多费率电表时钟电池欠压对电能计费的影响及解决方法研究

黄 洪，刘晓湘，姜苏娜

（1 福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

（2 国网福建省电力有限公司福州供电公司，福建 福州 350009）



多费率电表时钟电池欠压对电能计费的影响及解决方法研究

黄 洪1，刘晓湘2，姜苏娜1

（1 福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

（2 国网福建省电力有限公司福州供电公司，福建 福州 350009）

针对目前电能表出现时钟电池欠压问题，分析电能表的内部原理，通过电能表检定装置对时钟电池欠压的电能表进行计量误差检测，而且在电池欠压情况下测试电能表的时钟波形，并进行停电实验。通过实验确定了时钟电池欠压不会影响计量误差，但是在停电时电池欠压会影响电能表时间的准确性，从而造成多费率电表中的电能计费出现错误。为了解决该问题，从硬件和软件方面给出了设计方案。

时钟电池；电能计费；计量误差；多费率电表

1　引言

根据国网的有关规范，电能表内时钟电池的正常电压为3.65V，当电能表内的处理器检测到时钟电池电压低于3V或2.8V时，将发出“ERR04”的欠压报警信息［1］。目前，设计的表内电池寿命为10年，但由于电池制造工艺、电路设计工艺以及使用环境（温度、湿度）等因素的影响，电能表内的时钟电池在使用年限（3年）内出现了欠压情况［2］。

由于电能表的时钟电池对表内的计时有直接影响，造成在多费率模式下电能计费产生错误，因此文中针对时钟电池欠压情况下电能表计费中的问题进行分析和研究。

2　电能表内部供电线路简介

图1为电能表中的主要工作器件的供电线路原理图。可以看出，主处理器和时钟芯片（也有将时钟芯片集成到主处理器内部）是有两路供电：一路是来自电网的交流220V电源由变压器降压后，再经过整流得到的直流电源供电；另一路是利用3.65V电池供电。利用二极管的正向导通和反向截止，在电网正常供电的情况下，则利用电网电源对内部芯片的工作进行供电，在停电的情况下，由内部电池为电能表的主处理器、时钟芯片提供电能［3］。而在停电情况下，电能表中的计量芯片也无需进行计量工作。

3　 时钟电池欠压对计费的影响

电能表内的电能计量按照式（1）计算：

为了平衡不同时段的用电负荷，推行了峰谷计费方式，在不同的用电时段执行不同的电能费率。在这种多费率模式下，电能计费如下式：

4　实验分析

选取福建省内某大型表厂的电能表，表的参数为：准确度等级为2级，额定电流5（20）A，工作电压220V，频率50Hz，输出脉冲常数1200imp/kWh。

4.1计量误差

对电能表按照检定规程进行计量误差实验，结果如表1所示。

表1　电能计量误差实验

在不同的功率因素以及测试电流下，误差都在规定的误差范围（2%）之内，因此符合计量要求。

4.2时钟波形测试

根据电能表内的供电回路，在外部电源断电情况下，可能导致电能表内的时钟出现错乱。因此，在电能表时钟电池欠压情况下，测试断电对内部时钟的影响。

在时钟电池电压接近耗尽的情况下，利用泰克DPO7254C示波器测得在通电以及在断电后的时钟芯片输出的时钟信号波形变化情况，如下图所示。

图2　通断电前后电能表内的时钟信号

表2　电能表停电实验记录数据

在停电和上电的时刻不能够获得电能表内的时间，但是可以根据表1记录的数据推导出。根据前面示波器测量时钟波形实验，可知在时间内电能表都能正常计时（＞60s），而表1中记录时刻和下一次停电时刻之间的差值在20～25秒左右，因此在这段时间内，电能表仍能正常计时。

为确定停电时间内电能表的计时，根据表中记录，可得停电时刻对应的表内时刻为=-，上电时刻对应的表内时刻为=-（-），设在第次停电时间内电能表内计时数为Δ，则有：

根据式（3）可得到表内计时的结果，如下图所示。

图3　不同停电时间内电能表的计时

根据上图可知，在不同的停电时间下，电能表在停电后继续计时的时间在60～80s之间，与实际的时间有较大的偏差。因此，在停电情况下，电能表内的时间将会发生偏差，导致电能计费错误。

5　解决方案

在电池发生欠压时，电能表在液晶显示屏上发出电池电量不足的报警显示，如果需要对这些电表进行拆表更换，将会造成较大的工作量。为了解决时钟电池欠压对电能表内部时钟的影响，可以从硬件和软件方面设计解决方案。

5.1硬件方面

在硬件设计方面，文献［1，2］给出了相关的注意事项，主要从电池筛选，降低电路缺陷，处理器能耗优化方面进行改进。

为了提高电池供电的稳定性和持续性，可增加超级电容、设计放电回路，如图4所示。

图4　改进的供电回路

其中超级电容在外部电源供电的情况下进行充电，在断电后作为备用电源提供电能，延长断电后时钟信号的输出时间。

由于电池存在钝化问题，设计可由处理器控制的放电回路，根据电池特性，处理器设定电池电压门限值和定时导通时间。处理器通过可控开关器件控制放电回路的导通与截止，在消除钝化的同时，控制检测回路和放电回路的能耗［4］。

另外，还可以设计外置的时钟电池，在收到电池欠压报警后，对电池的更换。

5.2软件方面

通过电能表配置的通信接口（载波、RS485、无线），可以采用网络化的对时方案［5，6］。根据前面给出的实验结果，在电网停电发生后时钟可能出现错误，因此在恢复供电后电能表需要有对时机制。由于对时过程具有一定的延时，电能表自动进行计时，并进行网络对时。在获取准确的时间后，结合表内的计时数，通过向前推导方式，计算在对时期间产生的电能费用。具体工作过程，如图5所示。

图5　电能表欠压情况下工作过程

6　结语

目前，电能表中的时钟电池已经开始出现了欠压问题，可能造成计费纠纷。文中通过相关的原理分析和检定实验，确定电池欠压不会影响电能表的电能计量，但是会对电能表内的计时造成影响，从而导致多费率模式下的计费产生错误，因此必须重视欠压报警信号。根据实验结果，从硬件和软件方面分别提出了改进方案。硬件方面确保时钟电池的可靠、持续工作；软件方面通过电能表在网络对时后进行推算，追补对时期间产生的电能费用，保证电能计费的公平性。

［1］章欣，段晓萌，江小强等.智能电表时钟电池欠压故障剖析及防范措施研究［J］.电测与仪表2014，51（10）：24-27.

［2］王竹萍，张海峰.仪表选择锂电池应注意的问题［J］.电测与仪表，2005，42（3）：59-60+48.

［3］李帆，沈怡，陈俊.电能表和采集设备时钟芯片的检测［J］.仪表技术，2010，（05）：11-13.

［4］王仁书，白焰，赵坚钧，等.无线监测系统在电站顺序控制系统中的应用［J］.化工自动化及仪表，2012，39（02）：162-166.

［5］肖涛，李航康.网络时钟在智能电能表日计时误差测试中的应用［J］.浙江电力，2012（09）：21-23+84.

［6］郑文华，唐学东.远程在线监测分时电能表的时钟超差问题研究［J］.能源与电力工程，2010，22（10）：26-31.

Research of Energy Billing Influenced by Undervoltage of Clock Battery in Multi-rate Power Meter

HUANG Hong1， LIU Xiao-Xiang2， JIANG Su-Na1
（1 Fujian Metrology Institute， Fuzhou 350003， Fujian， China）
（2 State Grid Fujian Electric Power Co.， Ltd. Fuzhou power supply company， Fuzhou 350009， Fujian， China）

In the light of the undervoltage of the clock battery in power meter， with the internal principle analyzing， the metering error is tested through the verification device on the condition that there is an undervoltage of the clock battery of power meter. Besides， the waveform of the clock is also detected and the experiment of power failure is carried out. Based on the tests， it's concluded that the metering error will not be influenced by the undervoltage. However， the accuracy of the time will be affected and it results in an error in the energy billing of multi-rate power meter. To solve the problem， the design proposal both hardware and software are proposed respectively.

Clock battery； Energy billing； Metering error； Multi-rate power meter

2016-04-26

黄 洪，男，福建省计量科学研究院，高级工程师

刘晓湘，女，国网福建省电力有限公司福州供电公司，助理工程师

姜苏娜，女，福建省计量科学研究院，助理工程师