智能電表計量失準(zhǔn)現(xiàn)象的分析方法

張志榮

（華立科技股份有限公司，杭州 310023）

0 引言

在中國電力市場上，智能電表的安裝數(shù)量已經(jīng)超過了8億只，其計量準(zhǔn)確度至關(guān)重要，不但體現(xiàn)了公平性，而且會影響經(jīng)濟(jì)效益。計量失準(zhǔn)問題是導(dǎo)致電力公司經(jīng)濟(jì)效益異常的重要問題，它具有隱蔽性和取證難的特點，是計量監(jiān)督管理工作的重點[1-12]。

1 計量失準(zhǔn)原理分析

典型智能電表計量設(shè)計如圖1所示。以國家電網(wǎng)單相智能費控電能表（DDZY）及南方電網(wǎng)單相智能費控電能表（DDSK）系列單相電能表為例，計量芯片設(shè)計時會涉及校表參數(shù)和計量參數(shù)兩部分，校表參數(shù)影響計量誤差的準(zhǔn)確度，計量參數(shù)影響芯片計算的準(zhǔn)確度，可據(jù)此推測出計量失準(zhǔn)的原因：

圖1 典型智能電表計量設(shè)計

1）計量芯片硬件電路某部分發(fā)生更改，可能是電壓采樣器件、計量芯片基準(zhǔn)電壓發(fā)生偏移、工藝原因?qū)е?，工藝原因包括分板?yīng)力、三防漆涂抹工藝有問題。

2）計量芯片校表參數(shù)出現(xiàn)偏差，即計量計算參考值發(fā)生偏移，可能是軟件部分校表參數(shù)未能及時初始化，導(dǎo)致計量校表參數(shù)調(diào)用錯誤，造成軟件流程誤判，從而使有效值發(fā)生偏離。

1.1 計量芯片基準(zhǔn)源發(fā)生變化

典型計量芯片電路如圖2所示，對現(xiàn)場運行反饋的故障現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)計量失準(zhǔn)的一個原因是計量芯片的第12引腳的基準(zhǔn)源去耦電容Ca9出現(xiàn)損壞，正確阻值應(yīng)該是0.1μF，基準(zhǔn)電壓應(yīng)該是2.5V。

圖2 典型計量芯片電路圖

在實際應(yīng)用中，電容Ca9經(jīng)常失效，原因有：①分板應(yīng)力導(dǎo)致；②器件本身問題；③印制電路板（printed circuit board, PCB）分布位置不合理，容易受到應(yīng)力損傷。分析如下：

Ca9電容假性失效等效電路如圖3所示，電容Ca9變成R4電阻時，Vref可由式（1）計算。

圖3 Ca9電容假性失效等效電路

式中：R1、R2為計量芯片內(nèi)部的等效電阻；R4為電容Ca9處于似斷非斷狀態(tài)的等效電阻，此等效電阻阻值一般為幾兆歐。

基于圖3及式（1）發(fā)現(xiàn)：該電容損壞后出現(xiàn)似斷非斷現(xiàn)象，即假性失效現(xiàn)象，其變成一個具有較大阻值的電阻，此電阻與內(nèi)部電阻并聯(lián)后，導(dǎo)致計量芯片基準(zhǔn)電壓Vref下降，從而導(dǎo)致校表參數(shù)電壓有效值超過標(biāo)準(zhǔn)值220V，會出現(xiàn)超過260～700V等異常電壓，基準(zhǔn)源Vref值與有效值的變化關(guān)系見表1。

表1 基準(zhǔn)源Vref值與有效值的變化關(guān)系

隨著計量芯片基準(zhǔn)電壓的不斷降低，計量誤差偏正，偏正的趨勢接近Vref每變化1%，計量誤差會增大2%（考慮到電流和電壓疊加計算的原因）的狀態(tài)，下降趨勢越大，誤差越大，低于2.1V時會出現(xiàn)電能表計量飛走情況，變化趨勢計算為

式中：Un′為變化后的電壓有效值；Vr′ef為變化后的基準(zhǔn)源電壓；Un為正確的有效值。

1.2 電壓采樣電阻有效值發(fā)生變化

在實際應(yīng)用中，經(jīng)常出現(xiàn)竊電或者計量故障，后經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)電壓采樣電阻阻值發(fā)生變化的情況，主要現(xiàn)象為：①電阻損壞或虛焊；②阻值發(fā)生變化，人為更改器件或電阻阻值漂移導(dǎo)致。

V3IN+典型電壓采樣電路如圖4所示，Ra1、Ra2、Ra3、Ra4、Ra5、Ra7為電壓采樣電阻，Ra1～Ra5阻值為200kΩ，Ra7為1kΩ。電壓采樣Vp為

圖4 V3IN+典型電壓采樣電路

從式（3）可知，只要改變其中任意一個電阻值，即可改變Vp的值，只要將電阻阻值變大，即可減小Vp有效值，從而使計量參數(shù)發(fā)生變更，導(dǎo)致計量失準(zhǔn)，Vp值參變量變化趨勢見表2。其中，電壓有效值V=KUn×1 000。

表2 Vp值參變量變化趨勢

經(jīng)分析可知：

（1）當(dāng)Ra7阻值變大，且式（3）分母值不變時，則電壓有效值會顯著變大，導(dǎo)致飛走情況發(fā)生。

（2）當(dāng)式（3）分母變大，且分子不變時，若Ra5阻值變?yōu)?MΩ 左右，表計會出現(xiàn)頻繁掉電（低于60%臨界電壓）；若Ra5阻值增加到3MΩ ，電壓有效值接近60V，導(dǎo)致電能表軟件誤認(rèn)為表計掉電；若Ra5阻值變?yōu)?MΩ ，電壓有效值極小，會被軟件誤判為無電狀態(tài)。

2 典型故障

2.1 典型現(xiàn)場9852號表，6309號表出現(xiàn)顯示電壓為0

某現(xiàn)場運行三年的單相智能電能表，現(xiàn)場翻看電能表液晶顯示輪顯，發(fā)現(xiàn)Un電壓有效值為0V，拆回后分析如下。

如圖5所示，9852號表Ra5電阻被更換，6309號表Ra3電阻被更換，阻值變?yōu)?.1MΩ，原采樣電阻應(yīng)該為200kΩ，更改阻值后Vp為

圖5 9852號表Ra5電阻被更換，6309號表Ra3電阻被更換

由此可知，Vp采樣值比正確值縮小了大概5.9倍，根據(jù)表2可知，電壓有效值變?yōu)?7V左右。根據(jù)智能電表嵌入式軟件的判斷流程可知，如果低于25%Un時，會被判定為掉電狀態(tài)，參與計算的電壓Un會被直接賦值為0V，所以這兩只表計處于停止計量狀態(tài)。

2.2 典型現(xiàn)場0133號表，8941號表，3943號表

根據(jù)現(xiàn)場拆回的表計分析，0133號表電壓Un為346V，8941號表電壓Un為550.5V，3943號表電壓Un為688.5V；誤差基本超差。

經(jīng)過測試，0133號表計Vref基準(zhǔn)電壓為1.6V，同樣方法8941號表Vref值為1V，3943號表Vref值為0.8V；三個表誤差顯示99.99%，脈沖燈閃爍頻繁。但是將Ca9電容焊接下來后，放置10min，再次焊接后表計Vref又恢復(fù)2.5V，計量誤差+0.035 5V，計量誤差合格，如圖6所示。

圖6 正常Vref值及0133號表基準(zhǔn)電壓值

3 結(jié)論

綜上分析，計量失準(zhǔn)問題在現(xiàn)場是存在的，它會造成計量準(zhǔn)確度嚴(yán)重偏離，導(dǎo)致售電方與用電方之間產(chǎn)生電費糾紛；正確的技術(shù)分析能夠厘清本質(zhì)原因，將問題責(zé)任界定清楚，因此須慎重分析，希望本文能夠為計量管理單位提供指導(dǎo)。