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1、智能电能表常见故障研究和分析 国内图书分类号:.学校代码:国际图书分类号:.密级:公丌专业硕士学位论文智能电能表常见故障的研究和分析硕士研究生:计晓怡导 师: 李庚银教授企业导师: 张文杰总工申请学位: 电气工程专业领域: 工程硕士培养方式: 在职所在学院: 电气与电子工程学院答辩日期: 年月授予学位单位: 华北电力大学:.:.: .: :,:?:华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文智能电能表常见故障的研究和分析,是本人在导师指导下,在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知,论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果
2、。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。期:矽,少年彦月罗乜作者签名华北电力大学硕士学位论文使用授权书智能电能表常见故障的研究和分析系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有,本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版本,同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,允许论文被查阅和借阅,学校可以为存在馆际合作关系的兄弟高校用户提供文献传递服务和交换
3、服务。本人授权华北电力大学,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于请在以上相应方框内打“”:保密口,在 年解密后适用本授权书不保密团作者签名同期:伽,年月罗日导师签名耽张俨恨 勘夕妻同期:矽,歹年,月夕日华北电力大学硕士学位论文摘 要电能表承担着一定的社会服务功能,具有安装量大、分布区域广的特点,如果长期运行的使用过程中可靠性不高,故障率高,不仅每次由于质量问题引起的更换费时费力,而且容易引起用电纠纷,得不偿失。随着智能电网的快速发展,国内智能电表即将大规模生产应用,据预计国家电网将在年前使智能电表覆盖率将超过%,居民用户超过.亿户,年全国智能电表
4、的覆盖率将达到%。智能电能表实现了电网企业和电网用户之间的信息交互、需求交互、和谐共赢,使得社会效益最大化,其优点和优势十分明显。随着国网表的快速推进,电表的更新速度越来越快,功能也更加完善,同样随着功能的增加,故障也随之而来。而且智能电能表作为新兴事物,运用的环境较普通电能表更为复杂,所承担的责任更为重大,因此研究智能电能表的常见故障而提高其可靠性显得尤为重要。由于各地政策、气候、环境等不同,本文只针对湖州地区的智能电能表进行分析研究。本文首先介绍智能电能表的结构、功能、运行环境、注意事项、保养维护、自动化生产和检测技术,其中着重基于智能电网计量体系、自动抄表系统,对智能电能表的重要芯片进行
5、分析研究。其次通过前期理论学习、厂家实习、实地调查等方式对引起智能电能表因软、硬件的原因而引起的故障进行深入研究。最后针对不同的故障原因,对其进行具体的分析处理,改进工艺,从而减少故障率,提高可靠性,减少因电表故障而引起的用电纠纷、更换电表等事件,为整个电网提供坚强的后盾。关键字:智能电能表;智能电网计量体系;常见故障分析华北电力火学硕士学位论文., .,? .,. .%,% .,? , ,. ,. , ,., ,. , , , . , . , , , , , .: ,华北电力大学硕士学位论文目 录摘要.第章绪论?.国内外智能电网的发展及研究现状?.国外智能电网发展情况.国内智能电网发展情况.
6、电能表发展历史?.国外电能表发展史?.国内电能表发展史?.本章小结?一第章智能电能表的基本知识?.智能电能表的定义及其作为用户侧设备可实现的功能?.智能电能表的定义?.智能电能表作为用户侧设备可实现的功能.智能电能表的种类一.智能电能表的功能.本章小结?一第章智能电能表常用芯片及其性能.单相智能电能表工作原理.计量芯片介绍.计量芯片一.计量芯片?.计量芯片.微控制器介绍?.通信芯片?. .通信芯片.红外通信芯片.本章小结?第章智能电能表常见故障的分析及预防解决华北电力人学硕卜学位论文.智能电能表的继电器故障原因分析及解决方法.故障原因?.智能电能表继电器故障的解决方案?.智能电能表通信故障分析
7、. 通信故障分析?.红外通信故障分析.改进的方法.数据突变产生的原因及预防措施.表数据存储方式及特点?.数据突变产生的原因?.数据突变的预防措施?.时钟不准故障的原因分析及解决对策?.时钟故障原因分析.时钟故障解决的对策?.误差超差的原因分析及改进方法.误差超差的原因分析?.减少误差超差的改进方法.第章结论与展望?.参考文献?攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果.致 谢?.作者简介?华北电力大学硕士学位论文第章绪论.国内外智能电网的发展及研究现状在能源与气候等因素的推动下,同时为增强电网的安全性和可靠性,智能电网的建设已逐步成为世界各国的国策。所谓智能电网就是以坚强网架为基础,以通信信息平
8、台为支撑,以智能控制为手段,以信息化、自动化、互动化为特征,包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节,覆盖所有电压等级,实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合,是坚强可靠、。经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动、自主创新的现代电网【.国外智能电网发展情况国外对于智能电网的研究也处于初期研究阶段,多见于国际会议文章和一些研究机构和企业。美国:年,美国电力研究院率先开始“”智能电网研究;年,布什总统提出要求美国能源部致力于电网现代化,发布“ ”电网规划。该规划主要内容有:为所有用户提供高度安全、可靠、数字化供电服务,在全国实现成本合理、生产过程无污染、低碳排放的供电,经济
9、实用的储能设备,建成超导材料的骨干网架;年,启动电网智能化项目;年,与美国国家能源技术实验室合作发起了“现代电网”研究;年,奥巴马将智能电网提升为美国国家战略。欧洲:年,成立“智能电网”欧洲技术论坛”;年,提出智能电网愿景,制定欧洲未来电网的远景和策略战略性研究议程战略部署文件报告;年月,欧盟公布了战略能源技术计划路线图,旨在加速低碳技术发展和大规模应用,其中将智能电网作为第一批启动的六个重点研发投资方向之一,提出了至年智能电网技术发展路线叫。.国内智能电网发展情况年月日,中国国家电网公司总经理刘振亚在剑桥能源研究协会与美国能源协会共同举办的“更坚强的电网一中国与美国展望”会议上发表主旨华北乜
10、力人学硕:学位论文演讲,提出要建设自主创新、国际领先的坚强智能电网。他指出,智能电网应涵盖发电、调度、输变电、配电和用户各个环节,是一个闭环系统。智能电网首先应该是坚强的电网,能够实现能源资源的大范围优化配置,保障安全可靠的电力供应。国家电网公司正在全面建设坚强的智能电网,即建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网,并实现电网的信息化、数字化、自动化、互动化,在供电安全、可靠和优质的基础上,进一步实现清洁、高效、互动的目标。国家电网公司提出,统一坚强智能电网建设分三步走具体发展方向见图.。年至年为规划试点阶段:重点开展电网智能化发展规划工作,制订技术标准和管理标准,开展关键技术研
11、发和设备研制,开展各环节的试点工作;年至年为全面建设阶段:加快特高压电网和城乡配电网建设,初步形成智能电网运行控制和互动服务体系,关键技术和装备实现重大突破和广泛应用。年至年为引领提升阶段:全面建成统一坚强智能电网使,电网的资源配置能力、安全水平、运行效率,以及电网与电源、用户之间的互”。动性显著提高智能发电智能城市.推动可再生能源利用.可持续的二作减少对化石燃料的依赖.可持续的生活.减少发电环节的碳撑放.可持续的市政降低对气候变化的影响.可持续的交通.提高发电利用效率智能输配电 智能售电/用电加强电力公司、用户、电网、电力.提高系统的安伞性,加强对电网的实时监控 市场之问的协调和互动减少能源
12、消耗,提高能源使效率.提高系统可靠性,降低故障率.提高输配电资产的利.;效率图.国内智能电网发展方向目前,国内在数字化电网方面,主要对数字化变电站、智能可视化调度与预警系统等方面展开了研究。数字化变电站。数字化变电站是指由电子式互感器、智能化开关等智华北电力入学硕士学位论文能化一次设备、网络化二次设备分层构建,建立在通信协议基础上、能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站,其基本特征为设备智能化、通信网络化、模型和通信协议统一化、运行管理自动化等。是国际标准组织发布的最新的变电站自动化系统标准,以此标准对变电站进行配置是实现变电站设备间互操作性的重要保证。智能调度与预警。智
13、能调度技术采用调度数据集成技术,有效整合并综合利用电力系统的稳态、动态和暂态运行信息,实现电力系统正常运行的监测与优化、预警和动态预防控制、事故的智能辨识、事故后的故障分析处理和系统恢复,紧急状态下的协调控制,实现调度、运行和管理的智能化、电网调度可视化等高级应用功能,并兼备正常运行操作指导和事故状态的控制恢复,包括电力市场运营、电能质量在内的电网调整的优化和协调【圳。.电能表发展历史.国外电能表发展史电能表在世界上的出现和发展已有一百多年的历史,最早的电能表是爱迪生在年利用电解原理研究而成的直流电流表一安时计。年,随着交流电的发现和应用,交流电能表应运而生。年德国人布勒泰发明了世界上第一块没
14、有独立电流铁心的单磁通感应式交流电能表,这块表的质量.,年,带电流铁心的多磁通式感应式电能表诞生了,其中电压铁心重。不过其转动元件是一个铜环,反作用力矩靠交流电磁产生。世纪初至世纪年代,为了减小电能表的尺寸和质量,科技人员着手研究把电压与电流磁路分开,采用独立电流铁心结构,进一步改善了感应式电能表的性能。由于感应式电能表结构简单、安全、廉价、耐用,便于批量生产和维修,所以得到了快速发展,并在交流电能计量领域占据了及其重要的位置。随着用电量的急剧增长以及能源供需矛盾的加剧,对电能表提出了多功能化的要求,脉冲式电能表应运而生。这类电能表采用了感应式电能表的测量机构作为工作元件,由光电传感器完成电能
15、?脉冲转换,然后经电子电路对脉冲进行适当处理,从而实现对电能的测量。同时随着近代微电子技术、信号处理技术和通信技术的高速发展,世纪年代初,国际上出现了全部采用电子元器件组成的交流电能表。这类电能表没有转动元件,故标准国家电。工委员会标准将其定义为静止式电能表,国内也称其为电子式电能表【华北电力大学硕士学位论文.国内电能表发展史年,上解放前,我国没有自己的电能表制造业,表计全部依靠进。海合成电器厂即上海电度表厂成立,接着哈尔滨电表厂、上海第五电表厂先后成立,我国结束了不能制造电表的历史。起初,我国电能表产业从仿;国电能表产品开始,经过五十多年的努力,现已具备了相当的规模和水平,生产的各类电能表不
16、仅供给国内,还远销国外。我国对静止式电能表的研发工作开始于世纪年代初,略迟于发达国家。世纪年初,国内多家电表厂开始自主研发各类电能表。年,上海贝岭微电子制造有限公司推出了第一款国产单相电能计量芯片。随着科技的发展和电价政策的调整,在其后的十余年问,我国静止式电能表产业快速发展,产品覆盖了安装式电能表的各个种类和准确度等级。然而,由于我国微电子技术至今落后于发达国家,电能表中的大规模集成电路器件以及其他一些关键元器件基本上被国外知名品牌垄断。同时,由于自动化水平较低,公益工装技术水平也落后于发达国家,所以国产静止式电能表产品的可靠性、产品性能指标的一致性、重复性等方面有待进一步提高。年月,国家电
17、网公司营销部在天津召开会议,部署计量、抄表、收费标注化建设项目的研究工作,提出了“全覆盖、全采集、全预付费”的工作目标,并从涵盖计量、抄表、收费各项业务的营销业务标准化的高度,建设国家电网公司的用电信息采集系统。其中,包含了电能表功能规范、型式规范和技术规范,以及用电信息采集系统主站、集中抄表终端、专变终端等企业标准的编制。国家电网公司在年初,提出了建设智能电网的构想,并于年月公布了坚强智能电网建设计划,作为智能电网的组成部分,电能表及高级计量体系将再次被赋予新的使命。在电能表制造业的关注、支持下,历时一年,智能电能表系列标准在年月发布并实施。年第,国家电网公。司依据此套标准,完成了第一次集中
18、招标工作.本章小结本章简单阐述了智能电网的概念,介绍了国内外智能电网的发展状况,详细介绍了国内外电能表的发展历史。华北电力大学硕士学位论文第章智能电能表的基本知识.智能电能表的定义及其作为用户侧设备可实现的功能.智能电能表的定义所谓智能电表,就是应用计算机技术,通讯技术等,形成以智能芯片如为核心,具有电功率计量计时、计费、与上位机通讯、用电管理等功能的新一代电能表见图.。目前,智能电能表在我国各地电力公司有了初步的推广应用,智能电能表也由过去单一的预付费电能表发展到、复费率、分时、阶梯电价、费控、在线检测、在线管理等多种类型。图.智能电能表实物图.智能电能表作为用户侧设备可实现的功能.电力公司
19、利用智能电能表可实现的功能电力公司利用智能电能表可实现的功能如下【:实现用电信息的自动采集,采集的信息包括双向有功电能、四象限无功电能、视在电能、功率因数、总有功功率、分相有功功率、分相电压、分相电流、谐波信息、变压器损耗等。把新的费率方案、电价下载到电能表中。华北电力人学帧士学位论文把对用户的最大需量以及需量周期下载到电能表中。对用户负荷进行控制。对电能表内部时钟进行校时。对用户进行分时计价、阶梯计价。自动记录失压、失流、断相、掉电、电压逆相序、电能表清零、拉合闸、开表盖、开端钮盒盖、编程等事件。按照约定的时间间隔对电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数、有功总电能、无功总电能、四象
20、限无功总电能、当前需量等测量数据进行记录。为用户提供本地或远程购电功能。通过多种有效的保密措施,保障重要数据、信息安全。根据不同的用电异常情况,向用户发出提示信号或信息。接受远程指令,发送约定的数据、信息。.用户利用智能电能表可实现的功能在紧急状态下收到提示信号。按照表计的准确度等级,对有功、无功、视在电能进行计量。对接入可再生能源的用户,提供电能的双向计量。按照分时电价,阶梯电价、最大需量进行电能计量。利用交互显示终端或用户信息系统完成电费支付或电量预购。.智能电能表的种类在国家电网公司的企业标准中,按照等级、通信方式等内容对智能电能表进行了划分【】。按等级划分,包含了.、.、级和级。按照负
21、荷开关划分,有内置和外置负荷开关之分。按照通信方式划分,有载波、无线、一总线之分。按照费控方式划分,有本地费控和远程费控。此外,还可按照电流量程范围、电压范围进行划分。表一是按照安装环境使用电能表的选型方案。表.是智能电能表类型与国家电网智能电能表技术的对应关系。.智能电能表的功能国家电网公司智能电能表企业标准设计了类功能:华北电力大学硕士学位论文表.不同安装环境下电能表的使用类型安装环境 电能表适.类型关口.级三相智能电能表、.级三相智能电能表、级三相智能及以上专电能表用变压器及以上专.级三相费控智能电能表无线、级三相费控智能电能表、用变压器 级三相费控智能电能表无线公用变压器下三相级三相费
22、控智能电能表、级三相费控智能电能表载波、用户级三相费控智能电能表无线答眢变蹄单相碧麓嚣淼盖磊篓蒙案凝嚣“表载波表.智能电能表类型与技术规范的对应关系计量功能:具有正向、反向有功电能量和四象限无功电能量计量功能,华北电力大学硕士学位论文并可以据设置组合无功电能量;具有分时计量功能,有功、无功电能量可对尖、峰、平、谷等各时段电能量及总电能量分别进行累计、存储;具有计量分相有功电能量功能。需量测量功能:可在约定的时间间隔内一般为个月测量单相或双向最大需量、分时段最大需量及其出现的日期和时间。时钟功能:日历、计时、闰年可自动转换。费率和时段功能:至少可设置尖、峰、平、谷四个费率;全年至少可设置个时区;
23、小时内至少可设置个时段。清零功能:包括电表清零和需量清零。数据存储功能:至少存储上个结算日的单向或双向总电量和各费率电能数据。冻结功能:包括定时冻结、瞬时冻结、日冻结、约定冻结和整点冻结五大类。事件记录功能:包括记录各相失压、断相、失流的总次数,电压流逆相序的总次数,以及发生时刻、结束时刻及对应的电能量数据等信息;记录全失压发生时刻、结束时刻及对应的电流值;记录需量清零的总次数,以及需量清零的时刻和操作者代码;记录编程的总次数,以及编程的时刻、操作者代码和编程项的数据标识;记录开表盖、端钮盖总次数及发生、结束时刻;记录远程控制拉、合闸事件及发生时刻和电能量等数据。通信功能:通信信道物理层必须独
24、立,任意一条通信信道的损坏都不得影响其他信道正常工作。信号输出功能。显示功能。测量功能:可测量总的及各分相的有功功率、无功功率、功率因数、分相电压、分相含零线电流、频率等运行参数。安全保护功能:电能表应具备编程开关盒编程密码双重保护措施,以防止非授权人员进行编程。费控功能:费控功能的实现分为本地和远程两种方式。负荷记录功能。阶梯电价功能:具有两套阶梯电价,并可在设置时间点启用另一套阶梯电价计费。停电抄表功能:在停电状态下,可通过按键或非接触方式唤醒电能表抄读数据,唤醒后可通过红外通信方式抄读表内数据。报警功能:报警事件包括失压、失流、逆相序、过载、功率反向双华北电力人学硕:学位论文向表除外、电
25、池欠压等;应有发光或声音报警输出。辅助电源功能:电能表可配置辅助电源接线端子,辅助电源供电电压为.,交、直流自适应;具备辅助电源的电能表,应以辅助电源供电优先;线路和辅助电源两种供电方式应能实现无问断自动转换。安全认证功能:通过固态介质或虚拟介质对电能表进行参数设置、预存电费、信息返写和下发远程控制命令操作时,需通过严格的秘密验证或模块等安全认证,以确保数据传输安全可靠。.本章小结本章主要简单介绍了智能电能表的智能电能表的定义、作为用户侧设备可实现的功能和作为计量设备所具备的项功能。华北电力火学硕士学位论文第章智能电能表常用芯片及其性能这里以单相智能电能表为例,简单介绍智能电能表常用的芯片及其
26、性能。.单相智能电能表工作原理单相远程智能电能表主要由两个功能系统组成:计量系统和单片机处理系统。工作原理:表计有两部份隔离的工作电源,一路给、液晶驱动芯片、计量芯片供电,另一路给供电。计量部份由电阻分压网络完成电压信号取样,锰铜继电器完成电流信号取样,取样后的电压电流信号送入计量芯片,计量芯片内部通过乘法器转换为功率信号并以脉冲信号输出,单片机系统采样脉冲信号并同步输出表计的校表脉冲;零线电流的采样信号来自零线电流互感器。单片机处理系统对采样到的脉冲信号进行累加,同时根据设定的时区、时段、费率实现多费率计量,将最终处理的数据送存储器保存,并通过显示器进行显示。单片机可通过总线读出计量芯片中的
27、电压、电流、功率、零线电流等数据并转化为实时的数据:也可以根据下发的拉合闸命令对表计进行拉、合闸的控制;内部的数据可以用掌机或软件通过和红外接口进行读取。电能表原理框图如图.所示。.计量芯片介绍随着现代电子产业的高速发展,测量电路的集成化、模块化成为未来发展的趋势,专业化的器件制造公司纷纷推出自己的计量芯片,这种集成芯片不仅准确度高,而且硬件软件设计简单、性价比高。.计量芯片.功能介绍南京日新科技有限公司铝造,广泛应用于智能电能表制造行业。能够测量有功功率、无功功率、有功能量、无功能量,并能提供两路独立的有功功率有效值、电压有效值、可实现灵活的防窃电方案。华北电力人学硕:学位论文支持全数字的增
28、益,相位和校正。有功、无功电能脉按键输入 拉合闸控制冲分别从、管脚输出。图单相智能电能表原理框图提供两个串行接口和,方便与外部之间进行通信。其中为专有的单线通讯接口,可以使用一根数据线实现双向通讯。内部的电压监测电路可以保证上电和断电时正常工作。.芯片特征:精度准确:%,肛锰铜误差小于.%;设计快捷:设计简单,可以大面积铺地;更方便:支持软件自动较表、小信号加速较表;性能更可靠:简单的设计即可通过严酷的可靠性测试。产品更权威:是替代美国等单项和三相的升级电路,更适合中国国家智能电网的需求,是国家智能电网指定使用的产品引脚框图如图.所示。功能框图如图.所示。.计量芯片.主要特征满足/:和 标准的
29、精度要求。华北电力大学硕士学位论文在:的动态范围内误差小于.%。包含短时间持续线路电压降低或跌落检测电路。线路电压跌落阙值和跌落变化的持续时间线路电压半周期数值可由用户自己设置。提供位波形采样数据和位有功电能数据,含有一个采样波形寄存器和至少能保持满负载累积功率的有功电能寄存器。、.,/,横挂电蠢量位电平置位喇;电瘫入;电蕾入一 电髓入引凹 :电囊慧入引曩宇电一宇电曩地电压入引 卵电压入引 渊 , 横报电蠢地帅图. 引脚框图闱 柚口 硝卜嘣示嘣示阼嘶示蝴示哪埘肿 图功能框图华北电力大学硕士学位论文提供系统与输入失调数字化校准功能,即信道失调校正、相位校准和功率校准。具有一个与兼容的串行接口,寄
30、存器中的数据经串行接口读出。提供频率与有功功率成下比的脉冲输出,脉冲输出的频率可设置。具有中断请求和状态寄存器半满或溢出警告【郴】。.内部结构采用引脚和引脚两种封装。起内部结构如图.所示。它含有两个二阶.、基准电压源、温度传感器和有功功率与有功电能计量所需的全部信息处理功能。片内温度传感器经校准后的典型值为士。除有功功率信息外,一旦发生线路电压跌落时,漏极开路逻辑输出将变为有效低电压。舢菇磷协 盘图.内部结构图.计量芯片.主要特征是美国公司推出的多功能、高精度电能测量集成芯片。是采用制造工艺,功耗低,集成度高,组成电能表所需的外围器件少。同时,内片集成有电能、电压真有效值、电流真有效值的计算和
31、电能脉冲转换功能。基于该芯片的电能表配置灵活、应用方便。该芯片的基本功能和突出特征如下:可提供误差范围为读数士.%。动态范围超过:的读数线性度。可测量有功电能、无功电能、视在电能、瞬时电流、瞬时电压、瞬时华北电力大学坝士学位论文功率、电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、视在功率、基本和谐波电能、线路频率等参数。具有系统校准和相位补偿功能。具有多样化的配置方式,可与配合实现系统.功能。电压、电流实时监控:当电压低于临界电压或高于阙值电压时报警。电压过零检测。灵活的数字校准和补偿方式:对每一通道增益补偿、温度补偿、功率补偿、相位校准。.内部结构采用脚封装形式。芯片内部集成有模数转
32、换器、高通数字滤波器、串行接口电路、数字/频率转换器、寄存器等模拟、数字信号处理单元,其内部结构如图.所示。电流、电压模拟输入通道包含了可编程增益放大器和滤波器,将电流传感器和电压传感器送入的电压信号进行数字化。这种模拟输入结构简化了滤波器的设计,同时大大简化了传感器接口电路,并提供了很大的动态范围。电流通道的高通滤波器去掉了电流信号里的全部直流成分,从而减少了有功功率计算中由电压或电流信号偏移带来的不精确性。模拟输入通道的差分电压信号满量程输入为。包含的片内温度传感器可以在较大的温度范围内对测量元件进行温度补偿和校准【】。蚣葛譬鑫撼赫厂一跖睾行黪接口【裙辩璩,?翮 嚣两魏甄爵鲨唰? 嚣时 旷
33、萨丽应翮皴珥嘲蝴玎亡睨强图.内部结构图.微控制器介绍微控器 简称或,也有人称为单芯片微控制器华北电力大学硕士学位论文,将、/集合在同一个芯片中,为不同的应用场合做不同组合?。智能电表的芯片涉及控制、计量、加密和通讯芯片窄波通信,其中控制芯片即是整个表计中的核心,负责计算资费单相远程费控表表内不涉及电费计算、控制显示和通讯等最主要的功能。在读取计量芯片数据后,记录发生的事件如窃电等。具有以下特点:具有优异的性能价格比。集成度高、体积小、可靠性高。控制功能强。低电压、低功耗。为单相智能电能表常用的。该芯片既有高动能指令也有高效率指令,具有字节的地址空间和高速执行指令的能力;具有、.、个用户可配置口
34、、个定时器、个串行口、通道位口、内置看门狗定时器和低速晶振,可接外部晶振。内部结构如图所示,主要功能引脚框图如图.所示。图内部结构图华北电力火学硕士学位论文图. 主要功能引脚框图.通信芯片. 一通信芯片.在电能表中的应用我国在制定/.电子式多功能电能表及/ ?电子式多功能电能表通讯协议时将.标准串行通讯接作为电能表的通讯接,并详细地定义了物理层、链路层、应用层,结束了以前电能表厂家规约各不兼容、互相不能抄的尴尬局面。现在电能表厂家遵循相同的协议标准最新的行业标准是/?多功能电能表通讯协议对电能表进行读写操作,简化了电能表抄表应用及维护的工作量。使得国内的智能电能表可以做到互联互通。.电能表中芯
35、片的管脚功能介绍通讯的控制芯片厂家根据不同用途和使用环境,可以选择的芯片很多,现以浙江恒业厂家生产的单相远程费控智能电能表中选用的芯片为例,介绍其管脚功能配置如下图.。由图.可以看到,共有个管脚,各管脚功能如下:华北电力大学硕二卜学位论文管脚:,电平接收输出端,平时输出高电平。管脚:,接收使能端,低电平,允许接收。高电平,不允许接收。管脚:,发送使能端,高电平允许发送,低电平,不允许发送。图. 电气原理图管脚:,数据发送端。管脚、:芯片电源地和芯片电源。管脚、:当差分信号输出输入端口。当.大于等于时,为逻辑“”;当.小于等于.时,为逻辑“”;当.时,为不确定状态。.红外通信芯片和芯片为公司推出
36、的红外芯片。.芯片为红外编码解码芯片,如图所示,其特性如下:适应.物理层规范。接口与收发器相兼容。可与标准的连接使用。可发送/接收.或/脉冲形式。内部或外部时钟模式。波特率可编程。华北电力大学硕士学位论文佰粼谢一剃一柏一一舵一叫一一帅室图 引脚定义图.芯片是一种廉价的红外收发器模块,如图一所示,工作电压为.。其特性如下:超小型表面封装。最小高度:.。发光二极管电压范围:.。温度范围.。发光二极管驱动。边缘检测输入,避免发光二极管的开启时间过长。.本章小结本章节以单相智能电能表为例,简单介绍了几个常用的主要芯片的内部结构、特征。华北电力大学硕士学位论文第章智能电能表常见故障的分析及预防解决电能表
37、更新换代速度越来越快,功能更全面也更加智能化,电能表的故障也越加多样化。产生故障的原因有很多,人为因素造成器件开裂、破损、错件、漏件等;原材料本身不合格导致电能表故障;包装、搬运、运输等过程中导致的损坏;软硬件不匹配造成的故障等多种因素。为了能够更准确的判断出故障产生的原因,我们要针对不同的情况,对其进行具体的分析处理,改进工艺,逐步减少不良品的产生。根据不同的故障分类方式,可分为以下几种:按故障类型:软件故障、硬件故障;按产生故障的原因:人为因素、原材料因素、环境因素、操作工艺;按故障的表现:显示、通讯、费控、超差计量精度、电流、电压、时钟等;软件故障主要是设计上的缺陷和不同软硬件的错误搭配
38、产生的。人为因素和操作工艺造成的故障占比超过%。电能表故障检修分四步骤:一想、二看、三测、四处理。首先针对故障现象考虑可能会产生的原因,因为在批量生产时所产生的很多故障都是相同有共性的,有时只需要看到现象就可以基本确定故障的原因。第二通过肉眼仔细观察电路表面是否有明显的虚焊、连焊、错焊、焊漏等问题,因为很多时候造成故障的原因表面上都可以观察到。第三针对一些故障还需要借助专用仪器对电能表相关电路测试,这儿最常用的主要是万用表,示波器,通讯设备等。最后根据之前测得的数据准确判断故障位置进行相应处理【。.智能电能表的继电器故障原因分析及解决方法根据国网智能电能表系列标准要求,费控智能表具有内置或外置
39、控制继电器。继电器的合闸与跳闸,在严格的安全认证与数据加、解密下进行。而内置继电器直接控制用户用电电源,内置继电器的质量、带载能力、控制安全性、运行可靠性,直接关系到用户的用电安全,也影响供电部门的服务工作量。这也正是传统电能表转换为智能电能表时面临的新技术、新挑战。华北电力人学硕:卜学位论文.故障原因国网智能电能表的内置继电器,大都采用磁保持继电器。智能电能表技术要求中规定最大电流不大于的电能表使用内置继电器互感表使用外置丌关。从现在的使用情况来看,内置继电器在检定、安装、运行、故障维修等出现的问题的主要有:检定时出现的问题:刚上台体出现无法加载电流,远程合闸、跳闸测试需人工参与操作,有时因
40、密钥状态无法识别,不能正常控制继电器。无法加载电流可能是因为运输原因造成继电器触点接触不良或厂家出厂时没有有效合闸。跳闸后需人工参与检测继电器跳闸状态,合闸时需人工参与合闸操作,同时检定时需更新远程密钥并进行密钥状态管理,检定效率大大降低。安装时出现的问题:刚安装的智能电能表继电器断开,导致客户不能用电,供电部门现场不能合闸,要重新换上新的电能表来解决投诉问题,导致供电部门的工作很被动。这个问题一种可能是源于我们的计量检定部门测试远程拉闸后没有合闸或没有下发合闸命令,还有一种可能就是电能表在安装过程中的输出了误动作信号。运行时出现的问题:安装在现场的电能表使用一段时间后断开,这种情况大负荷的单
41、、三相表要多一点,三相中还会有缺相的可能出现。大家知道,南方地区,尤其浙江省是一个家庭工厂和小企业比较多的地区,超负荷容量使用在家庭工厂和小企业里是家常便饭。安装在表内的继电器触点过载能力有限,触点发热后,导致继电器固定触点的塑料变形、移位,导致触点压力降低,接触电阻变大,发热量继续加大,直到继电器触点烧毁,断开。严重的可能会短路、起火,引发次生事故。长时间运行隐患:为数极少电能表安装的继电器在安装时存在应力,经过长时间的老化运行也难以完全消除。电能表现场长期运行,继电器也会因应力原因出现上述恶性循环,导致继电器损坏。远程控制时出现的问题:运程控制继电器,在大负荷运行情况下强行拉闸将损坏继电器
42、触点,增加继电器触点的接触电阻,将导致继电器触点更容易发热,并烧坏。维修时出现的问题:由于装在现场的智能电能表运行密钥为供电部门方控制的私钥。一旦出现故障,返回厂家检修则需将私钥更改公钥,厂家才能维修。增加了密钥恢复工作与管理,增加了供电部门方维修工作量。华北电力大学硕士学位论文.智能电能表继电器故障的解决方案智能电能表内置继电器的故障虽然现象较为简单,但危害性十分严重,除直接带来大量服务工作量外,极端情况带来设备及人身安全。而继电器故障的解决是一个系统工程应从费控方式选型、现场服务力提升、费控可靠性设计、控制策略、继电器质量等多方面着手,综合解决。选型好费控方式考虑在不改变国网技术要求的情况
43、下,因地制宜,最好的办法就是使用开关外置的电能表,同时根据现有电能表的结构设计合适的外置丌关,在必要的情况下安装外置开关,达到远程控制的目的。这样将有下面几个方面的原因和好处:很多电能表不必要安装控制回路或短时间根本不可能使用,不安装内置继电器将在一定程度上降低了电能表的制造成本,根据不同的客户类型我们可以有选择的给电表配置外置开关。突出电能表的主要功能一一计量功能,简化其它辅助功能,将大幅度提高电能表的可靠性、安全性和使用寿命。开发现场服务设备:由于继电器的跳闸、合闸在严格的安全认证下进行。目前装在现场的智能电能表,一旦出现内置继电器跳闸,因缺乏有力的现场服务设备支持,必须换表解决。所以开发
44、带有密钥控制卡的掌机设备,可以现场进行合闸与跳闸,能大大提高现场服务能力。软硬件可靠性设计:对于长期现场运行的智能电能表可能出现内置继电器误动作或者执行动作时由于电压、触点等原因造成的不可靠动作。为了有效防止继电器的误动作或不可靠动作,应有防止内置继电器误动作的软硬件设计,应有防继电器不可靠动作的检测机制与补动作机制设计。同时为防止智能电表在运输过程中出现的继电器触点接触不良,智能电能表应有检测与安装时上电的补动作机制。继电器控制策略:继电器在大电流下跳、合闸,直接影响继电器的寿命及智能电表运行安全。选择合适的继电器控制策略如大于一定电流下不跳闸,可大大减少控制时的负荷冲击影响。继电器质量:继电器质量是继电器可靠运行的基础。继电器触点的接触电阻、触点材料、切换电压、切换电流、最大切换功率、触点机械与电气寿命等设计直接关系到带载与控制能力、长期运行稳定性。继电器的端子连接方式、壳体材料、温度、振动、冲击、绝缘等特性直接关系运输、安装、温度变化等产生的应力影响。同时开发大电流、小体质、低功耗、低成本的固态继电器,实现过零控制,应是国网内置继电器的发展方向。华
