智能电能表失电故障的试验分析

韩东，孙洋，刘惠颖，殷鑫，殷聪

（1.黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨 150001；2.哈尔滨电工仪表研究所，哈尔滨 150028）

0 引 言

智能电能表是用电采集系统应用的重要组成部份，它运行的稳定与否直接影响用电采集系统可靠运维；因此，智能电能表长期运行可靠是确保用电采集系统正常工作的保障。随着智能电能表投入运行年限增加，陆续暴露出智能电能表从设计、元器件筛选、制作工艺质量等不足的缺陷，其中智能电能表失电故障就是范例之一［1-4］。智能电能表失电故障现象表现为：当电网停电后再恢复供电时，智能电能表时钟校时功能失效，时间记录乱码，表内存电池电压低于2.8伏，智能电能表电量不冻结等［5-9］。故障波及范围之大，全国各省都相继出现，以某省不完全统计为例，出现此类故障的智能电能表14.7万只，占已运行表1%以上，2010年～2013年安装智能电能表运行至今（统计至2016年），智能电能表运行2至5年，出现类似故障与运行表占有率分别为：0.62%（2013年）、1.61%（2014年）、1.64%（2015年）、1.94%（2016年）。某地区局，运行表200多万只，近几年相继发现此类故障就达7万多只。此故障危害极大，影响用电信息采集系统正常运行，给企业贸易结算和电量统计带来很大困难。

为寻找故障根源，预防故障大范围漫延发展，我们组织抽取7家国内有代表性制造厂商样品，进行了试验测试研究，对其故障性质进行了剖析，提出科学有效的解决方案，以避免今后再次出现类似故障发生。

1 智能电能表失电故障机理

智能电能表是一个专用的微处理器系统，它除具备计量功能以外，还具有双向多种费率计量、用户端控制、多种数据双向传输通信等功能。智能电能表工作电源由两路电源保障，当电网供电时，智能电能表工作电源由电网供电经降压整流提供微处理器（CPU）系统，执行常规功能；当电网停电时，自动切换由表内3.6 V，1200 mAh锂电池供电，电池提供电源只支持智能电能表时钟计时功能和查询显示功能，以保障电网再次供电时，智能电能表延续正常工作状态。一旦电网停电时，表内供电电池电压低于2.8V，满足不了微处理器工作时，智能电能表时钟计时功能失效。由于智能电能表尚无长时间内存记忆功能，当电网再次送电时，时钟随机乱码，特别是年、月、日、小时乱码，主站已无法执行有效校时，此类故障统称为智能电能表失电故障［10-11］。其危害是：电网供电后，智能电能表无法恢复正常工作状态，系统时钟校时功能失效，智能电能表计时功能乱码失效，计量电能量无法冻结电量，用电信息采集系统电量统计功能失效，影响了采集系统正常运维，给用户与运营企业的贸易结算带来矛盾和困难，影响了企业营销形象。

2 试验检测方法和结果

2.1 试验目的和方法

本次试验以寻找智能电能表失电故障起源为目的，以电池失去能量原因为突破点，其影响因素环节有：①电池质量问题；如：容量未达标，理化性能差等。②外部电路对电池影响；如：电网供电，外电路与电池形成回路未完全断开，长时间放电，致使电能表运行一段时间内电池放电（电压低于2.8V）。③外电路与电池未完全断开，由电网供电对电池形成反充电（不是充电电池），破坏电池理化过程，致使性能下降失电等。

（1）检测电池工作状态

①常温环境下检测电池工作状态

智能电能表停电打开电池一端，串入直流电流表，电池接线柱两端再并入一块直流电压表，智能电能表停电空载，检测电池回路电压、电流变化值。工作状态两种：仅CPU工作、CPU和液晶显示同时工作。试验接线如图1所示。

图1 常温试验接线图Fig.1 Connection diagram of normal temperature test

②低温环境下检测电池工作状态

将试验方案A放入可调节温度环境试验箱中，调节温度0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃，分别检测电压、电流变化值。

（2）直流稳压源替代电池供电检测智能电能表工作状态

摘除智能电能表内电池，串入直流稳压源和直流电流表，电池接线柱两端并入一块直流电压表，智能电能表停电空载，试验接线如图2所示。

图2 直流稳压源试验接线图Fig.2 Connection diagram of DC stabilized power supply test

①稳压源3.6 V时检测智能电能表电池回路工作状态：

CPU工作、CPU和液晶显示工作，检测电压、电流值。

②调节直流稳压源检测智能电能表工作状态：

从电压3.6 V逐级降压至CPU、液晶显示不工作状态时，监测电压、电流变化值。

（3）智能电能表供电检测电池回路工作状态：

由电网供电智能电能表空载，电池打开一端，串入直流电流表，电池接线柱两端再并入一块直流电压表，监测电压、电流值，试验接线如图3所示。

2.2 试验结果

试验所用设备：检测表计0.5级，环境温度箱测量精度±1℃，直流稳压源0.5级，单相表检定装置0.2级。试验样品选择国内7家有代表性厂商产品，每家抽一只5（60）A，220 V，50 Hz，1200 imp单相智能电能表，分别以罗马符号Ⅰ～Ⅶ排列顺序称呼。

图3 供电试验接线图Fig.3 Connection diagram of power supply test

2.2.1 电池工作状态下试验结果

智能电能表停电空载，接线按图1所示，试验环境温度常温22℃，试验数据如表1～表2所示。

表1 CPU工作时试验数据Tab.1 Test data with CPU running

表2 CPU和液晶显示工作时试验数据Tab.2 Test data with CPU and LCD running

将2.1章节试验方案（1）放入可调节温度环境试验箱内，调节环境温度0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃。实验数据如表3所示。

表3 环境温度变化试验数据Tab.3 Test data with various temperatures

续表3

2.2.2 直流稳压源供电时电池回路试验

为验证比较电池供电能力，选用大功率直流源替代电池供电，进行相互比较寻找差距，试验接线如图2所示，试验环境温度22℃，智能电能表停电空载。另外，试验时采用直流源输出从额定电压3.6 V逐级下降电压、再上升电压方式检测智能电能表工作变化状况，寻找智能电能表失电阈值电压。

电压下降至智能电能表失电后，智能电能表停止工作，即CPU时钟停止；再继续试验CPU+LCD项就不做记录，以下试验是监测智能电能表失压后变化动向。直流稳压源从2.0 V电压往上升压，试验数据与下降相符，试验记录略。

2.2.3 电网供电时电池回路试验数据

智能电能表电网通电空载，电池回路打开电池一端串入电流表，电池二端接线柱并入电压表，接线如图3所示。试验方案如下：

（1）试验环境温度23℃，智能电能表接入额定电压220 V。实验数据如表4所示。

表4 电网供电时CPU工作试验数据Tab.4 Test data with CPU running under grid power supply

（2）将2.2.3章节试验方案（1）放入可调节温度环境试验箱内，调节环境温度0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃。实验数据如表5所示。

表5 温度变化时CPU工作试验数据Tab.5 Test data with CPU running under various temperatures

（3）反向电流测试，摘掉电池，电池接线柱两端串入反接电流表。除了厂家Ⅲ和Ⅴ存在反向电流，其他厂家的反向电流均等于0。

3 试验分析和改进措施

3.1 试验结果分析

上述七厂家样表是本年度（2016年）生产的新样表，采用的电池均为国内外品牌电池，电池器件为经过中国电力科学院检测合格产品，产品符合Q/GDW 11179.7-2014《电能表用元器件技术规范 第7部分：电池》，文中不对电池器件产品进行单独相应试验检验。试验检测证明电池失电故障，不单一是电池和时钟的问题，它与现场运维环境、智能电能表产品设计结构、使用功能合理性相关联。试验结果分析如下：

（1）智能电能表停电电池工作状态

常温环境下，电池保持正常工作状态，额定电压上下波动±1%。电流：CPU工作时，7μA～25μA之间；CPU和液晶显示工作时，24.5μA～51μA之间。当环境温度下降从0至-40℃时，电压相应下降了0.14 V～0.43 V，电流从7.2μA～1 650μA。从试验数据可看出，电池工作时电流分布较分散，常温环境下试验样表能达到正常工作；当环境温度下降至-30℃以下时，有些样表出现失压故障，如：Ⅰ、Ⅴ厂家，其它厂家样表随温度的下降，电压也相应不同下降，电流增加，智能电能表工作正常。

（2）电网停电智能电能表电池电路由直流稳压源供电

为检验比较电池工作能力，选择直流源给电池外电路供电，调节电压寻找各智能电能表失电故障阈值电压。试验得出：随着电压逐级降低，电流不同程度普遍上升，当智能电能表失电时，有些表电流急剧成倍增加，与电池工作状态变化相一致。通过试验可以寻找智能电能表失电阈值电压，厂家Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ的阈值电压都为2.8 V，厂家Ⅱ和Ⅴ分别为3.4 V和3.2 V。

（3）智能电能表接入电压220 V电池回路工作状态

常温环境下，智能电能表接入电压220 V空载，电池回路有放电电流，各表分布为0.9μA～7.2μA，调节环境温度；随着温度下降，电池电压普遍下降，符合电池变化特性，电流与常温比较有所下降。摘除电池，电池回路Ⅲ、Ⅴ有反向电流。

综合上述分析得出：电池外电路对智能电能表失电有较大影响。

（1）智能电能表正常工作时，智能电能表内电池容量为1 200 mAh时，电池慢失电量，将2.2.1章节中表1试验数据代入到公式（1）中进行换算，得到表6所示的运行年限。

式中Q为电池容量；I为实际工作电流；t为放电时间。在22℃连续运行环境下，只有Ⅲ和Ⅳ的电池寿命合格，其他厂商的电池寿命在5.5至7.7年。

表6 22℃时电池连续运行年限Tab.6 The running time of battery under 22℃

（2）智能电能表失电故障以阈值电压作为基准，按设计理论推算电池保持2.8 V及以上，能够保证微处理器系统正常工作，而Ⅱ、Ⅴ智能电能表失电阈值电压高于2.8 V，说明电池外电路设计优化或采用电气器件（重点微处理器）存在缺陷。其它厂商虽然符合上述规律，但电池外电路损耗偏差较大，按质量规范要求应趋近于零，试验证明外电路电池控制开关部分从设计结构或组合器件存在不足。

3.2 技术改进措施

按智能电能表现有设计理念和生产工艺水平，电池技术未有重大突破基础上，智能电能表产品使用寿命10年运行中，必然出现智能电能表失电故障，根据本次试验分析总结，针对故障特点制定有效的措施如下：

措施一：改进电池外电路控制开关设计，选择优质控制开关组合器件，使智能电能表正常工作时，外电路与电池形成回路损耗趋近零。即使外电路其它器件损耗偏大（控制开关性能提高），但由于电网临时抢修或春检，10年期间累计停电时间不会大于1年，也能保证智能电能表不出现失电现象；

措施二：根据特殊地理环境和特殊用户用电情况，用电采集系统和智能电能表也应进行相应改进。如：智能电能表运行在寒冷地区，运行环境寒期较长的地区，由于电池特性，低温时电压下降，容量也相应下降，运行一定时间后低温时易出现智能电能表失电概率较大。另外，由于主要设施损坏检修时间较长，特殊用户不用电，电表拉闸断电等。针对上述特例，应采取措施是：智能电能表修改具有时间记忆功能，电网停电后锁定失电时间年、月、日、时、分，避免乱码出现，系统时间校准改为小时、分时校准功能（电网停电小于24小时）。

即使出现智能电能表失电或不装设电池（电网停电时未有手动查询功能），电网送电智能电能表自动恢复正常工作，节省电池和电池控制开关部分器件。对智能电能表长期断电用户（极少数），用电时可用手抄或系统特定校准年、月、日，系统自动校时后，智能电能表恢复正常工作。

4 结束语

智能电能表失电故障的频繁发生已漫延波及到全国各省，随着智能电能表运行年限增长故障率还将陆续上升，为制止类似故障继续发生漫延扩大，本文叙述抽取国内7家制造智能电能表厂商产品，进行有针对性试验检测，经试验结果综合分析，找出了故障起始根源，并遵循客观规律，科学的提出两种改进技术措施方案，彻底根除故障继续发生。

（1）在国内乃至世界现今3.6 V锂电池技术未有重大技术突破的前提下，继续沿用现有的智能电能表电池外电路设计理念、制作工艺和器件组合，智能电能表10年寿命期间内，必然出现智能电能表失电故障；

（2）结合现今技术能力，在不改变智能电能表原有的生产技术方案基础上，采用本文提出的两种技术改进措施，是能够杜绝智能电能表失电故障继续发生。