1、1智能电能表电源相关设计优化研究陆春光，沈建良，周佑，章江铭，杨思洁，徐韬（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）摘要：随着智能电能表在电网中大量应用，保障电能表安全可靠运行成了日益重要的问题。针对电能表电池欠压问题，本文结合典型案例及电路设计，深入分析故障发生原因，并用软件仿真的方法，提出了软硬件方面的设计优化思路，对提高智能电能表电源系统可靠性具有重要意义。关键词：智能电能表；时钟电池；欠压故障；软硬件设计；电路仿真中图分类号：TM933.4 文献标识码：B 文章编号：1001-1390(2017)00-0000-00Research on the Improved imp
2、roved Power power Source source Design design for Smart smart Meter meterLu Chunguang, Shen Jianliang, Zhou You, Zhang Jiangming, Yang Sijie, Xu Tao(State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute, Hangzhou 310014, China)Abstract：: With the wide use application of smart meters in power grid，,
3、the safety and reliability of smart meters become an increasingly important subject. Based on typical malfunction case and circuit design, this paper analyzed the main causes of low battery voltage malfunction. And an improved design was proposed by software simulation, which improved the reliabilit
4、y of power source and reduced the power consumption of meterssystem in smart meters.Keywords：: smart meter, clock battery, low voltage malfunction, software and hardware design, circuit simulation0 引 言随着智能电能表在电网中大量应用，因电池欠压而引起的问题较为突出 1-3。本文通过分析智能电能表电源相关部分电路典型设计，对电能表出现电池欠压问题的原因进行了分析，结合相应仿真数据提出了针对性的改进措
5、施。1 典型故障案例某公司生产的单相智能电能表在现场运行时出现电池欠压问题，将电能表拆回在实验室内进行分析试验，发现电能表在停电过程中出现反复重启的现象。利用示波器对电能表主工作电压以及MCU 向 E2PROM 存储器保存数据端口电压进行监测，掉电过程中电压波形如图 1所示。其中上方波形为保存数据端口电压波形，下方波形为主工作电压波形。2图 1 电能表掉电过程中电压波形Fig.1 The wWaveform of voltage during meter power failurefail从电压监测波形可以看出，MCU 向E2PROM 存储器保存数据操作时间超过120 ms，在主电工作电压已经
6、降到 3 V 以下时仍在写入数据，此时监测到电能表电池处于持续放电状态，放电电流约为 1 mA。2 智能电能表电源相关软硬件典型设计2.1 供电电源及掉电检测电路以单相智能电能表为例，电能表的供电电源部分电路典型设计如图 2 所示。电网系统正常供电时，交流 220 V 电压通过变压器 T1 变压、整流桥堆 DB1 整流、稳压芯片 VS1 稳压、电容滤波等环节后，形成主工作电源+5 V，供电能表正常工作。同时通过检测主工作电源+5 V 电压判断是否掉电，低于检测阀值即认为掉电。图 2 电能表工作电源电路原理图Fig.2 Schematic diagram of power supply circ
7、uit2.2 电池周边电路时钟芯片、电池周边电路典型设计如图 3 所示。主工作电源+5 V 与 3.6 V 电池通过双二极管进行切换，电网交流 220 V电压供电时，主工作电源+5 V 侧二极管 D1导通，电池侧二极管 D2 截止，由主工作电源+5 V 供电；电能表掉电后，主工作电源+5 V 侧二极管 D1 截止，电池侧二极管 D2导通，由电池供电，此时由 V_CPU 供电的元器件主要有 CPU、时钟芯片 RTC、液晶LCD、E 2PROM 存储器、按键等，电池功耗在液晶不显示时约为 20 A，在液晶显示时约为 30 A。图 3 电池周边电路原理图Fig.3 Schematic diagram
8、 of circuit around clock battery2.3 掉电后软件程序操作过程电能表检测到掉电后，进行必要的操作后，应尽快进入低功耗状态，各生产厂家电能表 CPU 的软件处理程序大致相同，主要包括以下一些操作：3（1）关闭计量、液晶显示、通信、继电器、ESAM 加密模块等功能模块；（2）保存当前总及各费率电量增量；（3）保存不足 0.01 kWh 电量的总及各费率脉冲数；（4）记录掉电事件、结束相关事件；（5）进入低功耗状态。2.4 电池耗电量分析根据图 3，对电池电路的耗电量进行分析。电能表普遍采用锂-亚硫酰氯电池 4，标称电压为 3.6 V，1 mA 放电容量为 1 200
9、 mAh，5 A放电容量不小于 1 mA 放电容量的 75%，即 1 200 mAh75% = 900 mAh。（1）不停电情况下电网交流 220 V 电压供电时，由主工作电源+5 V 提供工作电源，此时电池未给CPU、时钟芯片等元器件供电，但自身电压监测电路消耗电能。电池电压为 3.6 V，R 1、 R2 电阻均为 1 M，可知电池消耗电流约为 3.6 V/2 M=1.8 A。考虑到电池年自放电率 1%等因素，则有以下公式：（190%9036524108.1xx）式中 为不停电情况下电池理论寿命。1由式（1）可得， 36.34，即电池在1x不停电情况下的理论寿命约为 36.34 年。（2）停
10、电情况下当电网交流 220 V 电压掉电时，由电池为 CPU、时钟芯片等元器件供电，同时CPU 进入低功耗状态，此时消耗电流约为20 A。则有以下公式：（290%19036524102xx）式中 为停电情况下电池理论寿命。由式（2）可得， 4.89，即电池在2x电网电压掉电情况下的理论寿命约为 4.89年，即在掉电情况下电池也能正常使用 5年左右时间，不会出现电池欠压情况。3 电池欠压原因分析及优化措施通过以上分析可知，正常运行情况下，智能电能表在标准要求的时限内出现电池欠压的可能性较小。基于上述对电能表相关软硬件设计的分析，以及大量电池欠压电能表的测试数据，我们认为造成电能表电池欠压的原因主
11、要有以下几个方面。3.1 电池本身质量问题智能电能表自 2010 年初开始大批量安装运行，导致电池需求量激增，同时电池品牌较多，部分电池厂家由于前期投入不够，生产工艺、检测手段等因素导致质量控制能力不足，电池一致性较差，少数电池自放电率较高，在现场高温等环境下易出现钝化、容量不足等情况 5-6。3.2 硬件设计问题硬件设计方面，主要涉及掉电检测电路、电池及时钟芯片周边电路两个方面的问题。3.3 软件设计问题目前电能表内普遍采用的数据存储器为 E2PROM，擦写次数约为 100 万次，无法做到每 0.01 kWh 电量增量即进行存储，一般设计为每 1 kWh 电量增量存储一次，所以需要检测到掉电
12、后立即保存电量增量，否则将造成电量丢失 7。E 2PROM 典型的写数据功耗约为 3 mA，在存储数据的过程中需要足够的电压支撑。如前述典型故障案例中所见，部分生产厂家电能表在掉电进入低功耗的过程中，软件程序操作流程冗长，部分功能模块关闭较晚，导致需由电池进行供电。如此时电池已经钝化，在数据存储时电池电压降低 8 9，将引起 CPU 反复复位。3.4 优化措施通过以上原因分析，提出以下几点优化措施。（1）掉电检测电路建议图 2 中将掉电检测点设置于稳压4芯片 VS1 输入电压处，检测将更迅速，从而有充足的时间利用电容的储能进行掉电后数据的存储，减少电池的能量消耗。（2）电池及时钟芯片周边电路建
13、议图 3 中 CPU、时钟芯片等工作电源处设计电解电容 E1，在电池供电前将先消耗该电容储能，也可减少电池的能量消耗，同时有助于减小电池钝化带来的影响10。（3）软件程序在电能表检测到掉电至进入低功耗的过程中，软件操作程序必须精简，减少操作步骤。综上，优化设计的目标为：从电能表检测到掉电至进入低功耗过程中进行的数据存储等操作完全依靠电容的储能，无需消耗电池电量，消除电池钝化的影响。4 优化措施软件仿真为达到优化设计目标，下文通过软件仿真确定电源电路中电解电容容值。4.1 电解电容容值电网交流 220 V 电压掉电后供电电源的等效电路如图 4 所示。其中 Uz 是交流220 V 电压降压、整流后
14、经过稳压芯片后的主工作电压，C z 为大电解电容，i w 是维持CPU、时钟芯片及 E2PROM 存储器正常工作的工作电流，U b 为电池电压，为 3.6 V。当开关 S1 断开时，即可模拟电网交流 220 V 电压掉电情况。UbD1D2UzS1iwV c cCziD 1iD 25 V电源3 . 6 V电池图 4 电能表供电电源等效电路Fig.4 Equivalent circuit of power supply in watt-hour meter Power supply equivalent circuit现根据式（3）选择电容容值 Cz。zwdctCiU（3）其中 dt 为电能表在电
15、网交流 220 V 电压掉电后维持 CPU、时钟芯片及 E2PROM存储器工作以完成关键数据保存所需要的时间，此处取值 300 ms；d Uc 为电容电压变化量。为使掉电后优先采用电容 Cz 自身储能进行供电，则应使电容电压维持在电池电压之上，故 dUc = 5-3.6 = 1.4 V；正常情况下工作电流 iw 最大约为 3 mA。由此可得 Cz 643 F。为对选择的电容值合理性进行进一步验证，现选择相邻典型容值 470 F、680 F、820 F 的电解电容进行软件仿真。模拟 100 ms 时发生市电掉电情况下电解电容能够工作的时间，仿真参数如表 1 所示。 表 1 电能表供电电路仿真参数
16、Tab.1 Simulation parameters of power supply circuit元器件 参数值Uz 5 VCz 470 F/680 F/820 FD1、D 2 导通压降 0.4 Viw 3 mAUb 3.6 V现假设 Uz、U b 为理想电压源， Cz 为理想电容，D 1、D 2 为理想二极管，i w 为理想电流源，仿真结果如图 5图 7 所示。图 5 Cz=470 F 时电能表电 源电路仿真图Fig.5 Power supply simulation diagram of meter(meter (Cz=470 F)5图 6 Cz=680 F 时电能表电 源电路仿真图F
17、ig.6 Power supply and circuit simulation diagram of meter(meter (Cz=680 F )图 7 Cz=820 F 时电能表电源 电路仿真图Fig.7 Power supply and circuit simulation diagram of meter(meter (Cz=820 F)由仿真结果可知，当电网交流 220 V电压掉电时，将先由电容 Cz 供电，在一定时间后切换到电池 Ub 供电，即 D2 导通，D1 反向截止，不同电容值对应的电容工作时间不同。从成本经济性考虑，推荐选择容值为 680 F 的电解电容。表 2 电容工作
18、时间Tab.2 Work time of capacity电容容值/F 工作时间/ ms470 219680 317820 3834.2 增加电解电容为减少电池钝化的影响，在 D2 之后加装电解电容的设计需考虑电解电容的漏电流。当 Cz1 与 Cz2 为理想电容，D 1 为理想二极管时，图 8 电路图可等效为图 4 所示，其中 Cz= Cz1+ Cz2。但因为实际电容中存在着漏电流，故图 4 与图 8 的电路并不等效。以日本某公司的 ECA 系列铝电解电容为例，其漏电流在 1 分钟到 2 分钟之内最大值为0.03CrVr 与 4 A之间的大者（ Cr 为电容的额定容量，V r 指电容的额定电压
19、） ，在 2 分钟之后漏电流最大值为 0.01CrVr 与 3 A之间的大者。根据图 8 所示，市电掉电时，由于存在着 D1 的反向截止作用，电解电容 Cz1 的漏电流并不会耗费电池的电量，而电解电容 Cz2 的漏电流则会耗费电池的电量。电解Cz2 所产生的漏电流可以降低电池钝化影响，但同时也会加速电池的耗电，故应选择漏电流小的电解电容。UbD1D2UzS1iwV c cCz 1iD 1iD 2Cz 25 V电源3 . 6 V电池图 8 电能表电源等效电路Fig.8 Equivalent circuit of power supply5 结束语本文通过对典型的智能电能表电源系统电路设计深入分析
20、，从电能表的软硬件设计方面剖析造成电池欠压故障的成因，并提出优化措施，结合仿真数据结果，给出了推荐的电解电容容值，对减少电池欠压故障、保障智能电能表安全稳定运行有重要参考意义。参 考 文 献1 章欣 , 段晓萌, 江小强, 等. 智能电表时钟电池欠压故障剖析及防范措施研究J. 电测与仪表, 2014, 51(10): 25-27.Zhang Xin, Duan Xiaomeng, Jiang Xiaoqiang, et al. Problem Analyses and Countermeasures of the Real Time Clock in Smart MetersJ. Electr
21、ical Measurement & Instrumentation, 2014, 51(10): 25-27.62 胡瑛俊, 姚力, 吴幸, 等. 智能电能表主要故障分析与对策J. 浙江电力, 2015, (3): 23-26.Hu Yingjun, Yao Li, Wu Xing, et al. Main Faults Analysis and Countermeasures for Smart MetersJ. Zhejiang Electric Power, 2015, (3): 23-26.3 钱立军. 智能电表时钟问题分析与对策J. 电测与仪表, 2014, 51( 13): 29
22、-32.Qian Lijun. Problem Analyses and Countermeasures of the Real Time Clock in Smart MetersJ. Electrical Measurement & Instrumentation, 2014, 51( 13): 29-32. 4 IEC 60086-42007. 原电池 第 4 部分 锂电池的安全性S.5 任根育. 单相电子式电能表特点及故障情况分析J. 科技论坛, 2010, 25(12): 24-25.6 王竹萍, 张海峰. 仪表选择锂电池应注意的问题J. 电测与仪表, 2005, 42(3): 59
23、-60.Wang Zhuping, Zhang Haifeng. The Notice to Select Li-battery for MetersJ. Electrical Measurement & Instrumentation, 2005, 42(3): 59-60.7 冯小英, 储昭碧. 多功能电能表数据可靠性技术J. 科技信息, 2007, (7): 26-27.Feng Xiaoying, Chu Zhaobi. Data Reliability in Multi-Function Power MeterJ. Science & Technology Information,
24、2007, (7): 26-27.8 朱忠伟, 吴一平 , 葛红花. Li /SOCl2 电池电压滞后的预测及改善J. 上海电力学院学报, 2010, 26(2) : 135-139.Zhu Zhongwei, Wu Yipin, Ge Honghua. Prediction and Improvement for Voltage Delay on Li /SOCl2 Cells DuringDischargeJ. Journal of Shanghai University of ElectricPower, 2010, 26(2): 135-139.9 黄丹 , 高寅. 智能电能表电池欠压
25、下频繁掉电对计量性能的影响J. 电工电气, 2016, (5): 49-51.Huang Dan, Gao Yin. Impacts of Intelligent Watt-Hour Meter Battery Undervoltage Frequently Power Lost on Metering Performance and ProcessingJ. Electrotechnics Electric, 2016, (5): 49-51.10 徐晴 , 纪峰, 田正其. 智能电能表用锂亚电池故障分析及防钝化设计J. 电测与仪表, 2013, 50(8): 98-102.Xu Qing,
26、 Ji Feng, Tian Zhengqi. Study on Fault Analysis and Prevention Passivation Technology of Smart Meter Lithium BatteryJ. Electrical Measurement & Instrumentation, 2013, 50(8): 98-102.作者简介：陆春光（1978） ，男，硕士，黑龙江绥化人，从事电能计量研究及检测工作。Email：zjdl_沈建良（1971） ，男，本科，浙江德清人，从事电能计量管理工作。周佑（1981） ，女，本科，浙江杭州人，从事电能计量研究及检测工作。章江铭（1989） ，男，硕士，浙江绍兴人，从事电能计量研究及检测工作。杨思洁（1991） ，女，本科，浙江杭州人，从事电能计量研究及检测工作。徐韬（1987） ，男，硕士，浙江萧山人，从事电能计量研究及检测工作。收稿日期：2017-07-03；修回日期：2017-09-20（杜景飞 编发）
