智能电能表的功能可靠性与检测技术分析

许波

国电南瑞三能电力仪表（南京）有限公司 江苏南京 210000

智能电能表具有参数可设置特点，可以预先设定测量间隔时间，还可储存电能、功率和电压等数值。通过通讯功能模块，智能电能表可以进行双向通信和数据处理，可随时读出功率，还具有远距离开关等功能，可保护设备免受其他的干扰，防止电能滥用。当电能不能及时供给时，智能电能表还会自动发送一个电源故障报警，方便电能表故障检测。如在用电区域能完全覆盖智能电能表，可随时拨打24小时服务热线，了解当日用电量，并查询用电情况，了解哪些电器启动时不会消耗电能，每个电器的耗电量可根据实际情况计算出来。为达到合理的耗能和避免电力浪费，采取了相应的节能措施。

1 智能电能表的功能和特点

智能电能表是智能电网数据采集基础，也是实现智能电力系统智能化的重要设备之一，在整个智能电网建设中起着重要作用。随着智能电能表的不断普及与应用，电能表的可靠性日益受到重视。从我国电力系统的现状来看，建设大规模智能电网以及对智能电能表研究十分必要。

智能用电系统结构主要包括智能电能表、智能管理系统、用电信息采集设备、智能验证技术和市场管理系统。智能电能表作为数据获取的关键，需要完成原始数据采集、测量、发送的任务，是信息集成、分析和优化的基础。在提出智能电网建设理念后，我国已经大批量安装了智能电能表并开始使用，但是智能电能表在技术上还是有一些隐患。智能电能表在传统电表的基础上通过模块化设计，增加费控、无线模块、载波等功能，使电表的功能更加强大，以测量单元、数据处理和存储单元、通讯单元为中心，既具有电能计量、信息保存与处理、实时监控等功能，又具有自动控制与信息交互等功能，是集通信与数据处理于一体的智能电能计量系统。智能电能表的功能非常多样，但总体上是对功耗信息的记录、计数、分析等数据，自动控制系统功耗。此外，根据这些功能，智能电能表具有如下特点：高精度，智能电能表可以监控和计数，消除人为误差的可能性，提升数据记录的精确性，大大提高了由于执行指令是机器控制，指令执行，所以效率会提高。整体处理速度很快，尤其是在处理大量数据时，具有明显的优越性，大量数据的记录并非杂乱，处理速度极快。在设计过程中，大量研究了智能电能表的安全性，包括增加编程开关、编程密码等，极大地提高了安全性[1]。

智能电能表不同于普通电表，其检测项目和顺序是不同的。对智能电能表进行检测时，不仅要进行全部接收，而且要确认常规电表在安装之前的检查项目，还需要确认跳闸、关机等连接。严格检测智能电能表的计量功能、冻结功能、脉冲输出和计时功能。智能电能表的设计与选型还需要相关人员的协助和书面支持，按照有关要求进行安装、调试和投入使用。

2 智能电能表可靠性评估方法

2.1 现场数据统计分析方法

对运行中的电表进行数理统计和分析，并确定一定数量的电能表作为测试样本。对电能表运行时间、工作状态、故障时间、生命历史数据等进行统计，确定了可靠性和寿命分布的拟合方法。导出电能表分批运行时的可靠性特性和可靠性寿命。现场数据代表了一组电能表的实际可靠性表现。它是评价智能电能表可靠性的重要指标。如果采用这种方法，所需的时间要长一些。

2.2 加速寿命试验

加速寿命试验的前提是不改变电子电表的失效机理，增加新的故障模式，提高试验应力扩大系数。影响智能电能表寿命的重要参数包括电能计算、温度、湿度等，所以温度和湿度可作为加速度应力。增加温度和湿度，加快电能表故障并对电能表的可靠性和使用寿命进行短期评估和验证。

2.3 可靠性预测

电能表可靠性预测参考电子电能元件及部件的可靠性数据及模型，是提高电子智能电能表固有可靠性的重要技术手段。目前预测电子电表可靠性最实用的方法是基于数学统计的可靠性预测方法，通过大量样本统计分析，识别元件故障模式和故障因素，对影响仪器可靠性的许多因素进行分析和量化。以下是统计平均能量响应失效率的基本原理。如系统可靠性模型为串联模型。失效率为各部件失效率之和。智能型电表可视为一系列由电阻、电容、集成电路、电路板、电池及其他元件组成的型号，故障率与各种设备的质量有关[2]。

3 智能电能表功能可靠性预测结果分析

由预测手册计算出的智能电能表预测结果不仅能全面评价设计规划，还能为电力公司提供加强电网连接的手段和可靠性，对智能电能表进行检测与设计也十分重要。对预测结果进行分析，可以确定失效率高的元件，提供元件优化及使用数据，评估外部压力对仪器可靠性的影响，提供有助于使用与维护的资料，辅助检测智能电能表的电路设计缺陷的发现，为改进设计程序提供了依据。影响智能电能表可靠性的主要部件有集成电路、液晶、电解电容、锂电池、稳压器、锰铜分流器、电源变压器和热敏电阻。比较单个组件的故障率，可以发现液晶的故障率最高，而液晶、电池和电解电容的故障率则更高，为提高智能电能表的可靠性，在设计智能电能表时应着重分析其使用与选择。现场应用中，影响智能电能表寿命的主要部件有液晶、钟表电池、电解电容、存储、晶体振荡器、表壳、卡槽和卡座。液晶屏、电池、电解电容是智能电能表故障率高且易故障的三大元件，其作为重要部件有必要研究。三种类型的元件必须由品牌厂商提供高品质的元件来选择，包括程序设计、压力筛选、可靠性验证等。集成电路故障占较大的比例，一是由于手册上记录的集成电路故障率较高，因此被广泛使用。实地考察表明，集成电路对智能电能表的生命周期基本没有影响，经过半个世纪的发展，使用寿命已大大延长。预计失效率较高是由于手册数据存在预期延迟。智能电能表中使用最广泛的电阻和电容，没有较稳定的物理特性，适时性好，故障率低，现场故障少。智能电能表是一种具有时代特色的多功能电能表，是我国电网建设的一个拐点。伴随着我国科技的进步，智能电能表的功能必将更加完善，实现真正意义上的智能化。近两年来，随着智能电能表的标准化生产，自动检测线逐渐在我国出现。可极大地提高能源智能电能表的验证效率，节省企业的人力和物力。随着智能电能表生产技术的成熟，其功能将不断扩展。举例来说，在智能电能表后面出现的集成智能电能表就是收集器与电气集成。能源计量智能化智能电能表模块起原始收集器的作用[3-4]。

4 智能电能表用电信息采集装置的检测技术

智能电能表用电信息采集装置集现代数字通信技术、计算机软硬件技术、用电异常智能判断告警技术、电能计量技术、电力负荷控制技术和电力营销技术为一体的综合实时信息采集与分析处理系统，以移动通信网络、230MHz无线、公用电话网、光纤网为主要通讯载体，通过多种通讯方式实现系统主站和现场终端之间的数据通讯，具备数据采集、远程控制、用电异常信息报警、电能质量监测、线损分析、无功电压管理和负荷监控管理等功能。由于多串口服务器与主机之间采用100米网络接口通信，每台表位都有独立的检测组件，因此通信速度大大高于各串行端口和被测仪器的通信速度。主机检测软件可以同时运行多个检测程序，每个程序对应一个表，从而可以同时测试多个表的电表，不会互相影响。在检测设备中增加了人机交互模块，实现了智能电能表检测站与上位机、检查员之间的人机交互，大大提高了检测效率。有关成本控制功能的检测能显著提高检测效率的部件是发卡模拟器、自动插卡设备和人机交互模块[5]。

4.1 发卡模拟器

由主控单元、IC卡单元、通信单元、功率单元和IC卡输出单元组成。主控单元是整个部件的核心，由上位计算机发出的各种指令进行解析，可以控制其他单元完成相应的操作。通讯设备是主控单元与主控机进行通信的接口。根据在检测过程中使用的智能卡类型，IC卡单元有密钥下载单元、键盘恢复单元、短路测试卡单元、主控卡单元、备份IC卡等多种IC卡单元。并分别连接主控单元和IC卡输出单元。IC卡输出单元是多路转换器，根据主控单元的指令，输出不同的卡单元。动力装置向主控板上的其他电源供电。

4.2 自动插卡装置设计

自动插卡器由基座、控制电池、滑条、导轨和模拟卡组成。本发明中，模拟卡的卡接点是为了数据交互作用而接触表卡插座触点。控制台固定在底座上，电磁铁安装在控制电池上。电磁铁心与滑动条相连。滑动条的上端是卡开关。滑动条可以在里面移动。触点用于实现卡的自动插入动作。另外，在控制单元内集成了单片机控制器和IC卡模块，控制卡插入拆解通讯接口，IC卡模块和卡发行连接由本机所述模拟器信号输出。卡的自动插入过程如下。在主机发出插卡指令后，电磁铁线圈通电产生磁力，铁芯被推到前面，芯子推动滑动杆克服弹簧阻力而向前运动。这时，模拟卡的卡触点与功率计卡片接触，并完成插卡动作。取而代之的是，如需拔出卡钳将电磁铁线圈切断，磁力消失，弹簧按滑块向后移动，完成拔卡动作。

4.3 人机交互模块

进行万用表试验时，各仪器的检测精度不尽相同，故上位计算机的操作步骤不完全相同。若仅在上机操作界面上显示操作指令，则操作界面就会出现混乱，检查员容易误操作，影响检查结果。人-机模块可以解决这个问题。把上位机的人机交互界面扩展到检测装置的表位。每个表格上端计算机的操作顺序清楚地显示在表格的LCD显示单元上。检查人员还可以通过键盘操作装置，直接向上级计算机发送应答信息，避免计算机和检查设备之间来回检查的痛苦，也能减少检查员误操作的几率。包括控制单元，通讯单元，LCD单元，键盘操作单元。来自主机的各种指示将被一一显示在LCD单元中，相应的工作台位置也会被显示在LCD单元中。检查人员可以通过按键操作向主机发送相关信息。当接收到的信息后，主机会根据实际需要发出其他指令，继续检测电能表。因此，人和计算机的交互作用一目了然，各个智能电能表之间互不干扰，大大缩短了检测时间，提高了效率，降低了误报率。

5 结语

随着我国科技不断的发展，智能电能表的应用也会越来越广泛。随着智能电度表生产技术的成熟，其功能将不断扩大，专用的电表检测装置逐渐被淘汰，需要实现智能电能表的成本管理和安全认证功能。随着智能电表的标准化生产，自动检测线逐渐在我国出现，可极大地提高智能电能表的验证效率，节省企业的人力和物力。