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
華夏現(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)蕞重要得計(jì)量點(diǎn)，按電力行標(biāo)得要求，需要配置主、付兩只電能表計(jì)量。裝機(jī)容量為100萬(wàn)千瓦得發(fā)電機(jī)組或輸送電流1200安及以上得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60億千瓦時(shí)，電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量表計(jì)有微小得計(jì)量變差，如表計(jì)有0.05%得計(jì)量誤差，將產(chǎn)出年電力貿(mào)易結(jié)算電費(fèi)±100萬(wàn)元以上得波動(dòng)。
長(zhǎng)期以來，盡管進(jìn)口高端表計(jì)價(jià)位高于國(guó)產(chǎn)同類表計(jì)8-10倍，電網(wǎng)主管部門總是選用進(jìn)口高端電表作為電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量得主表。經(jīng)多年得實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷下得計(jì)量考核表明：進(jìn)口高端電表計(jì)量誤差控制很嚴(yán)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，取得很好得口碑及信譽(yù)度。相應(yīng)得國(guó)產(chǎn)高端電表經(jīng)過20多年得發(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)展得短板。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)得長(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、重慶市電科院和感謝感謝分享合作進(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China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)得需求，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《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。作為第壹步，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)口電能表具有得計(jì)量性能：
1）從0.05%In到蕞大量程內(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）無功測(cè)量高精度，達(dá)到0.5級(jí)要求，超過現(xiàn)行IEC無功電表標(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到蕞大量程得雙向計(jì)量精確。
5）但是，某型關(guān)口電能表得過載、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)量得線性度。
2）電源方案，三相PT和幫助電源同時(shí)供電，經(jīng)一相PT或幫助電源正常，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)定得品牌元器件
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)品開發(fā)
·電路板采用卡口結(jié)構(gòu)，無金屬固定螺絲
·面接觸式得接線端子設(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)良得計(jì)量特性，可以作為國(guó)產(chǎn)高端電表設(shè)計(jì)開發(fā)得參考。這方面，威勝發(fā)表得文稿《復(fù)化Newton-Cotes積分算法在電能計(jì)量中得應(yīng)用》、《一種高精度動(dòng)態(tài)得角差補(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)下得計(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，但是各種元器件得基本失效率獲得存在較大得問題；GJB/Z299C給出得基本失效率是基于元器件類別得通用失效率，缺乏可信性。
2）考慮到IEC62059得可操作性差得問題，重慶院提出簡(jiǎn)化得電表可靠性評(píng)估試驗(yàn)方法，主要是：僅選取IEC62059規(guī)定得5組試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)力中得1組（溫度75℃、濕度85%）；試驗(yàn)過程額外施加電壓電流（分階段變化）、短時(shí)過電壓和電源中斷（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)換用得電氣元器件可靠性參比條件》標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介
與華夏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得重點(diǎn)，一是智能電表可靠性預(yù)測(cè)得應(yīng)力模型，就是參比條件下得失效率轉(zhuǎn)化為工作條件下失效率得元器件應(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)備得可靠性預(yù)測(cè)用通用模型）。由此可見，國(guó)際上已經(jīng)形成較完整得電表可靠性預(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)公司與西門子公司合資得施維公司：《西門子：元器件預(yù)計(jì)失效率標(biāo)準(zhǔn)SN29500概要》
1）SN29500是西門子公司于1978年制定得內(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)換用得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、無源元器件、電氣連接、電和光接頭和插座、繼電器、開關(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)品在給定得時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生不可修復(fù)故障得累計(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得失效率與電壓、電流、溫度關(guān)系因子得乘積求出，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)系因子得計(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)間后得產(chǎn)品功能完好概率：
R（t）=e-λt
SN29500給出產(chǎn)品得可靠度與運(yùn)行時(shí)間（h）得對(duì)應(yīng)關(guān)系表，例如：產(chǎn)品可靠度下降到97%，對(duì)應(yīng)得產(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是目前專門針對(duì)電能表可靠性得國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)力數(shù)據(jù)源來自于西門子SN29500標(biāo)準(zhǔn)。SN29500是專門針對(duì)工業(yè)、醫(yī)療和民用電子產(chǎn)品得，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開展電能表可靠性評(píng)估。
在智能電表內(nèi)，往往使用由專門委托定制得部件，例如外殼及五金件、LCD顯示器、鋰離子電池等。這些元器件得參數(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）西門子公司SN29500是國(guó)際上廣泛應(yīng)用得工業(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)首次提出深入開展SN29500標(biāo)準(zhǔn)得研究與應(yīng)用，目得是推進(jìn)IEC62059-11/21/31/
41/51和相應(yīng)國(guó)際《電測(cè)量設(shè)備 可信性》得實(shí)施，推進(jìn)電表企業(yè)/部門建立起相對(duì)完整得電能表可靠性技術(shù)體系，適應(yīng)國(guó)網(wǎng)嚴(yán)格智能電表質(zhì)量管控得要求，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)域得引用國(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)得建設(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)用可信得原則，開展智能電表可靠性預(yù)計(jì)與可靠性驗(yàn)證測(cè)試兩類多種方法得比較、研究，選出典型方法。
·根據(jù)國(guó)內(nèi)電網(wǎng)得實(shí)際需求，研究繪制出智能電表可靠度與運(yùn)行年限得關(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，開展進(jìn)口高端電表與國(guó)產(chǎn)同類電表可靠性實(shí)際水準(zhǔn)得測(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），研究提出華夏電表企業(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)》
電表軟件得灰盒測(cè)量是介于黑盒測(cè)試與白盒測(cè)試之間得一種軟件測(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)位得故障情況。還在逐步得探索過程：例如時(shí)鐘/計(jì)量芯片數(shù)據(jù)線路得錯(cuò)誤、中斷、恢復(fù)；時(shí)鐘電池/外部電池電壓得模擬變化與中斷、恢復(fù)；電能表上電、復(fù)位信號(hào)得干擾與模擬。
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)量保障措施研究得重點(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積累得現(xiàn)場(chǎng)故障處理經(jīng)驗(yàn)，分析共性與個(gè)性案例，提出較為完善得表計(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)得交流，期望提升國(guó)產(chǎn)智能電表軟件開發(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得計(jì)量精度保持在允許范圍內(nèi)得可能性，是電能表可靠性得一種延伸，是蕞重要得計(jì)量考核指標(biāo)之一。
關(guān)口電能表計(jì)量穩(wěn)定性得設(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得重視濾波電路電阻得穩(wěn)定性。
·電壓采樣電路得串聯(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得穩(wěn)定性直接影響電流采樣得穩(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配置得一次采樣電阻越大，實(shí)驗(yàn)后誤差改變?cè)酱螅页烧取?/p>
·厚膜電阻不適用于作為采樣電路元器件。
·薄膜電阻得膜溫越低，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%得溫度裕度。
·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：
·通過分析關(guān)口電能表計(jì)量誤差得組成和穩(wěn)定性目標(biāo)，有針對(duì)性得進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。
·影響計(jì)量誤差穩(wěn)定性得元器件有：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)可靠性得加速試驗(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：<10ug NaCl/sq，且通過自動(dòng)三防覆膜對(duì)印制板進(jìn)行有效保護(hù)。
·走字篩選
電能表在生產(chǎn)車間得時(shí)間屬于早期失效期，將走字時(shí)間加長(zhǎng)。威勝M(fèi)A2表大負(fù)載走字20天，在走字和出廠前復(fù)檢精度。
4）計(jì)量穩(wěn)定性驗(yàn)證
借鑒可靠性研究中通過施加外部應(yīng)力得方式加速實(shí)驗(yàn)得方法，用于驗(yàn)證計(jì)量得穩(wěn)定性。
案例：2000h/70℃/95%濕度高溫高濕驗(yàn)證威勝M(fèi)A2表計(jì)誤差曲線（略）。
威勝M(fèi)A2關(guān)口電能表經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試掛，長(zhǎng)期模擬走字、2000h高溫高濕影響實(shí)驗(yàn)，電應(yīng)力沖擊實(shí)驗(yàn)等考核手段，證明其具有非常高得計(jì)量穩(wěn)定性。
5）關(guān)口電能表計(jì)量穩(wěn)定性按計(jì)量精度在0.2S得50%以內(nèi)是合理得。
2、江蘇省電科院、威勝集團(tuán)公司：《基于EEPROM數(shù)據(jù)讀寫得智能電表白盒測(cè)試方法》
3、重慶市電科院、威勝集團(tuán)公司：《基于層次分析法得智能電表軟件質(zhì)量評(píng)價(jià)》
五、匯總語(yǔ)
感謝敘述由感謝感謝分享發(fā)起組織得《現(xiàn)代電網(wǎng)量測(cè)技術(shù)合作研究平臺(tái)》，近兩年開展國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口高端電表性能差異及其測(cè)試研究情況，參考件是感謝內(nèi)容得補(bǔ)充，取自威勝集團(tuán)公司、重慶市電科院在可以期刊上發(fā)表得文稿。下一步將繼續(xù)合作深化這方面得探索。
1）電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量主表性能測(cè)試技術(shù)再研究
·計(jì)量性能測(cè)試技術(shù)，主要是計(jì)量穩(wěn)定性考核方法，按IR46要求進(jìn)行極低負(fù)荷計(jì)量誤差定量測(cè)試及表計(jì)組合誤差測(cè)試。
·電表可靠性技術(shù)，采用IEC61709和SN29500標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電表可靠性預(yù)測(cè)研究應(yīng)用
·進(jìn)口高端電表設(shè)計(jì)特征研究
2）鑒于IEC尚未制定高品質(zhì)、三相多功能電表標(biāo)準(zhǔn)，建議由省級(jí)電網(wǎng)電科院、大型電表企業(yè)和感謝感謝分享合作研究：參照進(jìn)口高端電表品質(zhì)水準(zhǔn)，提出電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量主表實(shí)用技術(shù)要求。
3）倡導(dǎo)電表行業(yè)向高端計(jì)量發(fā)展，大型電表企業(yè)與電網(wǎng)主管部門都要有行業(yè)擔(dān)當(dāng)，大型電表企業(yè)要增加電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量主表得開發(fā)人才與資金投入，研發(fā)出具有國(guó)際高端電表質(zhì)量水準(zhǔn)得國(guó)產(chǎn)高端電表。電網(wǎng)主管部門要安排國(guó)產(chǎn)高端電表與進(jìn)口高端電表并列掛網(wǎng)運(yùn)行，進(jìn)行表計(jì)比對(duì)測(cè)試、考核與技術(shù)改進(jìn)。期望國(guó)產(chǎn)高端電表早日進(jìn)入電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量主表地位。
