黃友朋 路韜 黨三磊 陳亮

摘 要：為提高國(guó)產(chǎn)智能電能表可靠性，提出在智能電能表設(shè)計(jì)階段進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，以計(jì)量單元為例，依據(jù)GJB/Z299C，給出了詳細(xì)的可靠性預(yù)計(jì)方法。根據(jù)設(shè)計(jì)電路原理圖，進(jìn)行集成電路/元器件歸類(lèi);再根據(jù)集成電路/元器件類(lèi)別，基于GJB/Z299C，設(shè)計(jì)相應(yīng)的可靠性信息表;結(jié)合工程應(yīng)用與可靠性信息表，計(jì)算出各集成電路/元器件的失效率;最終得到計(jì)量單元的失效率。實(shí)踐結(jié)果表明，該方法具有可行性及推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能電能表; 可靠性預(yù)計(jì);計(jì)量單元; GJB/Z 299C

DOI：10.15938/j.jhust.2021.06.014

中圖分類(lèi)號(hào)： TM933.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2021）06-0104-08

Reliability Prediction of the Measurement Unit

for Smart Meter Based on GJB/Z 299C

HUANG You-peng， LU Tao， DANG San-lei， CHEN Liang

（Power Measurement Center， Guangdong Power Grid Co. LTD， Guangzhou， 510001， China）

Abstract：To improve the reliability of domestic smart meter， the reliability prediction is needed during the design phase of smart meter. For the measurement unit， the reliability prediction method is given on GJB/Z299C. The integrated circuits or electronic components are grouped according to the circuit diagram designed. The corresponding reliability information diagram is designed on the categories and GJB/Z299C. The failure rate of each component can be calculated by combining engineering application with reliability information diagrams. Finally， the failure rate of measurement unit can be deduced. The practice results show that the method is feasible and is worth applying widely.

Keywords：smart meter; reliability prediction; measurement unit; GJB/Z 299C

0 引 言

電力行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的第一基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的一項(xiàng)重要的公用事業(yè)。為滿足經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、社會(huì)進(jìn)步及生活需求，世界各國(guó)都在加快建設(shè)及完善智能電網(wǎng)。建設(shè)智能電網(wǎng)已然成為世界各國(guó)推動(dòng)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高能源及資源利用率、應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的主要手段，其安全、經(jīng)濟(jì)、可靠地運(yùn)行，是經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障[1]。智能電能表作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)數(shù)字化、互動(dòng)化、自動(dòng)化、信息化的有力保障[2]，而智能電能表能夠進(jìn)行準(zhǔn)確無(wú)誤地計(jì)量是基本前提。截至2017年，國(guó)家電網(wǎng)智能電表覆蓋率達(dá)到99.03%，累計(jì)采集4.47億戶[3-4]。隨著智能電能表的應(yīng)用普及，故障凸顯[5]。對(duì)于智能電能表來(lái)說(shuō)，一旦發(fā)生故障，輕則影響用戶利益及企業(yè)形象，重則影響用戶的用電安全及電網(wǎng)的運(yùn)行安全[6-7]。因此，智能電能表的可靠性問(wèn)題引起了生產(chǎn)廠家及用戶的廣泛關(guān)注[8]。

智能電能表的工作環(huán)境、用戶類(lèi)別均影響智能電能表計(jì)量單元的可靠性[9]。近年來(lái)，眾多研究人員對(duì)智能電能表可靠性試驗(yàn)方法進(jìn)行研究與展望[10-15]。文[16-19]采用元器件應(yīng)力法對(duì)智能電能表進(jìn)行了可靠性研究與分析;文[20]通過(guò)建立智能電能表故障樹(shù)的方法，對(duì)智能電能表進(jìn)行了可靠性研究與探索;文[21]綜合運(yùn)用GJB/Z 299C與IEC62059，設(shè)計(jì)了電能表可靠性預(yù)計(jì)系統(tǒng);對(duì)評(píng)估智能電能表可靠性具有一定的指導(dǎo)意義。文[22]針對(duì)企業(yè)收集數(shù)據(jù)不足等問(wèn)題，研究了智能電能表現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理方法。文[23]從現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)角度研究了智能電能表可靠性，側(cè)重討論了智能電能表的輪換方案。文[24-26]對(duì)現(xiàn)有的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)GJB/Z 299C、SN29500、IEC62380、SR-332及MIL-HDBK-217F進(jìn)行了比較分析;文[27]對(duì)智能電能表關(guān)鍵元器件進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì);但未進(jìn)行單元或系統(tǒng)的可靠性研究。但是關(guān)于智能電能表計(jì)量單元可靠性研究文獻(xiàn)較為鮮見(jiàn)。

基于以上，本文依據(jù)GJB/Z 299C[28]，以智能電能表計(jì)量單元為研究對(duì)象，進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，并給出基于GJB/Z 299C智能電能表計(jì)量單元可靠性預(yù)計(jì)的詳細(xì)方案。這種基于GJB/Z 299C的可靠性預(yù)計(jì)方法可推廣至其他單元或者系統(tǒng)。

1 基于GJB/Z 299C的可靠性預(yù)計(jì)方法

GJB/Z 299C-2006為中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為GJB/Z 299C），用其進(jìn)行單元可靠性預(yù)計(jì)時(shí)，主要過(guò)程如下：

1）對(duì)單元電路原理圖中的電子元器件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、歸類(lèi)，列出相應(yīng)表格;

2）根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)歸類(lèi)后的電子元器件，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的可靠性信息表;

3）根據(jù)電子元器件可靠性信息表，計(jì)算/推斷出該元器件的可靠性信息;

4）根據(jù)元器件的可靠性信息，計(jì)算出單元的可靠性信息。

2 智能電能表計(jì)量單元可靠性預(yù)計(jì)

某公司生產(chǎn)的某型號(hào)單相費(fèi)控智能電能表主要參數(shù)如表1所示。

2.1 計(jì)量單元電路

單相費(fèi)控智能電能表計(jì)量單元電路原理圖如圖1所示。

由圖1，歸納智能電能表計(jì)量單元電路元器件型號(hào)和數(shù)量，如表2所示。

2.2 元器件可靠性預(yù)計(jì)

由圖1及表1可知，計(jì)量單元電路主要包括片集成電路、晶振、貼片電阻、貼片電容及貼片光耦。

由于篇幅所限，本文僅給出了以上集成電路及電子元器件的可靠性信息輸入表及復(fù)雜參數(shù)獲取方式，其他相關(guān)信息參照GJB/Z 299C，本文將給出詳細(xì)參考信息。為簡(jiǎn)化表格，考慮智能電能表各構(gòu)成單元工作環(huán)境相同，將環(huán)境系數(shù)信息單列于表3。

2.2.1 片集成電路可靠性預(yù)計(jì)

由GJB/Z 299C，可知片集成電路工作失效率為

λP=λbπQπEπLπFπT（1）

式中：λb為基本失效率;πQ為質(zhì)量系數(shù);πE為環(huán)境系數(shù);πL為成熟系數(shù);πF為電路功能系數(shù);πT為溫度應(yīng)力系數(shù)。

結(jié)合工程實(shí)際和式（1），設(shè)計(jì)片集成電路可靠性信息表，見(jiàn)表4。

單片集成電路外貼元件失效率為GJB/Z 299C表5.2.2-1計(jì)算出的工作失效率。計(jì)算時(shí)，TC=35℃;πE=1;C3=0;πL=1，質(zhì)量等級(jí)及πQ值見(jiàn)GJB/Z 299C表5.2.2-1。

二極管（）;晶體管（）;電位器（）;電容器（）;電阻器（）;感性元件（）具體類(lèi)型見(jiàn)GJB/Z 299C表5.2.3-7。

πQA1（）;A2（）;A3（）;A4（）;A5（）;A6（）;B1（）;B2（）;C（）詳見(jiàn)GJB/Z 299C表5.2.3-2。

πL符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)條件，已穩(wěn)定生產(chǎn)的產(chǎn)品（）;質(zhì)量尚未穩(wěn)定的產(chǎn)品（）;試制品或新投產(chǎn)的初批次產(chǎn)品;設(shè)計(jì)或工藝上有重大變更;長(zhǎng)期中斷生產(chǎn)或生產(chǎn)線有重大變化（）

πT若僅知電路封裝底座溫度，℃（）;若已知電路封裝內(nèi)的最高溫度，℃（）

πF數(shù)字（）;高頻（10MHz～1GHz）（）;微波（>1GHz）（）;模擬（）;功率（）

基本失效率λb的模型為

λb=ASλC+λRTNRT+∑λDCNDC+λSF……（2）

式中：λC為網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度失效率，可通過(guò)查GJB/Z299C表5.2.3-5獲得;AS為襯底面積，cm2;NRT為膜電阻數(shù);λRT為膜電阻失效率，可通過(guò)查GJB/Z299C表5.2.3-6獲得?！痞薉CNDC為外貼元器件失效率的和。λDC可通過(guò)查GJB/Z299C表5.2.3-7獲得。NDC為外貼某一種類(lèi)元器件數(shù);λSF為工藝和封裝失效率，可通過(guò)查GJB/Z299C表5.2.3-8獲得。

環(huán)境系數(shù)πE可根據(jù)表3，通過(guò)查GJB/Z 299C表5.2.3-1獲得。質(zhì)量系數(shù)πQ可通過(guò)查GJB/Z 299C表5.2.3-2獲得。成熟系數(shù)πL可通過(guò)查GJB/Z 299C表5.2.2-4獲得。溫度應(yīng)力系數(shù)πT可通過(guò)查GJB/Z 299C表5.2.3-3獲得。電路功能系數(shù)πF可通過(guò)查GJB/Z 299C表5.2.3-4獲得。

2.2.2 晶振可靠性預(yù)計(jì)

晶振工作失效率預(yù)計(jì)模型為

λP=λbπEπQ（3）

式中：λb=0.35×10-6/h;質(zhì)量系數(shù)πQ分為5個(gè)等級(jí)，可通過(guò)查GJB/Z 299C表5.15.2-2獲得;環(huán)境系數(shù)πE可根據(jù)表3，通過(guò)查GJB/Z 299C表5.15.2-1獲得。

晶振可靠性信息輸入表較為簡(jiǎn)單，限于本文篇幅，故略去。

2.2.3 貼片電阻可靠性預(yù)計(jì)

貼片電阻工作失效率預(yù)計(jì)模型為

λP=λbπEπQπR（4）

式中：λb=0.007×10-6/h;πR為阻值系數(shù)。

環(huán)境系數(shù)πE可根據(jù)表3，通過(guò)查GJB/Z 299C表5.5.11-1獲得。質(zhì)量系數(shù)πQ分為4個(gè)等級(jí)，可通過(guò)查GJB/Z 299C表5.5.11-2獲得。阻值系數(shù)πR分為3個(gè)區(qū)間，可通過(guò)查GJB/Z 299C表5.5.11-3獲得。（貼片電阻可靠性信息輸入表較為簡(jiǎn)單，限于本文篇幅，故略去。）

2.2.4 貼片電容可靠性預(yù)計(jì)

貼片電容工作失效率預(yù)計(jì)模型為

λP=λbπEπQπCVπKπch（5）

式中：πCV為電容量系數(shù);πK為種類(lèi)系數(shù);πch為表明貼裝系數(shù)。

基本失效率λb可通過(guò)查GJB/Z 299C表5.7.2-1～表5.7.2-3及圖5.7.2-1～圖5.7.2-3獲得。環(huán)境系數(shù)πE可根據(jù)表3，通過(guò)查GJB/Z 299C表5.7.2-4獲得。質(zhì)量系數(shù)πQ可通過(guò)查GJB/Z 299C表5.7.2-5獲得。種類(lèi)系數(shù)πK可通過(guò)查GJB/Z 299C表5.7.2-7獲得。表面貼裝系數(shù)πch可通過(guò)查GJB/Z 299C表5.7.1-1獲得。

貼片電容可靠性數(shù)據(jù)信息如表5所示。

1（1）符合GJB972A，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的S級(jí)產(chǎn)品（2）符合GJB732-1989、GJB1214-1991，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的B級(jí)產(chǎn)品符合GJB972-1900，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目（QPL）的B級(jí)產(chǎn)品是否

2（1）符合GJB972A，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的R級(jí)產(chǎn)品（2）符合GJB732-1989、GJB1214-1991，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的Q級(jí)產(chǎn)品符合GJB972-1900，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的Q級(jí)產(chǎn)品是否

3（1）符合GJB972A，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的P級(jí)產(chǎn)品（2）符合GJB732-1989、GJB1214-1991，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的L級(jí)產(chǎn)品符合GJB972-1900，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的L級(jí)產(chǎn)品是否

4（1）符合GJB972A，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的M級(jí)產(chǎn)品（2）符合GJB732-1989、GJB1214-1991，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的W級(jí)產(chǎn)品符合GJB972-1900，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的W級(jí)產(chǎn)品是否

πCVC≤10pF（）;10pF<C≤470pF（）;470pF<C≤0.0047μF（）;0.0047μF<C≤0.047μF（）;0.047μF<C≤0.22μF（）;0.22μF<C≤1μF（）;1μF<C≤3.3μF（）;C>3.3μF（）

πK聚苯乙烯，聚四氟乙烯，聚碳酸酯（）;滌綸，聚丙乙烯等有機(jī)膜，紙-膜符合介質(zhì)（）;紙介，金屬化紙介（）

πch片式（）;有引線（包含有引線SMT，通孔式）（）

2.2.5 貼片光耦可靠性預(yù)計(jì)

貼片光耦工作失效率預(yù)計(jì)模型為

λP=λbπEπQπTπK（6）

環(huán)境系數(shù)πE可根據(jù)表3，通過(guò)查GJB/Z 299C表5.3.12-1獲得。質(zhì)量系數(shù)πQ可通過(guò)查GJB/Z 299C表5.3.12-2獲得。溫度應(yīng)力系數(shù)πT可通過(guò)查GJB/Z 299C表5.3.12-3獲得。種類(lèi)系數(shù)πK可通過(guò)查GJB/Z 299C表5.3.12-4獲得。

貼片光耦可靠性數(shù)據(jù)信息如表6所示。

A1符合GJB33A，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的JY級(jí)產(chǎn)品————是否

A2符合GJB33A，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的JCT級(jí)產(chǎn)品符合GJB33-1985，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的GCT級(jí)產(chǎn)品是否

A3符合GJB33A，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的JT級(jí)產(chǎn)品符合GJB33-1985且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的GT級(jí)產(chǎn)品是否

A4符合GJB33A，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的JP級(jí)產(chǎn)品（1）符合GJB33-1985且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的GP級(jí)產(chǎn)品（2）按QZJ840611A “七專(zhuān)”技術(shù)條件組織生產(chǎn)的產(chǎn)品是否

B1（1）符合GB/T4589.1，且經(jīng)中國(guó)電子元器件質(zhì)量認(rèn)證委員會(huì)認(rèn)證合格的II類(lèi)產(chǎn)品（2）符合GB/T4589.1的III類(lèi)產(chǎn)品按QZJ840611、QZJ840612 “七專(zhuān)”技術(shù)條件組織生產(chǎn)的產(chǎn)品是否

B2（1）按軍用標(biāo)準(zhǔn)的篩選要求進(jìn)行篩選的B2質(zhì)量等級(jí)（2）符合GB/T4589.1的II類(lèi)產(chǎn)品按“七九〇五”七專(zhuān)質(zhì)量控制技術(shù)協(xié)議組織生產(chǎn)的產(chǎn)品是否

A1符合GB/T4589.1的I類(lèi)產(chǎn)品符合*SJ614的產(chǎn)品是否

C低檔產(chǎn)品是否

πT發(fā)光二極管、紅外發(fā)光二極管、光敏二極管（）;光敏三極管、光電耦合器、數(shù)碼管（）

工作環(huán)境溫度，℃數(shù)值：

πK發(fā)光二極管（）;紅外發(fā)光二極管（）;光敏二極管（）;光敏三極管（）;簡(jiǎn)單式光電耦合器（）;復(fù)合式光電耦合器（）;單位數(shù)碼管（）;多位數(shù)碼管（）

3 工程應(yīng)用實(shí)例

某智能電能表測(cè)量單元如圖1所示，電子元器件清單見(jiàn)表2。在工程應(yīng)用時(shí)，根據(jù)需求，在表格中相應(yīng)位置打“√”即可，因?yàn)槠?，僅給出了打“√”項(xiàng)。工作環(huán)境為一般地面固定，產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)為“七專(zhuān)”。

1）集成電路8205C失效率

集成電路8205C可靠性信息見(jiàn)表7。由GJB/Z 299C表5.2.3-5、GJB/Z 299C表5.2.3-8及式（2），可計(jì)算出λb=0.084×10-6/h。

由表3、表6、GJB/Z 299C表5.2.3-1、GJB/Z 299C表5.2.3-2、GJB/Z 299C表5.2.2-4、GJB/Z 299C表5.2.3-3、GJB/Z 299C表5.2.3-4及式（1），可得集成電路8205C失效率λp1為

λp1=0.201×10-6/h

2）晶振失效率

由表3GJB/Z 299C表5.15.2-1、GJB/Z 299C表5.15.2-2及式（3），可得晶振的失效率λp2為

λp2=0.184×10-6/h

3）貼片電阻失效率

由表3GJB/Z 299C表5.5.11-1、GJB/Z 299C表5.5.11-2、GJB/Z 299C表5.5.11-3及式（4），計(jì)算出貼片電阻失效率分別為

λp3=λp4=λp5=λp6=λp7=0.01344×10-6/h

λp8=λp9=…λp24=0.0084×10-6/h

4）貼片電容失效率

假定工作電壓分別為5V、3V，工作環(huán)境溫度均為40℃，額定溫度均為100℃。由表3、表7、GJB/Z 299C表5.7.2-1～表5.7.2-3、圖5.7.2-1～圖5.7.2-3、GJB/Z 299C表5.7.2-4、GJB/Z 299C表5.7.2-5、GJB/Z 299C表5.7.2-7、GJB/Z 299C表5.7.1-1及式（5），計(jì)算出貼片電容失效率分別為

λp25=λp26=0.005138×10-6/h

λp27=λp28=λp29=0.002408×10-6/h

λp30=λp31=…=λp35=0.004175×10-6/h

λp36=0.007707×10-6/h

5）貼片光耦失效率

由表3、表6、GJB/Z 299C表5.3.12-1、GJB/Z 299C表5.3.12-2、GJB/Z 299C表5.3.12-3、GJB/Z 299C表5.3.12-4及式（6），貼片光耦失效率為

λp37=0.08834×10-6/h

6）計(jì)量單元失效率

綜上，計(jì)量單元總失效率為

λP=λp1+λp2+…+λp37=0.707847×10-6/h

考慮電子產(chǎn)品壽命多服從指數(shù)分布，則計(jì)量單元的平均壽命為

MTBF=1λp=1.4127×106h

可靠度函數(shù)為

R（t）=e-λpt

隨時(shí)間變化，計(jì)量單元可靠度變化趨勢(shì)如圖2所示。

由圖可知，智能電能表運(yùn)行10年，計(jì)量單元可靠度為0.9399;運(yùn)行20年，其可靠度為0.883367。完全滿足設(shè)計(jì)與使用規(guī)范。

4 結(jié) 論

為提高智能電能表計(jì)量單元可靠性，在智能電能表設(shè)計(jì)階段，基于GJB/Z 299C對(duì)其計(jì)量單元進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。

該方法依據(jù)計(jì)量單元設(shè)計(jì)原理圖，對(duì)每個(gè)集成電路/電子元器件進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，經(jīng)運(yùn)算得到計(jì)量單元的可靠性信息，其結(jié)果可用于檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否符合使用壽命要求，對(duì)提高計(jì)量單元及智能電能表可靠性具有重要意義。

依據(jù)該方法可進(jìn)行智能電能表可靠性分配，為集成電路/元器件選取提供依據(jù)。

該方法經(jīng)企業(yè)試行，并取得較好效果，且可推廣至其它單元或系統(tǒng)。

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（編輯：溫澤宇）

收稿日期： 2020-09-03

基金項(xiàng)目： 廣東電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（GDKJXM20185871）; 國(guó)家自然科學(xué)基金（61179023）;黑龍江省自然科學(xué)基金（QC2016068）.

作者簡(jiǎn)介：

黃友朋（1987—），男，高級(jí)工程師;

黨三磊（1982—），男，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師.

通信作者：

路 韜（1993—），男，碩士，工程師，E-mail：1159818989@qq.com.

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