智能电能表时钟日计时超差原因分析

胡 涛，赵震宇，熊紫腾，刘仕萍，邓高峰

（国网江西省电力有限公司供电服务管理中心，江西 南昌 330096）

0 引言

随着电网建设不断向数字化和智能化发展，全国范围内智能电能表的投运数量大幅增长。智能电能表从开始单一的计量，发展到分时计量、阶梯计费、电量冻结、数据存储以及事件记录等多种复杂功能，而这些功能均要求智能电能表要精确计时[1]。智能电能表的时钟是用户分时电价费率时段切换的依据[2]。智能电能表能够根据当前所处的时间，将用电情况计入到对应的峰谷分时电量上；还将在每日零点自动冻结电量底码，作为同期线损的计算依据。智能电能表时钟日计时的准确性，将影响到峰谷分时计费的执行以及同期线损的计算。当智能电能表出现明显的时钟偏差时，还会影响公司的优质服务质量，产生投诉风险。此外，时钟日计时功能也是电能表检定规程中的重要检定项目之一[3]。因此有必要开展智能电能表时钟日计时超差原因分析，提升质量管控能力，从而达到提高智能电能表质量可靠性的目的。

1 智能电能表时钟日计时相关知识

1.1 时钟日计时原理

智能电能表实现精确的计时功能，主要是依靠其内部的时钟晶振电路。由时钟晶振产生稳定的时钟频率，然后对其进行分频，得到准确的秒脉冲信号。有了秒脉冲的累加计时，再通过年月日的转换，就实现了日计时功能。通常智能电能表采用的时钟晶振频率是32.768 kHz，对其进行15次二分频之后，即可得到1 Hz的秒脉冲。因为32.768 kHz等于2的15次方，数据转换比较方便、精确。

日计时误差是指每一天电能表内部时钟与标准时钟的差值，单位通常用秒每天表示。在电能表检定规程中，明确规定了时钟日计时误差限为±0.5 s/d，也就是说电能表每天允许的最大计时偏差是±0.5 s。经过检定合格，安装到现场的智能电能表均应满足该指标要求。假设一只智能电能表的时钟日计时误差为+0.5 s/d，一年按365 d计算，则运行一年产生的累计时间偏差为+182.5 s，约为快了3 min。根据国家电网公司管理规定，用电信息采集系统可以远程校正5 min以内时钟偏差。通过用电信息采集系统主站定期对运行电能表进行时钟校准，这样就保证了现场运行智能电能表时钟的准确性。

日计时误差的测量原理如图1所示。工作电源为标准时钟源、误差计算单元以及被检电能表提供额定工作电压。误差计算单元同时接受标准时钟源和被检电能表产生的时钟脉冲，经过计算得到时钟日计时误差，并在日计时误差显示单元中展示。被检电能表通过多功能端子持续输出低频的秒脉冲信号，标准时钟源输出的是高频时钟脉冲[4]。

图1 电能表时钟日计时误差测量原理

在被检电能表产生t1个秒脉冲时，标准时钟源对应实测的时间为T1；t1个秒脉冲算定的时间为T0，则时钟日计时误差计算，如式（1）所示。

1.2 时钟日计时误差试验方法

在国网公司智能电能表技术规范中，规定了时钟日计时误差的试验方法[5-6]为：在参比条件下，标准时钟源和被检电能表达到热稳定后，使用标准时钟源在被检电能表时基频率测试点连续进行3次测量，每次测量时间为1 min，之后计算平均值，其结果不应超过±0.5 s/d。这里的参比条件主要是指：环境温度为（23±2）℃，工作电压范围为标称电压±1%；被检电能表的时基频率测试点，指的是多功能脉冲端子输出的秒脉冲信号。

如图2所示，是用示波器观测智能电能表多功能端子输出的秒脉冲波形，可以发现秒脉冲信号频率为1 Hz，波形为标准的5 V方波信号，占空比为50%。试验时每次测量时间为1 min，即被检电能表每输出60个秒脉冲，计算一次日计时误差。

图2 电能表输出的秒脉冲信号波形

实验室现有两块DDZY178-Z型单相智能电能表，其规格为：电压220 V，电流5（60）A，脉冲常数2000 imp/kWh，有功等级A级，通信方式为HPLC。按规定的试验方法，为其进行时钟日计时误差试验，测试结果如表1所示。

表1 电能表时钟日计时误差测试结果s/d

从表中可以看出，编号为224501182185的电能表时钟日计时误差超差，试验结果不合格。

2 时钟日计时超差原因分析

2.1 原因分析

上述型号电能表关于时钟计时部分的电路原理图，如图3所示。由电路原理图，可以看出单片机的工作时钟是由片外晶振（图中G3元件）提供，电能表的秒脉冲是从单片机控制器（MCU）的64号引脚（SEC）端口输出。由于同一型号规格的电能表，其软硬件完全一致，其中一只出现时钟日计时超差，推断时钟晶振元件G3可能存在问题。

图3 电能表时钟输出电路原理图

为了进一步验证，继续使用表1中的两只电能表进行试验。由于编号为224501189874的电能表时钟日计时误差合格，可知其时钟晶振元件的性能指标正常。将这两只电能表拆开，取出PCB板上的时钟晶振元件，用合格电能表上的时钟晶振替换掉超差电能表上的晶振，如图4所示。

图4 替换超差电能表的晶振元件

完成时钟晶振替换后，再重新对原超差电能表进行时钟日计时误差测试，测得值为-0.17 s/d，结果合格。同时将超差电能表上取下的晶振，安装到原来合格的电能表上，测得其时钟日计时误差为+1.07 s/d。实验表明，电能表时钟日计时误差超差是由时钟晶振异常导致。

2.2 电能表时钟晶振的安装工艺

32.768kHz晶体的振荡幅度很低，一般在0.8 V~1.0 V之间，非常容易受到外围环境的影响，造成晶体停振或者振幅偏低导致日计时误差超差[7]。如图5所示，是用示波器在时钟晶振引脚处观测的晶体振荡波形。可以看到晶振产生的振荡波形并非是标准的方波波形，幅值也较低，证实了高频时钟信号容易受安装工艺以及外部环境影响。

图5 时钟晶振产生的波形

对比不同电能表制造商关于时钟晶振的安装工艺，发现目前电能表时钟晶振的固定方式有3种，分别是：无固定（无附加固定措施）、胶水固定和金属丝绑定。前文所述型号规格为DDZY178-Z的单相智能电能表，其PCB上的时钟晶振为无固定方式，仅依靠时钟晶振焊接的引脚支撑，另外两种固定方式如图6所示。

图6 时钟晶振的固定方式

固定时钟晶振可以防止运输过程中形成共振，避免出现晶振脱落；采用金属丝绑定的方式固定，还可以起到晶振外壳接地，减少电噪声干扰影响的作用。通过各种安装工艺对比，建议在安装插针式的时钟晶振元件时，为其提供附加固定措施，最好能在固定晶振外壳的同时将其接地，以减少噪声干扰。

3 结语

文中系统阐述了智能电能表时钟日计时的原理以及如何进行时钟日计时误差测试。针对一起单相智能电能表时钟日计时超差问题，结合电路原理图，从工作原理和元器件功能的角度进行分析，成功定位并验证了故障原因为时钟晶振元件异常。同时对比了不同电能表制造商关于时钟晶振的安装工艺，提出了在固定晶振外壳的同时将其接地的建议，这样有助于提升产品质量，降低时钟日计时超差故障率。

另外，建议避免采用双列直插的时钟晶振元件，优先选用贴片式晶振元件；在智能电能表质量管控过程中，应加强关键功能元器件的质量控制，严禁电能表供应商随意变更元器件，确需变更的应履行备案审批手续。