智能電表電應力可靠性試驗平臺的設計

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的核心部件，其種類多、數量大、覆蓋面廣，但故障率一直在上升，維護性工作不斷增加。故文章模擬現場運行條件，設計了一種智能電表電應力可靠性試驗平臺，該平臺可以模擬電網過壓、工頻過壓、欠壓等多種電應力以及實負載運行，能夠通過長期運行提前發現電能表故障，解決了現場檢驗工作一直存在的矛盾。

關鍵詞：電應力;實負載;可靠性試驗平臺

中圖分類號：TM933.4 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? 文章編號：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

隨著南方電網公司智能電能表系列企業標準的發布，南網公司對智能電能表及采集終端設備質量管控工作愈加重視，目前智能電能表及采集終端在實驗室檢驗方面都具有一套完善的檢驗標準體系，用于保證產品質量滿足技術要求。然而，在現場復雜環境條件下，智能電能表及采集終端仍缺乏相應的測試手段和評價標準， 導致運行可靠性和穩定性方面存在薄弱環節。智能電能表和采集終端設備在現場運行時會受到各種因素及突發事件的影響，即使在試驗室檢驗合格的設備，也可能因復雜的現場環境而出現異常，導致計量偏差或性能下降等質量缺陷。因而提出了一種模擬實際環境的各種電應力方案，搭建一個可靠性試驗平臺，達到提前預知電能表可能發生的故障功能。

1 研究現狀

王思彤、羅瑋等人結合電子式電能表的失效分布特性，提出了反映質量保證最小壽命的指標應是滿足可靠度目標值得可靠壽命[1-2];盧晗通過分析電能計量裝置選型及裝表接線中存在的問題，研究討論了通過提高電能計量裝置的防竊電性能和計量準確度等方法來增強其可靠性管理[3];黨三磊等人設計開發了一種適用于智能電表的多應力可靠性試驗平臺[4-5];徐錦濤等人以智能電表電路圖為基礎提出一種新的可靠性建模方法，結合元器件應力法以此來對智能電表的基本可靠性進行預計[6]。可見電表的可靠性一直是電表行業的一個研究熱點，且在理論研究以及平臺設計方面取得了一定成就，但是智能電表質量保障體系存在著很多問題，針對多種電應力以及實負載運行的模擬平臺進行設計研究的很少。

2 硬件方案設計研究

由于現場用電環境比較復雜，電表或終端會受到各種電應力的作用，電網操作會產生瞬間過壓，開關斷開會擊穿拉弧引起群脈沖干擾，負載短路或容性負載會產生沖擊電流，非線性負載會產生諧波干擾，甩負載會產生短時工頻過壓，感應雷會產生浪涌電壓等等。這些干擾都是從電網的電壓線或電流線傳入電表，它們會對電表本身和通信產生影響，因此模擬以上情況對切實掌握環境因素對智能電能表的影響是十分必要的。其實驗方案如下：

2.1 試驗平臺結構描述

智能電表的可靠性控制平臺包括三層，其上層部分主要功能是對進線電壓調節，由單相調壓器來實現，該模塊稱為單相電壓調節區（供電區）;其中層部分為PLC控制區，實現不同模式的自由切換;其下層主要由電網沖擊負載模擬模塊、電網脈沖干擾模擬模塊、電網諧波干擾模塊、實負載模擬模塊和報警模塊組成，構成電應力仿真區和實負載模擬區，可以實現電應力仿真功能和實負載模擬功能。單相負載柜結構圖如圖1所示。

2.2 負載柜接線描述

智能電表的可靠性實驗平臺首先連接220V單相電源，通過單相調壓模塊調節輸入電壓，可調范圍在0～220V，可分級輸出440V、240V、220V、64V，連接表柜，作為輸入信號。掛表柜的輸出經過PLC控制的繼電器連接負載仿真控制柜的電應力仿真區和實負載模擬區，可根據需求自由切換選擇不同掛表柜的不同運行模式，實現模擬監測不同情況下的負載仿真功能。單相負載柜接線原理圖如圖2所示。

2.3 可靠性實驗平臺模塊具體介紹

可靠性實驗平臺主要單相調壓模塊、電網過壓模擬模塊、工頻過壓、欠壓模擬模塊、電網脈沖干擾模擬模塊、電網沖擊電流模擬模塊、電網諧波模擬模塊、電網電壓暫斷、掉電（刀閘實驗）模塊、實負載模擬模塊、報警模塊等組成，其系統圖如圖3所示，接下來對其進行具體介紹。

2.3.1 單相調壓模塊

單相調壓模塊包括帶漏電保護開關、220V單相調壓器交流升壓電源TDGC2-3kW數顯0～500V可調變壓器3000W，主要實現電網過壓模擬、工頻過壓、欠壓模擬，以及實現正常的供電模塊。滿足整個系統所用的電網沖擊負載模擬模塊、電網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余量，尤其滿足了在電網脈沖干擾模擬模塊、電網諧波干擾模塊等沖擊型負載使用時留有足夠大輸出功率余量。

2.3.2 電網過壓模擬模塊

電網過壓模擬模塊主要用于重現電網操作過電壓、甩負載過電壓，通常在現場發生2倍UN過電壓概率較高，最高過電壓可達6-7倍，但發生概率較低，因此選用3倍UN作為瞬間過電壓值，通過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，實現具有一定的保護功能的自動調節和轉換電路，實現220V/440V 以及57.7/116V的過電壓模擬實驗。

2.3.3 工頻過壓、欠壓模擬模塊

工頻過壓、欠壓模擬模塊主要用于模擬電網較長時間的過壓、欠壓、過流，該干擾可能會引起電表發熱、黑屏，該干擾的產生采用升壓、降壓變壓器模擬產生，其在單相調壓模塊中實現，通過PLC的DO輸出模塊根據需求自由切換選擇相電壓10%波動的波動情況下198V/242V 52V/64V的工頻過電壓和欠電壓參數來模擬對電表的影響實驗，實現對電表發熱以及黑屏現象的監測。

2.3.4 電網脈沖干擾模擬模塊

電網脈沖干擾模擬主要用于再現電網開關觸點斷開時拉弧產生脈沖干擾，該脈沖干擾幅值較高、上升沿較陡，能量較小，對電表有較強的干擾，但不會損壞電表。該脈沖的模擬采用真空開關斷開感性負載來模擬，由于單相異步電動機本身就是一個大的感性負載，故可通過PLC的輸出模塊DO來控制繼電器，進而控制單相異步電動機的啟動停止，來模擬拉弧產生的脈沖干擾。因此選用YL8022極數2極 額定功率1100W額定電壓220V的單相異步電機。

2.3.5 電網沖擊電流模擬模塊

電網脈沖用于重現電網短路故障或電容負載產生的沖擊大電流，這種短時沖擊電流會對電表采樣電路產生影響，該沖擊電流模擬采用對電力電容充電模擬，因烏絲燈本身存在電容，可以利用其特點可以在冷態可產生10倍的沖擊電流，故選擇型號為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PLC的DO輸出端控制繼電器，進而控制鎢絲燈的充放電來實現電網脈沖模擬。

2.3.6 電網諧波干擾模擬模塊

電網諧波干擾模擬模塊用于模擬電網非線性負載產生的諧波干擾，該波形可能會對電表計量和電表電源產生影響。由于全隔離單相可控硅交流調壓模塊是集同步變壓器、相位檢測電路、移相觸發電路和輸出可控硅于一體，當改變控制電壓的大小，就可改變輸出可控硅的觸發相角，即實現單相交流電的調壓。因增強型全隔離單相可控硅交流調壓模塊適用于電流變化率（dv/dt）的場合，故諧波的模擬采用增強型單相可控硅調壓模塊DTY-H220D35進行模擬，同時選擇合適的散熱器進行散熱。

2.3.7 電網電壓暫斷、掉電（刀閘試驗）

電網電壓暫斷、掉電（刀閘實驗）用于模擬電網大型負載突然、短暫把電壓拉低或突然停電，這些干擾會對電表電源和電表掉電存數產生影響。該干擾的產生通過PLC的DO輸出模塊控制繼電器進而控制開關K3斷電6秒、上電6秒循環實現，進而完成電網電壓暫斷、掉電（刀閘實驗）模擬實驗的影響。

2.3.8 實負載模擬模塊

實負載模擬模塊供長期監控掛表柜電表走字使用，由PLC控制繼電器進而控制開關，實現掛表柜測試的自由切換。其實負載在本項目中選用100W 500Ω的鋁殼制動剎車電阻，因鋁殼電阻的主要物理特征是變電能為熱能，也就是說鋁殼電阻是一個耗能元件，電流經過它就產生內能，可模擬正常家用電路耗能原件，便于監控電表走字的實現。

2.3.9 報警模塊

進行專門的過載保護報警功能，當負載過大，有漏電或人員觸電時，設備會進行安全報警提示，并自動切斷電源，確保操作者人身安全。

3 系統測試方案設計

室外環境模擬區就是在真實氣候環境下進行穩定性試驗，同時增加了陽光輻射試驗，臺體通過程序自動進行負載電流控制。每個臺體可掛20塊表即2個型號的電表，每月對電表數據進行一次抄讀，通過對比平均電量查看走字一致性對電表誤差進行分析，同時每月巡視目測電表一次，觀察電表有異常現象。

試驗結束流程：試驗時間按照長期運行設計，試驗結束，出試驗報告，電表走報廢流程：電表出現故障，分析故障原因，對故障表進行修復，繼續進行試驗;電表出現重大故障，則該型號表停止試驗，出故障分析報告，電表走報廢流程，如圖4所示。

4 系統測試結果

為了驗證電應力可靠性平臺的有效性，選擇與已有統計數據的同批次的具有可靠性的未使用的電表抽取20臺進行測試，對其參數、時間、是否清零進行設計，得到測試結果與在客戶使用的數據統計結果類似，由于電應力的電磁干擾等主要導致了黑屏、數據紊亂、設備死機等現象，且出現的故障率較為類似，因此此實驗平臺可以作為智能電表失效率的研究，檢驗電表的可靠性，做到了提前預測電表可能出現的故障。

5 結束語

本文針對電表運行系統的故障可靠性業務的需要，設計了一種基于PLC的多種電應力和實負載模擬的可靠性試驗平臺，詳細設計了該處理平臺的電應力仿真區和實負載模擬區，經搭建設計了對智能電表試驗的測試方案，大大提高了發現隱患問題的概率，將潛在故障充分暴露出來。

參考文獻：

[1]王思彤，羅瑋，袁瑞銘，等.電子式電能表壽命概念的探討[J].電測與儀表，2009，46（10）：48-5.

[2]范小飛，王波，于浩，等.電子式電能表可靠性分析及質量保障體系的建立[J].電測與儀表，2015，52（18）：118-122.

[3]盧晗.淺議電能計量裝置可靠性運行的管理[J].技術與市場，2012，19（10）：84+86.

[4]黨三磊，肖勇，李健，等.智能電表多應力可靠性試驗平臺設計與應用[J].低壓電器，2014（04）：51-54.

[5]馮波，陶鵬，王瑞欣，等.智能電能表可靠性及其評價方法分析[J].河北電力技術，2012，31（03）：15-17.

[6]徐錦濤，馮興樂，趙峰.智能電表可靠性預計技術研究[J].智慧電力，2018，46（04）：28-32.