單相智能電能表現場檢測與壽命評估

楊芾藜，鄭可，鄒波，張兵，周譚杰

(國網重慶電力公司營銷服務中心，重慶 401123)

0 引 言

由于遠程信息采集系統、自動化流水線檢測系統等高級量測體系為電力部門和電力用戶帶來顯著的經濟效益和社會效益。2009年以來，國家電網全面推動了智能電能表的安裝和應用，現如今智能電能表已經得到了全面的普及，特別是單相智能電能表現已覆蓋90%以上的居民用戶。單相智能電能表(以下簡稱智能表)應用地域廣泛，使用環境變化差異大，安裝數量巨大，現在各個地區安裝的智能表使用期限已經陸續達到了8年,按《JJG596-2012電子式交流電能表》檢定規程要求需大批量輪換,需耗費大量的人力財力。然而隨著技術的進步當前的智能表設計壽命普遍在10年～15年[1], 這就意味著即使到達輪換周期后，實際上仍然有大量在用電能表質量性能完好。因此如何對在用智能表準確度及性能進行檢測，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濟、科學、合理的方法來改進目前一刀切式的管理措施將有效節約社會資源,這是電力部門和電力用戶十分關心的問題。

2010年，國際計量法制組織(OIML)專門編寫了《采用抽樣方法對使用中民用儀表進行后續檢定》(Surveillance of Utility Meters in Service Based on Sampling Inspection)的文件，探討了在使用期限內對電能表等計量表計實施抽樣檢定的方法，目前，英國、德國等歐美發達國家已逐步采用抽樣統計方法合理延長電能表的使用時限[2-5]。

以往的相關研究大部分是通過多應力退化試驗(ADT)和加速壽命試驗(ALT)等模擬場外環境應力數據[6-9]，基于掛網前的測量誤差通過數學模型計算對智能表預期剩余壽命進行評估[10-14]。然而智能表的實際使用條件復雜多變，試驗模型終究不能完全模擬智能表的實際運行環境，這給評估結果造成了很大的不確定性[15-21]。因此文章通過挑選多個典型使用環境下已經在網運行了7年以上不到8年的智能表安裝點作為試驗點，這些安裝點包括了農村戶外輸電桿、鄉鎮多層樓梯間、城市高層配電井等不同的運行環境。直接在掛網點不斷電，不改變使用環境，用大功率負載源、電暖氣、電吹風、燈泡等多種組合負載。通過高精度現場校驗儀、安裝式標準電能表等同時對同一負載點通過多種方式進行基本誤差檢測、電量走字誤差檢測，試驗結束后將試驗智能表帶回實驗室通過單相電能表檢定裝置進一步對各項功能進行檢測。最終和智能表掛網運行前的測試數據進行比對，來評估到期運行的智能表的可靠性和預期壽命[22-23]。

1 方案概述

文中研究主要基于現場環境下多個設備、多種方法測得的智能表測量誤差和掛網前后該智能表在參比條件(環境溫度20 ℃±2 ℃，相對濕度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境)下測得的測量誤差數據，通過計算分析智能表的測量誤差在不同運行環境下的溫度影響、年變差，來估算智能表的預期剩余使用壽命。為保證試驗的可靠性,文章所有試驗用戶表均選用掛網7年～8年的智能表，同時驗證安裝式標準電能表和現場校驗儀對智能表現場在線檢測中的可靠性和一致性[24]。具體實驗流程如圖1所示。

圖1 實驗流程圖

2 實驗裝置特性

某品牌TD3301型現場校驗儀(以下簡稱TD)：采用A/D轉換計量芯片，支持0.1～100 A寬量程負載誤差測試，支持電流鉗測試和直接接入測試。

某品牌T型便攜式現場校驗儀(以下簡稱T-203)：采用A/D轉換計量芯片，電流鉗支持0.1 A～100 A寬量程負載誤差測試，直接接入支持0.1 A～20 A負載誤差測試。

某品牌FMS631型安裝式標準電能表(以下簡稱FMS)：內置TDM時分割乘法器原理計量單元，可在復雜的使用工況下對基本誤差、電量走字誤差實現高達0.02%的準確測量，支持0.1 A～100 A電流鉗測量和直接接入測量。所配電流鉗具備自校準功能。

3 在線用戶實驗測試

在環境溫度為35 ℃±2 ℃的條件下(根據國家規定日最高氣溫達到或高于35 ℃為高溫，環境溫度35 ℃±2 ℃作為智能表工作的高溫條件具有普遍性)，在農網用戶配電端選取出線端帶空開的智能表6只，規格為電壓220 V,電流 5(60) A,準確度等級 2級，分別為A、B、C三個廠商生產。保持智能表不斷電，將負載端空開與用戶斷開，按照圖2的接線方式將TD3301、T-203、FMS631等三種現場測試設備接入智能表。

圖2 電流鉗接入試驗方案

在負載端分別接入電吹風、電暖氣、燈泡等負載，使智能表分別工作在輕負載、中負載、重負載條件下，通過電流鉗進行基本誤差測試、走字電量誤差測試。測試結束后再按照圖3的接線方式將上述測試設備電流串聯接入負載，電壓并聯接入智能表進線端，在上述相同負載條件下，直接對智能表進行基本誤差測試、電量走字誤差測試。

圖3 直接接入試驗方案

文中標準表與被檢表都在相同工況連續工作的情況下，用被檢表輸出的脈沖的時間周期與標準表換算脈沖的時間周期的相對誤差表示基本誤差。

被檢表的相對誤差r1(%)如式(1)所示：

r1=(TL-To) /To100%

(1)

式中To為標準表換算脈沖周期，單位：s；TL為被檢表輸出的脈沖時間周期，單位：s；按式(2)計算；

To-=CLTL/C0

(2)

式中C0為標準表的脈沖常數，單位：imp/kW·h；CL為被檢表常數，單位：imp/kW·h。

文中安裝式標準電能表能自動計算出區間運行時間內被檢表的電量走字誤差，按式(3)計算每個被檢表的相對誤差r2(%)：

r2=W100%

(3)

式中w為安裝式標準電能表顯示的電能值或脈沖計算電量(脈沖計算電量由標準計量器具捕獲并計算)，kW·h。

兩種方式的測試結果如表1所示。

表1 農村戶外測試

采用同樣的測試方法、同樣的測試設備、同樣的負載裝置。分別在鄉鎮多層住宅樓梯間掛表點和城市高層住宅配電井內掛表點，選取相同生產廠家同樣規格的的智能表進行的測試，測試結果如表2和表3所示。

表2 鄉鎮多層樓梯間測試

從三個不同地點的測試結果可以看出，三個地點在線運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。但同一地點三個廠商之間在同一負載測試的基本誤差存在明顯差異，三個測試點三個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設備電能基準的溯源誤差所造成,也可能是不同廠商產品老化程度不同步導致誤差差異較大。另外同一廠商的智能表在不同的掛網點基本誤差差異也非常大，這可能是由于使用環境對智能表的長期影響導致，需要結合掛網前的測試數據以及智能表拆回后在參比條件下的測試數據綜合分析。同時也可以看到相對于其它兩款現場校驗儀，帶有電流鉗自校準功能的FMS631型安裝式標準電能表在使用電流鉗測量時的誤差，更接近于直接接入的測量誤差，表現出優越的性能。

4 參比條件測試

上述網點測試結束后將所有被測智能表帶回實驗室，在參比條件下20 ℃(±2 ℃)用0.02級單相電能表檢定裝置調整輸出上述測試中現場實際負載點的電壓電流，對各個負載點參比條件下的基本誤差和基準點的電量走字誤差進行測試，測試結果如表4所示。

表4 拆回實驗室參比測試

從表4可以看出拆回后各個負載點之間的基本誤差并無太大差異，所以以中負載點基本誤差為依據和被測表掛網前相近的5 A負載點測試數據進行比對，結果如圖4所示。

從圖4和表4數據可以看到，掛網前智能表之間誤差差異較小，掛網后誤差均出現較大變差，再次印證了不同現場測試數據的可靠性。

圖4 各編號智能表掛網前后額定電流誤差曲線

5 基于場外和參比條件測試數據進行剩余壽命預測

以場外實際負載直接接入測試5 A負載附近FMS631測得的基本誤差和表4參比條件模擬相同負載點誤差為依據,可計算出所有電能表在理想條件下的實際溫度系數(T)，以上測試原始數據如表5所示。

表5 原始測試數據

依據以上測試數據，設定室內外測試溫度差值為ΔT，按式(4)計算文章中實驗表的溫度系數(T)。

T=(r3-r4)/ΔT

(4)

注： ΔT=35 ℃-20 ℃=15 ℃

被測智能表溫度系數如表6所示。以重慶地區氣溫年變化情況為例，智能表表內溫度年變差大約在40 ℃左右，按照表6的數據，其對智能表誤差的影響在0.1%以內。

以表6中電流點5 A為依據通過被測智能表掛網前的基本誤差(r6)數據(如表7所示)和實驗結束拆回后參比條件測試基本誤差，可以推算出理想狀態(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為智能表掛網年限，單位：年。

注：文章中試驗用表均按掛網8年計算

表6 溫度系數

表7 掛網前基本誤差

依據了公式(5)計算智能表年變差數據如表8所示。

表8 誤差年變差

依照表8的年變差數據可以計算出在環境溫度35 ℃(±2 ℃)工況下每一只智能表在不同的應用場景中輕載、中載和重載負載情況下智能表基本誤差預期未來n年誤差變化趨勢，其推算基本誤差用r7表示，如式(6)所示:

r7=r1+r5×n+n1×T

(6)

依據公式(6)計算智能表年變差數據如表9所示。

表9 預期誤差變化

從表9可以看出，預估5年后在環境溫度35 ℃(±2 ℃)理想狀態下，不同應用場景中智能表的基本誤差離超出國標范圍均有不同程度的誤差余量，但使用場景在高層配電井內的智能表誤差余量明顯較其他兩個場景較大。因為目前單相智能表國網內部掛網前的誤差內控標準基本在國標的50%以內，而且考慮到戶外裝表年溫度變化大，根據文章數據分析得出最大誤差年變差可能達0.1%，加上其他一些不可控干擾因素較多，所以農村戶外掛表點的智能表基本誤差雖然合格但實際可能已經超出了國網的內控要求。因此按文章檢測結果分析，當智能表8年周期到期后，通過現場在線抽檢合格的智能表，根據表9預估，建議延期兩年較為合理，更為科學的判斷需大量的抽取檢測實際應用的不同批次的智能表進行預判。

6 結論分析

通過上述測試可以看出，安裝式標準電能表模擬用戶測試的智能表的基本誤差和電量走字誤差均比現場校驗儀準確，安裝式標準電能表可在現場環境下準確測量、計量及電流鉗校準的設計特性,試驗表明其更符合現場在線檢定及壽命延期的技術要求。多種測試方式測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，是可以繼續使用的。同時有部分智能表存在用戶實際使用中的誤差和參比條件下測得的誤差差異較大的情況。由于文章采用的智能表樣本數量及品牌類型有限，雖然最終的測試誤差均在合格范圍內，但不能保證大批量用戶使用的情況下不會出現出廠誤差合格的表在實際負載中誤差超差的問題。所以電力部門和計量檢測機構有必要根據《采用抽樣方法對使用中民用儀表進行后續檢定》(Surveillance of Utility Meters in Service Based on Sampling Inspection)文件要求進行同批次智能表現場使用中的抽樣測試和數據分析，綜合評估壽命延期年限。

7 結束語

通過文中試驗方法的數據分析，表明采用安裝式標準電能表對實際使用中的單相智能表進行在線檢測的方法可以準確地檢測出智能表的準確性、可靠性，從而實現對在用智能表的現場檢定。可用于智能電能表的壽命延期，可以并聯掛在用戶現場，作為現場負載條件下智能表基本誤差和長期電量走字誤差測試的一種方法，也可以通過電流鉗現場在線準確檢測基本誤差和電量誤差判斷智能表是否合格。對不同廠商智能表現場運行情況進行長期監測及檢測，彌補現場校驗儀受環境因素影響較大、電流鉗受鉗口錯位、污臟、張緊力變化等因素影響，導致實際使用過程中準確度不可靠等問題。目前已利用該方法在部分居民區對用電異常和有爭議的用戶進行掛網監測，均取得良好的監測效果。

試驗表明采用安裝式標準電能表對智能表進行現場在線檢測的方案更能準確地反應出智能表工作的真實狀態，比拆回實驗室檢測節省人力及財力，且更能準確地反應智能表運行狀態，比通過數學模型計算對智能表預期剩余壽命進行評估更加準確可靠，從而使電能表輪換周期智能化、科學化。另外需要指出，不同廠商產品之間在同一負載點測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期，這有可能是由于不同廠商生產設備電能基準的溯源誤差所造成。目前電能表流水線校驗裝置尚未能進行實負載動態檢驗、實時監測，及時填補這個短板應該是今后的工作重點之一。