周文斌，解進(jìn)軍，段大鵬，劉士峰，靳陽(yáng)，趙磊，程鵬申

（國(guó)網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京 1001621）

引言

隨著智能電能表安裝數(shù)量逐年增加，智能電能表的可靠性問(wèn)題日益突出[1-3]。智能電能表投運(yùn)后，由于工作環(huán)境及運(yùn)行時(shí)間的影響，構(gòu)成智能電能表的基礎(chǔ)元器件的可靠性會(huì)逐漸降低[4,5]，使得智能電能表的系統(tǒng)可靠性降低，這將影響智能電能表計(jì)量的準(zhǔn)確性[6-8]。為了解決這一問(wèn)題，電力部門會(huì)對(duì)運(yùn)行期間出現(xiàn)故障的智能電能表進(jìn)行維修或替換[9,10]，對(duì)于服役期內(nèi)未出現(xiàn)故障的智能電能表，根據(jù)其設(shè)計(jì)階段的平均壽命進(jìn)行定期輪換，這使得有些滿足運(yùn)行要求的智能電能表被迫輪換，增加了電力部門采購(gòu)成本，給國(guó)家和社會(huì)帶來(lái)了巨大資源浪費(fèi)。

為貫徹國(guó)家電網(wǎng)有限公司計(jì)量資產(chǎn)集約化等要求，實(shí)施拆回智能電能表維修充分利用的原則，挑選出仍有利舊價(jià)值的拆回電能表評(píng)估后再利用，可大幅降低智能電能表購(gòu)置數(shù)量，減少電子垃圾，實(shí)現(xiàn)企業(yè)資源的最優(yōu)配置，同時(shí)滿足新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換、營(yíng)商環(huán)境改造等重點(diǎn)改造要求。因此如何科學(xué)、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)拆回智能電能表的剩余壽命是一個(gè)亟待解決的難點(diǎn)問(wèn)題。

在智能電能表壽命預(yù)測(cè)中，對(duì)設(shè)備的平均壽命預(yù)測(cè)方法較多，而對(duì)智能電能表剩余壽命的預(yù)測(cè)研究較少。文獻(xiàn)[11]采用分層抽樣的方法，對(duì)寒冷地區(qū)和濕熱地區(qū)運(yùn)行的智能電能表進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)；文獻(xiàn)[12]基于聚類理論，將智能電能表運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行分類，結(jié)合環(huán)境特征，建立了智能電能表剩余壽命評(píng)估模型，以上2篇文獻(xiàn)均利用加速壽命試驗(yàn)的方法確定weibull分布參數(shù)，試驗(yàn)周期長(zhǎng)、工作量較大。文獻(xiàn)[13]綜合基于weibull分布，建立了智能電能表剩余壽命預(yù)測(cè)模型，利用遺傳算法求出weibull分布參數(shù)，可定量分析智能電能表在一定使用年限下的剩余壽命；文獻(xiàn)[14]針對(duì)運(yùn)行一段時(shí)間的智能電能表，基于加速退化試數(shù)據(jù)，建立了智能電能表的剩余壽命預(yù)測(cè)模型；在文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[15]綜合運(yùn)用Bayes理論與粒子濾波算法，充分利用退化試驗(yàn)及外場(chǎng)運(yùn)行的退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)智能電能表進(jìn)行運(yùn)行剩余壽命預(yù)測(cè)，相較文獻(xiàn)[14]，結(jié)果更加精確。以上文獻(xiàn)雖然對(duì)運(yùn)行一段時(shí)間的智能電能表剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，但均未涉及已經(jīng)完成服役期限的拆回智能電能表的剩余壽命預(yù)測(cè)問(wèn)題。

基于以上，以完成服役期的拆回智能電能表為研究對(duì)象，提出一種適用于拆回智能電能表的剩余壽命預(yù)測(cè)方案。首先，研究拆回智能電能表分揀方案，對(duì)拆回智能電能表進(jìn)行分揀、校驗(yàn)；再設(shè)計(jì)加速壽命試驗(yàn)方案，對(duì)滿足加速壽命試驗(yàn)條件的拆回智能電能表進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)；然后采用分組數(shù)據(jù)的方法對(duì)加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1 拆回智能電能表分揀方案

依據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司公布的《國(guó)家電網(wǎng)公司電能表拆回分揀管理辦法》[16]，設(shè)計(jì)拆回智能電能表分揀方案，主要包含拆回后智能電能表分選、分揀檢測(cè)及分揀處置分析三個(gè)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)。

智能電能表分選：智能電能表分選是指在分揀檢測(cè)前篩選出故障損壞不具備檢測(cè)條件的拆回電能表，并對(duì)具備檢測(cè)條件的拆回電能表，按照檢測(cè)需求，完成設(shè)備清潔、補(bǔ)上螺絲等分揀檢測(cè)前準(zhǔn)備工作。

分揀檢測(cè)：分揀檢測(cè)指應(yīng)用電能表分揀裝置對(duì)具備上電檢測(cè)條件的拆回電能表開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)試驗(yàn)。

分揀處置分析：分揀處置分析指綜合考慮拆回電能表分揀檢測(cè)結(jié)果、拆回后檢定情況、報(bào)廢處置要求、與供應(yīng)商協(xié)商的處置方式等，分析確認(rèn)拆回電能表分揀后的處置方式。

其中，對(duì)于分揀合格、外觀清潔完整且無(wú)電池失壓、時(shí)鐘超差等風(fēng)險(xiǎn)的拆回電能表，分揀后為待校驗(yàn)狀態(tài)，經(jīng)裝用前檢定合格后進(jìn)行加速壽命預(yù)測(cè)。

2 拆回電能表加速壽命試驗(yàn)方案

試驗(yàn)前檢測(cè)試驗(yàn)樣本所有功能，對(duì)滿足加速壽命試驗(yàn)條件的智能電能表進(jìn)行抽樣[17-19]，樣本數(shù)不小于5 %，并對(duì)抽樣智能電能表進(jìn)行編號(hào)，試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)智能電能表計(jì)量精度，并記錄。

試驗(yàn)環(huán)境溫度為75 ℃，濕度為85 %，依據(jù)JJG596-2012《電子式交流電能表》，電壓為Un，電流為Ib，功率因數(shù)分別為1.0、0.5 L。功率因數(shù)取1.0，負(fù)載電流分別Imax、0.5(Imax-Ib)、Ib、0.1Ib、0.5Ib，獲得智能電能表的5組誤差數(shù)據(jù)；功率因數(shù)取0.5L，負(fù)載電流分別Imax、0.5(Imax-Ib)、Ib、0.1Ib、0.5Ib，獲得智能電能表的5組誤差數(shù)據(jù)，將獲得的誤差數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行對(duì)比，超差判定為失效。

每隔24 h記錄一次，發(fā)現(xiàn)失效即停止該表試驗(yàn)。

3 加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

隨機(jī)選取n臺(tái)滿足加速壽命試驗(yàn)的拆回智能電能表進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，假設(shè)：

1）設(shè)參與加速壽命試驗(yàn)的拆回智能電表為新表；

2）設(shè)拆回智能電表剩余壽命服從單參數(shù)指數(shù)分布；

3）在時(shí)間t1,t2,… ,tk時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，并在tk時(shí)停止試驗(yàn)；

5）拆回智能電能表失效時(shí)間落入（ti,ti+1）中的數(shù)量為fi，i=1,2,… ,k；

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

因?yàn)椴鸹刂悄茈娔鼙硎Ｓ鄩勖闹笖?shù)分布，分布函數(shù)為F(t) =1 -e-λt。

則一臺(tái)拆回智能電能表在測(cè)試時(shí)間間隔(ti,ti+1)內(nèi)的失效概率為

fi臺(tái)拆回智能電能表在測(cè)試時(shí)間間隔(ti,ti+1)內(nèi)的失效概率[20]為

n-f臺(tái)拆回智能電能表到kt時(shí)未失效的概率為

似然函數(shù)為

式中：

c—常數(shù)。

對(duì)式（4）取對(duì)數(shù)并求導(dǎo)，似然方程為

則式（5）可改寫為

化簡(jiǎn)得

拆回智能電能表平均壽命θ的點(diǎn)估計(jì)為

平均壽命θ的1-α置信下限為

式中：

即可得出智能電能表在環(huán)境溫度為75 ℃、濕度為85 %時(shí)的評(píng)價(jià)壽命置信下限。

加速因子[14,15]可由下式計(jì)算

式中：

Ea—激活能(eV)；

k—玻爾茲曼常數(shù)；

T—絕對(duì)溫度；

RH—相對(duì)濕度；

n—常數(shù)。

由式（10），在高溫/高濕（溫度為75 ℃，濕度為85 %）環(huán)境下，加速老化時(shí)間1 h相當(dāng)于室溫下智能電能表壽命為37.118 h。

至此，可推斷出室溫下拆回智能電能表的剩余壽命點(diǎn)估計(jì)為

平均壽命θ的1-α置信下限為

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)于分揀合格的拆回智能電能表，隨機(jī)抽取500臺(tái)，按本文第2節(jié)進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 拆回智能電能表加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由式（9），可得不同置信度下的平均壽命置信限如表3所示。

由表3，可得拆回智能電能表在室溫條件下，可再用5.3年以上。

表3 不同置信度下的平均壽命置信限

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了拆回智能電能表剩余壽命預(yù)測(cè)方案，且運(yùn)用該方案對(duì)拆回智能電能表進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)，結(jié)果較為理想，對(duì)拆回智能電能表的再利用具有一定的指導(dǎo)意義。

加速壽命試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)拆回智能電能表存在超差、殼體變形、液晶屏模糊等問(wèn)題，這些薄弱環(huán)節(jié)的發(fā)現(xiàn)，對(duì)提升智能電能表可靠性具有一定的借鑒意義。

加速壽命試驗(yàn)方案采用24 h記錄一次智能電能表狀態(tài)，節(jié)約了時(shí)間和成本。

分組數(shù)據(jù)的采用，簡(jiǎn)化了計(jì)算模型，提高了模型工作效率，便于工程應(yīng)用。