王 柳
浙江正泰仪器仪表有限责任公司杭州分公司，浙江 杭州 310051)
摘 要：作为电力公司与用电户之间的重要纽带，智能电能表可实时监控电网的运行状态，对维护电网安全有重要意义。如何提高智能电能表可靠性是目前的研究重点。本文分析了智能电能表的框架设计研究现状，对智能电能表硬件可靠性技术进行分析。最后认为全行业应高度重视智能电表可靠性的建设，尽快形成统一的、旨在提高我国智能电表可靠性的行业标准。
关键词：智能电能表；可靠性；框架设计
0 引 言
随着时代的发展，现代社会对电能的依赖越来越严重，电能已经成为现代社会人类生存和经济发展的必要条件，变得越来越不可或缺。近年来我国智能电网建设的不断深入，智能电能表逐步取代了传统的电子式电能表，已成为目前电网中用量最多的电能表。据权威机构的统计，每年电网中发生故障、拆回维修的智能电能表却高达数百万只。因此，提高智能电能表可靠性是目前行业内的研究重点。与电子式电能表相比，智能电能表功能更多，结构也更为复杂，对其可靠性的分析和提高的技术的要求越来越严格。
1智能电能表分析
1.1智能电能表
智能电能表是实现智能电网建设的重要设备，是一种新型的电能计量仪器，是在传统电能表计量功能的基础之上进行了创新，各项功能更加完善，可以实现数据双向传输，并且可以控制电力客户端，对于供电双方来讲都大有益处。电能表主要用作为供电企业与电力用户之间电费结算的重要依据，所显示的电能值是否准确，直接关系着双方的利益。常用电能表按照有功电能计量准确度划分包括2级（A级）、1级（B级）、0.5S级（C级）和0.2S级（D级）四个等级，且不同等级适应的运行环境不同[1]。
1.2智能电能表的功能
对于智能电能表的应用，必须要保证其各项功能完善，可以就以下几个方面进行分析：一是准确计量，包括四象限无功功能、功率因数、分项电流以及分项电压等；针对用户需求进行分时计价与阶梯计价。二是通信功能，可以随时下载更新最新的费率以及电价；能够对用户负荷的有效控制；准确校准电能表内部时钟；三是电网信息采集，如失压、断相、电能表清零、掉电以及编程等；根据约定时间完成对电流、电压、有功功率、无功功率、有功总电能以及无功总电能等信息进行详细记录；及时向用户发出用电异常的提醒信息，加强用电管理；具有较强的保密性，可以有效保障用户信息安全。
2智能电能表结构及其可靠性技术
2.1智能电能表的框架设计
智能电能表的框架结构决定了其内部功能单元的物理连接方式，也决定了实现法定计量与非法定计量分离的技术手段。合理的框架结构设计可以有效减少各功能模块之间的交互，减少管理核心故障对电能计量功能的影响，从而保证和提高智能电能表的固有可靠性。
目前智能电表的体系结构主要有“双核”、“单核双核”和分体式。曾峥等人比较分析了这三种方案的优缺点，总结了每种方案的优缺点。三种方案中，“双核”方案可靠性高，可扩展性差，而“单核-双核”方案由于测量算法的不确定性，其可靠性难以保证。结果表明，合理的框架结构设计能有效地提高智能电表的固有可靠性。根据比较结果，提出了基于基本表+主控板+功能模块的智能电能表设计方案。该方案实现了智能电表法定计量部分和非法定计量部分的分离，减少了其他功能模块对核心模块即电能计量模块的影响；此外，该设计方案还便于软件可靠性的独立测试和分析，提高了智能电表固有可靠性的检测效率。
目前，国内对智能电表体系结构的研究主要是基于双核结构。通过对各功能模块的精心规划设计、完善接口等方式，减少各功能模块之间的相互影响，保证数据信息传输的完整性和可靠性，从而有效保障智能电表的固有可靠性。如姚力等人结合我国第一代智能电能表和国际高端电能表设计的优势，设计了一种新型双核智能电能表，采用高精度采样芯片取代传统的电流互感器+计量芯片。
实验表明，该方法能提高智能电能表的精度、极限宽度和固有可靠性。设计了一种以STM32为主控芯片，以atm90e26为专用计量芯片，以bc-95为Nb-IOT无线通信芯片的单相智能电能表。实验测试表明，该方法可以提高数据传输的可靠性。解决现有双核智能电能表浪费晶体、增加变压器设计难度、可能恶化电能质量等问题，阎淑芳等人提出了一种具有自身隔离功能的双核电能表的设计方案。该方案增加了隔离电路，去掉了数字处理电路和寄存器电路，优化了电源电路的设计。从而减少了各功能模块之间的相互干扰，降低了因电压不稳定而导致计量故障的概率，提高了智能电能表的固有可靠性[2-3]。
2.2智能电能表硬件可靠性分析
2.2.1智能电能表硬件可靠性分析技术
硬件可靠性分析技术，可以帮助设计者发现智能电能表硬件设计上存在的薄弱环节，还可对智能电能表整体的硬件可靠性进行预估，以为设计者改进和优化硬件设计方案提供指导。具体地，选择可靠性分析模型（如元器件应力分析模型、故障树模型等），根据元器件手册或历史数据对各部分进行打分，或者根据需求进行必要的实验测试，对测试结果进行分析并打分，最后得到智能电能表硬件产品的综合得分，而这正是智能电能表固有可靠性高低的具体体现。
采用元器件应力法，以TelcordiaSR-332手册为理论指导，对某型号智能电能表的各硬件模块及不同温度下智能电能表的整表失效率进行了分析。结果得到，工作温度每升高15℃，该型号智能电能表的失效率就增加一倍。因此指出，制造智能电能表时，应十分关注其硬件的温度特性。基于元器件应力法开展的智能电能表硬件可靠性研究结果表明，电源单元、CPU、显示单元及计量单元等容易失效，是智能电能表薄弱的硬件模块，应该对这些功能模块的物理机理进行更深入的研究，以增强其可靠性[4]。采用FMECA模型，对DX公司的D型智能电能表的硬件可靠性进行了分析，找到了该类型智能电能表中的薄弱环节；之后又利用故障树分析模型FTA对智能电能表的失效率进行了评估，给出了不同故障发生的概率大小。该研究成果为后续智能电能表的设计和维修提供了理论指导。
2.2.2基于高加速寿命试验的硬件可靠性研究
智能电能表的硬件可靠性分析技术只能分析智能电能表所用元器件质量的影响，但制造工艺、原材料缺陷等也会影响智能电能表固有的可靠性。因此，仅用硬件可靠性分析技术来研究智能电表的硬件可靠性仍有一定的局限性。为了全面分析智能电表的整体可靠性，还可以采用高加速寿命试验的方法。
加速试验的设计应力条件不应超过产品的极限条件，试验时间长。高加速寿命试验的设计应力状态往往超过产品所能承受的极限应力，这会迅速暴露智能电度表产品的设计制造缺陷，大大缩短试验过程。通过高加速寿命试验，分析了温度和随机振动对智能电能表可靠性的影响。结果表明：温度的变化会导致绝缘材料的老化；随机振动会导致智能电表内部结构变形、连接松动和原有电气缺陷的扩展，导致智能电表的硬件故障。本研究弥补了硬件可靠性分析技术的不足，为智能电能表的硬件可靠性研究提供了有益的参考。
3 结论
目前，国内对智能电能表可靠性技术的研究日益受到关注。国家电网有限公司和中国南方电网有限责任公司正在与多家省级电力公司和智能电表重点生产商开展合作。在对智能电表全生命周期所涉及的大量具体影响因素进行分类、归类和分析的基础上，从计量、标准、检验、合格评定等关键技术的基础层面进行分析，要高度重视提高智能电表质量即可靠性的能力建设，争取尽快形成统一的、旨在提高我国智能电表可靠性的行业标准。
参考文献
[1] 张卫欣，解岩，严晶晶，等．智能电能表及其可靠性技术发展研究综述[J]．电子产品可靠性与环境试验，2019,31(4):50-54.
[2]曾峥.提高电能计量装置故障处理效率的方法[J].智能城市,2019,5(20):191-192.
[3] 徐人恒．基于威布尔分布的电能表可靠性分析[J]．自动化与仪器仪表．2019,213(7):56-58．
[4] 骆明珠，陈颖，康锐．基于PoF模型的电子产品可靠性参数计算方法[J]．系统工程与电子技术，2019,36(4):795-801