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(wǎng)的核心部件，其種類多、數(shù)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(xiàn)場運行條件，設(shè)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(wǎng)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(fā)現(xiàn)電能表故障，解決了現(xiàn)場檢驗工作一直存在的矛盾。

關(guān)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(wǎng)公司智能電能表系列企業(yè)標準的發(fā)布，南網(wǎng)公司對智能電能表及采集終端設(shè)備質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)量滿足技術(shù)要求。然而，在現(xiàn)場復雜環(huán)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(wěn)定性方面存在薄弱環(huán)節(jié)。智能電能表和采集終端設(shè)備在現(xiàn)場運行時會受到各種因素及突發(fā)事件的影響，即使在試驗室檢驗合格的設(shè)備，也可能因復雜的現(xiàn)場環(huán)境而出現(xiàn)異常，導致計量偏差或性能下降等質(zhì)量缺陷。因而提出了一種模擬實際環(huán)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(fā)生的故障功能。

1 研究現(xiàn)狀

王思彤、羅瑋等人結(jié)合電子式電能表的失效分布特性，提出了反映質(zhì)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(shè)計開發(fā)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(chǔ)提出一種新的可靠性建模方法，結(jié)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]?？梢婋姳淼目煽啃砸恢笔请姳硇袠I(yè)的一個研究熱點，且在理論研究以及平臺設(shè)計方面取得了一定成就，但是智能電表質(zhì)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(shè)計研究的很少。

2 硬件方案設(shè)計研究

由于現(xiàn)場用電環(huán)境比較復雜，電表或終端會受到各種電應力的作用，電網(wǎng)操作會產(chǎn)生瞬間過壓，開關(guān)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(chǎn)生沖擊電流，非線性負載會產(chǎn)生諧波干擾，甩負載會產(chǎn)生短時工頻過壓，感應雷會產(chǎn)生浪涌電壓等等。這些干擾都是從電網(wǎng)的電壓線或電流線傳入電表，它們會對電表本身和通信產(chǎn)生影響，因此模擬以上情況對切實掌握環(huán)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(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)，由單相調(diào)壓器來實現(xiàn)，該模塊稱為單相電壓調(diào)節(jié)區(qū)（供電區(qū)）;其中層部分為PLC控制區(qū)，實現(xiàn)不同模式的自由切換;其下層主要由電網(wǎng)沖擊負載模擬模塊、電網(wǎng)脈沖干擾模擬模塊、電網(wǎng)諧波干擾模塊、實負載模擬模塊和報警模塊組成，構(gòu)成電應力仿真區(qū)和實負載模擬區(qū)，可以實現(xiàn)電應力仿真功能和實負載模擬功能。單相負載柜結(jié)構(gòu)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(diào)壓模塊調(diào)節(jié)輸入電壓，可調(diào)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(jīng)過PLC控制的繼電器連接負載仿真控制柜的電應力仿真區(qū)和實負載模擬區(qū)，可根據(jù)需求自由切換選擇不同掛表柜的不同運行模式，實現(xiàn)模擬監(jiān)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(diào)壓模塊、電網(wǎng)過壓模擬模塊、工頻過壓、欠壓模擬模塊、電網(wǎng)脈沖干擾模擬模塊、電網(wǎng)沖擊電流模擬模塊、電網(wǎng)諧波模擬模塊、電網(wǎng)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(tǒng)圖如圖3所示，接下來對其進行具體介紹。

2.3.1 單相調(diào)壓模塊

單相調(diào)壓模塊包括帶漏電保護開關(guān)、220V單相調(diào)壓器交流升壓電源TDGC2-3kW數(shù)顯0～500V可調(diào)變壓器3000W，主要實現(xiàn)電網(wǎng)過壓模擬、工頻過壓、欠壓模擬，以及實現(xiàn)正常的供電模塊。滿足整個系統(tǒng)所用的電網(wǎng)沖擊負載模擬模塊、電網(wǎng)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(wǎng)脈沖干擾模擬模塊、電網(wǎng)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(wǎng)過壓模擬模塊

電網(wǎng)過壓模擬模塊主要用于重現(xiàn)電網(wǎng)操作過電壓、甩負載過電壓，通常在現(xiàn)場發(fā)生2倍UN過電壓概率較高，最高過電壓可達6-7倍，但發(fā)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(xiàn)具有一定的保護功能的自動調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)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(wǎng)較長時間的過壓、欠壓、過流，該干擾可能會引起電表發(fā)熱、黑屏，該干擾的產(chǎn)生采用升壓、降壓變壓器模擬產(chǎn)生，其在單相調(diào)壓模塊中實現(xiàn)，通過PLC的DO輸出模塊根據(jù)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(shù)來模擬對電表的影響實驗，實現(xiàn)對電表發(fā)熱以及黑屏現(xiàn)象的監(jiān)測。

2.3.4 電網(wǎng)脈沖干擾模擬模塊

電網(wǎng)脈沖干擾模擬主要用于再現(xiàn)電網(wǎng)開關(guān)觸點斷開時拉弧產(chǎn)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(guān)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(chǎn)生的脈沖干擾。因此選用YL8022極數(shù)2極 額定功率1100W額定電壓220V的單相異步電機。

2.3.5 電網(wǎng)沖擊電流模擬模塊

電網(wǎng)脈沖用于重現(xiàn)電網(wǎng)短路故障或電容負載產(chǎn)生的沖擊大電流，這種短時沖擊電流會對電表采樣電路產(chǎn)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(tài)可產(chǎn)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(xiàn)電網(wǎng)脈沖模擬。

2.3.6 電網(wǎng)諧波干擾模擬模塊

電網(wǎng)諧波干擾模擬模塊用于模擬電網(wǎng)非線性負載產(chǎn)生的諧波干擾，該波形可能會對電表計量和電表電源產(chǎn)生影響。由于全隔離單相可控硅交流調(diào)壓模塊是集同步變壓器、相位檢測電路、移相觸發(fā)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(fā)相角，即實現(xiàn)單相交流電的調(diào)壓。因增強型全隔離單相可控硅交流調(diào)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(diào)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(wǎng)電壓暫斷、掉電（刀閘試驗）

電網(wǎng)電壓暫斷、掉電（刀閘實驗）用于模擬電網(wǎng)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(shù)產(chǎn)生影響。該干擾的產(chǎn)生通過PLC的DO輸出模塊控制繼電器進而控制開關(guān)K3斷電6秒、上電6秒循環(huán)實現(xiàn)，進而完成電網(wǎng)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(jiān)控掛表柜電表走字使用，由PLC控制繼電器進而控制開關(guān)，實現(xiàn)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(jīng)過它就產(chǎn)生內(nèi)能，可模擬正常家用電路耗能原件，便于監(jiān)控電表走字的實現(xiàn)。

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(shè)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(tǒng)測試方案設(shè)計

室外環(huán)境模擬區(qū)就是在真實氣候環(huán)境下進行穩(wěn)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(shù)據(jù)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(xiàn)象。

試驗結(jié)束流程：試驗時間按照長期運行設(shè)計，試驗結(jié)束，出試驗報告，電表走報廢流程：電表出現(xiàn)故障，分析故障原因，對故障表進行修復，繼續(xù)進行試驗;電表出現(xiàn)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(tǒng)測試結(jié)果

為了驗證電應力可靠性平臺的有效性，選擇與已有統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(shù)、時間、是否清零進行設(shè)計，得到測試結(jié)果與在客戶使用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果類似，由于電應力的電磁干擾等主要導致了黑屏、數(shù)據(jù)紊亂、設(shè)備死機等現(xiàn)象，且出現(xiàn)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(xiàn)的故障。

5 結(jié)束語

本文針對電表運行系統(tǒng)的故障可靠性業(yè)務(wù)的需要，設(shè)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(shè)計了該處理平臺的電應力仿真區(qū)和實負載模擬區(qū)，經(jīng)搭建設(shè)計了對智能電表試驗的測試方案，大大提高了發(fā)現(xiàn)隱患問題的概率，將潛在故障充分暴露出來。

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