李哲,孟平,王云霞,刘廉政,刘俊莉
（国网山东省电力公司 山东 济南 250000）
摘要：智能电能表作为供电公司与用电客户的连心桥，是获取用电客户用电信息的源头，既是贸易结算的依据，也是获得配网运行数据的重要来源，其时钟的准确性决定了分时电量的准确性。本文对拆回的单相智能电能表故障类别进行分类，并对占比最高的电池欠压进行分析，重点从单相智能电能表掉电时的软件处理流程和可靠性方面进行分析和研究，提出增加超级电容和电池可更换的解决方案，弥补了因软件设计缺陷而导致的时钟不准问题，确保了单相智能电能表时钟准确可靠运行。
关键词：智能电能表；电池欠压；软件可靠性；超级电容
Reliability analysis of battery circuit software of
single-phase smart electricity meter
Li Zhe,Meng Ping,Wang Yunxia,Liu Lianzheng,Liu Junli
state Grid Shandong Electric Power ，Jinan 250000，China
Abstract:As the connecting bridge between power supply companies and customers, smart electricity meter is the source of obtaining power consumption information of customers. It is not only the basis of trade settlement, but also the important source of obtaining distribution network operation data. The accuracy of its clock determines the accuracy of time-sharing power. This paper classifies the fault types of single-phase smart electricity meter and analyzes the undervoltage of the battery which accounts for the highest proportion. It focuses on the analysis and research of the software processing flow and reliability when the single-phase smart electricity meter is powered off. This paper puts forward the solution of adding super capacitance and battery replacement. The solution makes up for the problem of clock inaccuracy caused by software design defects, and ensures that The clock of single-phase smart electricity meter runs accurately and reliably.
Keywords:smart electricity meter;battery undervoltage;software reliability;super capacitance
0 引言
随着分时电价、阶梯电价和现货交易的执行，智能电能表的时钟准确性显得尤其重要，但电池欠压导致时钟不准问题一直以来是各单位研究重点，文献[1-3]分析了时钟电池欠压对智能电能表误差、计费、冻结数据等关键数据的影响，并提出采用超级电容为时钟回路供电的方案。文献[4-5]重点分析了电池钝化导致的电池欠压，及其检测方法。文献[6-7]通过建立数学模型来判断电池剩余电量。文献[8]从智能电能表的电路设计和PCB板布线等方面对时钟问题进行了分析和研究。文献[9]提出一种基于用电信息采集系统数据采集功能的智能电能表时钟电池欠压状态数据获取方法。这些文献主要侧重于从电池本身或硬件设备方面进行分析和研究，而未从软件设计可靠性方面进行详细分析。本文结合智能电能表分拣工作，对拆回的故障表进行分析，重点从智能电能表掉电时的软件处理流程和可靠性方面进行分析和研究。
1 拆回故障智能电能表分类
根据《国家电网公司电能表拆回分拣管理办法》对拆回的23755只单相故障表进行分析，分析结果如表1所示，按照拆回表故障分类，主要分为10类，其中电池欠压为主要故障类别，占拆回表的57.98%，由此可知，电池欠压故障尤其严重，因此需对单相智能电能表的电池可靠性进行进一步分析。
表1 拆回单相故障表的类别及比列
2 电表时钟电池欠压原因分析
根据企业标准Q/GDW 1354-2013《智能电能表技术规范》[10]要求，单相智能电能表内具有一个时钟电池，时钟电池采用绿色锂电池，在智能电能表说明周期内无需更换，断电后可维持内部时钟正确工作时间累计不少于5年。智能电能表内常规配置的时钟电池容量为1200mAh，为了满足断电后可维持时钟争取工作时间累计不少于5年，其电池回路电流应不超过27uA。在实验室对各批次供货的不同设计方案的电能表开展测试，时钟电池回路的硬件电路典型设计如图1所示。
由图1可知，智能电能表中的电源由交流供电电源和时钟电池供电电路两部分组成，智能电能表有电时，时钟电池并不输出电流（或电流非常小，一般是1～2uA），当停电时，时钟电池电路工作，其主要给处理器、日计时芯片、EEPROM等电路供电，其工
图1 时钟电池回路典型设计
作时进入低功耗的电流一般小于20uA。电池年自放电率按1%计算，功耗20uA来计算，在正常使用情况下，由式（1）可计算出电池的理论工作时间为6.4年。
（1-0.01n）*1200=0.02*365*24*n （1）
其中：n为工作时间（年）
但根据拆回智能电能表的分析数据可知，一部分电能表在运行前三年即出现电池欠压。造成电能表电池欠压的主要原因有，主要电池本身质量问题、外围电路问题，软件设计缺陷[4]。
2.1智能电能表功耗测试
选取4个厂家的单相智能电能表对其掉电过程中的功耗进行测试，试验方案：选取
不同生产厂家、不同批次正常智能电能表各1只,分别对其正常上下电和快速上下电的电池功耗进行测量，其中正常上下电的上电、下电时间间隔大于20s，快速上下电的上电、下电时间间隔小于20s。测量方法：第一步：智能电能表正常上下电，下电期间用万用表测量电池功耗，记录其最大值。第二步：进行快速上下电测试，下电期间用万用表测量电池功耗，记录其最大值。4个厂家的电池测量功耗结果如表2所示：
表2 4个厂家不同上下电情况下的电池功耗
由表2可知，正常上下电情况下，A、C、D厂智能电能表在正常上下电情况下，功耗均小于20uA，即智能电能表工作正常，但B厂智能电能表在正常上下电时，功耗远远超过20uA，说明智能电能表在下电时未立即进行低功耗状态，导致电池电量大量消耗。但由表2可知，A、C、D厂智能电能表在快速上下电情况下，功耗都较高，为了进一步分析其运行情况，利用示波器对下电时智能电能表的处理过程进行监控。
2.2 智能电能表软件分析
首先对A厂的智能电能表在正常上下电条件下软件处理进行监控，如图2所示，其中黄色曲线为EEPROM的数据存储波形，蓝色曲线为EEPROM的电源波形。由图2可知，正常下电情况下，采用智能电能表内的电池处理处理数据，但处理数据较少，耗电电流不大，可认为智能电能表很快进入低功耗。
图2 A厂智能电能表正常下电数据存储波形
对A厂的智能电能表在快速上下电条件下软件处理进行监控，如图3所示。由图3可知，快速上下电中，智能电能表约1.8秒时间内使用电池供电，供电电流约10mA。进一步分析微控制，智能电能表进行频繁的快速上下电，导致智能电能表整流桥后滤波电容的电压也跟着快速波动，一旦MCU判断电压达到某阈值，则开始执行上电流程操作，而此时如果立即断电，导致电容上存储的能量不足以完成上下电完整操作，所以会消耗电池的电量。
图3 A厂快速上下电数据存储波形
对B厂的智能电能表在正常上下电条件下和快速上下电条件下软件处理进行监控，如图4和图5所示。图4和图5可知，B厂智能电能表对EEPROM的电源进行了控制，下电处理完数据后关断其电源，而且处理数据时并不使用电池电量，但在处理完成大约3秒后（标注红圈处）软件打开了EEPROM的电源约0.4秒，耗电2mA，从耗电量来看此时MCU是使用高速时钟运行的，即每次下电进入低功耗3秒后，均要高速运行一次。
图5 B厂快速上下电数据存储波形
对C厂的智能电能表在正常上下电条件下和快速上下电条件下软件处理进行监控，如图6和图7所示。由图6可知，正常上下电条件下，智能电能表电池电压略有降低，但智能电能表处理时间较短，对电池影响较小。由图7可知，快速上下电情况下，电解电容未充满，需要使用电池完成数据存储。
图6 C厂智能电能表正常下电数据存储波形
图7 C厂快速上下电数据存储波形
对D厂的智能电能表在正常上下电条件下和快速上下电条件下软件处理进行监控，如图8和图9所示。由图8可知，智能电能表正常上下电处理数据时间较长。由图9可知，智能电能表在快速上下电情况下由于主程序正在处理数据，而电解电容无法正常提供电源，故使用电池对其供电。
图9 D厂快速上下电数据存储波形
由上述分析可知，部分厂家在正常上下电条件下软件设计合理，数据完全可利用电解电容来进行处理，无需使用电池供电，但部分厂家由于数据处理时间较长，电解电容无法满足其供电要求，需使用电池供电。在快速上下电条件下，由于电解电容未充满电，均需使用电池供电，进而导致电池欠压。一旦电池欠压，在智能电能表掉电情况下，电池无法给时钟回路供电，进而导致智能电能表时钟失准，各费率电量计量异常。
3 电池可更换方案
为了解决智能电能表电池欠压导致时钟不准问题，提出采用电池可更换方案，智能电能表内新增电池仓，电池正负极与电池仓的正负极相接触，电池仓与PCB板紧密接触，确保回路可靠。同时在表内增加了超级电容，在电能表断电且电池欠压情况下，超级电容只为时钟供电，且持续时钟正确计时不低于2天。为了验证电池可更换方案的可靠性，选取6个可更换电池电能表进行试验，试验方法如下：电能表在参比电压加载10min后，将电能表时钟与标准时钟对时，再取出时钟电池，让电能表在断电、环境温度为情况下静置48小时，然后将时钟电池放回电池仓，电能表上电，测量当前表计时钟与标准时间的差值；同理按照上述方法，在环境温度为情况下静置48小时，测量当前表计时钟与标准时间的差值。两种温度条件下的时钟差值如图10所示：
图10 不同温度条件下电能表时钟偏差
由图10可知，试验的6只电能表在和温度条件下，即使电池取出（可模拟时钟电池欠压）48小时，电能表的时钟与标准时钟的偏差均在5s以内，即可认为电能表时钟准确，而5s以内的时钟偏差是由于时钟芯片本身的误差而产生的。
4 结论
本文通过对单相智能电能表的时钟电池功耗测量和下电时电能表的处理过程进行监控，分析电能表由于软件设计缺陷，导致电能表在下电情况下尤其是快速下电情况下会消耗时钟电池电量，从而引起电能表电池欠压，时钟不准。提出的电池可更换方案因内部增加了超级电容，确保电能表在电池欠压情况下48小时内时钟准确，弥补了因软件设计缺陷而导致的时钟不准问题。按照电池可更换方案改进后的电能表现场运行可靠，时钟准确，各费率电能计量准确，维护了供用电双方利益。
参考文献
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[10]Q/GDW 1354-2013智能电能表技术规范[S].
作者简介：
李哲（1974-），女，供职于国网山东省电力公司，研究方向为营销管理、电能计量和综合能源计量和应用。
孟平（1980-），男，供职于国网威海供电公司，研究方向电气自动化及电测仪表。
王云霞（1977-），女，供职于国网山东省电力公司，研究方向为财务管理与投资经济。对智能表应用经济深有研究。
刘廉政（1990-），男，供职于积成电子股份有限公司，研究方向为电能信息计量采集及智能电能表深化应用。
刘俊莉（1979-），女，供职于国网聊城供电公司、研究方向为电能计量客户服务管理、业务受理。