智能電能表時(shí)鐘日計(jì)時(shí)超差原因分析

胡 濤，趙震宇，熊紫騰，劉仕萍，鄧高峰

（國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司供電服務(wù)管理中心，江西 南昌 330096）

0 引言

隨著電網(wǎng)建設(shè)不斷向數(shù)字化和智能化發(fā)展，全國(guó)范圍內(nèi)智能電能表的投運(yùn)數(shù)量大幅增長(zhǎng)。智能電能表從開(kāi)始單一的計(jì)量，發(fā)展到分時(shí)計(jì)量、階梯計(jì)費(fèi)、電量?jī)鼋Y(jié)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及事件記錄等多種復(fù)雜功能，而這些功能均要求智能電能表要精確計(jì)時(shí)[1]。智能電能表的時(shí)鐘是用戶(hù)分時(shí)電價(jià)費(fèi)率時(shí)段切換的依據(jù)[2]。智能電能表能夠根據(jù)當(dāng)前所處的時(shí)間，將用電情況計(jì)入到對(duì)應(yīng)的峰谷分時(shí)電量上；還將在每日零點(diǎn)自動(dòng)凍結(jié)電量底碼，作為同期線損的計(jì)算依據(jù)。智能電能表時(shí)鐘日計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性，將影響到峰谷分時(shí)計(jì)費(fèi)的執(zhí)行以及同期線損的計(jì)算。當(dāng)智能電能表出現(xiàn)明顯的時(shí)鐘偏差時(shí)，還會(huì)影響公司的優(yōu)質(zhì)服務(wù)質(zhì)量，產(chǎn)生投訴風(fēng)險(xiǎn)。此外，時(shí)鐘日計(jì)時(shí)功能也是電能表檢定規(guī)程中的重要檢定項(xiàng)目之一[3]。因此有必要開(kāi)展智能電能表時(shí)鐘日計(jì)時(shí)超差原因分析，提升質(zhì)量管控能力，從而達(dá)到提高智能電能表質(zhì)量可靠性的目的。

1 智能電能表時(shí)鐘日計(jì)時(shí)相關(guān)知識(shí)

1.1 時(shí)鐘日計(jì)時(shí)原理

智能電能表實(shí)現(xiàn)精確的計(jì)時(shí)功能，主要是依靠其內(nèi)部的時(shí)鐘晶振電路。由時(shí)鐘晶振產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，然后對(duì)其進(jìn)行分頻，得到準(zhǔn)確的秒脈沖信號(hào)。有了秒脈沖的累加計(jì)時(shí)，再通過(guò)年月日的轉(zhuǎn)換，就實(shí)現(xiàn)了日計(jì)時(shí)功能。通常智能電能表采用的時(shí)鐘晶振頻率是32.768 kHz，對(duì)其進(jìn)行15次二分頻之后，即可得到1 Hz的秒脈沖。因?yàn)?2.768 kHz等于2的15次方，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換比較方便、精確。

日計(jì)時(shí)誤差是指每一天電能表內(nèi)部時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的差值，單位通常用秒每天表示。在電能表檢定規(guī)程中，明確規(guī)定了時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差限為±0.5 s/d，也就是說(shuō)電能表每天允許的最大計(jì)時(shí)偏差是±0.5 s。經(jīng)過(guò)檢定合格，安裝到現(xiàn)場(chǎng)的智能電能表均應(yīng)滿(mǎn)足該指標(biāo)要求。假設(shè)一只智能電能表的時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差為+0.5 s/d，一年按365 d計(jì)算，則運(yùn)行一年產(chǎn)生的累計(jì)時(shí)間偏差為+182.5 s，約為快了3 min。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司管理規(guī)定，用電信息采集系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程校正5 min以?xún)?nèi)時(shí)鐘偏差。通過(guò)用電信息采集系統(tǒng)主站定期對(duì)運(yùn)行電能表進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)，這樣就保證了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行智能電能表時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。

日計(jì)時(shí)誤差的測(cè)量原理如圖1所示。工作電源為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源、誤差計(jì)算單元以及被檢電能表提供額定工作電壓。誤差計(jì)算單元同時(shí)接受標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源和被檢電能表產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差，并在日計(jì)時(shí)誤差顯示單元中展示。被檢電能表通過(guò)多功能端子持續(xù)輸出低頻的秒脈沖信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源輸出的是高頻時(shí)鐘脈沖[4]。

圖1 電能表時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差測(cè)量原理

在被檢電能表產(chǎn)生t1個(gè)秒脈沖時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)的時(shí)間為T(mén)1；t1個(gè)秒脈沖算定的時(shí)間為T(mén)0，則時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差計(jì)算，如式（1）所示。

1.2 時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差試驗(yàn)方法

在國(guó)網(wǎng)公司智能電能表技術(shù)規(guī)范中，規(guī)定了時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差的試驗(yàn)方法[5-6]為：在參比條件下，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源和被檢電能表達(dá)到熱穩(wěn)定后，使用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源在被檢電能表時(shí)基頻率測(cè)試點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行3次測(cè)量，每次測(cè)量時(shí)間為1 min，之后計(jì)算平均值，其結(jié)果不應(yīng)超過(guò)±0.5 s/d。這里的參比條件主要是指：環(huán)境溫度為（23±2）℃，工作電壓范圍為標(biāo)稱(chēng)電壓±1%；被檢電能表的時(shí)基頻率測(cè)試點(diǎn)，指的是多功能脈沖端子輸出的秒脈沖信號(hào)。

如圖2所示，是用示波器觀測(cè)智能電能表多功能端子輸出的秒脈沖波形，可以發(fā)現(xiàn)秒脈沖信號(hào)頻率為1 Hz，波形為標(biāo)準(zhǔn)的5 V方波信號(hào)，占空比為50%。試驗(yàn)時(shí)每次測(cè)量時(shí)間為1 min，即被檢電能表每輸出60個(gè)秒脈沖，計(jì)算一次日計(jì)時(shí)誤差。

圖2 電能表輸出的秒脈沖信號(hào)波形

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有兩塊DDZY178-Z型單相智能電能表，其規(guī)格為：電壓220 V，電流5（60）A，脈沖常數(shù)2000 imp/kWh，有功等級(jí)A級(jí)，通信方式為HPLC。按規(guī)定的試驗(yàn)方法，為其進(jìn)行時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 電能表時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差測(cè)試結(jié)果s/d

從表中可以看出，編號(hào)為224501182185的電能表時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差超差，試驗(yàn)結(jié)果不合格。

2 時(shí)鐘日計(jì)時(shí)超差原因分析

2.1 原因分析

上述型號(hào)電能表關(guān)于時(shí)鐘計(jì)時(shí)部分的電路原理圖，如圖3所示。由電路原理圖，可以看出單片機(jī)的工作時(shí)鐘是由片外晶振（圖中G3元件）提供，電能表的秒脈沖是從單片機(jī)控制器（MCU）的64號(hào)引腳（SEC）端口輸出。由于同一型號(hào)規(guī)格的電能表，其軟硬件完全一致，其中一只出現(xiàn)時(shí)鐘日計(jì)時(shí)超差，推斷時(shí)鐘晶振元件G3可能存在問(wèn)題。

圖3 電能表時(shí)鐘輸出電路原理圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證，繼續(xù)使用表1中的兩只電能表進(jìn)行試驗(yàn)。由于編號(hào)為224501189874的電能表時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差合格，可知其時(shí)鐘晶振元件的性能指標(biāo)正常。將這兩只電能表拆開(kāi)，取出PCB板上的時(shí)鐘晶振元件，用合格電能表上的時(shí)鐘晶振替換掉超差電能表上的晶振，如圖4所示。

圖4 替換超差電能表的晶振元件

完成時(shí)鐘晶振替換后，再重新對(duì)原超差電能表進(jìn)行時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差測(cè)試，測(cè)得值為-0.17 s/d，結(jié)果合格。同時(shí)將超差電能表上取下的晶振，安裝到原來(lái)合格的電能表上，測(cè)得其時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差為+1.07 s/d。實(shí)驗(yàn)表明，電能表時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差超差是由時(shí)鐘晶振異常導(dǎo)致。

2.2 電能表時(shí)鐘晶振的安裝工藝

32.768kHz晶體的振蕩幅度很低，一般在0.8 V~1.0 V之間，非常容易受到外圍環(huán)境的影響，造成晶體停振或者振幅偏低導(dǎo)致日計(jì)時(shí)誤差超差[7]。如圖5所示，是用示波器在時(shí)鐘晶振引腳處觀測(cè)的晶體振蕩波形。可以看到晶振產(chǎn)生的振蕩波形并非是標(biāo)準(zhǔn)的方波波形，幅值也較低，證實(shí)了高頻時(shí)鐘信號(hào)容易受安裝工藝以及外部環(huán)境影響。

圖5 時(shí)鐘晶振產(chǎn)生的波形

對(duì)比不同電能表制造商關(guān)于時(shí)鐘晶振的安裝工藝，發(fā)現(xiàn)目前電能表時(shí)鐘晶振的固定方式有3種，分別是：無(wú)固定（無(wú)附加固定措施）、膠水固定和金屬絲綁定。前文所述型號(hào)規(guī)格為DDZY178-Z的單相智能電能表，其PCB上的時(shí)鐘晶振為無(wú)固定方式，僅依靠時(shí)鐘晶振焊接的引腳支撐，另外兩種固定方式如圖6所示。

圖6 時(shí)鐘晶振的固定方式

固定時(shí)鐘晶振可以防止運(yùn)輸過(guò)程中形成共振，避免出現(xiàn)晶振脫落；采用金屬絲綁定的方式固定，還可以起到晶振外殼接地，減少電噪聲干擾影響的作用。通過(guò)各種安裝工藝對(duì)比，建議在安裝插針式的時(shí)鐘晶振元件時(shí)，為其提供附加固定措施，最好能在固定晶振外殼的同時(shí)將其接地，以減少噪聲干擾。

3 結(jié)語(yǔ)

文中系統(tǒng)闡述了智能電能表時(shí)鐘日計(jì)時(shí)的原理以及如何進(jìn)行時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差測(cè)試。針對(duì)一起單相智能電能表時(shí)鐘日計(jì)時(shí)超差問(wèn)題，結(jié)合電路原理圖，從工作原理和元器件功能的角度進(jìn)行分析，成功定位并驗(yàn)證了故障原因?yàn)闀r(shí)鐘晶振元件異常。同時(shí)對(duì)比了不同電能表制造商關(guān)于時(shí)鐘晶振的安裝工藝，提出了在固定晶振外殼的同時(shí)將其接地的建議，這樣有助于提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低時(shí)鐘日計(jì)時(shí)超差故障率。

另外，建議避免采用雙列直插的時(shí)鐘晶振元件，優(yōu)先選用貼片式晶振元件；在智能電能表質(zhì)量管控過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)關(guān)鍵功能元器件的質(zhì)量控制，嚴(yán)禁電能表供應(yīng)商隨意變更元器件，確需變更的應(yīng)履行備案審批手續(xù)。