CN110531302A - 智能电能表失效机理与状态监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

智能电能表失效机理与状态监测系统及方法，属于电表监测装置领域。为了计量设备在典型环境下运行特性和失效机理监测，提高计量设备在各种典型环境条件下的可靠性。一种智能电能表失效机理与状态监测系统及方法，信号源发生部分、功率源发生部分、标准智能电表、升压器、脉冲时钟电路依次连接，设计出智能电能表失效机理与状态监测系统开始进行监测，并根据检测状况作出判断。本发明结合智能电能表自身特点分析、历史数据分析、环境影响分析和强化试验结果，确定了高低温和过电流应力是影响智能电能表常工作的敏感应力。

Description

智能电能表失效机理与状态监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种智能电能表失效机理与状态监测系统及方法。

背景技术

我国幅员辽阔，地理气候情况复杂，计量设备使用于各种严酷的自然环境条件下。典型的环境条件包括黑龙江的高寒（冬季最低温度可达零下50℃以下）西藏的高海拔、福建的高湿热高盐雾、新疆的高干热（夏季地表最高温度可达80℃）等。计量设备在典型环境下是否运行可靠、计量准确是电力企业、用户及行业专家所关注的问题。近年来，随着技术的发展以及生产生活需要，智能电能表、采集终端、电子式互感器等新型计量设备得到了广泛的应用。相对于传统计量设备，这些新兴的计量设备不仅能完成电能计量任务，还能实现电网运行参数采集、本地数据处理以及远程数据通信等，为电网的安全运行、状态监测、智能电能表抄读、电价下发等工作提供了极大的便利。

近年来，计量设备在典型环境下的稳定性、准确性成为讨论研究的热点。随着电子技术的高速发展，我国新一代的计量设备具有很高的电子化程度，高度集中了大量的电子元器件，对环境的要求和耐受程度差异较大，而计量设备使用于各种严酷的自然环境条件下故障时有发生，受环境因素影响比较严重。目前大部分产品内部电子元器件如电解电容、液晶屏等均存在极限工作范围，长期在极限环境下运行会影响元器件性能，从而影响计量设备整机的性能。在高严寒、高海拔、高湿热、高盐雾、电压波动、反复停/上电等各种环境工况下，计量设备关键元器件可能出现各种故障，如采样电阻温漂、电容器容量下降、时钟误差增大、液晶显示拖影、电池容量下降等，导致电子元器件工作失效，最终使整个计量设备失效或损坏，直接影响计量设备准确可靠运行，使供给侧和需求侧的切身经济利益受损。而且目前对计量设备的检测手段也不够科学，不能够全面的准确掌握计量设备各个元器件的运行特性，特别是在不同工况条件下的运行性能和失效机理，对计量设备的优化设计措施和设备选型也有待进一步的提高。因此除了需要对计量设备的设计、采购、生产及运行管理等各个环节加强验收测试外，还需要研究计量设备在典型环境下运行特性和失效机理，提高计量设备在各种典型环境条件下的可靠性，并为计量设备选型和技术标准制修订提供基础运行数据支撑。

发明内容

本发明的目的是为了计量设备在典型环境下运行特性和失效机理监测，提高计量设备在各种典型环境条件下的可靠性，并为计量设备选型和技术标准制修订提供基础运行数据支撑的问题，而提出一种智能电能表失效机理与状态监测方法。

一种智能电能表失效机理与状态监测系统，其组成包括信号源发生部分、功率源发生部分、标准智能电表、升压器、脉冲时钟电路，其中，信号源发生部分、功率源发生部分、标准智能电表、升压器、脉冲时钟电路依次连接；

信号源发生部分，包括可编程数字逻辑阵列CPLD芯片、单片机MCU、D/A转换器，可编程数字逻辑阵列CPLD芯片连接单片机MCU，单片机MCU连接D/A转换器，单片机MCU按要求将正弦波基波或叠加的谐波值进行数字离散后存放在内部的RAM中，频率基准发生器通过计算器将存放在RAM中的正弦波数字量输入至D/A转换器，分别得到数字合成正弦信号；再经过有源低通滤波，成为电压和电流信号，作为电压和电流的信号输入至功率放大器；

功率源发生部分包括：电压功放、升压器、电压输出端、电压采样器、电流功放、升流器、电流输出端、电流采样器；其中，电压功放、升压器、电压输出端、电压采样器依次连接并循环，电压功放接收信号源发生部分的电压信号；电流功放、升流器、电流输出端、电流采样器依次连接并循环，电流功放接收信号源发生部分的电流信号；

标准智能电表部分，包括：电压采集单元、电流采集单元、两个A/D转换器、DSP、CPU、LCD显示屏和通讯接口；其中，电压采集单元、电流采集单元的一端同时连接至功率源发生部分，电压采集单元的另一端连接A/D转换器、A/D转换器连接DSP，电流采集单元的另一端连接A/D转换器、A/D转换器连接DSP，DSP与CPU之间进行信息交互，CPU与LCD显示屏和通讯接口之间分别进行信息交互。

一种智能电能表失效机理与状态监测方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、将信号源发生部分、功率源发生部分、标准智能电表、升压器、脉冲时钟电路依次连接；

步骤二、信号源发生部分的可编程数字逻辑阵列CPLD芯片连接单片机MCU，单片机MCU连接D/A转换器，单片机MCU按要求将正弦波基波或叠加的谐波值进行数字离散后存放在内部的RAM中，频率基准发生器通过计算器将存放在RAM中的正弦波数字量输入至D/A转换器，分别得到数字合成正弦信号；再经过有源低通滤波，成为电压和电流信号，作为电压和电流的信号输入至功率放大器；

步骤三、所述的功率源发生部分，信号源产生的电压和电流标准正弦信号，分别通过各自的反馈补偿调整电路送到电压功放和电流功放进行功率放大；放大的正弦信号经电压输出变压器变压后送到被校表和标准电能表；放大的正弦电流信号通过升流变压器升流后由装置的电流输出端子输出，串接标准表和各被校表电流线圈后回到升流器；输出电压、电流信号经电流、电压反馈采样互感器采样，反馈回功放前级的反馈补偿调整电路；

电流放大：电流放大原理与电压放大基本相同，级间反馈为电流负反馈，输出变换环节为变流器，同时起到隔离作用；

功率放大：功率放大器要保证输出功率尽可能大，具有较好的线性度，特别是电流信号较大的输出信号的功率器件选择合适的工作点；所以充分考虑到散热问题和器件的有效保护；综合考虑此类因素，实际电路我们采用如下的三级运行方式；

步骤四、利用DSP高速处理器为核心的标准智能电表，将被测电压和电流取样经各自的A/D模数转换器后，分别送到DSP数字处理系统，DSP做实时U、I运算，求出实际功率P、角度、功率因数等，由P控制频率发生器产生比例与P的高频脉冲输出，该脉冲为电能高脉冲，由分频器得到电能低频脉冲供检定标准表时使用，高、低频电能脉冲输出到接口：同时单片机和DSP进行实时通讯，通过液晶显示测量值；

步骤五、利用设计的系统开始进行监测。

本发明的有益效果为：

本发明提出了一种智能电能表失效机理与状态监测系统和方法，假设智能电能表的失效寿命服从威布尔分布，其加速方程服从简单模型，采用高低温与过电应力、电压、相角组合进行智能电能表失效试验，通过本项目的试验方案设计和试验数据处理，得到如下几点结论：

结合智能电能表自身特点分析、历史数据分析、环境影响分析和强化试验结果，确定了高低温和过电流应力是影响智能电能表常工作的敏感应力。

对智能电能表先后开展低温试验和高温强化试验，试验结果表明，误差超差、计时误差超差、液品显示故障和通信故障是高温激发出的智能电能表的基本故障形式，智能电能表的误差特性随着温度的升高明显有向正方向漂移的趋势，随着温度的降低会使电能表误差向负方向漂移，从而得出不同负荷下电能表误差随温度变化的数学模型。

建立了典型环境下计量设备失效机理模型及其评估方法，设计其模型结构，软件实现，并对模型可靠性进行验证；分析了智能电能表在典型环境下误差与外特性量的关系，为智能电能表运行状态监测与故障预报提供了一种新思路。

附图说明

图1为本发明的系统原理示意图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为本发明涉及的功率源发生部分电路图。

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的智能电能表失效机理与状态监测系统，如图1所示，其组成包括信号源发生部分1、功率源发生部分2、标准智能电表3、升压器4、脉冲时钟电路5，其中，信号源发生部分1、功率源发生部分2、标准智能电表3、升压器4、脉冲时钟电路5依次连接；

信号源发生部分1，数字调频、调幅、调相的数字合成信号技术，包括功能强大的可编程数字逻辑阵列CPLD芯片6、单片机MCU（数字标号为7）、D/A转换器8，可编程数字逻辑阵列CPLD芯片6连接单片机MCU（数字标号为7），单片机MCU（数字标号为7）连接D/A转换器8，单片机MCU（数字标号为7）按要求将正弦波基波或叠加的谐波值进行数字离散后存放在内部的RAM中，频率基准发生器通过计算器将存放在RAM中的正弦波数字量输入至D/A转换器8，分别得到互相间具有一定相位关系的数字合成正弦信号；再经过有源低通滤波，成为失真度小于0.2%的电压和电流信号，作为电压和电流的信号输入至功率放大器；信号源的幅值调节采用16位D/A转换器8，使调节细度达到小于0.01%的满度；

功率源发生部分2包括：电压功放9、升压器4、电压输出端10、电压采样器11、电流功放12、升流器13、电流输出端14、电流采样器15；其中，电压功放9、升压器4、电压输出端10、电压采样器11依次连接并循环，电压功放9接收信号源发生部分1的电压信号；电流功放12、升流器13、电流输出端14、电流采样器15依次连接并循环，电流功放12接收信号源发生部分1的电流信号；

标准智能电表3部分，包括：电压采集单元16、电流采集单元17、两个A/D转换器18、DSP（数字标号为19）、CPU（数字标号为20）、LCD显示屏和通讯接口；其中，电压采集单元16、电流采集单元17的一端同时连接至功率源发生部分2，电压采集单元16的另一端连接A/D转换器18、A/D转换器18连接DSP（数字标号为19），电流采集单元17的另一端连接A/D转换器18、A/D转换器18连接DSP（数字标号为19），DSP（数字标号为19）与CPU（数字标号为20）之间进行信息交互，CPU（数字标号为20）与LCD显示屏21和通讯接口22之间分别进行信息交互。

具体实施方式二：

本实施方式的智能电能表失效机理与状态监测系统，所述的功率源发生部分2将信号源发生部分1源产生的电压和电流标准正弦信号，分别通过各自的反馈补偿调整电路送到电压功放9和电流功放12进行功率放大；放大的正弦信号经电压输出变压器变压后送到被校表和标准电能表。放大的正弦电流信号通过升流变压器升流后由装置的电流输出端14子输出，串接标准表和各被校表电流线圈后回到升流器13。输出电压、电流信号经电流、电压反馈采样互感器采样，反馈回功放前级的反馈补偿调整电路。如图3为功率源发生部分2电路图。

具体实施方式三：

本实施方式的智能电能表失效机理与状态监测方法，如图2所示，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、将信号源发生部分1、功率源发生部分2、标准智能电表3、升压器4、脉冲时钟电路5依次连接；

步骤二、信号源发生部分1的可编程数字逻辑阵列CPLD芯片6连接单片机MCU（数字标号为7），单片机MCU（数字标号为7）连接D/A转换器8，单片机MCU（数字标号为7）按要求将正弦波基波或叠加的谐波值进行数字离散后存放在内部的RAM中，频率基准发生器通过计算器将存放在RAM中的正弦波数字量输入至D/A转换器8，分别得到互相间具有一定相位关系的数字合成正弦信号；再经过有源低通滤波，成为失真度小于0.2%的电压和电流信号，作为电压和电流的信号输入至功率放大器；信号源的幅值调节采用16位D/A转换器8，使调节细度达到小于0.01%的满度；

步骤三、功率源发生部分2采用先进的脉宽调制技术，具有转换效率高、输出容量大、输出可靠性高、带载能力强、输出稳定等特点。并设计了完善的异常保护，主回路过流保护、器件过热保护、输出短路过载、输出开路保护等，使功率放大器能长期稳定可靠工作。功率放大器的原理是：信号源产生的电压和电流标准正弦信号，分别通过各自的反馈补偿调整电路送到电压功放9和电流功放12进行功率放大。放大的正弦信号经电压输出变压器变压后送到被校表和标准电能表。放大的正弦电流信号通过升流变压器升流后由装置的电流输出端14子输出，串接标准表和各被校表电流线圈后回到升流器13。输出电压、电流信号经电流、电压反馈采样互感器采样，反馈回功放前级的反馈补偿调整电路。若装置产生报警信号可迅速反馈给信号源，通过信号源停止信号输出，并作报警提示。

电流放大：电流放大原理与电压放大基本相同，级间反馈为电流负反馈，用来稳定电流信号输出幅度，输出变换环节为变流器，用来增大电流输出信号，同时起到隔离作用；

功率放大：以上分析的是信号基本放大，为产生具有一定负载能力的功率测试信号，还需要对信号进行功率放大。对于功率放大器要考虑以下因素，保证输出功率尽可能大，所以在实际电路中满负荷运行时，管子往往运行在临界饱和状态；因为输出信号较大，所以要求具有较高的效率，作为功率测试信号，要具有较好的线性度，特别是电流信号较大的输出信号的功率器件要选择合适的工作点；所以充分考虑到散热问题和器件的有效保护；综合考虑此类因素，实际电路我们采用如下的三级运行方式；

步骤四、利用DSP（数字标号为19）高速处理器为核心的标准智能电表3，将被测电压和电流取样经各自的A/D模数转换器后，分别送到DSP（数字标号为19）数字处理系统，DSP（数字标号为19）做实时U、I运算，求出实际功率P、角度、功率因数等，由P控制频率发生器产生比例与P的高频脉冲输出，该脉冲为电能高脉冲，由分频器得到电能低频脉冲供检定标准表时使用，高、低频电能脉冲输出到接口：同时单片机和DSP（数字标号为19）进行实时通讯，通过液晶显示测量值；

步骤五、利用设计的系统开始进行监测：

运行环境监测系统检测步入式冰箱内的环境情况，并根据检测状况作出判断。每天以2h为时间间隔采集每天的环境数据，实现计量设备现场运行监测系统中全部环境数据的采集、存储、分析、预警并上传到上位机，同时，计算当天各指标的平均数据并保存汇总。在步入式冰箱内安装温度传感器、湿度传感器、气压传感器等各项环境指标采集装置，用于采集环境监测数据，主要传感器的放置在挂表架上。运行环境监测系统分别对单相智能电能表、三相智能电能表、集中器运行环境的温度、湿度、气压、盐雾、光照等进行监测。

温度、湿度采用NH206照度气温气湿系列传感器采用进口传感核心， ABS 塑料外壳结构；具有安装方便、使用寿命长、测量精度高、稳定性好、微功耗、传输距离长、抗外界干扰能力强等特点。

气压采用NH121 系列气温气湿气压系列传感器采用进口传感核心，百叶箱外壳结构，无需另配百叶箱或防幅射罩即可在户外使用；具有结构坚固、使用寿命长、测量精度高、稳定性好、微功耗、传输距离长、抗外界干扰能力强等特点，符合WMO世界气象组织规范（CIMOGuide）。可广泛用于气象、环境、农业、养殖业、温室、实验室等各类需气温、气湿、气压测量的场合。

光照采用NHZD10照度传感器采用进口专用照度传感核心，光学材料窗口，铝合金壳体结构；具有结构坚固、密封性好、使用寿命长、测量精度高、稳定性好，传输距离长、抗外界干扰能力强等特点。

运行环境监测系统采集到的实时环境数据全部存储于数据记录仪中并上传至上位机以备数据处理、保存、分析。数据记录仪采用嵌入式技术，模块化结构，自带中文液晶显示，可连接照度、幅射、风速、风向、气温、气湿、气压、雨量、蒸发、土壤温度等各类传感器。系统采用模块化结构，可根据用户需要（测量的要素）灵活增加或减少相应的模块和传感器，任意组合，方便、快捷的满足各类用户的需求，内部电源系统可为各类传感器供电，接线简单方便。系统自带显示、自动保存、实时时钟、数据通讯等功能。该数据记录仪具有技术先进，测量精度高，数据容量大，微功耗，遥测距离远，人机界面友好，可靠性高的优点。

Claims (3)

1.智能电能表失效机理与状态监测系统，其特征在于：其组成包括信号源发生部分、功率源发生部分、标准智能电表、升压器、脉冲时钟电路，其中，信号源发生部分、功率源发生部分、标准智能电表、升压器、脉冲时钟电路依次连接；

信号源发生部分，包括可编程数字逻辑阵列CPLD芯片、单片机MCU、D/A转换器，可编程数字逻辑阵列CPLD芯片连接单片机MCU，单片机MCU连接D/A转换器，单片机MCU按要求将正弦波基波或叠加的谐波值进行数字离散后存放在内部的RAM中，频率基准发生器通过计算器将存放在RAM中的正弦波数字量输入至D/A转换器，分别得到数字合成正弦信号；再经过有源低通滤波，成为电压和电流信号，作为电压和电流的信号输入至功率放大器；

功率源发生部分包括：电压功放、升压器、电压输出端、电压采样器、电流功放、升流器、电流输出端、电流采样器；其中，电压功放、升压器、电压输出端、电压采样器依次连接并循环，电压功放接收信号源发生部分的电压信号；电流功放、升流器、电流输出端、电流采样器依次连接并循环，电流功放接收信号源发生部分的电流信号；

标准智能电表部分，包括：电压采集单元、电流采集单元、两个A/D转换器、DSP、CPU、LCD显示屏和通讯接口；其中，电压采集单元、电流采集单元的一端同时连接至功率源发生部分，电压采集单元的另一端连接A/D转换器、A/D转换器连接DSP，电流采集单元的另一端连接A/D转换器、A/D转换器连接DSP，DSP与CPU之间进行信息交互，CPU与LCD显示屏和通讯接口之间分别进行信息交互。

2.根据权利要求1所述智能电能表失效机理与状态监测系统，其特征在于：所述的功率源发生部分将信号源发生部分源产生的电压和电流标准正弦信号，分别通过各自的反馈补偿调整电路送到电压功放和电流功放进行功率放大；放大的正弦信号经电压输出变压器变压后送到被校表和标准电能表；放大的正弦电流信号通过升流变压器升流后由装置的电流输出端子输出，串接标准表和各被校表电流线圈后回到升流器；输出电压、电流信号经电流、电压反馈采样互感器采样，反馈回功放前级的反馈补偿调整电路。

3.一种智能电能表失效机理与状态监测方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、将信号源发生部分、功率源发生部分、标准智能电表、升压器、脉冲时钟电路依次连接；

步骤二、信号源发生部分的可编程数字逻辑阵列CPLD芯片连接单片机MCU，单片机MCU连接D/A转换器，单片机MCU按要求将正弦波基波或叠加的谐波值进行数字离散后存放在内部的RAM中，频率基准发生器通过计算器将存放在RAM中的正弦波数字量输入至D/A转换器，分别得到数字合成正弦信号；再经过有源低通滤波，成为电压和电流信号，作为电压和电流的信号输入至功率放大器；

步骤三、所述的功率源发生部分，信号源产生的电压和电流标准正弦信号，分别通过各自的反馈补偿调整电路送到电压功放和电流功放进行功率放大；放大的正弦信号经电压输出变压器变压后送到被校表和标准电能表；放大的正弦电流信号通过升流变压器升流后由装置的电流输出端子输出，串接标准表和各被校表电流线圈后回到升流器；输出电压、电流信号经电流、电压反馈采样互感器采样，反馈回功放前级的反馈补偿调整电路；

电流放大：电流放大原理与电压放大基本相同，级间反馈为电流负反馈，输出变换环节为变流器，同时起到隔离作用；

功率放大：功率放大器要保证输出功率尽可能大，具有较好的线性度，特别是电流信号较大的输出信号的功率器件选择合适的工作点；所以充分考虑到散热问题和器件的有效保护；综合考虑此类因素，实际电路我们采用如下的三级运行方式；

步骤四、利用DSP高速处理器为核心的标准智能电表，将被测电压和电流取样经各自的A/D模数转换器后，分别送到DSP数字处理系统，DSP做实时U、I运算，求出实际功率P、角度、功率因数等，由P控制频率发生器产生比例与P的高频脉冲输出，该脉冲为电能高脉冲，由分频器得到电能低频脉冲供检定标准表时使用，高、低频电能脉冲输出到接口：同时单片机和DSP进行实时通讯，通过液晶显示测量值；

步骤五、利用设计的系统开始进行监测。