智能电表电应力可靠性试验平台的设计

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摘  要：智能电表作为智能电网的核心部件，其种类多、数量大、覆盖面广，但故障率一直在上升，维护性工作不断增加。故文章模拟现场运行条件，设计了一种智能电表电应力可靠性试验平台，该平台可以模拟电网过压、工频过压、欠压等多种电应力以及实负载运行，能够通过长期运行提前发现电能表故障，解决了现场检验工作一直存在的矛盾。

关键词：电应力;实负载;可靠性试验平台

中图分类号：TM933.4       文献标志码：A       文章编号：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

隨着南方电网公司智能电能表系列企业标准的发布，南网公司对智能电能表及采集终端设备质量管控工作愈加重视，目前智能电能表及采集终端在实验室检验方面都具有一套完善的检验标准体系，用于保证产品质量满足技术要求。然而，在现场复杂环境条件下，智能电能表及采集终端仍缺乏相应的测试手段和评价标准， 导致运行可靠性和稳定性方面存在薄弱环节。智能电能表和采集终端设备在现场运行时会受到各种因素及突发事件的影响，即使在试验室检验合格的设备，也可能因复杂的现场环境而出现异常，导致计量偏差或性能下降等质量缺陷。因而提出了一种模拟实际环境的各种电应力方案，搭建一个可靠性试验平台，达到提前预知电能表可能发生的故障功能。

1 研究现状

王思彤、罗玮等人结合电子式电能表的失效分布特性，提出了反映质量保证最小寿命的指标应是满足可靠度目标值得可靠寿命[1-2];卢晗通过分析电能计量装置选型及装表接线中存在的问题，研究讨论了通过提高电能计量装置的防窃电性能和计量准确度等方法来增强其可靠性管理[3];党三磊等人设计开发了一种适用于智能电表的多应力可靠性试验平台[4-5];徐锦涛等人以智能电表电路图为基础提出一种新的可靠性建模方法，结合元器件应力法以此来对智能电表的基本可靠性进行预计[6]。可见电表的可靠性一直是电表行业的一个研究热点，且在理论研究以及平台设计方面取得了一定成就，但是智能电表质量保障体系存在着很多问题，针对多种电应力以及实负载运行的模拟平台进行设计研究的很少。

2 硬件方案设计研究

由于现场用电环境比较复杂，电表或终端会受到各种电应力的作用，电网操作会产生瞬间过压，开关断开会击穿拉弧引起群脉冲干扰，负载短路或容性负载会产生冲击电流，非线性负载会产生谐波干扰，甩负载会产生短时工频过压，感应雷会产生浪涌电压等等。这些干扰都是从电网的电压线或电流线传入电表，它们会对电表本身和通信产生影响，因此模拟以上情况对切实掌握环境因素对智能电能表的影响是十分必要的。其实验方案如下：

2.1 试验平台结构描述

智能电表的可靠性控制平台包括三层，其上层部分主要功能是对进线电压调节，由单相调压器来实现，该模块称为单相电压调节区（供电区）;其中层部分为PLC控制区，实现不同模式的自由切换;其下层主要由电网冲击负载模拟模块、电网脉冲干扰模拟模块、电网谐波干扰模块、实负载模拟模块和报警模块组成，构成电应力仿真区和实负载模拟区，可以实现电应力仿真功能和实负载模拟功能。单相负载柜结构图如图1所示。

2.2 负载柜接线描述

智能电表的可靠性实验平台首先连接220V单相电源，通过单相调压模块调节输入电压，可调范围在0～220V，可分级输出440V、240V、220V、64V，连接表柜，作为输入信号。挂表柜的输出经过PLC控制的继电器连接负载仿真控制柜的电应力仿真区和实负载模拟区，可根据需求自由切换选择不同挂表柜的不同运行模式，实现模拟监测不同情况下的负载仿真功能。单相负载柜接线原理图如图2所示。

2.3 可靠性实验平台模块具体介绍

可靠性实验平台主要单相调压模块、电网过压模拟模块、工频过压、欠压模拟模块、电网脉冲干扰模拟模块、电网冲击电流模拟模块、电网谐波模拟模块、电网电压暂断、掉电（刀闸实验）模块、实负载模拟模块、报警模块等组成，其系统图如图3所示，接下来对其进行具体介绍。

2.3.1 单相调压模块

单相调压模块包括带漏电保护开关、220V单相调压器交流升压电源TDGC2-3kW数显0～500V可调变压器3000W，主要实现电网过压模拟、工频过压、欠压模拟，以及实现正常的供电模块。满足整个系统所用的电网冲击负载模拟模块、电网脉冲干扰模拟模块等不同使用情况下使输出功率留有适当余量，尤其满足了在电网脉冲干扰模拟模块、电网谐波干扰模块等冲击型负载使用时留有足够大输出功率余量。

2.3.2 电网过压模拟模块

电网过压模拟模块主要用于重现电网操作过电压、甩负载过电压，通常在现场发生2倍UN过电压概率较高，最高过电压可达6-7倍，但发生概率较低，因此选用3倍UN作为瞬间过电压值，通过PLC的DO输出模块控制继电器，采用小电流去控制大电流模式，实现具有一定的保护功能的自动调节和转换电路，实现220V/440V 以及57.7/116V的过电压模拟实验。

2.3.3 工频过压、欠压模拟模块

工频过压、欠压模拟模块主要用于模拟电网较长时间的过压、欠压、过流，该干扰可能会引起电表发热、黑屏，该干扰的产生采用升压、降压变压器模拟产生，其在单相调压模块中实现，通过PLC的DO输出模块根据需求自由切换选择相电压10%波动的波动情况下198V/242V 52V/64V的工频过电压和欠电压参数来模拟对电表的影响实验，实现对电表发热以及黑屏现象的监测。

2.3.4 电网脉冲干扰模拟模块

电网脉冲干扰模拟主要用于再现电网开关触点断开时拉弧产生脉冲干扰，该脉冲干扰幅值较高、上升沿较陡，能量较小，对电表有较强的干扰，但不会损坏电表。该脉冲的模拟采用真空开关断开感性负载来模拟，由于单相异步电动机本身就是一个大的感性负载，故可通过PLC的输出模块DO来控制继电器，进而控制单相异步电动机的启动停止，来模拟拉弧产生的脉冲干扰。因此选用YL8022极数2极 额定功率1100W额定电压220V的单相异步电机。

2.3.5 电网冲击电流模拟模块

电网脉冲用于重现电网短路故障或电容负载产生的冲击大电流，这种短时冲击电流会对电表采样电路产生影响，该冲击电流模拟采用对电力电容充电模拟，因乌丝灯本身存在电容，可以利用其特点可以在冷态可产生10倍的冲击电流，故选择型号为S14-E27的钨丝灯，其额定功率10及其以下，额定电压为110V-240V。其主要通过PLC的DO输出端控制继电器，进而控制钨丝灯的充放电来实现电网脉冲模拟。

2.3.6 电网谐波干扰模拟模块

电网谐波干扰模拟模块用于模拟电网非线性负载产生的谐波干扰，该波形可能会对电表计量和电表电源产生影响。由于全隔离单相可控硅交流调压模块是集同步变压器、相位检测电路、移相触发电路和输出可控硅于一体，当改变控制电压的大小，就可改变输出可控硅的触发相角，即实现单相交流电的调压。因增强型全隔离单相可控硅交流调压模块适用于电流变化率（dv/dt）的场合，故谐波的模拟采用增强型单相可控硅调压模块DTY-H220D35进行模拟，同时选择合适的散热器进行散热。

2.3.7 电网电压暂断、掉电（刀闸试验）

电网电压暂断、掉电（刀闸实验）用于模拟电网大型负载突然、短暂把电压拉低或突然停电，这些干扰会对电表电源和电表掉电存数产生影响。该干扰的产生通过PLC的DO输出模块控制继电器进而控制开关K3断电6秒、上电6秒循环实现，进而完成电网电压暂断、掉电（刀闸实验）模拟实验的影响。

2.3.8 实负载模拟模块

实负载模拟模块供长期监控挂表柜电表走字使用，由PLC控制继电器进而控制开关，实现挂表柜测试的自由切换。其实负载在本项目中选用100W 500Ω的铝壳制动刹车电阻，因铝壳电阻的主要物理特征是变电能为热能，也就是说铝壳电阻是一个耗能元件，电流经过它就产生内能，可模拟正常家用电路耗能原件，便于监控電表走字的实现。

2.3.9 报警模块

进行专门的过载保护报警功能，当负载过大，有漏电或人员触电时，设备会进行安全报警提示，并自动切断电源，确保操作者人身安全。

3 系统测试方案设计

室外环境模拟区就是在真实气候环境下进行稳定性试验，同时增加了阳光辐射试验，台体通过程序自动进行负载电流控制。每个台体可挂20块表即2个型号的电表，每月对电表数据进行一次抄读，通过对比平均电量查看走字一致性对电表误差进行分析，同时每月巡视目测电表一次，观察电表有异常现象。

试验结束流程：试验时间按照长期运行设计，试验结束，出试验报告，电表走报废流程：电表出现故障，分析故障原因，对故障表进行修复，继续进行试验;电表出现重大故障，则该型号表停止试验，出故障分析报告，电表走报废流程，如图4所示。

4 系统测试结果

为了验证电应力可靠性平台的有效性，选择与已有统计数据的同批次的具有可靠性的未使用的电表抽取20台进行测试，对其参数、时间、是否清零进行设计，得到测试结果与在客户使用的数据统计结果类似，由于电应力的电磁干扰等主要导致了黑屏、数据紊乱、设备死机等现象，且出现的故障率较为类似，因此此实验平台可以作为智能电表失效率的研究，检验电表的可靠性，做到了提前预测电表可能出现的故障。

5 结束语

本文针对电表运行系统的故障可靠性业务的需要，设计了一种基于PLC的多种电应力和实负载模拟的可靠性试验平台，详细设计了该处理平台的电应力仿真区和实负载模拟区，经搭建设计了对智能电表试验的测试方案，大大提高了发现隐患问题的概率，将潜在故障充分暴露出来。

参考文献：

[1]王思彤，罗玮，袁瑞铭，等.电子式电能表寿命概念的探讨[J].电测与仪表，2009，46（10）：48-5.

[2]范小飞，王波，于浩，等.电子式电能表可靠性分析及质量保障体系的建立[J].电测与仪表，2015，52（18）：118-122.

[3]卢晗.浅议电能计量装置可靠性运行的管理[J].技术与市场，2012，19（10）：84+86.

[4]党三磊，肖勇，李健，等.智能电表多应力可靠性试验平台设计与应用[J].低压电器，2014（04）：51-54.

[5]冯波，陶鹏，王瑞欣，等.智能电能表可靠性及其评价方法分析[J].河北电力技术，2012，31（03）：15-17.

[6]徐锦涛，冯兴乐，赵峰.智能电表可靠性预计技术研究[J].智慧电力，2018，46（04）：28-32.