一起智能电表频繁掉电重启事故的原因分析

陈克绪，邓高峰，朱 亮，赵震宇

（国网江西省电力科学研究院，江西南昌 330096）

0 引言

智能电表的主要功能是为用户提供一个电网的入户接口，对每户的电能进行计量，其质量的优劣直接影响计量准确性和公司经营效益，关系着公司的社会形象。2013年8月初，现场运维人员反映A台区的多块Z型号单相费控智能电能表出现频繁掉电重启的现象。江西省电力公司计量中心立即安排技术人员去现场进行故障的排查和分析，并从现场带回故障样表在试验室进行测试。

1 现场故障情况

1.1 故障表的基本参数

安装在上述台区的电能表均为某厂家生产的DDZY3-Z型单相费控智能电能表，其基本参数如表1所示：

表1 故障电能表基本参数

安装在该批次电能表上的载波模块基本信息如表2所示。

表2 故障表所用载波模块基本信息

1.2 现场确认故障现象

按照国网企业标准Q／GDW 1354-2013《智能电能表功能规范》的要求：智能电能表应可以记录掉电的总次数，以及最近10次掉电发生及结束的时刻。在电表安装位置可以观察到同一单元安装的10块电能表均以不同的频率反复重启。现场用电能表数据抄读系统对这些故障表进行最近10次的掉电记录的查询：图1所示是表号为120000233787的电能表上10次的掉电记录。

2 电能表掉电重启的原因分析

图2所示是该批次电能表的变压器部分电路；图3所示是该批次电能表的MCU供电电路原理图。

图2 电能表的变压器部分电路图

图3 电能表的MCU供电电路图

电能表从变压器的二次绕组端取交流电压，通过整流得到供给载波模块的模拟电源VCC_12 V。VCC_12 V作为稳压管7805的输入，得到约为5.7 V的输出电压VCC_5 V7，在其后端再通过二极管降压后得到约为5 V的直流电压，分别供给电能表的各个功能部分。

根据Q/GDW 1354-2013《智能电能表功能规范》要求：电能表的单相电压应低于电能表的启动电压（此值取为参比电压下限的60%）[1]。为了及时反应表计供电情况，此型号电能表将掉电检测点选择在MCU的供电电路的VCC_12 V端，事件触发阀值取7.5 V。当VCC_12 V端电压低于7.5 V，电能表的单片机程序产生中断事件并记录掉电事件，电能表进入电池供电的低功耗模式。当VCC_12 V端电压高于7.5 V时，电能表的单片机程序判断供电正常并重启复位。

根据以上对电能表掉电重启原理的分析，可以知道造成电能表频繁的掉电重启可能有以下几个原因：

1）给电能表供电的交流测220 V电压太低，电能表正常掉电。当交流供电电压恢复后，电能表复位重启；

2）温度过高等环境因素导致载波模块本身出现功能性故障；

3）现场电能表进行载波通讯时，载波模块的功耗过大导致电能表的VCC_12V端电压被拉低到掉电阀值7.5 V以下，电能表发生掉电。不进行载波通讯时，载波模块的功耗降低，VCC_12 V端电压恢复到掉电阀值7.5 V以上，电能表复位重启。

3 试验及分析

现场测量故障电能表的供电电压，在出现掉电重启现象时，故障电能表的交流供电电压是230 V左右，排除了因供电电压不稳而导致的电能表频繁掉电重启。 利用单相电能表检定装置对故障样表进行载波模块通讯功能试验，试验结果为符合国网公司要求，能正常进行数据的通讯，证明载波模块功能正常。

为进一步分析清楚电能表出现频繁掉电重启的原因，在试验室对从现场取的一块表号为120000233789的故障样表进行带载能力测试。带载波模块的单相电能表的通信模块弱电接口采用2×6双排插针作为连接件，弱电接口采用2×6双排插座作为连接件[2，3]。单相电能表与通信模块弱电接口管脚定义见表3。

表3 电能表与通信模块弱电接口管脚定义说明

在电能表接口的17和19管脚之间电压（载波模块上的10和12端之间电压）即为电能表供给载波模块工作的直流电压VCC_12 V。将故障样表的载波模块取下，在试验室用标准源给样表电压端子加220 V的参比电压，分别测量样表给载波模块供电的直流电源在空载和带96 Ω电阻负载下的电压值[2]。表4所示是电能表带载能力测试结果。

表4 电能表带载能力测试结果

结果显示该电能表供给载波模块的功率约为1.53 W，满足国网企业标准Q／GDW 1355-2013《单相智能电能表型式规范》规定的电能表供给载波模块的功率应大于或等于1.5 W的要求[4，5]。利用电能表载波通讯测试系统对电能表内的数据进行抄读，观察电能表进行载波通讯时VCC_12 V的电压波形。图4所示是带3.2版本载波模块的电能表在通讯时的VCC_12 V电压波形。

图4 载波模块为3.2版本的电能表在通讯时的VCC_12V电压波形

从图4中可以看出：在电能表没有载波通讯时，VCC_12 V电压为17.5 V。在电能表进行载波通讯时，VCC_12 V电压被拉低到9.2 V。显然载波模块在进行载波通信时功耗剧增，功耗大于1.5 W。

在现场测量部分故障电能表的VCC_12 V端电压：当电能表进行载波通讯时，测得的电压均约为7 V，低于此型电能表的掉电阀值7.5 V。此时电能表单片机的程序误判断发生掉电，触发掉电中断事件并记录掉电的开始及累计掉电的次数，电能表进入低功耗模式且载波通讯中断。由于载波通讯中断，VCC_12 V的电压恢复7.5 V以上，电能表的单片机内程序判断电能表供电恢复正常并记录掉电结束时间。单片机内主程序复位并控制电能表重启。由于集中器会定时对台区内载波表进行数据采集，因此造成电能表的VCC_12 V端电压值频繁在7.5 V上下浮动，最终导致了现场电能表出现了频繁的掉电重启故障。

在试验室将故障样表的载波模块取下，在VCC和地之间加纯阻性负载，在电阻值为24 Ω时，用万用表测VCC和地两端电压约为6.92 V，模拟电能表现场运行时掉电的情况。试验结果如表5所示：

表5 通讯模块功耗测试结果表

由以上试验可知，现场运行的故障表载波通讯时，VCC_12 V电压被拉低是由通讯模块的动态功耗过大引起。

4 结论及改进措施

4.1 结论

电表厂家依据给载波模块供电直流电压VCC_12 V是否大于7.5 V来判断电能表是否发生掉电。电能表在现场进行载波通讯时，该批次电能表载波模块的功耗较大，VCC_12 V端电压因此被拉低到掉电阀值7.5 V以下，造成程序的误判断发生掉电；在通讯结束后，由于载波模块的功耗变小，VCC_12 V端电压又恢复到掉电阀值7.5 V以上，程序判断电能表供电正常，电能表复位重启。

现场电能表的VCC_12 V端的电压不断在阀值7.5 V上下浮动，导致电能表频繁的发生掉电重启。

4.2 改进措施

1）对电表判断掉电事件的电路重新设计。

新的国网企业标准已经要求电能表不能因为载波模块的问题出现工作异常，为避免此类故障的发生，我们建议对电表判断掉电事件的电路重新设计。硬件上将掉电事件判断电压取在7805稳压管后的VCC_5 V7，因为此处电压更加稳定，不会因通讯模块功耗增大而导致电压降低；为配合硬件上的改动，将以VCC_5 V7处电压作为判断掉电依据的阀值设为4.2 V。

2）对载波模块信号放大电路进行改进，减小其动态功耗。

现场运行的电表载波模块功耗过大，建议厂家更换低功耗载波模块，通过限制载波模块消耗功率避免此型电能表的误动。针对上述情况，载波模块厂家专门开发了3.7版本的低功耗载波模块，对信号放大电路进行改进（电路原理图如图5所示，信号电缆元器件参数的修改情况详见表6），现场该批次的电能表已全部更换动态功耗更小的通讯模块，检测安装3.7版本载波模块后电能表在通讯时的VCC_12 V电压波形如图5所示。

图5 通讯模块信号放大电路原理图

表6 改进的器件参数对比表

图6 载波模块带为3.7版本的电能表在通讯时的VCC_12 V电压波形

从图6可以看出：电能表在进行载波通讯时的VCC_12 V电压为12.8 V，高于掉电阀值7.5，此时电能表正常工作，不会发生掉电事件的误判断而造成电量的少计量。

3）增加电表通讯情况下，通讯模块的VCC端和地之间的电压波动测试试验。

为避免此类故障发生，对2013年江西省第二批到货前的电能表，在全性能测试中增加通讯模块的VCC端和地之间的电压波动测试试验，该试验的具体步骤如表7所示：

表7 通讯模块的VCC端和地之间的电压波动测试方法

电能表频繁掉电重启造成电量少计，采集率低，由于载波模块的外壳体积较小，过大的功耗也会增加模块的发热，长期处于此种工作状态，会造成模块使用寿命的减少。通过上述措施保证了电能表在现场的可靠运行，避免了其它批次和型号的电能表出现类似的故障，保障了用电客户的利益，维护了国家电网公司的企业形象。

[1]Q／GDW 1354-2013智能电能表功能规范[S].

[2]秦曾煌.电工基础［M］.北京：高等教育出版社，1990.

[3]Rollin J. Parker，Robert J.Studders. Permanent Magnets and Their Application［M］.California：John Wiley and Sons，Inc.1962.

[4]Q／GDW 1364-2013单相智能表技术规范[S].

[5]GB/T 17215.321-2008交流电测量设备特殊要求第21部分：静止式有空电能表(1级和2级)[S].