智能電能表時鐘日計時超差原因分析

胡 濤，趙震宇，熊紫騰，劉仕萍，鄧高峰

（國網(wǎng)江西省電力有限公司供電服務(wù)管理中心，江西 南昌 330096）

0 引言

隨著電網(wǎng)建設(shè)不斷向數(shù)字化和智能化發(fā)展，全國范圍內(nèi)智能電能表的投運數(shù)量大幅增長。智能電能表從開始單一的計量，發(fā)展到分時計量、階梯計費、電量凍結(jié)、數(shù)據(jù)存儲以及事件記錄等多種復(fù)雜功能，而這些功能均要求智能電能表要精確計時[1]。智能電能表的時鐘是用戶分時電價費率時段切換的依據(jù)[2]。智能電能表能夠根據(jù)當(dāng)前所處的時間，將用電情況計入到對應(yīng)的峰谷分時電量上；還將在每日零點自動凍結(jié)電量底碼，作為同期線損的計算依據(jù)。智能電能表時鐘日計時的準(zhǔn)確性，將影響到峰谷分時計費的執(zhí)行以及同期線損的計算。當(dāng)智能電能表出現(xiàn)明顯的時鐘偏差時，還會影響公司的優(yōu)質(zhì)服務(wù)質(zhì)量，產(chǎn)生投訴風(fēng)險。此外，時鐘日計時功能也是電能表檢定規(guī)程中的重要檢定項目之一[3]。因此有必要開展智能電能表時鐘日計時超差原因分析，提升質(zhì)量管控能力，從而達到提高智能電能表質(zhì)量可靠性的目的。

1 智能電能表時鐘日計時相關(guān)知識

1.1 時鐘日計時原理

智能電能表實現(xiàn)精確的計時功能，主要是依靠其內(nèi)部的時鐘晶振電路。由時鐘晶振產(chǎn)生穩(wěn)定的時鐘頻率，然后對其進行分頻，得到準(zhǔn)確的秒脈沖信號。有了秒脈沖的累加計時，再通過年月日的轉(zhuǎn)換，就實現(xiàn)了日計時功能。通常智能電能表采用的時鐘晶振頻率是32.768 kHz，對其進行15次二分頻之后，即可得到1 Hz的秒脈沖。因為32.768 kHz等于2的15次方，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換比較方便、精確。

日計時誤差是指每一天電能表內(nèi)部時鐘與標(biāo)準(zhǔn)時鐘的差值，單位通常用秒每天表示。在電能表檢定規(guī)程中，明確規(guī)定了時鐘日計時誤差限為±0.5 s/d，也就是說電能表每天允許的最大計時偏差是±0.5 s。經(jīng)過檢定合格，安裝到現(xiàn)場的智能電能表均應(yīng)滿足該指標(biāo)要求。假設(shè)一只智能電能表的時鐘日計時誤差為+0.5 s/d，一年按365 d計算，則運行一年產(chǎn)生的累計時間偏差為+182.5 s，約為快了3 min。根據(jù)國家電網(wǎng)公司管理規(guī)定，用電信息采集系統(tǒng)可以遠程校正5 min以內(nèi)時鐘偏差。通過用電信息采集系統(tǒng)主站定期對運行電能表進行時鐘校準(zhǔn)，這樣就保證了現(xiàn)場運行智能電能表時鐘的準(zhǔn)確性。

日計時誤差的測量原理如圖1所示。工作電源為標(biāo)準(zhǔn)時鐘源、誤差計算單元以及被檢電能表提供額定工作電壓。誤差計算單元同時接受標(biāo)準(zhǔn)時鐘源和被檢電能表產(chǎn)生的時鐘脈沖，經(jīng)過計算得到時鐘日計時誤差，并在日計時誤差顯示單元中展示。被檢電能表通過多功能端子持續(xù)輸出低頻的秒脈沖信號，標(biāo)準(zhǔn)時鐘源輸出的是高頻時鐘脈沖[4]。

圖1 電能表時鐘日計時誤差測量原理

在被檢電能表產(chǎn)生t1個秒脈沖時，標(biāo)準(zhǔn)時鐘源對應(yīng)實測的時間為T1；t1個秒脈沖算定的時間為T0，則時鐘日計時誤差計算，如式（1）所示。

1.2 時鐘日計時誤差試驗方法

在國網(wǎng)公司智能電能表技術(shù)規(guī)范中，規(guī)定了時鐘日計時誤差的試驗方法[5-6]為：在參比條件下，標(biāo)準(zhǔn)時鐘源和被檢電能表達到熱穩(wěn)定后，使用標(biāo)準(zhǔn)時鐘源在被檢電能表時基頻率測試點連續(xù)進行3次測量，每次測量時間為1 min，之后計算平均值，其結(jié)果不應(yīng)超過±0.5 s/d。這里的參比條件主要是指：環(huán)境溫度為（23±2）℃，工作電壓范圍為標(biāo)稱電壓±1%；被檢電能表的時基頻率測試點，指的是多功能脈沖端子輸出的秒脈沖信號。

如圖2所示，是用示波器觀測智能電能表多功能端子輸出的秒脈沖波形，可以發(fā)現(xiàn)秒脈沖信號頻率為1 Hz，波形為標(biāo)準(zhǔn)的5 V方波信號，占空比為50%。試驗時每次測量時間為1 min，即被檢電能表每輸出60個秒脈沖，計算一次日計時誤差。

圖2 電能表輸出的秒脈沖信號波形

實驗室現(xiàn)有兩塊DDZY178-Z型單相智能電能表，其規(guī)格為：電壓220 V，電流5（60）A，脈沖常數(shù)2000 imp/kWh，有功等級A級，通信方式為HPLC。按規(guī)定的試驗方法，為其進行時鐘日計時誤差試驗，測試結(jié)果如表1所示。

表1 電能表時鐘日計時誤差測試結(jié)果s/d

從表中可以看出，編號為224501182185的電能表時鐘日計時誤差超差，試驗結(jié)果不合格。

2 時鐘日計時超差原因分析

2.1 原因分析

上述型號電能表關(guān)于時鐘計時部分的電路原理圖，如圖3所示。由電路原理圖，可以看出單片機的工作時鐘是由片外晶振（圖中G3元件）提供，電能表的秒脈沖是從單片機控制器（MCU）的64號引腳（SEC）端口輸出。由于同一型號規(guī)格的電能表，其軟硬件完全一致，其中一只出現(xiàn)時鐘日計時超差，推斷時鐘晶振元件G3可能存在問題。

圖3 電能表時鐘輸出電路原理圖

為了進一步驗證，繼續(xù)使用表1中的兩只電能表進行試驗。由于編號為224501189874的電能表時鐘日計時誤差合格，可知其時鐘晶振元件的性能指標(biāo)正常。將這兩只電能表拆開，取出PCB板上的時鐘晶振元件，用合格電能表上的時鐘晶振替換掉超差電能表上的晶振，如圖4所示。

圖4 替換超差電能表的晶振元件

完成時鐘晶振替換后，再重新對原超差電能表進行時鐘日計時誤差測試，測得值為-0.17 s/d，結(jié)果合格。同時將超差電能表上取下的晶振，安裝到原來合格的電能表上，測得其時鐘日計時誤差為+1.07 s/d。實驗表明，電能表時鐘日計時誤差超差是由時鐘晶振異常導(dǎo)致。

2.2 電能表時鐘晶振的安裝工藝

32.768kHz晶體的振蕩幅度很低，一般在0.8 V~1.0 V之間，非常容易受到外圍環(huán)境的影響，造成晶體停振或者振幅偏低導(dǎo)致日計時誤差超差[7]。如圖5所示，是用示波器在時鐘晶振引腳處觀測的晶體振蕩波形?？梢钥吹骄д癞a(chǎn)生的振蕩波形并非是標(biāo)準(zhǔn)的方波波形，幅值也較低，證實了高頻時鐘信號容易受安裝工藝以及外部環(huán)境影響。

圖5 時鐘晶振產(chǎn)生的波形

對比不同電能表制造商關(guān)于時鐘晶振的安裝工藝，發(fā)現(xiàn)目前電能表時鐘晶振的固定方式有3種，分別是：無固定（無附加固定措施）、膠水固定和金屬絲綁定。前文所述型號規(guī)格為DDZY178-Z的單相智能電能表，其PCB上的時鐘晶振為無固定方式，僅依靠時鐘晶振焊接的引腳支撐，另外兩種固定方式如圖6所示。

圖6 時鐘晶振的固定方式

固定時鐘晶振可以防止運輸過程中形成共振，避免出現(xiàn)晶振脫落；采用金屬絲綁定的方式固定，還可以起到晶振外殼接地，減少電噪聲干擾影響的作用。通過各種安裝工藝對比，建議在安裝插針式的時鐘晶振元件時，為其提供附加固定措施，最好能在固定晶振外殼的同時將其接地，以減少噪聲干擾。

3 結(jié)語

文中系統(tǒng)闡述了智能電能表時鐘日計時的原理以及如何進行時鐘日計時誤差測試。針對一起單相智能電能表時鐘日計時超差問題，結(jié)合電路原理圖，從工作原理和元器件功能的角度進行分析，成功定位并驗證了故障原因為時鐘晶振元件異常。同時對比了不同電能表制造商關(guān)于時鐘晶振的安裝工藝，提出了在固定晶振外殼的同時將其接地的建議，這樣有助于提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低時鐘日計時超差故障率。

另外，建議避免采用雙列直插的時鐘晶振元件，優(yōu)先選用貼片式晶振元件；在智能電能表質(zhì)量管控過程中，應(yīng)加強關(guān)鍵功能元器件的質(zhì)量控制，嚴禁電能表供應(yīng)商隨意變更元器件，確需變更的應(yīng)履行備案審批手續(xù)。