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摘要：电能表计量在当前电力工作中作用突出，其时钟是否准确,直接影响着费率的结算，关系供电双方的利益。文章对电能表时钟偏差问题进行了分析,简单介绍了产生时钟偏差的原因,并重点探索了有效的电能表时钟偏差处理措施，以更好的提高电能表时钟的准确性。
关键词：电能表时钟偏差；独立式时钟芯片；单片机集成时钟模块；准确性；处理措施
伴随着电力事业的不断发展，电能计量已经成为电力营销系统中一个重要环节。目前，时钟偏差问题是影响电能表计量精准度的一大问题，只有有效控制时钟偏差,提高其准确性,才能维护电能表的安全运行,发挥其精准的计量功能。因此，供电企业有必要精益求精，明确时钟偏差产生的原因以及影响因素，探寻处理措施，进一步提高检定质量，确保电能表计量更准确、运行更可靠，保障供用电双方的经济利益。
1 时钟偏差对电费的影响
工业用户电费计价方式分为集中式供电与非集中式供电两类，以某地区110kV非集中式供电的A用户为例，其峰、平、谷电价及时间段如表1所示。若早8:00～9:00共计用电6.45万kW?h，根据上述A用户对应的时段及电价，当该用户时钟偏差为14400s时，本应计在早8:00～9:00的电量被误计到12:00～13:00，电量不变但所计电费由4.11万减少到2.77万，少计1.35万元，若时间颠倒，则多计1.35万元。因此，时钟偏差决定着用户电费的准确性。
表1 该地区时段对应电费电价
2 现场电能表时钟偏差稳定性分析
时钟偏差特性具有一定的不确定性，为得出这种时钟偏差变化的规律，随机抽取出厂时钟偏差合格、现场运行时间超过一年、未进行过远程对时且分布于该省全境范围的30台电能表进行分析，其中100%的电能表时钟偏差绝对值大于零，57%的电能表时钟偏差值超差(见图1)，因此可以得出电能表时钟偏差绝对值具有明显随时间变化导致的正向增长特性，所以必须对电能表进行周期对时，保证电能表时钟偏差的准确性。
图1 样本电能表时钟偏差值
3 电能表时钟偏差超差的原因分析
3.1 时钟芯片的计时特性
国内电表计时方法分为独立式时钟芯片和单片机集成时钟模块两种，其中后者较前者有更大的成本优势，因此获得更为广泛的应用，本文主要介绍以低频晶振技术为主的单片机集成时钟模块。单片机集成时钟模块主要提供时钟服务，用户可以设置、读取其内部的计时寄存器值，用户设置后就可以正常自动计时，一般以秒为周期输出时钟脉冲。20MHz以下的晶体晶振一般都是基频的器件，稳定度好；20MHz以上的大多是谐波，稳定度差。
电能表的时钟模块在停电状态下由电池供电，为实现低功耗稳定运行，时钟模块时钟源只能选择低频晶振，驱动电流小于1μA，音叉晶振频率通常介于10～200kHz。
石英晶振的振荡频率会随温度变化，称之为温度特性，由于此种特性，时钟芯片的准确性会随着温度的变化发生偏移，而且不同晶振温度特性也不同。通过批量测试，不同晶体顶点偏差差距较大，需要在校准时进行测量，并根据偏差差距进行补偿，以维持时钟芯片的准确性。
3.2 电能表电池
通过现场测试，发现电池是引起偏差的重要因素之一。电能表时钟电池是用于RTC(实时时钟模块)供电使用，当外部电源供电时，电池电压一般为3.3V(或5V)，根据目前实际使用情况，南方电网公司规定普通环境下电池电压超过2.7V即可正常使用。当电池电压低于2.7V时，电能表电量累计时标就会发生错误，需要更换电池。更换电池后需要重新校准时钟，并需处理电能表丢失的有关数据。
3.3 远程对时
目前南方电网公司电能表远程对时分为用电采集系统广播对时及透抄对时两类，广播对时指采集终端对电能表直接进行对时，这种对时方式不需身份认证，当电能表时钟与校时时钟相差在5min内且符合时钟对时协议时，任何人均可以修改电能表时间；点对点的透抄对时是以主站时钟源为基准，直接校对现场电能表，这种对时方式限定为特定权限人员，需要主站进行身份认证后方能进行。
受电脑软硬件系统及通信环境影响，远程对时命令下发的传输通道上存在不可控的延时，导致电能表时钟偏差值失准。
4 电能表时钟偏差处理措施
4.1 校正时钟偏差的时钟源
为解决对时时钟源问题，需确定统一的GPS卫星时钟接收装置，包括硬件和软件。硬件设施有GPS卫星时钟接收机、卫星信号接收天线、GPS卫星时钟对时系统服务器；软件系统包括GPS卫星时钟对时系统服务器、微机安装客户版，这两部分南方电网公司已统一建设完成，目前只需要将应对时电脑(或其他对时终端)的时钟通过TCP/IP协议与南方电网公司指定时钟服务器保持一致，即可获得精确的时钟源。
4.2 针对时钟芯片温度特性进行校正
校正石英晶振因温度变化引起的偏差主要有两种方法:电容补偿和数字补偿。
4.2.1 电容补偿
单片机振荡电路除了晶体振荡器之外还包括放大器，两者形成闭环，晶体起到选频反馈作用。晶体的谐振频率随着负载电容的变化会产生微小变化，可以通过改变负载电容的大小抵消晶体频率随温度的偏移，这就是电容补偿时钟精度的原理。
4.2.2 数字补偿
电容补偿的优势在于精细，可以实现步距小于±1ppm的校准，实现精确微调，但为保证晶振起振和稳定运行，旁路电容的大小有一定限制，电容补偿的偏差范围通常限定在±40ppm范围内，为增加补偿量需要采用数字补偿的方式。
电表输出的秒脉冲是通过一个计数器对“N”Hz时钟计数，计数值满“N”时，计为一个秒周期。如将计数器溢出值改为N+1，则秒周期改变量如下:
ΔF= ×106≈t ppm
式中:N为音叉晶振频率，介于10～200kHz范围；ΔF为秒周期改变量。因此通过改变计数器溢出值即可获得“t”ppm整数倍的频率补偿量。
根据以上补偿方案，电能表可以满足《单相电能表型式规范》在运行温度范围内每天的计时误差小于1s的要求。
4.3 针对电能表电池的温度特性进行校正
为保证电池正常工作，供电公司应做到以下几点:①供应商在电能表出厂时需对表计电池进行检测，标明电能表电池充满电后在无外接电源的状态下可持续正常工作的时间；②网省计量中心在收到新表后重新检测电池电压，对电池电压低于安全电压且无法恢复的电池予以更换；③现场电能表对应的计量管理单位在新装及停复电用户计量装置时应检测电池电压并重新校准电表时钟，更换失效的电能表电池。
4.4 电能表对时方式的选择
对于每个省份百万量级的电能表，目前主要通过远程结合现场对时方式进行，远程对时依赖于用电采集系统，现场对时主要适用经认证的电脑及手持机。
4.4.1 远程广播对时
广播对时指采集终端通过本地信道对系统内电能表进行对时的方式，这种对时方式不需要身份认证，当电能表时钟与校时时钟相差在5min内，且符合时钟对时协议，任何人均可以修改电能表时间，这种对时方式也有较大的限制因素:①每层广播后无应答后不能确定对时是否成功，对时失败次数增多，误差累计超过5min则不能再校时；②电能表时钟与校时时钟相差5min以上不能进行广播对时且广播对时每天只能进行一次。
4.4.2 远程加密对时
远程加密对时指对已有私钥的智能电能表通过用电采集系统身份认证后直接以主站和电能表进行对时的方式，可用于校对时钟偏差值超过5min的电能表，但是这种对时方式仅适用于遵循《Q/GDW1364—2013电力用户用电信息采集系统通信协议》的电能表。
4.4.3 本地对时
远程对时不成功，或者出于安全考虑未采用远程对时，则需到现场进行对时。现场对时前需校准手持机或电脑时钟。当进行现场核抄任务下装时，手持机将自动与系统对时(电脑时间)。
5 电能表对时通信方式
5.1 载波通信
载波通信(Carrier Communication)是基于频分复用技术的电话多路通信体制，属于经典模拟通信的制式。根据传输媒介不同，载波通信可分为明线载波通信、对称电缆载波通信、小同轴电缆载波通信、中同轴电缆载波通信、海底电缆载波通信及电力线载波通信等。
在工程上，一路电话的电信号频谱被限制在300～3400Hz范围；考虑到保护性的频率间隔，一路电话所占的频带宽度为4kHz。因此，根据实用信道的不同频带宽度，就可以在一个信道的频带宽度内复用不同路数的电话信号。采用低压电力线窄带载波通信时，其载波信号频率范围应为3kHz～500kHz。宽带电力线载波的基本频带为1MHz～30MHz，扩展频带为30MHz～50MHz。
5.2 微波通信
微波通信(Microwave Communication)是使用波长在1mm～1m范围的电磁波———微波进行的通信。该波长段电磁波所对应频率范围是0.3～300GHz。与同轴电缆通信、光纤通信和卫星通信等现代通信网传输方式不同的是，微波通信直接使用微波进行的通信，不需要固体介质，当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送。
5.3 载波与微波通信方式的比较
在用电采集系统中，以某公司安全身份认证指令(下发90字节，上报53字节)为例，测试两种通信方式的速率区别，具体如表2所示。
表2 载波与微波通信方式对比
根据南方电网公司关于电能表时钟同步的要求及表2测试的结果，可以得出载波1和载波2在一级路由时就无法满足南方电网公司标准；载波3在二级路由时无法满足南方电网公司标准；微功率无线一级路由至七级路由都满足南方电网公司时钟同步指标要求，因此建议采用微功率无线实现电能表对时。
6 结论
综上所述，为了提高电能计量设备的准确度与可靠性，保障供用电双方的利益，就要减少电能计量的故障发生和误差。文章重点研究分析了电能表产生时钟偏差的原因，提出了处理措施，通过试验数据的对比，表明上述措施可有效提高时钟检定的准确性，进而提高电能计量的准确度和可靠性，为阶梯电价、分时电价的实施提供了技术保障。希望本研究能对电力事业的稳定持续发展起到一定的促进作用。
参考文献
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论文作者:王炬峰
论文发表刊物:《电力技术》2016年第5期
论文发表时间:2016/10/15
标签：时钟论文; 电能表论文; 偏差论文; 载波论文; 通信论文; 时方论文; 电池论文; 《电力技术》2016年第5期论文;