許波

國(guó)電南瑞三能電力儀表（南京）有限公司 江蘇南京 210000

智能電能表具有參數(shù)可設(shè)置特點(diǎn)，可以預(yù)先設(shè)定測(cè)量間隔時(shí)間，還可儲(chǔ)存電能、功率和電壓等數(shù)值。通過(guò)通訊功能模塊，智能電能表可以進(jìn)行雙向通信和數(shù)據(jù)處理，可隨時(shí)讀出功率，還具有遠(yuǎn)距離開(kāi)關(guān)等功能，可保護(hù)設(shè)備免受其他的干擾，防止電能濫用。當(dāng)電能不能及時(shí)供給時(shí)，智能電能表還會(huì)自動(dòng)發(fā)送一個(gè)電源故障報(bào)警，方便電能表故障檢測(cè)。如在用電區(qū)域能完全覆蓋智能電能表，可隨時(shí)撥打24小時(shí)服務(wù)熱線，了解當(dāng)日用電量，并查詢用電情況，了解哪些電器啟動(dòng)時(shí)不會(huì)消耗電能，每個(gè)電器的耗電量可根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算出來(lái)。為達(dá)到合理的耗能和避免電力浪費(fèi)，采取了相應(yīng)的節(jié)能措施。

1 智能電能表的功能和特點(diǎn)

智能電能表是智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)智能電力系統(tǒng)智能化的重要設(shè)備之一，在整個(gè)智能電網(wǎng)建設(shè)中起著重要作用。隨著智能電能表的不斷普及與應(yīng)用，電能表的可靠性日益受到重視。從我國(guó)電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀來(lái)看，建設(shè)大規(guī)模智能電網(wǎng)以及對(duì)智能電能表研究十分必要。

智能用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括智能電能表、智能管理系統(tǒng)、用電信息采集設(shè)備、智能驗(yàn)證技術(shù)和市場(chǎng)管理系統(tǒng)。智能電能表作為數(shù)據(jù)獲取的關(guān)鍵，需要完成原始數(shù)據(jù)采集、測(cè)量、發(fā)送的任務(wù)，是信息集成、分析和優(yōu)化的基礎(chǔ)。在提出智能電網(wǎng)建設(shè)理念后，我國(guó)已經(jīng)大批量安裝了智能電能表并開(kāi)始使用，但是智能電能表在技術(shù)上還是有一些隱患。智能電能表在傳統(tǒng)電表的基礎(chǔ)上通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，增加費(fèi)控、無(wú)線模塊、載波等功能，使電表的功能更加強(qiáng)大，以測(cè)量單元、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)單元、通訊單元為中心，既具有電能計(jì)量、信息保存與處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，又具有自動(dòng)控制與信息交互等功能，是集通信與數(shù)據(jù)處理于一體的智能電能計(jì)量系統(tǒng)。智能電能表的功能非常多樣，但總體上是對(duì)功耗信息的記錄、計(jì)數(shù)、分析等數(shù)據(jù)，自動(dòng)控制系統(tǒng)功耗。此外，根據(jù)這些功能，智能電能表具有如下特點(diǎn)：高精度，智能電能表可以監(jiān)控和計(jì)數(shù)，消除人為誤差的可能性，提升數(shù)據(jù)記錄的精確性，大大提高了由于執(zhí)行指令是機(jī)器控制，指令執(zhí)行，所以效率會(huì)提高。整體處理速度很快，尤其是在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，具有明顯的優(yōu)越性，大量數(shù)據(jù)的記錄并非雜亂，處理速度極快。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，大量研究了智能電能表的安全性，包括增加編程開(kāi)關(guān)、編程密碼等，極大地提高了安全性[1]。

智能電能表不同于普通電表，其檢測(cè)項(xiàng)目和順序是不同的。對(duì)智能電能表進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，不僅要進(jìn)行全部接收，而且要確認(rèn)常規(guī)電表在安裝之前的檢查項(xiàng)目，還需要確認(rèn)跳閘、關(guān)機(jī)等連接。嚴(yán)格檢測(cè)智能電能表的計(jì)量功能、凍結(jié)功能、脈沖輸出和計(jì)時(shí)功能。智能電能表的設(shè)計(jì)與選型還需要相關(guān)人員的協(xié)助和書(shū)面支持，按照有關(guān)要求進(jìn)行安裝、調(diào)試和投入使用。

2 智能電能表可靠性評(píng)估方法

2.1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

對(duì)運(yùn)行中的電表進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)和分析，并確定一定數(shù)量的電能表作為測(cè)試樣本。對(duì)電能表運(yùn)行時(shí)間、工作狀態(tài)、故障時(shí)間、生命歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定了可靠性和壽命分布的擬合方法。導(dǎo)出電能表分批運(yùn)行時(shí)的可靠性特性和可靠性壽命。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)代表了一組電能表的實(shí)際可靠性表現(xiàn)。它是評(píng)價(jià)智能電能表可靠性的重要指標(biāo)。如果采用這種方法，所需的時(shí)間要長(zhǎng)一些。

2.2 加速壽命試驗(yàn)

加速壽命試驗(yàn)的前提是不改變電子電表的失效機(jī)理，增加新的故障模式，提高試驗(yàn)應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)。影響智能電能表壽命的重要參數(shù)包括電能計(jì)算、溫度、濕度等，所以溫度和濕度可作為加速度應(yīng)力。增加溫度和濕度，加快電能表故障并對(duì)電能表的可靠性和使用壽命進(jìn)行短期評(píng)估和驗(yàn)證。

2.3 可靠性預(yù)測(cè)

電能表可靠性預(yù)測(cè)參考電子電能元件及部件的可靠性數(shù)據(jù)及模型，是提高電子智能電能表固有可靠性的重要技術(shù)手段。目前預(yù)測(cè)電子電表可靠性最實(shí)用的方法是基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的可靠性預(yù)測(cè)方法，通過(guò)大量樣本統(tǒng)計(jì)分析，識(shí)別元件故障模式和故障因素，對(duì)影響儀器可靠性的許多因素進(jìn)行分析和量化。以下是統(tǒng)計(jì)平均能量響應(yīng)失效率的基本原理。如系統(tǒng)可靠性模型為串聯(lián)模型。失效率為各部件失效率之和。智能型電表可視為一系列由電阻、電容、集成電路、電路板、電池及其他元件組成的型號(hào)，故障率與各種設(shè)備的質(zhì)量有關(guān)[2]。

3 智能電能表功能可靠性預(yù)測(cè)結(jié)果分析

由預(yù)測(cè)手冊(cè)計(jì)算出的智能電能表預(yù)測(cè)結(jié)果不僅能全面評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)規(guī)劃，還能為電力公司提供加強(qiáng)電網(wǎng)連接的手段和可靠性，對(duì)智能電能表進(jìn)行檢測(cè)與設(shè)計(jì)也十分重要。對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，可以確定失效率高的元件，提供元件優(yōu)化及使用數(shù)據(jù)，評(píng)估外部壓力對(duì)儀器可靠性的影響，提供有助于使用與維護(hù)的資料，輔助檢測(cè)智能電能表的電路設(shè)計(jì)缺陷的發(fā)現(xiàn)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)程序提供了依據(jù)。影響智能電能表可靠性的主要部件有集成電路、液晶、電解電容、鋰電池、穩(wěn)壓器、錳銅分流器、電源變壓器和熱敏電阻。比較單個(gè)組件的故障率，可以發(fā)現(xiàn)液晶的故障率最高，而液晶、電池和電解電容的故障率則更高，為提高智能電能表的可靠性，在設(shè)計(jì)智能電能表時(shí)應(yīng)著重分析其使用與選擇?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，影響智能電能表壽命的主要部件有液晶、鐘表電池、電解電容、存儲(chǔ)、晶體振蕩器、表殼、卡槽和卡座。液晶屏、電池、電解電容是智能電能表故障率高且易故障的三大元件，其作為重要部件有必要研究。三種類(lèi)型的元件必須由品牌廠商提供高品質(zhì)的元件來(lái)選擇，包括程序設(shè)計(jì)、壓力篩選、可靠性驗(yàn)證等。集成電路故障占較大的比例，一是由于手冊(cè)上記錄的集成電路故障率較高，因此被廣泛使用。實(shí)地考察表明，集成電路對(duì)智能電能表的生命周期基本沒(méi)有影響，經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，使用壽命已大大延長(zhǎng)。預(yù)計(jì)失效率較高是由于手冊(cè)數(shù)據(jù)存在預(yù)期延遲。智能電能表中使用最廣泛的電阻和電容，沒(méi)有較穩(wěn)定的物理特性，適時(shí)性好，故障率低，現(xiàn)場(chǎng)故障少。智能電能表是一種具有時(shí)代特色的多功能電能表，是我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的一個(gè)拐點(diǎn)。伴隨著我國(guó)科技的進(jìn)步，智能電能表的功能必將更加完善，實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能化。近兩年來(lái)，隨著智能電能表的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，自動(dòng)檢測(cè)線逐漸在我國(guó)出現(xiàn)?？蓸O大地提高能源智能電能表的驗(yàn)證效率，節(jié)省企業(yè)的人力和物力。隨著智能電能表生產(chǎn)技術(shù)的成熟，其功能將不斷擴(kuò)展。舉例來(lái)說(shuō)，在智能電能表后面出現(xiàn)的集成智能電能表就是收集器與電氣集成。能源計(jì)量智能化智能電能表模塊起原始收集器的作用[3-4]。

4 智能電能表用電信息采集裝置的檢測(cè)技術(shù)

智能電能表用電信息采集裝置集現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、用電異常智能判斷告警技術(shù)、電能計(jì)量技術(shù)、電力負(fù)荷控制技術(shù)和電力營(yíng)銷(xiāo)技術(shù)為一體的綜合實(shí)時(shí)信息采集與分析處理系統(tǒng)，以移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、230MHz無(wú)線、公用電話網(wǎng)、光纖網(wǎng)為主要通訊載體，通過(guò)多種通訊方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主站和現(xiàn)場(chǎng)終端之間的數(shù)據(jù)通訊，具備數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、用電異常信息報(bào)警、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、線損分析、無(wú)功電壓管理和負(fù)荷監(jiān)控管理等功能。由于多串口服務(wù)器與主機(jī)之間采用100米網(wǎng)絡(luò)接口通信，每臺(tái)表位都有獨(dú)立的檢測(cè)組件，因此通信速度大大高于各串行端口和被測(cè)儀器的通信速度。主機(jī)檢測(cè)軟件可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)檢測(cè)程序，每個(gè)程序?qū)?yīng)一個(gè)表，從而可以同時(shí)測(cè)試多個(gè)表的電表，不會(huì)互相影響。在檢測(cè)設(shè)備中增加了人機(jī)交互模塊，實(shí)現(xiàn)了智能電能表檢測(cè)站與上位機(jī)、檢查員之間的人機(jī)交互，大大提高了檢測(cè)效率。有關(guān)成本控制功能的檢測(cè)能顯著提高檢測(cè)效率的部件是發(fā)卡模擬器、自動(dòng)插卡設(shè)備和人機(jī)交互模塊[5]。

4.1 發(fā)卡模擬器

由主控單元、IC卡單元、通信單元、功率單元和IC卡輸出單元組成。主控單元是整個(gè)部件的核心，由上位計(jì)算機(jī)發(fā)出的各種指令進(jìn)行解析，可以控制其他單元完成相應(yīng)的操作。通訊設(shè)備是主控單元與主控機(jī)進(jìn)行通信的接口。根據(jù)在檢測(cè)過(guò)程中使用的智能卡類(lèi)型，IC卡單元有密鑰下載單元、鍵盤(pán)恢復(fù)單元、短路測(cè)試卡單元、主控卡單元、備份IC卡等多種IC卡單元。并分別連接主控單元和IC卡輸出單元。IC卡輸出單元是多路轉(zhuǎn)換器，根據(jù)主控單元的指令，輸出不同的卡單元。動(dòng)力裝置向主控板上的其他電源供電。

4.2 自動(dòng)插卡裝置設(shè)計(jì)

自動(dòng)插卡器由基座、控制電池、滑條、導(dǎo)軌和模擬卡組成。本發(fā)明中，模擬卡的卡接點(diǎn)是為了數(shù)據(jù)交互作用而接觸表卡插座觸點(diǎn)?？刂婆_(tái)固定在底座上，電磁鐵安裝在控制電池上。電磁鐵心與滑動(dòng)條相連?；瑒?dòng)條的上端是卡開(kāi)關(guān)。滑動(dòng)條可以在里面移動(dòng)。觸點(diǎn)用于實(shí)現(xiàn)卡的自動(dòng)插入動(dòng)作。另外，在控制單元內(nèi)集成了單片機(jī)控制器和IC卡模塊，控制卡插入拆解通訊接口，IC卡模塊和卡發(fā)行連接由本機(jī)所述模擬器信號(hào)輸出?？ǖ淖詣?dòng)插入過(guò)程如下。在主機(jī)發(fā)出插卡指令后，電磁鐵線圈通電產(chǎn)生磁力，鐵芯被推到前面，芯子推動(dòng)滑動(dòng)桿克服彈簧阻力而向前運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，模擬卡的卡觸點(diǎn)與功率計(jì)卡片接觸，并完成插卡動(dòng)作。取而代之的是，如需拔出卡鉗將電磁鐵線圈切斷，磁力消失，彈簧按滑塊向后移動(dòng)，完成拔卡動(dòng)作。

4.3 人機(jī)交互模塊

進(jìn)行萬(wàn)用表試驗(yàn)時(shí)，各儀器的檢測(cè)精度不盡相同，故上位計(jì)算機(jī)的操作步驟不完全相同。若僅在上機(jī)操作界面上顯示操作指令，則操作界面就會(huì)出現(xiàn)混亂，檢查員容易誤操作，影響檢查結(jié)果。人-機(jī)模塊可以解決這個(gè)問(wèn)題。把上位機(jī)的人機(jī)交互界面擴(kuò)展到檢測(cè)裝置的表位。每個(gè)表格上端計(jì)算機(jī)的操作順序清楚地顯示在表格的LCD顯示單元上。檢查人員還可以通過(guò)鍵盤(pán)操作裝置，直接向上級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)送應(yīng)答信息，避免計(jì)算機(jī)和檢查設(shè)備之間來(lái)回檢查的痛苦，也能減少檢查員誤操作的幾率。包括控制單元，通訊單元，LCD單元，鍵盤(pán)操作單元。來(lái)自主機(jī)的各種指示將被一一顯示在LCD單元中，相應(yīng)的工作臺(tái)位置也會(huì)被顯示在LCD單元中。檢查人員可以通過(guò)按鍵操作向主機(jī)發(fā)送相關(guān)信息。當(dāng)接收到的信息后，主機(jī)會(huì)根據(jù)實(shí)際需要發(fā)出其他指令，繼續(xù)檢測(cè)電能表。因此，人和計(jì)算機(jī)的交互作用一目了然，各個(gè)智能電能表之間互不干擾，大大縮短了檢測(cè)時(shí)間，提高了效率，降低了誤報(bào)率。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)科技不斷的發(fā)展，智能電能表的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。隨著智能電度表生產(chǎn)技術(shù)的成熟，其功能將不斷擴(kuò)大，專(zhuān)用的電表檢測(cè)裝置逐漸被淘汰，需要實(shí)現(xiàn)智能電能表的成本管理和安全認(rèn)證功能。隨著智能電表的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，自動(dòng)檢測(cè)線逐漸在我國(guó)出現(xiàn)，可極大地提高智能電能表的驗(yàn)證效率，節(jié)省企業(yè)的人力和物力。