王慶龍，嚴(yán)小愷，王禹夫，張?zhí)烊A

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司供電服務(wù)監(jiān)管與支持中心，通遼 028000）

引言

我國地域遼闊，并且各地的地理氣候情況比較復(fù)雜，在典型環(huán)境下，智能電表是否運(yùn)行可靠，對國家電網(wǎng)與用戶尤為重要。智能電表在實(shí)際環(huán)境中會暴露出產(chǎn)品的問題，包括高鹽霧、高濕熱、高海拔、高嚴(yán)寒等環(huán)境，所以對不同環(huán)境下的智能電表進(jìn)行綜合評價，分析不同環(huán)境指標(biāo)參數(shù)對智能電表的可靠性是否會有影響，對智能電表入網(wǎng)后的穩(wěn)定性、安全性和可靠性具有重要的意義。目前國內(nèi)外對于智能電表可靠性的研究大部分都是在運(yùn)行過程中的評價，還有部分作者通過智能電表檢驗(yàn)手段的失效率可靠性評價，還有部分研究人員是對智能電表軟件可靠性進(jìn)行評價，對于不同環(huán)境下可靠性評價的研究比較少。本文對智能電表在不同環(huán)境等因素影響下，以智能電表運(yùn)行典型地域特征，選擇層次結(jié)構(gòu)作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建不同環(huán)境的智能電表可靠性指標(biāo)體系，并且實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的量化處理。

1 智能電表可靠性預(yù)測的現(xiàn)狀

智能電表可靠預(yù)測是將運(yùn)行結(jié)果作為基礎(chǔ)進(jìn)行測試，指的是為了驗(yàn)證智能電表可靠性的要求而對電表整機(jī)開展測試。針對電能表軟件可靠性測試來說，一般包括兩種方法，第一種是通過全數(shù)字模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)模擬環(huán)境，通過硬件剝離電能表的軟件開發(fā)常用芯片cpu指令和時鐘等模擬器開展可靠性測試。第二種就是創(chuàng)建電表軟件可靠性仿真測試平臺，對電能表實(shí)際工作環(huán)境輸入輸出進(jìn)行模擬仿真系統(tǒng)的環(huán)境。智能電表整機(jī)可靠性預(yù)測的通用算法為MTTF，但是此實(shí)驗(yàn)周期比較長，采用數(shù)據(jù)比較大。所以一般使用G-O模型評價電能表的質(zhì)量，能夠通過產(chǎn)品樣機(jī)階段開展，利用樣機(jī)的統(tǒng)計(jì)對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，從而對電能表可靠性系數(shù)進(jìn)行預(yù)測。利用橫向與縱向?qū)Ρ?，就能夠?qū)ν粋€規(guī)格型號電能表質(zhì)量評價能，從而節(jié)約時間，使測試樣本得到縮小，并且容易操作。另外，在應(yīng)用在使用過程中還能夠?qū)崟r在中心使用軟件測試環(huán)境和模型結(jié)合，能夠保證可靠性驗(yàn)證的效果。電表功能的運(yùn)行指的是在指定鏡像硬件環(huán)境中開展的針對實(shí)時嵌入式軟件系統(tǒng)的測試，因?yàn)楸粶y試軟件的實(shí)時性會輸出捕獲實(shí)時性的需求，所以創(chuàng)建G-O軟件可靠性預(yù)測方法是研究的重點(diǎn)。

2 智能電表可靠性預(yù)測的指標(biāo)分析

可靠性和壽命為智能電能表主要指標(biāo)，可靠性指的是在規(guī)定時間和條件下實(shí)現(xiàn)功能的能力。電能表可靠性和規(guī)定條件具有密切關(guān)系，在規(guī)定條件出現(xiàn)改變的時候，可靠性也會出現(xiàn)改變。常用可靠性指標(biāo)包括：

2.1 可靠度

可靠度R(t)指的是在規(guī)定條件下智能電表能夠正常工作，從而完成規(guī)定功能概率。在t比元件壽命T小的時候，元件在[0，t]內(nèi)能夠正常工作。一般，R(t)會隨著t增加而降低，智能電表可靠度也會隨著時間增加而降低。

已知元件壽命T的概率密度f(t)，針對給定的t，有：

因?yàn)樵勖怕拭芏仁菦]有辦法提前知道的，所以在實(shí)際使用過程中，利用壽命試驗(yàn)計(jì)算可靠度。

2.2 失效率

智能電表失效率)t(λ指的是在t時刻之前正常工作時，在),(tttΔ+時間間隔的失效概率，失效率就是可靠性主要指標(biāo)，表達(dá)方法為：

通過公式（2）表示，失效率越高，就會降低可靠性。智能電表失效特性包括早期失效、疲勞失效、使用壽命三個階段，圖1為智能電表失效特征曲線。

圖1 智能電表失效特征曲線

2.3 平均無故障工作時間

智能電表的無故障工作時間平均值指的是平均壽命，無法事先得到，一般都是在實(shí)際裝置生產(chǎn)后利用統(tǒng)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到。不可修復(fù)裝置平均無故障時間指的是裝置發(fā)生故障前的正常工作平均時間，一般使用MTTF表示，利用可靠度計(jì)算?？尚迯?fù)裝置平均無故障時間指的是2次相鄰故障之間的正常工作時間，記為MTBF：

式中：

ti—可修復(fù)裝置故障間隔時間；

n—修復(fù)次數(shù)。

MTTF指的是智能電表保證不失效最少的時間，在平均失效時間中，因?yàn)榇嬖谑?，電能表會出現(xiàn)失效概率。在產(chǎn)品使用時間為平均失效時間的時候，產(chǎn)品可靠度為0.37。所以，針對單只電能表，37 %的概率能夠保證在MTTF內(nèi)還有效。針對大批量電能表，有37 %產(chǎn)品能夠在MTTF內(nèi)不失效。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 選擇試驗(yàn)參數(shù)

在本文實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)應(yīng)力為濕度和溫度。另外，在實(shí)驗(yàn)過程中對全部樣品設(shè)置額定工作需要的電應(yīng)力。相關(guān)研究表示，利用可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)χ悄茈姳碓跇O限工作溫度下的應(yīng)力進(jìn)行確定為95 ℃。氣象部門所發(fā)布的數(shù)據(jù)表示，全國各城市的平均濕度為（50～85）%。夏天平均濕度為（70～90）%，所以選擇溫度應(yīng)力為85 ℃、75 ℃、和65 ℃，應(yīng)力選擇95 %、85 %、75 %構(gòu)成本文實(shí)驗(yàn)應(yīng)力。試驗(yàn)樣本均為同個廠家、同個批次的智能電表，選取置信水平為50 %。

3.2 試驗(yàn)記錄

在試驗(yàn)過程中，每隔一天記錄一次。在記錄的時候，使出現(xiàn)通信故障的智能電表失效時間根據(jù)出現(xiàn)故障的先后順序進(jìn)行編號并且記錄。使故障樣本取出試驗(yàn)箱后試驗(yàn)，直到試驗(yàn)時間。

3.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

目前智能電表實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ńy(tǒng)計(jì)模型、物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃臀锢斫y(tǒng)計(jì)模型三種。統(tǒng)計(jì)模型又包括非參數(shù)模型和參數(shù)模型。在壽命分布中，一般使用失效前的時間分布為指數(shù)分布、威布爾分布和對數(shù)正態(tài)分布等。此模型潛在要求指的是，智能電表失效前時間在不同盈利水平下能夠滿足壽命分布需求，但是其實(shí)在加速實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械闹悄茈姳硎н^程比較復(fù)雜，并且失效前時間分布不同，參數(shù)模型就無法精準(zhǔn)的對智能電表可靠性質(zhì)進(jìn)行分析。

在分析智能電表壽命可靠性的過程中，要對各種應(yīng)力進(jìn)行考慮，結(jié)合應(yīng)力、壽命和分布，從而推導(dǎo)正常使用條件中的失效前時間數(shù)據(jù)。在對智能電表施加濕度和溫度的時候，大部分在加速壽命模型中選擇PECK溫度濕度模型，因?yàn)榇蟛糠蛛娮赢a(chǎn)品在相同應(yīng)力水平下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時候，失效前實(shí)驗(yàn)是屬于隨機(jī)事件，失效率表達(dá)式要將失效前的時間分布反應(yīng)出來，所以使用溫濕度應(yīng)力模型。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 元器件分析

通過大量電子設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)分析，元器件失效為故障分布的主要原因。要想使智能電表可靠的運(yùn)行，就要對內(nèi)部元器件可靠性進(jìn)行保證，所以本文使用預(yù)計(jì)結(jié)果分析元器件對單個元器件的失效率和各種元器件的失效率占比分析，圖2為單一元器件失效率。

圖2 單一元器件失效率

對上述預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分析，和現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)合得出以下結(jié)論：

其一，對智能電表可靠性影響的主要元器件包括集成電路、電解電容、液晶穩(wěn)壓器、鋰電池等。對單個元器件失效率進(jìn)行對比表示液晶失效率最高，然后是實(shí)時時鐘芯片。為了使智能電表可靠性得到提高，以上元器件在使用和選擇的過程中要進(jìn)行重視。

其二，在實(shí)際使用中，時鐘、電池、液晶存儲器、電解電容、表殼、晶振等會對智能電表受命造成影響。和圖2結(jié)合得知，電池、液晶電解電容為智能電表失效率最高的元器件，應(yīng)該作為關(guān)鍵元器件。研究此三種元器件在使用過程中，要選擇優(yōu)質(zhì)元器件，并且在方案設(shè)計(jì)、可靠性試驗(yàn)和應(yīng)力篩選等環(huán)節(jié)進(jìn)行重視。

其三，智能電表大部分都會使用電容和電阻，因?yàn)槭菬o源器件，具有穩(wěn)定的物理特性，并且沒有時效性，單個的失效率比較小，所以在使用中很少發(fā)生故障。

其四，集成電路的失效占比比較大，主要是因?yàn)槭謨约呻娐返氖时容^高，并且使用使用量比較多。通過現(xiàn)場調(diào)查表示，集成電路對于智能電表生命周期并沒有太大的影響，預(yù)計(jì)失效率比較高，主要是因?yàn)轭A(yù)測手冊數(shù)據(jù)出現(xiàn)滯后性。

4.2 模型擬合結(jié)果

因?yàn)樵谠囼?yàn)過程中的失效數(shù)據(jù)記錄都是非實(shí)時的方式，在同個記錄時間中多個失效數(shù)據(jù)就是在不同時間中，所以開展失效時間的模擬分布處理，也就是：

其一，無法連續(xù)對測試產(chǎn)品狀態(tài)開展監(jiān)測，監(jiān)測時間間隔為T1；

其二，在n個時間段中存在p個產(chǎn)品失效的時候，各失效產(chǎn)品失效前的時間為：

表1為處理之后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的外推，取智能電表正常工作條件時年平均溫濕度分別為20 ℃、75 %，使各組試驗(yàn)應(yīng)力溫濕度的加速因子分別為1314、941、568、233、646。相應(yīng)技術(shù)規(guī)范對于智能電表可靠性要求為：整表通過驗(yàn)收合格后的平均壽命指的是在10天內(nèi)總體允許不可靠度要小于4.25 %。以此表示，通信模塊可靠度無法使智能電表對10a使用壽命需求得到滿足。此結(jié)果也驗(yàn)證智能電表在實(shí)際運(yùn)行中的通信模塊故障率比較高的情況。

表1 處理之后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文評估了智能電表通信模塊可靠性，根據(jù)可靠性試驗(yàn)在不同溫濕度應(yīng)力組合下，對通信失效數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。實(shí)現(xiàn)失效數(shù)據(jù)失效分布的擬合試驗(yàn)，以最優(yōu)篩選方式，表示通信模塊失效滿足雙參數(shù)指數(shù)分布。