（国网天津市电力公司电力科学研究院 天津 300384）
摘要：电能计量对于电力能源管理而言尤为重要，它的准确、可靠，直接关系到供用电双方的利益，具有广泛的社会应用性。作为电能计量的重要单元，智能电能表的作用十分重要，因此认真、细致、全面地开展智能电能表可靠性工作有着重要意义。基于智能电力仪表自身特点，结合实际运行环境中可能出现的各种情况，采用软硬件处理相结合的方法，提高智能电表电能计量的可靠性．包括电源抗干扰、EEPROM保护设计、比较滤波，数据校验．数据冗余，操作冗余等。
关键词：智能电力仪表；电能计量；可靠性；提高方法
1 前言
电能表可靠性预计是根据电能表的部件及元件的可靠性数据和模型，开展可靠性预计。它是提高电能表固有可靠性的重要技术手段之一，往往比之后验证、获得可靠性数据更经济、更有效。由于电能数据是累积量而非瞬时值，一旦发生错误便难以恢复，将给用户造成无法挽回的损失。因此必须重视智能电力仪表的电能计量的可靠性设计。
2 提高智能电力仪表电能计量可靠性的设计方法
2.1 硬件可靠性设计
2.1.1 电源抗干扰设计
智能电力仪表内部电路设计普遍采用了微控制器等众多数字器件，对电源系统的要求较高。电源异常将会直接影响微控制器等数字器件的正常工作，出现程序跑飞、异常操作和存储数据破坏等故障现象，甚至导致硬件的损坏，极大地影响了电能数据的安全性。
智能电力仪表使用的电源一般都是由于市电经变换得到，因此电源部分的抗干扰设计主要集中在电源输入端口的滤波和瞬态干扰的抑制方面。采用图1保护电路可以有效的抑制浪涌和脉冲群干扰，图中R为压敏电阻。
图1 电源保护方案
另外，电源的突然跌落或中断将会导致微控制器对EEPROM操作的异常终止，造成电能数据字节级的截断。较好的解决方法是采用可充电池与电源直流端并联供电，还可在直流端并联一大电容，电容可在交流端电源中断时提供毫秒级的供电，微控制器实时采集直流端电压值，当发现电压低落时，不进行对EEPROM的写操作，避免数据截断。在电路中加入电源监控复位芯片，在电源异常状态下及时控制微控制器复位，确保数据安全。
2.1.2 EEPROM保护设计
EEPROM用来存放电能数据，是智能电力仪表的记忆单元，确保掉电状态下电能数据不被丢失．在应用中，如果微控制器对EEPROM执行了非预期的或者错误的写操作，将直接破坏电能数据。因此必须在硬件设计阶段就考虑提高数据存储的可靠性。采用带有硬件保护的存储芯片可有效的提高数据存储的可靠性。下面以X5043为例进行说明。
X5043是XICOR公司的生产的4KSPIEEPROM。X5043在硬件上采用了2种措施来保护内部数据的安全。
(1)写使能锁存在X5043内部有一个状态寄存器STATUSREGISTER：其中WEL指出“写使能”锁存的状态，当WEL=l时表示“写使能”被置位，此时可进行写操作；当WEL=0时表示“写使能”被复位，写操作被禁止。芯片提供了WREN命令来置位WEL位和WRDI命令来复位WEL位。BLO和BL1(Block Lock)用来设置块锁保护的范围，允许用户保护EEPROM阵列的1／4、1／2、全部或0。任何被块锁保护的存储器部分都只能读出而不能写入，直到BL值发生改变。这2位为非易失性位，掉电后其值不会改变。
(2)写保护引脚
X5043外部提供了一个丽引脚来实现对内部存储数据的保护。当而信号为低时，可进行内部数据的写操作，当而为高电平时，写操作无效。进行电能数据存储时，先将WP引脚拉低，再将X5043块锁功能取消，从而实现写入操作；当数据存储完毕时，重新设置块锁保护，将WEL位和BL0、BL1相结合，并将WP引脚置为高电平，此时X5043内部数据处于硬件保护状态，实现了防止非预期写操作，有效地保证了电能数据的安全。
2.2 软件可靠性设计
2.2.1 比较滤波
智能电力仪表广泛应用了各种电能计量专用芯片。仪表中的微处理器与计量专用芯片进行片间通讯以获得电能数据。由于电能是累积量，任何错误的数据累积将影响整个时段的电能计量。如果在通讯过程中总线受到干扰，或者计量芯片已经处于非正常工作状态，则将得到错误的电能数据。在最糟糕情况下电能数据的最高有效位受干扰发生错误，此时所获得电能数据严重偏离了真实情况。因此在计算程序中必须加入比较滤波处理。根据仪表的额定运行环境估计出单位时间内电能数据的动态范围，如果某次电能数据异常，计算程序应该将此次数据剔除或重读，保证每次电能数据的可靠性。
2.2.2 数据校验
将电能数据块按照一定的规则进行逻辑运算，求得校验码并将其加入数据块中，一起写入EEPROM。在使用数据时，首先读出EEPROM中的数据并按照相同的规则进行逻辑运算，并将校验结果与读取的数据块中的校验码进行比较，如果2个校验数据相等，则表明数据块正确可用，否则表明数据在读取过程中发生错误，需重新读取。
2.2.3 数据冗余
在微处理器受到干扰发生程序跑飞的情况下，整个系统的各种操作将处于混乱状态。如果程序不受控的执行到EEPROM写入操作代码区，有可能将其中的电能数据错误改写。因此在进行电能存储的EEPROM资源规划时留有3倍的冗余数据空间，将电能数据写入4个不同的EEPROM区域。应当注意，为保证数据的安全，提高数据在错误操作下的生存概率，应将冗余数据的存储空间分散分布。当使用此数据时，首先对各组进行检查，对正确的数据使用，同时对错误的数据进行修正。
2.2.4 操作冗余
在微控制器向EEPROM写入电能数据的过程中如果数据传输线路串入干扰，可能会导致错误的数据被写入EEPROM，而这种异常情况微控制器往往无法得知。为确保数据正确地写入EEPROM，程序在写入操作完成后，应随即进行一次回读操作，并将读回的数据与写入的数据进行比较，判断EEPROM中的数据是否正确。如果2份数据不同则应重新进行写操作，直到写入和读回的数据完全一致。
2.3 进行元器件应力法的电能表可靠性预计
元器件应力法是可靠性预计过程中应用最广泛、预计最精确的方法之一。这种方法是假设元器件故障前的时间按指数分布，通过计算每一个等级元器件的数目与每一个等级的元器件的基本工作失效相乘，这些乘积相加便可得到产品的故障率。如果产品可靠性模型中有非串联部分，则产品可靠性可先计算模型中非串联部分的等效串联失效率，再与其它成分的元器件失效率相加。元器件应力法的核心在于确定元器件在各种应力下的工作失效率，在元器件通用失效率的基础上，考虑实际工作条件下的各种应力水平，通过应力模型将元器件通用失效率转换为元器件实际工作条件下的失效率，并在元器件工作失效率的基础上进行系统和模块的可靠性预计，保证预计的准确性。这种方法预计过程较为简单，因此成为智能电能表可靠性预计的最合适、最有效的方法。
基于元器件应力法的智能电能表可靠性预计方法，是在智能电能表可靠性结构模型的基础上，通过对智能电能表元器件可靠性数据的综合，依次求出电能表各模块和整表的可靠性预计值。此过程是由部分到整体，由小到大的综合过程。
参考文献
[1]任奕，曾声奎，李晓阳.电子设备可靠性预计参数综合分析方法研究[J].宇航学报，2003，24(3):318-321.
[2]张晓迎，张晓丽.可靠性预计中计数法和应力分析法的比较[J].压电与声光，2005，27(3):215-221.
论文作者:邹琪,刘洋洋,郭小丹
论文发表刊物:《电力设备》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/18
标签：数据论文; 电能论文; 可靠性论文; 操作论文; 元器件论文; 智能论文; 电源论文; 《电力设备》2017年第8期论文;