胡珊珊，王保帥，尹家悅，羅奕, 李若茜，肖霞

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州 510663； 2.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074)

0 引 言

電網(wǎng)公司自2009年開(kāi)始陸續(xù)推進(jìn)智能電能表的安裝與應(yīng)用，數(shù)據(jù)顯示。至2017年，國(guó)家電網(wǎng)智能電能表用戶(hù)數(shù)已達(dá)4.31億，覆蓋率為98.38%；截止至2018年底，南方電網(wǎng)智能電能表總數(shù)達(dá)8 815.72萬(wàn)只，覆蓋率達(dá)100%。相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求單相智能電能表和三相智能電能表的壽命不低于10年[1-2]，目前已到了智能電能表的輪換期，圍繞智能電能表可靠性的相關(guān)研究工作也在陸續(xù)開(kāi)展。

目前圍繞智能電能表可靠性與壽命預(yù)測(cè)從可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)[3-4]、失效分布模型[5-6]以及加速壽命試驗(yàn)[7-8]等方面開(kāi)展了諸多研究工作，這些工作對(duì)于提升智能電能表可靠性有著推動(dòng)作用，但均以整機(jī)角度作為出發(fā)點(diǎn)，從智能電能表元器件角度出發(fā)的研究則較少。國(guó)家電網(wǎng)Q/GDW 11179.1-15系列標(biāo)準(zhǔn)[9]給出了電能表的薄弱環(huán)節(jié)，但未見(jiàn)有相關(guān)依據(jù)的報(bào)道；文獻(xiàn)[10]采用GJB/Z 299C標(biāo)準(zhǔn)對(duì)智能電能表中的關(guān)鍵元器件進(jìn)行了可靠性預(yù)計(jì)；文獻(xiàn)[11]基于故障樹(shù)理論對(duì)智能電能表黑屏故障進(jìn)行分析，計(jì)算各底事件概率重要度以此確定故障定位與分析的優(yōu)先次序，但由于概率重要度表示底事件概率變化引起頂事件發(fā)生概率的變化程度[12]，故該方法識(shí)別薄弱環(huán)節(jié)僅考慮了故障概率一個(gè)維度；文獻(xiàn)[13]采用故障模式及影響分析(Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA)方法對(duì)單相智能電能表的關(guān)鍵元器件進(jìn)行了識(shí)別，并通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)的對(duì)比分析證明了該方法的可行性，但該方法識(shí)別薄弱環(huán)節(jié)時(shí)缺少定量依據(jù)，且僅以故障造成后果的嚴(yán)重程度一個(gè)維度作為識(shí)別依據(jù)。

前述文獻(xiàn)在識(shí)別產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)時(shí)，僅考慮故障概率和故障影響的嚴(yán)重程度中一個(gè)方面，為綜合這兩方面考量，針對(duì)這一問(wèn)題提出了基于FMECA的元器件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，并將其應(yīng)用于智能電能表中，得到關(guān)鍵元器件風(fēng)險(xiǎn)排序結(jié)果，對(duì)智能電能表生產(chǎn)廠家的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工作具有一定的指導(dǎo)意義與實(shí)用價(jià)值。

1 FMECA方法

故障模式、影響及危害性分析(Failure Mode Effect and Criticality Analysis, FMECA)方法是在FMEA的基礎(chǔ)上引入危害性分析(Criticality Analysis, CA)得到的，該方法采用自下而上的分析邏輯，借助于表格完成，能在一定的規(guī)則與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐下，確定系統(tǒng)可能存在的故障模式，以各故障模式為出發(fā)點(diǎn)逐一分析其后果與影響，根據(jù)后果與影響的嚴(yán)重程度及故障率數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，識(shí)別系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的改進(jìn)與完善。

FMECA方法包括FMEA和CA兩個(gè)部分，根據(jù)CA方法的不同，又可分為定量FMECA和定性FMECA方法。

1.1 FMEA方法

FMEA采用自下而上的分析邏輯，以系統(tǒng)組成元素的故障模式為對(duì)象，逐層向上分析該故障模式對(duì)組成元素自身、模塊和系統(tǒng)的影響，只可進(jìn)行定性分析而無(wú)法進(jìn)行定量分析。

該方法借助于表格完成，通常包括系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)資料的收集、分析層次與重點(diǎn)故障內(nèi)容的確定、FMEA表格等步驟,流程如圖1所示[14]。

圖1 FMEA流程圖

FMEA表格一般包括如下項(xiàng)目：對(duì)象、功能、故障模式、設(shè)想原因、故障影響、檢測(cè)方法、補(bǔ)償措施和嚴(yán)酷度。

其中，故障模式為對(duì)象可能的故障現(xiàn)象，對(duì)某一對(duì)象應(yīng)全面考慮其故障模式；設(shè)想原因通常在掌握大量資料的基礎(chǔ)上得到；故障影響按局部影響、上一層次影響和最終影響三個(gè)層次分析；嚴(yán)酷度則以故障影響中的最終影響為嚴(yán)酷度的評(píng)定依據(jù)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)FMEA表格欄目可根據(jù)具體問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整。

1.2 CA方法

CA方法分為定量分析與定性分析兩類(lèi)。

定量CA分析通過(guò)計(jì)算故障模式的危害度對(duì)各故障模式的危害程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體計(jì)算如式(1)所示[15]，其中λP為故障率、α為故障模式頻數(shù)比、β為故障影響概率、t為任務(wù)階段工作時(shí)間。 該方法能夠給出評(píng)價(jià)的定量依據(jù)，但存在計(jì)算所需數(shù)據(jù)較多、多數(shù)情況下缺少故障影響概率這一數(shù)據(jù)[14]的問(wèn)題。

Cm=αβλPt

(1)

定性CA分析適用于不能準(zhǔn)確獲得故障率數(shù)據(jù)的情況，包括風(fēng)險(xiǎn)矩陣分析和風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)計(jì)算兩類(lèi)。

風(fēng)險(xiǎn)矩陣分析將FMEA分析得到的故障模式嚴(yán)酷度和故障概率分級(jí)，綜合考量后給出危害程度由D到A依次升高的4種評(píng)價(jià)結(jié)果，并不涉及計(jì)算，常見(jiàn)的一種分級(jí)方法如表1所示[16]。盡管風(fēng)險(xiǎn)矩陣分析法操作簡(jiǎn)單，但其結(jié)果僅具有相對(duì)意義。

表1 風(fēng)險(xiǎn)矩陣

風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)(Risk Priority Number，RPN)將故障模式發(fā)生概率(Occurrence Probablity Ranking, OPR)、影響嚴(yán)酷度(Effect Severity Ranking, ESR)和探測(cè)難度(Detection Difficulty Ranking, DDR)劃分為10個(gè)等級(jí)，其中DDR是針對(duì)工藝FMEA提出的[17]，其他情況可不考慮這一指標(biāo)，則故障模式的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPN可按式(2)計(jì)算。該方法涉及到一定的計(jì)算，能夠解決風(fēng)險(xiǎn)矩陣分析缺乏定量依據(jù)和危害度計(jì)算的復(fù)雜性問(wèn)題。

RPN=OPR×ESR

(2)

采用基于風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)法的FMECA方法，該方法綜合考慮故障概率和故障影響程度，相較于FTA和FMEA,能夠?qū)ο到y(tǒng)各組成元器件進(jìn)行更全面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

2 改進(jìn)FMECA用于元器件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

盡管計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)的FMECA方法具備前述的諸多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用于智能電能表的元器件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)存在以下兩個(gè)問(wèn)題：首先，智能電能表較低的故障概率使得目前可參考的故障發(fā)生概率評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)難以適用；其次，前述的FMECA方法以故障模式為分析對(duì)象，應(yīng)用于元器件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)需建立起元器件RPN及其故障模式RPN之間的關(guān)系。

2.1 故障模式發(fā)生概率等級(jí)的處理

智能電能表的技術(shù)規(guī)范要求智能電能表在其10年的壽命周期內(nèi)累積故障率不高于4.25%，為滿足該要求，智能電能表中的元器件的平均故障概率應(yīng)小于0.026%[18]，目前可供參考的一種故障模式發(fā)生概率等級(jí)評(píng)分準(zhǔn)則如表2所示。

表2 故障模式發(fā)生概率等級(jí)評(píng)分準(zhǔn)則

若按照表2的標(biāo)準(zhǔn)，則智能電能表中的大部分元器件故障模式的OPR評(píng)分為1，顯然這種情況下采用前述的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)計(jì)算方法無(wú)法體現(xiàn)出大部分元器件故障模式發(fā)生概率間的差異，使得最終的RPN僅與ESR相關(guān)。

考慮到故障模式的OPR評(píng)分是以其故障概率為依據(jù)的，可以將故障模式的故障概率代替OPR代入式(2)計(jì)算故障模式RPN，設(shè)元器件k第i種故障模式的故障發(fā)生概率為Fki，則其風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPNki為：

RPNki=Fki×ESRki

(3)

現(xiàn)階段收集的智能電能表故障數(shù)據(jù)僅針對(duì)故障大類(lèi)，難以定位至各元器件的各故障模式并給出相應(yīng)的故障發(fā)生概率，故采用式(3)計(jì)算時(shí)操作性不強(qiáng)，但元器件k的故障發(fā)生概率Fk與Fki之間可通過(guò)該故障模式的故障模式頻數(shù)比αki建立起如下的關(guān)系：

Fki=αki×Fk

(4)

設(shè)元器件k第i種故障模式的嚴(yán)酷度評(píng)分為ESRki，將式(4)代入式(3)得到：

RPNki=(αki×Fk)×ESRki

(5)

式中元器件k相對(duì)故障概率Fk可由故障調(diào)研結(jié)果得到，部分標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)給出了部分元器件的故障模式頻數(shù)比αki，因此采用式(5)計(jì)算具有較強(qiáng)的可操作性。

故文中對(duì)故障模式發(fā)生概率等級(jí)的處理為：通過(guò)故障調(diào)研數(shù)據(jù)得到智能電能表元器件相對(duì)故障概率、通過(guò)查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)得到故障模式頻數(shù)比，以二者之積替代故障模式OPR進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)的計(jì)算。

2.2 元器件風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)的計(jì)算

前述FMECA方法以故障模式為分析對(duì)象，計(jì)算得到各故障模式的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)。由于一種元器件可能具有多種故障模式，為對(duì)元器件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，可將某一元器件各故障模式的RPN進(jìn)行求和。

設(shè)元器件k共有n種故障模式，各故障模式的RPN之和記為Sumk，由式(5)可得：

(6)

式中的Fk為元器件的相對(duì)故障概率，與故障模式無(wú)關(guān)，可將式(6)進(jìn)行變化得到：

(7)

根據(jù)故障模式頻數(shù)比的含義可知，αki是元器件k故障時(shí)表現(xiàn)為第i種故障模式的概率，而故障模式i的嚴(yán)酷度為ESRki，故元器件k故障時(shí)造成嚴(yán)酷度為ESRki的概率等于αki，式(7)求和部分等于元器件k各故障模式嚴(yán)酷度的加權(quán)平均值，即為元器件k的故障嚴(yán)酷度。

故式(7)與式(3)具有相同的形式，Sumk即為元器件k的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPNk，可由該式計(jì)算元器件的RPN,并以此為依據(jù)對(duì)元器件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估排序。

3 基于FMECA的智能電能表元器件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.1 總體流程

基于FMECA開(kāi)展智能電能表元器件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的總體流程如圖2所示。

(1)對(duì)智能電能表進(jìn)行故障數(shù)據(jù)調(diào)研與原因占比分析，將故障定位至元器件，結(jié)合故障大類(lèi)的故障占比、各元器件在各類(lèi)故障中的故障占比計(jì)算得到元器件相對(duì)故障概率；

(2)以故障調(diào)研得到的元器件作為FMECA表格中的待分析對(duì)象，填寫(xiě)根據(jù)實(shí)際智能電能表的情況進(jìn)行調(diào)整后的FMECA表格，通過(guò)分析確定元器件各故障模式嚴(yán)酷度評(píng)分；

(3)以FMECA表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算元器件嚴(yán)酷度、風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)，得到智能電能表元器件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估排序結(jié)果。

圖2 基于FMECA智能電能表元器件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

3.2 數(shù)據(jù)調(diào)研結(jié)果

智能電能表由電源模塊、計(jì)量模塊、ESAM模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、繼電器檢測(cè)模塊、微控制單元、存儲(chǔ)模塊、通信模塊和顯示模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能電能表結(jié)構(gòu)圖

某省電科院通過(guò)對(duì)2018年收集到的共64.3萬(wàn)條智能電能表故障信息進(jìn)行歸類(lèi)與故障原因評(píng)估，得到故障數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 某省故障調(diào)研結(jié)果

由表3確定FMECA分析的對(duì)象為：鋰電池、時(shí)鐘芯片、晶振、片式電容、熱敏電阻、穩(wěn)壓芯片、整流二極管、電解電容、電流采樣電阻、電壓采樣電阻、計(jì)量芯片、485芯片、光耦、TVS、負(fù)荷開(kāi)關(guān)、LCD和驅(qū)動(dòng)芯片。其中時(shí)鐘芯片和計(jì)量芯片分別配有使其正常工作的晶振與片式匹配電容。

3.3 智能電能表元器件FMECA表格填寫(xiě)

應(yīng)用于智能電能表元器件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的FMECA表格欄目進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后包含元器件、所處模塊、功能、故障模式、故障模式頻數(shù)比、故障影響、嚴(yán)酷度與元器件相對(duì)故障概率。對(duì)各欄進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明：

“元器件”欄填入由故障數(shù)據(jù)調(diào)研得到的智能電能表待分析元器件；“所處模塊”欄設(shè)置的目的在于區(qū)分不同模塊中的同類(lèi)型元器件，“所處模塊”和“功能”欄根據(jù)元器件在智能電能表中實(shí)際情況填寫(xiě)；

“故障模式”與“故障模式頻數(shù)比”欄中的內(nèi)容以標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 299C[19]第7部分提供的數(shù)據(jù)為依據(jù)；

“故障影響”欄結(jié)合元器件在智能電能表中的功能填入具體內(nèi)容；文中“嚴(yán)酷度”欄的評(píng)定以智能電能表功能失去或下降、失去功能的多少以及失去的功能是否影響電量結(jié)算為依據(jù)[20]，給出表4的評(píng)分依據(jù)。

表4 嚴(yán)酷度評(píng)分表

“元器件相對(duì)故障概率”填入內(nèi)容由故障調(diào)研結(jié)果的故障類(lèi)型占比與元器件原因占比計(jì)算得到。

受文中篇幅限制，以LCD為代表給出了FMECA表格的填寫(xiě)結(jié)果，如表5所示。

表5 智能電能表FMECA表格

3.4 智能電能表元器件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估排序結(jié)果

FMECA分析得到各故障模式嚴(yán)酷度、各元器件相對(duì)故障概率，以式(3)為依據(jù)計(jì)算各元器件嚴(yán)酷度、風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)，并按風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)結(jié)果降序排列，得到結(jié)果如表6所示。

以上分析計(jì)算結(jié)果給出了智能電能表各組成元器件的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估順序，排名靠前的元器件更易發(fā)生故障并造成嚴(yán)重影響，智能電能表生產(chǎn)廠家可以此為依據(jù)確定在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)智能電能表時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的元器件。智能電能表元器件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果為進(jìn)一步提升智能電能表的質(zhì)量提供了參考。

表6 智能電能表元器件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了基于FMECA的智能電能表關(guān)鍵元器件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，可以有效克服單純FTA和FMEA方法的局限性，綜合故障概率和故障影響程度兩方面識(shí)別智能電能表薄弱環(huán)節(jié)。結(jié)合實(shí)際故障數(shù)據(jù)展開(kāi)分析，可獲得相應(yīng)的元器件風(fēng)險(xiǎn)排序結(jié)果，對(duì)相應(yīng)智能電能表生產(chǎn)廠家的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工作提供指導(dǎo)。