、多種方法測(cè)得的智能表測(cè)量誤差和掛網(wǎng)前后該智能表在參比條件(環(huán)境溫度20 ℃±2 ℃，相對(duì)濕度60%±15%，電壓允許偏差0.5%,頻率允許偏差0.3%，波形失真度小于1%，為智能表理論工作環(huán)境)下測(cè)得的測(cè)量誤差數(shù)據(jù)，通過計(jì)算分析智能表的測(cè)量誤差在不同運(yùn)行環(huán)境下的溫度影響、年變差，來估算智能表的預(yù)期剩余使用壽命。為保證試驗(yàn)的可靠性,文章所有試驗(yàn)用戶表均選用掛網(wǎng)7年～8年的智能表，同時(shí)驗(yàn)證安裝式標(biāo)準(zhǔn)電能表和現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀對(duì)智能表現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)中的可靠性和一致性[24]。具體實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

2 實(shí)驗(yàn)裝置特性

某品牌TD3301型現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀(以下簡(jiǎn)稱TD)：采用A/D轉(zhuǎn)換計(jì)量芯片，支持0.1～100 A寬量程負(fù)載誤差測(cè)試，支持電流鉗測(cè)試和直接接入測(cè)試。

某品牌T型便攜式現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀(以下簡(jiǎn)稱T-203)：采用A/D轉(zhuǎn)換計(jì)量芯片，電流鉗支持0.1 A～100 A寬量程負(fù)載誤差測(cè)試，直接接入支持0.1 A～20 A負(fù)載誤差測(cè)試。

某品牌FMS631型安裝式標(biāo)準(zhǔn)電能表(以下簡(jiǎn)稱FMS)：內(nèi)置TDM時(shí)分割乘法器原理計(jì)量單元，可在復(fù)雜的使用工況下對(duì)基本誤差、電量走字誤差實(shí)現(xiàn)高達(dá)0.02%的準(zhǔn)確測(cè)量，支持0.1 A～100 A電流鉗測(cè)量和直接接入測(cè)量。所配電流鉗具備自校準(zhǔn)功能。

3 在線用戶實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在環(huán)境溫度為35 ℃±2 ℃的條件下(根據(jù)國(guó)家規(guī)定日最高氣溫達(dá)到或高于35 ℃為高溫，環(huán)境溫度35 ℃±2 ℃作為智能表工作的高溫條件具有普遍性)，在農(nóng)網(wǎng)用戶配電端選取出線端帶空開的智能表6只，規(guī)格為電壓220 V,電流 5(60) A,準(zhǔn)確度等級(jí) 2級(jí)，分別為A、B、C三個(gè)廠商生產(chǎn)。保持智能表不斷電，將負(fù)載端空開與用戶斷開，按照?qǐng)D2的接線方式將TD3301、T-203、FMS631等三種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備接入智能表。

圖2 電流鉗接入試驗(yàn)方案

在負(fù)載端分別接入電吹風(fēng)、電暖氣、燈泡等負(fù)載，使智能表分別工作在輕負(fù)載、中負(fù)載、重負(fù)載條件下，通過電流鉗進(jìn)行基本誤差測(cè)試、走字電量誤差測(cè)試。測(cè)試結(jié)束后再按照?qǐng)D3的接線方式將上述測(cè)試設(shè)備電流串聯(lián)接入負(fù)載，電壓并聯(lián)接入智能表進(jìn)線端，在上述相同負(fù)載條件下，直接對(duì)智能表進(jìn)行基本誤差測(cè)試、電量走字誤差測(cè)試。

圖3 直接接入試驗(yàn)方案

文中標(biāo)準(zhǔn)表與被檢表都在相同工況連續(xù)工作的情況下，用被檢表輸出的脈沖的時(shí)間周期與標(biāo)準(zhǔn)表?yè)Q算脈沖的時(shí)間周期的相對(duì)誤差表示基本誤差。

被檢表的相對(duì)誤差r1(%)如式(1)所示：

r1=(TL-To) /To100%

(1)

式中To為標(biāo)準(zhǔn)表?yè)Q算脈沖周期，單位：s；TL為被檢表輸出的脈沖時(shí)間周期，單位：s；按式(2)計(jì)算；

To-=CLTL/C0

(2)

式中C0為標(biāo)準(zhǔn)表的脈沖常數(shù)，單位：imp/kW·h；CL為被檢表常數(shù)，單位：imp/kW·h。

文中安裝式標(biāo)準(zhǔn)電能表能自動(dòng)計(jì)算出區(qū)間運(yùn)行時(shí)間內(nèi)被檢表的電量走字誤差，按式(3)計(jì)算每個(gè)被檢表的相對(duì)誤差r2(%)：

r2=W100%

(3)

式中w為安裝式標(biāo)準(zhǔn)電能表顯示的電能值或脈沖計(jì)算電量(脈沖計(jì)算電量由標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具捕獲并計(jì)算)，kW·h。

兩種方式的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 農(nóng)村戶外測(cè)試

采用同樣的測(cè)試方法、同樣的測(cè)試設(shè)備、同樣的負(fù)載裝置。分別在鄉(xiāng)鎮(zhèn)多層住宅樓梯間掛表點(diǎn)和城市高層住宅配電井內(nèi)掛表點(diǎn)，選取相同生產(chǎn)廠家同樣規(guī)格的的智能表進(jìn)行的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2和表3所示。

表2 鄉(xiāng)鎮(zhèn)多層樓梯間測(cè)試

從三個(gè)不同地點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果可以看出，三個(gè)地點(diǎn)在線運(yùn)行的三家廠商智能表基本誤差、電量走字誤差均在合格范圍內(nèi)。但同一地點(diǎn)三個(gè)廠商之間在同一負(fù)載測(cè)試的基本誤差存在明顯差異，三個(gè)測(cè)試點(diǎn)三個(gè)廠商的誤差偏差方向也不一致。這可能是由于不同廠商生產(chǎn)設(shè)備電能基準(zhǔn)的溯源誤差所造成,也可能是不同廠商產(chǎn)品老化程度不同步導(dǎo)致誤差差異較大。另外同一廠商的智能表在不同的掛網(wǎng)點(diǎn)基本誤差差異也非常大，這可能是由于使用環(huán)境對(duì)智能表的長(zhǎng)期影響導(dǎo)致，需要結(jié)合掛網(wǎng)前的測(cè)試數(shù)據(jù)以及智能表拆回后在參比條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)綜合分析。同時(shí)也可以看到相對(duì)于其它兩款現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀，帶有電流鉗自校準(zhǔn)功能的FMS631型安裝式標(biāo)準(zhǔn)電能表在使用電流鉗測(cè)量時(shí)的誤差，更接近于直接接入的測(cè)量誤差，表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。

4 參比條件測(cè)試

上述網(wǎng)點(diǎn)測(cè)試結(jié)束后將所有被測(cè)智能表帶回實(shí)驗(yàn)室，在參比條件下20 ℃(±2 ℃)用0.02級(jí)單相電能表檢定裝置調(diào)整輸出上述測(cè)試中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際負(fù)載點(diǎn)的電壓電流，對(duì)各個(gè)負(fù)載點(diǎn)參比條件下的基本誤差和基準(zhǔn)點(diǎn)的電量走字誤差進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 拆回實(shí)驗(yàn)室參比測(cè)試

從表4可以看出拆回后各個(gè)負(fù)載點(diǎn)之間的基本誤差并無太大差異，所以以中負(fù)載點(diǎn)基本誤差為依據(jù)和被測(cè)表掛網(wǎng)前相近的5 A負(fù)載點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果如圖4所示。

從圖4和表4數(shù)據(jù)可以看到，掛網(wǎng)前智能表之間誤差差異較小，掛網(wǎng)后誤差均出現(xiàn)較大變差，再次印證了不同現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性。

圖4 各編號(hào)智能表掛網(wǎng)前后額定電流誤差曲線

5 基于場(chǎng)外和參比條件測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)

以場(chǎng)外實(shí)際負(fù)載直接接入測(cè)試5 A負(fù)載附近FMS631測(cè)得的基本誤差和表4參比條件模擬相同負(fù)載點(diǎn)誤差為依據(jù),可計(jì)算出所有電能表在理想條件下的實(shí)際溫度系數(shù)(T)，以上測(cè)試原始數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 原始測(cè)試數(shù)據(jù)

依據(jù)以上測(cè)試數(shù)據(jù)，設(shè)定室內(nèi)外測(cè)試溫度差值為ΔT，按式(4)計(jì)算文章中實(shí)驗(yàn)表的溫度系數(shù)(T)。

T=(r3-r4)/ΔT

(4)

注： ΔT=35 ℃-20 ℃=15 ℃

被測(cè)智能表溫度系數(shù)如表6所示。以重慶地區(qū)氣溫年變化情況為例，智能表表內(nèi)溫度年變差大約在40 ℃左右，按照表6的數(shù)據(jù)，其對(duì)智能表誤差的影響在0.1%以內(nèi)。

以表6中電流點(diǎn)5 A為依據(jù)通過被測(cè)智能表掛網(wǎng)前的基本誤差(r6)數(shù)據(jù)(如表7所示)和實(shí)驗(yàn)結(jié)束拆回后參比條件測(cè)試基本誤差，可以推算出理想狀態(tài)(排除智能表受溫度及電磁干擾等因素影響)下智能表誤差的年變差r5,如式(5)所示：

(5)

式中n為智能表掛網(wǎng)年限，單位：年。

注：文章中試驗(yàn)用表均按掛網(wǎng)8年計(jì)算

表6 溫度系數(shù)

表7 掛網(wǎng)前基本誤差

依據(jù)了公式(5)計(jì)算智能表年變差數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 誤差年變差

依照表8的年變差數(shù)據(jù)可以計(jì)算出在環(huán)境溫度35 ℃(±2 ℃)工況下每一只智能表在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中輕載、中載和重載負(fù)載情況下智能表基本誤差預(yù)期未來n年誤差變化趨勢(shì)，其推算基本誤差用r7表示，如式(6)所示:

r7=r1+r5×n+n1×T

(6)

依據(jù)公式(6)計(jì)算智能表年變差數(shù)據(jù)如表9所示。

表9 預(yù)期誤差變化

從表9可以看出，預(yù)估5年后在環(huán)境溫度35 ℃(±2 ℃)理想狀態(tài)下，不同應(yīng)用場(chǎng)景中智能表的基本誤差離超出國(guó)標(biāo)范圍均有不同程度的誤差余量，但使用場(chǎng)景在高層配電井內(nèi)的智能表誤差余量明顯較其他兩個(gè)場(chǎng)景較大。因?yàn)槟壳皢蜗嘀悄鼙韲?guó)網(wǎng)內(nèi)部掛網(wǎng)前的誤差內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)基本在國(guó)標(biāo)的50%以內(nèi)，而且考慮到戶外裝表年溫度變化大，根據(jù)文章數(shù)據(jù)分析得出最大誤差年變差可能達(dá)0.1%，加上其他一些不可控干擾因素較多，所以農(nóng)村戶外掛表點(diǎn)的智能表基本誤差雖然合格但實(shí)際可能已經(jīng)超出了國(guó)網(wǎng)的內(nèi)控要求。因此按文章檢測(cè)結(jié)果分析，當(dāng)智能表8年周期到期后，通過現(xiàn)場(chǎng)在線抽檢合格的智能表，根據(jù)表9預(yù)估，建議延期兩年較為合理，更為科學(xué)的判斷需大量的抽取檢測(cè)實(shí)際應(yīng)用的不同批次的智能表進(jìn)行預(yù)判。

6 結(jié)論分析

通過上述測(cè)試可以看出，安裝式標(biāo)準(zhǔn)電能表模擬用戶測(cè)試的智能表的基本誤差和電量走字誤差均比現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀準(zhǔn)確，安裝式標(biāo)準(zhǔn)電能表可在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下準(zhǔn)確測(cè)量、計(jì)量及電流鉗校準(zhǔn)的設(shè)計(jì)特性,試驗(yàn)表明其更符合現(xiàn)場(chǎng)在線檢定及壽命延期的技術(shù)要求。多種測(cè)試方式測(cè)試智能表的基本誤差值和電量走字誤差均保持一致，再次說明智能表到8年輪換周期通過合理的方式檢定合格后，是可以繼續(xù)使用的。同時(shí)有部分智能表存在用戶實(shí)際使用中的誤差和參比條件下測(cè)得的誤差差異較大的情況。由于文章采用的智能表樣本數(shù)量及品牌類型有限，雖然最終的測(cè)試誤差均在合格范圍內(nèi)，但不能保證大批量用戶使用的情況下不會(huì)出現(xiàn)出廠誤差合格的表在實(shí)際負(fù)載中誤差超差的問題。所以電力部門和計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)有必要根據(jù)《采用抽樣方法對(duì)使用中民用儀表進(jìn)行后續(xù)檢定》(Surveillance of Utility Meters in Service Based on Sampling Inspection)文件要求進(jìn)行同批次智能表現(xiàn)場(chǎng)使用中的抽樣測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，綜合評(píng)估壽命延期年限。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過文中試驗(yàn)方法的數(shù)據(jù)分析，表明采用安裝式標(biāo)準(zhǔn)電能表對(duì)實(shí)際使用中的單相智能表進(jìn)行在線檢測(cè)的方法可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出智能表的準(zhǔn)確性、可靠性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)在用智能表的現(xiàn)場(chǎng)檢定?？捎糜谥悄茈娔鼙淼膲勖悠冢梢圆⒙?lián)掛在用戶現(xiàn)場(chǎng)，作為現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載條件下智能表基本誤差和長(zhǎng)期電量走字誤差測(cè)試的一種方法，也可以通過電流鉗現(xiàn)場(chǎng)在線準(zhǔn)確檢測(cè)基本誤差和電量誤差判斷智能表是否合格。對(duì)不同廠商智能表現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及檢測(cè)，彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀受環(huán)境因素影響較大、電流鉗受鉗口錯(cuò)位、污臟、張緊力變化等因素影響，導(dǎo)致實(shí)際使用過程中準(zhǔn)確度不可靠等問題。目前已利用該方法在部分居民區(qū)對(duì)用電異常和有爭(zhēng)議的用戶進(jìn)行掛網(wǎng)監(jiān)測(cè)，均取得良好的監(jiān)測(cè)效果。

試驗(yàn)表明采用安裝式標(biāo)準(zhǔn)電能表對(duì)智能表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)的方案更能準(zhǔn)確地反應(yīng)出智能表工作的真實(shí)狀態(tài)，比拆回實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)節(jié)省人力及財(cái)力，且更能準(zhǔn)確地反應(yīng)智能表運(yùn)行狀態(tài)，比通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算對(duì)智能表預(yù)期剩余壽命進(jìn)行評(píng)估更加準(zhǔn)確可靠，從而使電能表輪換周期智能化、科學(xué)化。另外需要指出，不同廠商產(chǎn)品之間在同一負(fù)載點(diǎn)測(cè)試的基本誤差存在著明顯的同步差異，而且這種差異之大超過預(yù)期，這有可能是由于不同廠商生產(chǎn)設(shè)備電能基準(zhǔn)的溯源誤差所造成。目前電能表流水線校驗(yàn)裝置尚未能進(jìn)行實(shí)負(fù)載動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)填補(bǔ)這個(gè)短板應(yīng)該是今后的工作重點(diǎn)之一。