國(guó)產(chǎn)高端電表為何久久未能進(jìn)入電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量主表地位？——國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口高端電表性能差異及其測(cè)試技術(shù)研究

國(guó)產(chǎn)高端電表為何久久未能進(jìn)入電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量主表地位？

——國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口高端電表性能差異及其測(cè)試技術(shù)研究

中國(guó)現(xiàn)代電網(wǎng)量測(cè)技術(shù)高端論壇

張春暉

2016年5月25日

電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量是電網(wǎng)最重要的計(jì)量點(diǎn)，按電力行標(biāo)的要求，需要配置主、付兩只電能表計(jì)量。裝機(jī)容量為100萬(wàn)千瓦的發(fā)電機(jī)組或輸送電流1200安及以上的1000千伏交流特高壓線路，在正常運(yùn)行狀態(tài)（正弦波、長(zhǎng)周期負(fù)荷波動(dòng)）下，其年發(fā)電量或年輸送電量超過(guò)60億千瓦時(shí)，電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量表計(jì)有微小的計(jì)量變差，如表計(jì)有0.05%的計(jì)量誤差，將產(chǎn)出年電力貿(mào)易結(jié)算電費(fèi)±100萬(wàn)元以上的波動(dòng)。

長(zhǎng)期以來(lái)，盡管進(jìn)口高端表計(jì)價(jià)位高于國(guó)產(chǎn)同類(lèi)表計(jì)8-10倍，電網(wǎng)主管部門(mén)總是選用進(jìn)口高端電表作為電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量的主表。經(jīng)多年的實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷下的計(jì)量考核表明：進(jìn)口高端電表計(jì)量誤差控制很?chē)?yán)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，取得很好的口碑及信譽(yù)度。相應(yīng)的國(guó)產(chǎn)高端電表經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，已經(jīng)統(tǒng)領(lǐng)國(guó)內(nèi)電表市場(chǎng)，但是至今未能進(jìn)入電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量主表地位，成為電表行業(yè)發(fā)展的短板。如何推動(dòng)國(guó)產(chǎn)高端電表進(jìn)入電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量主表地位，是電表行業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)的長(zhǎng)遠(yuǎn)議題。

為此，2006-2007年間，由威勝集團(tuán)公司、鄭州萬(wàn)特公司、重慶市電科院和本文作者合作進(jìn)行國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口高端電表品質(zhì)測(cè)試技術(shù)研究。2008年，鄭州萬(wàn)特公司在國(guó)內(nèi)首先推出三相多功能電表品質(zhì)試驗(yàn)裝置。2009—2010年，重慶市電科院首次向國(guó)家電網(wǎng)公司報(bào)送《關(guān)口電能表性能測(cè)試報(bào)告》并發(fā)表《關(guān)口電能表性能測(cè)試技術(shù)初探》文稿。同時(shí)，威勝集團(tuán)公司研發(fā)出0.1S級(jí)三相多功能電表，并在電網(wǎng)進(jìn)行批量應(yīng)用。

鑒于國(guó)產(chǎn)高端電表品質(zhì)技術(shù)走向國(guó)際高水準(zhǔn)的需求，由《現(xiàn)代電網(wǎng)量測(cè)技術(shù)合作研究平臺(tái)》于2014年（長(zhǎng)沙）、2015年（銀川）兩次召開(kāi)《電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量主表全性能研究》課題技術(shù)交流會(huì)議。作為第一步，交流、討論國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口高端電表性能差異及其測(cè)試技術(shù)研究初步成果。

一、電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量主表計(jì)量性能測(cè)試與分析

1、重慶市電科院：《關(guān)口電能表性能測(cè)試報(bào)告》

經(jīng)對(duì)多款關(guān)口電能表進(jìn)行性能測(cè)試、比較，其中某型關(guān)口電能表具有的計(jì)量性能：

1）從0.05%In到最大量程內(nèi)，基本誤差曲線平坦，測(cè)量誤差＜0.05%。各功率因數(shù)下，測(cè)量誤差＜0.08%

2）無(wú)功測(cè)量高精度，達(dá)到0.5級(jí)要求，超過(guò)現(xiàn)行IEC無(wú)功電表標(biāo)準(zhǔn)。

3）極低功率因數(shù)，例如相位在90°±0.5°時(shí)，測(cè)量誤差＜1%。說(shuō)明功率因數(shù)＜0.25時(shí)，進(jìn)行誤差調(diào)整與控制。

4）從0.05%In到最大量程的雙向計(jì)量精確。

5）但是，某型關(guān)口電能表的過(guò)載、高電壓特性稍差。

2、威勝集團(tuán)公司：《某型關(guān)口電能表分析》。

該型關(guān)口電能表設(shè)計(jì)特征：

1）計(jì)量方案，在電力負(fù)荷、相位改變時(shí)，控制高精度測(cè)量的線性度。

2）電源方案，三相PT和輔助電源同時(shí)供電，經(jīng)一相PT或輔助電源正常，電表即可運(yùn)行。

3）停電狀態(tài)，電表內(nèi)置超級(jí)電容，可支持時(shí)鐘和停電抄表30天；如選配鋰電池可支持10年。

4）管理方案，實(shí)現(xiàn)表計(jì)高級(jí)多功能；測(cè)量系統(tǒng)與通信系統(tǒng)完全獨(dú)立。

5）液晶及按鍵：（略）

6）采用長(zhǎng)壽命、高穩(wěn)定的品牌元器件

7）電表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

·電路板有多塊，便于電表系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

·電路板采用卡口結(jié)構(gòu)，無(wú)金屬固定螺絲

·面接觸式的接線端子設(shè)計(jì)

3、會(huì)議指出：

從《關(guān)口電能表性能測(cè)試報(bào)告》可以看出：某型關(guān)口電能表在全口徑電流測(cè)量、0-360°相位范圍內(nèi)，具有優(yōu)良的計(jì)量特性，可以作為國(guó)產(chǎn)高端電表設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的參考。這方面，威勝發(fā)表的文稿《復(fù)化Newton-Cotes積分算法在電能計(jì)量中的應(yīng)用》、《一種高精度動(dòng)態(tài)的角差補(bǔ)償算法》，為平坦基本計(jì)量誤差曲線和控制極低功率因數(shù)下的計(jì)量誤差，提供了經(jīng)驗(yàn)。

二、電子式電表可靠性技術(shù)深化應(yīng)用研究

1、重慶市電科院：《智能電表可靠性技術(shù)研究進(jìn)展》

1）目前，國(guó)內(nèi)常用IEC62059-41標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)開(kāi)展電表可靠性預(yù)測(cè)工作具有指導(dǎo)意義，但是各種元器件的基本失效率獲得存在較大的問(wèn)題；GJB/Z299C給出的基本失效率是基于元器件類(lèi)別的通用失效率，缺乏可信性。

2）考慮到IEC62059的可操作性差的問(wèn)題，重慶院提出簡(jiǎn)化的電表可靠性評(píng)估試驗(yàn)方法，主要是：僅選取IEC62059規(guī)定的5組試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)力中的1組（溫度75℃、濕度85%）；試驗(yàn)過(guò)程額外施加電壓電流（分階段變化）、短時(shí)過(guò)電壓和電源中斷（30次）、諧波負(fù)荷（分階段施加）、通信等電應(yīng)力條件。試驗(yàn)時(shí)間控制在45天。

2、威勝集團(tuán)公司：《IEC61709-2011失效率和應(yīng)力模型轉(zhuǎn)換用的電氣元器件可靠性參比條件》標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

與中國(guó)GJB/Z299C《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》或美國(guó)軍用手冊(cè)（MIL-HDBK-217F）相比，IEC61709標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性與通用性更強(qiáng)。

3、會(huì)議指出：本次會(huì)議解讀IEC61709-2011和介紹國(guó)內(nèi)智能電表可靠性技術(shù)研究進(jìn)展，在電表行業(yè)還是首次：

1）經(jīng)考證，GB/T 17215、941-2012/IEC62059-41：2006的重點(diǎn)，一是智能電表可靠性預(yù)測(cè)的應(yīng)力模型，就是參比條件下的失效率轉(zhuǎn)化為工作條件下失效率的元器件應(yīng)力模型，主要參照IEC61709；另一是元器件失效率數(shù)據(jù)，參考數(shù)據(jù)手冊(cè)主要有西門(mén)子規(guī)范SN29500元器件失效率和IEC62380-2004可靠性數(shù)據(jù)手冊(cè)（電子組件、PCBS和設(shè)備的可靠性預(yù)測(cè)用通用模型）。由此可見(jiàn)，國(guó)際上已經(jīng)形成較完整的電表可靠性預(yù)測(cè)系列標(biāo)準(zhǔn)。

據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)智能電表可靠性預(yù)測(cè)應(yīng)用研究，主要參照GB/T17215、941-2012/IEC62059-41：1996和GJB/z299C，其組合應(yīng)用水準(zhǔn)與國(guó)際上電表可靠性預(yù)測(cè)系列標(biāo)準(zhǔn)還有較大差別。

4、威勝集團(tuán)公司與西門(mén)子公司合資的施維公司：《西門(mén)子：元器件預(yù)計(jì)失效率標(biāo)準(zhǔn)SN29500概要》

1）SN29500是西門(mén)子公司于1978年制定的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，研究提出元器件預(yù)計(jì)失效率，適用于電信、無(wú)線通信系統(tǒng)。該標(biāo)準(zhǔn)為制定EN/IEC61709標(biāo)準(zhǔn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（信息）。

注：IEC61709-2011失效率和應(yīng)力模型轉(zhuǎn)換用的電氣元器件可靠性參比條件

2）SN29500由總則、集成電路、分立半導(dǎo)體、無(wú)源元器件、電氣連接、電和光接頭和插座、繼電器、開(kāi)關(guān)和按鈕、信號(hào)和指示燈、觸點(diǎn)、半導(dǎo)體信號(hào)接收器、[發(fā)光二極管（LED）、紅外發(fā)光二極管（IRED）和半導(dǎo)體激光器]、光耦合器和擋光板等部分組成。

3）失效率（λ）：產(chǎn)品在給定的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生不可修復(fù)故障的累計(jì)次數(shù)，單位FIT（Failure in time 10-9 Failures/h）。

元器件失效率由其在參比條件下的失效率與電壓、電流、溫度關(guān)系因子的乘積求出，這些參數(shù)以列表形式存入SN29500信息庫(kù)。

SN29500還給出電壓、電流關(guān)系因子的計(jì)算式。

單位產(chǎn)品失效率由各元器件串行失效率累加求出。

4）可靠度R（t）：產(chǎn)品運(yùn)行到一定時(shí)間后的產(chǎn)品功能完好概率：

R（t）=e-λt

SN29500給出產(chǎn)品的可靠度與運(yùn)行時(shí)間（h）的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，例如：產(chǎn)品可靠度下降到97%，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)間為15.3184年。

注：據(jù)正泰儀器儀表公司文稿《DDZY666智能電表可靠性設(shè)計(jì)》：IEC62059-41是目前專門(mén)針對(duì)電能表可靠性的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)力數(shù)據(jù)源來(lái)自于西門(mén)子SN29500標(biāo)準(zhǔn)。SN29500是專門(mén)針對(duì)工業(yè)、醫(yī)療和民用電子產(chǎn)品的，每2年更新一次，數(shù)據(jù)較為可靠，目前OFGEM（英國(guó)燃?xì)夂碗姎庑袠I(yè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)）采用SN29500開(kāi)展電能表可靠性評(píng)估。

在智能電表內(nèi)，往往使用由專門(mén)委托定制的部件，例如外殼及五金件、LCD顯示器、鋰離子電池等。這些元器件的參數(shù)，可能在SN29500標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)查不到，需另作嚴(yán)格慎重處理。

5、、會(huì)議認(rèn)為：

1）西門(mén)子公司SN29500是國(guó)際上廣泛應(yīng)用的工業(yè)、醫(yī)療、民用電氣/電子產(chǎn)品元器件失效率標(biāo)準(zhǔn)，本次會(huì)議在國(guó)內(nèi)首次提出深入開(kāi)展SN29500標(biāo)準(zhǔn)的研究與應(yīng)用，目的是推進(jìn)IEC62059-11/21/31/

41/51和相應(yīng)國(guó)際《電測(cè)量設(shè)備 可信性》的實(shí)施，推進(jìn)電表企業(yè)/部門(mén)建立起相對(duì)完整的電能表可靠性技術(shù)體系，適應(yīng)國(guó)網(wǎng)嚴(yán)格智能電表質(zhì)量管控的要求，提升出口電表國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。為此，會(huì)議建議：重慶電科院、威勝集團(tuán)公司在SN29500應(yīng)用研究方面重點(diǎn)抓好下列項(xiàng)目：

·收集并翻譯IEC62059標(biāo)準(zhǔn)在可靠性領(lǐng)域的引用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（12項(xiàng)），特別是SN29500、IEC61709標(biāo)準(zhǔn)。

·加快智能電表、終端元器件失效率數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)。要以SN29500標(biāo)準(zhǔn)為基線，將國(guó)產(chǎn)/進(jìn)口元器件失效率分檔次建庫(kù)引用。

·按照實(shí)用可信的原則，開(kāi)展智能電表可靠性預(yù)計(jì)與可靠性驗(yàn)證測(cè)試兩類(lèi)多種方法的比較、研究，選出典型方法。

·根據(jù)國(guó)內(nèi)電網(wǎng)的實(shí)際需求，研究繪制出智能電表可靠度與運(yùn)行年限的關(guān)系曲線/表格，為智能電表使用壽命評(píng)估提供依據(jù)。

·采用反證法，開(kāi)展進(jìn)口高端電表與國(guó)產(chǎn)同類(lèi)電表可靠性實(shí)際水準(zhǔn)的測(cè)試、比較，具體方法另行研究。

·參照蘭吉爾公司電能表可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系（ALEG），研究提出中國(guó)電表企業(yè)電能表可靠性技術(shù)體系架構(gòu)及內(nèi)容。

三、三相多功能電表軟件測(cè)試技術(shù)拓展

1、威勝集團(tuán)公司：《智能電能表軟件測(cè)試技術(shù)》

電表軟件的灰盒測(cè)量是介于黑盒測(cè)試與白盒測(cè)試之間的一種軟件測(cè)試驗(yàn)證方法。

威勝在灰盒測(cè)試方面，自主研發(fā)故障注入測(cè)試裝置，模擬現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)表計(jì)受到強(qiáng)幅射、強(qiáng)干擾后，MCU異常復(fù)位的故障情況。還在逐步的探索過(guò)程：例如時(shí)鐘/計(jì)量芯片數(shù)據(jù)線路的錯(cuò)誤、中斷、恢復(fù)；時(shí)鐘電池/外部電池電壓的模擬變化與中斷、恢復(fù)；電能表上電、復(fù)位信號(hào)的干擾與模擬。

由于這部分方法與電路設(shè)計(jì)關(guān)系很大，各廠家通用性不強(qiáng)，例如SOC集成了計(jì)量與時(shí)鐘，沒(méi)有外部線路。

2、會(huì)議認(rèn)為：

智能電表軟件測(cè)試是國(guó)網(wǎng)智能電表質(zhì)量保障措施研究的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，難在軟件測(cè)試、評(píng)估缺乏統(tǒng)一方法。會(huì)議期望威勝匯總多年來(lái)積累的現(xiàn)場(chǎng)故障處理經(jīng)驗(yàn)，分析共性與個(gè)性案例，提出較為完善的表計(jì)軟件灰盒測(cè)試技術(shù)；同時(shí)，會(huì)議研究將在本課題合作范圍內(nèi)開(kāi)展智能電表及讀表網(wǎng)絡(luò)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)的交流，期望提升國(guó)產(chǎn)智能電表軟件開(kāi)發(fā)、應(yīng)用水準(zhǔn)。

四、參考件

1、威勝集團(tuán)公司：《關(guān)口電能表計(jì)量穩(wěn)定性研究》

計(jì)量穩(wěn)定性是關(guān)口電能表在一定條件下的計(jì)量精度保持在允許范圍內(nèi)的可能性，是電能表可靠性的一種延伸，是最重要的計(jì)量考核指標(biāo)之一。

關(guān)口電能表計(jì)量穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)思路：

1）電壓、電流采樣電路穩(wěn)定性分析

·ADC輸入信號(hào)，要與重視采樣電阻一樣的重視濾波電路電阻的穩(wěn)定性。

·電壓采樣電路的串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻要選用同材質(zhì)、同廠家、同配方電阻。

·電流采樣輸出端分壓電阻的穩(wěn)定性直接影響電流采樣的穩(wěn)定性。

·電流互感器（CT）加速應(yīng)力實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，同一臺(tái)CT配置的一次采樣電阻越大，實(shí)驗(yàn)后誤差改變?cè)酱?，且成正比?/p>

·厚膜電阻不適用于作為采樣電路元器件。

·薄膜電阻的膜溫越低，其阻值隨時(shí)間變化越小，確保關(guān)口表在極限運(yùn)行狀態(tài)下至少有30%的溫度裕度。

·電阻阻值隨時(shí)間都是逐漸變大。

2）計(jì)量關(guān)鍵元器件驗(yàn)證：

·通過(guò)分析關(guān)口電能表計(jì)量誤差的組成和穩(wěn)定性目標(biāo)，有針對(duì)性的進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

·影響計(jì)量誤差穩(wěn)定性的元器件有：ADC、基準(zhǔn)、電流采樣電阻，電壓分壓電阻，RC電路電阻，RC電路電容，印制板。

·表計(jì)可靠性的加速試驗(yàn)，適用于關(guān)口電能表計(jì)量穩(wěn)定性分析。

·案例：選定電阻做高溫壽命試驗(yàn)和耐濕熱試驗(yàn)方法：（略）

3、生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

·助焊劑殘留控制

威勝M(fèi)A2表整個(gè)電裝全工序（SMT，波峰、手焊）板件表面殘留控制范圍：