智能電能表的功能可靠性與檢測技術(shù)分析

許波

國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)可設置特點，可以預先設定測量間隔時間，還可儲存電能、功率和電壓等數(shù)值。通過通訊功能模塊，智能電能表可以進行雙向通信和數(shù)據(jù)處理，可隨時讀出功率，還具有遠距離開關(guān)等功能，可保護設備免受其他的干擾，防止電能濫用。當電能不能及時供給時，智能電能表還會自動發(fā)送一個電源故障報警，方便電能表故障檢測。如在用電區(qū)域能完全覆蓋智能電能表，可隨時撥打24小時服務熱線，了解當日用電量，并查詢用電情況，了解哪些電器啟動時不會消耗電能，每個電器的耗電量可根據(jù)實際情況計算出來。為達到合理的耗能和避免電力浪費，采取了相應的節(jié)能措施。

1 智能電能表的功能和特點

智能電能表是智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)智能電力系統(tǒng)智能化的重要設備之一，在整個智能電網(wǎng)建設中起著重要作用。隨著智能電能表的不斷普及與應用，電能表的可靠性日益受到重視。從我國電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀來看，建設大規(guī)模智能電網(wǎng)以及對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)、用電信息采集設備、智能驗證技術(shù)和市場管理系統(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、測量、發(fā)送的任務，是信息集成、分析和優(yōu)化的基礎(chǔ)。在提出智能電網(wǎng)建設理念后，我國已經(jīng)大批量安裝了智能電能表并開始使用，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)上通過模塊化設計，增加費控、無線模塊、載波等功能，使電表的功能更加強大，以測量單元、數(shù)據(jù)處理和存儲單元、通訊單元為中心，既具有電能計量、信息保存與處理、實時監(jiān)控等功能，又具有自動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量系統(tǒng)。智能電能表的功能非常多樣，但總體上是對功耗信息的記錄、計數(shù)、分析等數(shù)據(jù)，自動控制系統(tǒng)功耗。此外，根據(jù)這些功能，智能電能表具有如下特點：高精度，智能電能表可以監(jiān)控和計數(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)行指令是機器控制，指令執(zhí)行，所以效率會提高。整體處理速度很快，尤其是在處理大量數(shù)據(jù)時，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。在設計過程中，大量研究了智能電能表的安全性，包括增加編程開關(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，其檢測項目和順序是不同的。對智能電能表進行檢測時，不僅要進行全部接收，而且要確認常規(guī)電表在安裝之前的檢查項目，還需要確認跳閘、關(guān)機等連接。嚴格檢測智能電能表的計量功能、凍結(jié)功能、脈沖輸出和計時功能。智能電能表的設計與選型還需要相關(guān)人員的協(xié)助和書面支持，按照有關(guān)要求進行安裝、調(diào)試和投入使用。

2 智能電能表可靠性評估方法

2.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

對運行中的電表進行數(shù)理統(tǒng)計和分析，并確定一定數(shù)量的電能表作為測試樣本。對電能表運行時間、工作狀態(tài)、故障時間、生命歷史數(shù)據(jù)等進行統(tǒng)計，確定了可靠性和壽命分布的擬合方法。導出電能表分批運行時的可靠性特性和可靠性壽命。現(xiàn)場數(shù)據(jù)代表了一組電能表的實際可靠性表現(xiàn)。它是評價智能電能表可靠性的重要指標。如果采用這種方法，所需的時間要長一些。

2.2 加速壽命試驗

加速壽命試驗的前提是不改變電子電表的失效機理，增加新的故障模式，提高試驗應力擴大系數(shù)。影響智能電能表壽命的重要參數(shù)包括電能計算、溫度、濕度等，所以溫度和濕度可作為加速度應力。增加溫度和濕度，加快電能表故障并對電能表的可靠性和使用壽命進行短期評估和驗證。

2.3 可靠性預測

電能表可靠性預測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。目前預測電子電表可靠性最實用的方法是基于數(shù)學統(tǒng)計的可靠性預測方法，通過大量樣本統(tǒng)計分析，識別元件故障模式和故障因素，對影響儀器可靠性的許多因素進行分析和量化。以下是統(tǒng)計平均能量響應失效率的基本原理。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，故障率與各種設備的質(zhì)量有關(guān)[2]。

3 智能電能表功能可靠性預測結(jié)果分析

由預測手冊計算出的智能電能表預測結(jié)果不僅能全面評價設計規(guī)劃，還能為電力公司提供加強電網(wǎng)連接的手段和可靠性，對智能電能表進行檢測與設計也十分重要。對預測結(jié)果進行分析，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)，評估外部壓力對儀器可靠性的影響，提供有助于使用與維護的資料，輔助檢測智能電能表的電路設計缺陷的發(fā)現(xiàn)，為改進設計程序提供了依據(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，在設計智能電能表時應著重分析其使用與選擇?，F(xiàn)場應用中，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、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。三種類型的元件必須由品牌廠商提供高品質(zhì)的元件來選擇，包括程序設計、壓力篩選、可靠性驗證等。集成電路故障占較大的比例，一是由于手冊上記錄的集成電路故障率較高，因此被廣泛使用。實地考察表明，集成電路對智能電能表的生命周期基本沒有影響，經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，使用壽命已大大延長。預計失效率較高是由于手冊數(shù)據(jù)存在預期延遲。智能電能表中使用最廣泛的電阻和電容，沒有較穩(wěn)定的物理特性，適時性好，故障率低，現(xiàn)場故障少。智能電能表是一種具有時代特色的多功能電能表，是我國電網(wǎng)建設的一個拐點。伴隨著我國科技的進步，智能電能表的功能必將更加完善，實現(xiàn)真正意義上的智能化。近兩年來，隨著智能電能表的標準化生產(chǎn)，自動檢測線逐漸在我國出現(xiàn)?？蓸O大地提高能源智能電能表的驗證效率，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，其功能將不斷擴展。舉例來說，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)、計算機軟硬件技術(shù)、用電異常智能判斷告警技術(shù)、電能計量技術(shù)、電力負荷控制技術(shù)和電力營銷技術(shù)為一體的綜合實時信息采集與分析處理系統(tǒng)，以移動通信網(wǎng)絡、230MHz無線、公用電話網(wǎng)、光纖網(wǎng)為主要通訊載體，通過多種通訊方式實現(xiàn)系統(tǒng)主站和現(xiàn)場終端之間的數(shù)據(jù)通訊，具備數(shù)據(jù)采集、遠程控制、用電異常信息報警、電能質(zhì)量監(jiān)測、線損分析、無功電壓管理和負荷監(jiān)控管理等功能。由于多串口服務器與主機之間采用100米網(wǎng)絡接口通信，每臺表位都有獨立的檢測組件，因此通信速度大大高于各串行端口和被測儀器的通信速度。主機檢測軟件可以同時運行多個檢測程序，每個程序?qū)粋€表，從而可以同時測試多個表的電表，不會互相影響。在檢測設備中增加了人機交互模塊，實現(xiàn)了智能電能表檢測站與上位機、檢查員之間的人機交互，大大提高了檢測效率。有關(guān)成本控制功能的檢測能顯著提高檢測效率的部件是發(fā)卡模擬器、自動插卡設備和人機交互模塊[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。主控單元是整個部件的核心，由上位計算機發(fā)出的各種指令進行解析，可以控制其他單元完成相應的操作。通訊設備是主控單元與主控機進行通信的接口。根據(jù)在檢測過程中使用的智能卡類型，IC卡單元有密鑰下載單元、鍵盤恢復單元、短路測試卡單元、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。動力裝置向主控板上的其他電源供電。

4.2 自動插卡裝置設計

自動插卡器由基座、控制電池、滑條、導軌和模擬卡組成。本發(fā)明中，模擬卡的卡接點是為了數(shù)據(jù)交互作用而接觸表卡插座觸點。控制臺固定在底座上，電磁鐵安裝在控制電池上。電磁鐵心與滑動條相連?；瑒訔l的上端是卡開關(guān)。滑動條可以在里面移動。觸點用于實現(xiàn)卡的自動插入動作。另外，在控制單元內(nèi)集成了單片機控制器和IC卡模塊，控制卡插入拆解通訊接口，IC卡模塊和卡發(fā)行連接由本機所述模擬器信號輸出?？ǖ淖詣硬迦脒^程如下。在主機發(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，芯子推動滑動桿克服彈簧阻力而向前運動。這時，模擬卡的卡觸點與功率計卡片接觸，并完成插卡動作。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，完成拔卡動作。

4.3 人機交互模塊

進行萬用表試驗時，各儀器的檢測精度不盡相同，故上位計算機的操作步驟不完全相同。若僅在上機操作界面上顯示操作指令，則操作界面就會出現(xiàn)混亂，檢查員容易誤操作，影響檢查結(jié)果。人-機模塊可以解決這個問題。把上位機的人機交互界面擴展到檢測裝置的表位。每個表格上端計算機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鍵盤操作裝置，直接向上級計算機發(fā)送應答信息，避免計算機和檢查設備之間來回檢查的痛苦，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，鍵盤操作單元。來自主機的各種指示將被一一顯示在LCD單元中，相應的工作臺位置也會被顯示在LCD單元中。檢查人員可以通過按鍵操作向主機發(fā)送相關(guān)信息。當接收到的信息后，主機會根據(jù)實際需要發(fā)出其他指令，繼續(xù)檢測電能表。因此，人和計算機的交互作用一目了然，各個智能電能表之間互不干擾，大大縮短了檢測時間，提高了效率，降低了誤報率。

5 結(jié)語

隨著我國科技不斷的發(fā)展，智能電能表的應用也會越來越廣泛。隨著智能電度表生產(chǎn)技術(shù)的成熟，其功能將不斷擴大，專用的電表檢測裝置逐漸被淘汰，需要實現(xiàn)智能電能表的成本管理和安全認證功能。隨著智能電表的標準化生產(chǎn)，自動檢測線逐漸在我國出現(xiàn)，可極大地提高智能電能表的驗證效率，節(jié)省企業(yè)的人力和物力。