基于云平臺(tái)的電能表可靠性預(yù)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

依溥治，徐人恒，張明遠(yuǎn)，李照陽，于曉晨

（哈爾濱電工儀表研究所，哈爾濱150028）

0 引 言

根據(jù)國家智能電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃，到“十三五”，要實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)“信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化”［1］，實(shí)現(xiàn)電力計(jì)量“全覆蓋、全采集、全費(fèi)控”［2］，建成覆蓋全部用戶、采集全部用電信息、支持全面電費(fèi)控制的采集系統(tǒng)。智能電能表作為智能電網(wǎng)的采集終端是采集系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的組成部分，在電網(wǎng)中扮演著非常重要的角色［3］。

隨著智能電能表的廣泛應(yīng)用，其功能復(fù)雜程度也逐漸提高，產(chǎn)品可靠性逐漸成為衡量電能表質(zhì)量的重要指標(biāo)。近幾年，電力公司在招標(biāo)文件和規(guī)范中要求制造單位提供電能表可靠性預(yù)計(jì)報(bào)告和MTTF（平均失效前時(shí)間）不少于10年的可靠性檢測報(bào)告。因此有必要對(duì)可靠性這個(gè)制約智能電能表產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命的重要因素做出科學(xué)的預(yù)計(jì)。

我國智能電能表生產(chǎn)企業(yè)多為中小型企業(yè)，可靠性工程的適用性并不高，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、預(yù)計(jì)實(shí)踐等方面相對(duì)薄弱，企業(yè)信息化程度較低，在巨大的市場競爭和成本壓力下無力承擔(dān)電能表可靠性預(yù)計(jì)平臺(tái)的開發(fā)與推廣，而國內(nèi)專門針對(duì)電能表可靠性預(yù)計(jì)的商用服務(wù)仍處于空白階段?；谶@些需求，智能電能表可靠性數(shù)據(jù)和關(guān)鍵元器件可靠性數(shù)據(jù)的集成、整合、分析成為當(dāng)前迫切需要解決的關(guān)鍵性基礎(chǔ)難題。

1 智能電能表可靠性預(yù)計(jì)

鑒于IEC 62059-41《電能計(jì)量設(shè)備可信性-第41部分可靠性預(yù)計(jì)》的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)要求，智能電能表應(yīng)用時(shí)間較短，結(jié)構(gòu)較簡單，元器件失效率服從威布爾分布且在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中保持不變，各個(gè)元器件之間的組成關(guān)系等同于串聯(lián)結(jié)構(gòu)。整表可靠性由各元器件的可靠性決定，即整表失效率計(jì)算方法為各元器件失效率的累加和。

1.1 失效率

智能電能表的失效率是指電能表在限定的單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的失效次數(shù)。它是時(shí)間t的函數(shù)，其單位為 Fit（failure in time：10-9failures／h）［4］。智能電能表元器件的失效率主要結(jié)合國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62059-41和GJB／Z 299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)行計(jì)算，也可以是來自現(xiàn)場使用情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

公式（1）為失效率的數(shù)學(xué)定義：

式中 λ（t）為瞬間失效率；F（t）和 f（t）分別指分布函數(shù)和失效瞬間的概率密度；R（t）指可靠度函數(shù)。

1.2 浴盆曲線

智能電能表可靠性失效率遵循“浴盆曲線”，失效可以劃分為3個(gè)階段：早期失效期、正常使用期、疲勞失效期。失效率曲線如圖1所示。

圖1 失效率曲線Fig.1 Failure rate curve

早期失效主要是由電能表的設(shè)計(jì)、制造缺陷以及現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境磨合所產(chǎn)生，通常情況下在出廠前對(duì)電能表進(jìn)行一段時(shí)間的測試，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除早期失效［5］。正常使用期也叫做偶然失效期，此階段失效率曲線近似為常數(shù)，電能表的失效率基本保持不變，主要由外界環(huán)境及人為因素影響等所引起的偶然失效行為［6］。疲勞失效期是在電子元器件壽命晚期，失效率開始隨使用年限的增加而急劇上升的時(shí)期［7］。

1.3 元器件應(yīng)力分析法

元器件應(yīng)力分析法是把電能表的失效率作為所有元器件失效率的累加函數(shù)進(jìn)行預(yù)計(jì)的一種方法［8］。該方法將智能電能表可靠性的各種環(huán)境應(yīng)力量化，通過定制的軟件程序運(yùn)算后，有效地反映出電能表的失效率趨勢，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。當(dāng)前，產(chǎn)學(xué)研用各方都高度關(guān)注智能電能表可靠性預(yù)計(jì)，國內(nèi)的需求現(xiàn)狀主要針對(duì)樣機(jī)進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，以評(píng)價(jià)樣機(jī)性能，所以基本認(rèn)同采用應(yīng)力分析法對(duì)智能電能表進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。

2 云平臺(tái)SOA架構(gòu)

云平臺(tái)是由一系列相互聯(lián)系并且虛擬化的計(jì)算機(jī)組成的并行和分布式系統(tǒng)，可以動(dòng)態(tài)地提供一種或多種統(tǒng)一化的計(jì)算服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)、操作服務(wù)等服務(wù)資源，這些資源通過服務(wù)提供者提供給用戶使用［9］。

面向服務(wù)的架構(gòu)（Service-Oriented Architecture，SOA）為服務(wù)計(jì)算環(huán)境提供支撐架構(gòu)，采用松散耦合方式構(gòu)成服務(wù)提供者和請(qǐng)求者之間的業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)的服務(wù)均采用標(biāo)準(zhǔn)通信方法，以保障異構(gòu)的分布式系統(tǒng)服務(wù)與組件能夠無縫集成［10-13］。

一般情況下，SOA架構(gòu)的服務(wù)提供者使用WSDL［14］（Web服務(wù)描述語言，WSDL是一種用于描述WEB服務(wù)的特定格式）對(duì)服務(wù)過程進(jìn)行描述，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)布，使服務(wù)請(qǐng)求者或者服務(wù)注冊(cè)中心獲得服務(wù)信息；隨后請(qǐng)求者獲得的消息通過服務(wù)注冊(cè)中心或本地的UDDI［15］對(duì)服務(wù)申請(qǐng)進(jìn)行搜索和注冊(cè)，將匹配的服務(wù)與服務(wù)提供者進(jìn)行綁定，實(shí)現(xiàn)服務(wù)進(jìn)程。其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SOA架構(gòu)模型Fig.2 SOA architecturemodel

3 基于云平臺(tái)的電能表可靠性預(yù)計(jì)系統(tǒng)

電能表可靠性預(yù)計(jì)涉及電網(wǎng)公司、地方電業(yè)局、電能表制造企業(yè)、元器件生產(chǎn)企業(yè)、國家儀器儀表檢驗(yàn)中心、行業(yè)協(xié)會(huì)及最終用戶等各個(gè)環(huán)節(jié)，覆蓋面廣，因而電能表可靠性預(yù)計(jì)具有來源廣、種類多、信息量大和動(dòng)態(tài)性強(qiáng)等特點(diǎn)。圖3為云平臺(tái)下的電能表可靠性預(yù)計(jì)信息流圖。

圖3 電能表可靠性預(yù)計(jì)信息流圖Fig.3 Flow chart ofwatt-hourmeter reliability prediction

我國的智能電能表生產(chǎn)企業(yè)由于自身的一些原因無力承擔(dān)可靠性預(yù)計(jì)成本，加之企業(yè)的信息化程度不高，在海量元器件信息的統(tǒng)計(jì)和處理、可靠性預(yù)計(jì)建模和軟件計(jì)算方面均存在很大的困難，而云平臺(tái)則可以整合電能表的各種數(shù)字化信息資源，使之得到有效利用，形成可靠性預(yù)計(jì)門戶網(wǎng)站，通過登錄網(wǎng)站即可根據(jù)需要定制可靠性預(yù)計(jì)服務(wù)。

基于云平臺(tái)的電能表可靠性預(yù)計(jì)系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于：

（1）總體評(píng)價(jià)電能表的可靠性，指導(dǎo)電能表設(shè)計(jì)；

分析電能表可靠性，定量預(yù)計(jì)可靠性指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)電能表設(shè)計(jì)方案的問題和薄弱環(huán)節(jié)，找出高失效率電路單元的原因，降低整表失效率、提高可靠度總體設(shè)計(jì)水平，從而指導(dǎo)電能表樣機(jī)設(shè)計(jì)、制定電能表輪換周期等工作。

（2）在電能表樣機(jī)設(shè)計(jì)過程中，以用戶功能需求為導(dǎo)向，提供定制化、個(gè)性化的服務(wù)；個(gè)性化服務(wù)包括獨(dú)立元器件的可靠性計(jì)算、模塊可靠性計(jì)算等；這些服務(wù)使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)原理圖階段就可以發(fā)現(xiàn)潛在問題，以便優(yōu)化電路，逐步使方案達(dá)到規(guī)定的可靠性指標(biāo)。

（3）用戶通過云平臺(tái)的形式得到電能表可靠性軟件的服務(wù)，即站點(diǎn)、渠道、商品完全虛擬化；

（4）用戶通過虛擬網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電能表可靠性預(yù)計(jì)的計(jì)算過程，大大降低了用戶的成本；

電能表制造企業(yè)、元器件生產(chǎn)企業(yè)、國家儀器儀表檢驗(yàn)中心、行業(yè)協(xié)會(huì)等用戶可以從任意地點(diǎn)的計(jì)算機(jī)訪問云平臺(tái)進(jìn)行在線服務(wù)，甚至可以通過手機(jī)、PDA、上網(wǎng)本等多種終端接入。

4 基于云平臺(tái)的電能表可靠性預(yù)計(jì)系統(tǒng)需求分析

（1）元器件可靠性計(jì)算

元器件可靠性計(jì)算即計(jì)算元器件在應(yīng)用環(huán)境下的失效率λp，包括基本失效率λb、溫度應(yīng)力系數(shù)πT、元器件質(zhì)量等級(jí)πQ、環(huán)境應(yīng)力、應(yīng)用狀態(tài)、性能額定值和種類。公式為：

式中πE為環(huán)境系數(shù)，πS為電應(yīng)力系數(shù)。依據(jù)IEC 62059-41元器件失效率預(yù)計(jì)模型為：

πi為影響失效率的質(zhì)量因子、環(huán)境因子、溫度因子、電應(yīng)力因子等一系列修正系數(shù)。

（2）模塊／整表可靠性計(jì)算

電能表物理結(jié)構(gòu)根據(jù)功能和電路原理圖劃分為采樣計(jì)量單元、電源單元、費(fèi)控單元、通信單元、按鍵顯示單元、功能控制單元、載波單元。電能表模塊劃分圖如圖4所示。

圖4 電能表模塊劃分圖Fig.4 Division diagram ofwatt-hourmetermodule

依據(jù)IEC 62059-41標(biāo)準(zhǔn)對(duì)智能電能表進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)時(shí)，基本思想是系統(tǒng)各組成部分同等重要，假定任何一部分的失效都將引起系統(tǒng)的失效［16］。因此模塊間及模塊內(nèi)元器件均為可靠性串聯(lián)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的總失效率為各模塊的失效率之和，系統(tǒng)的可靠性數(shù)學(xué)模型表示如下：

式中λpij為第i個(gè)模塊中第j個(gè)元器件的工作失效率；N為產(chǎn)品模塊個(gè)數(shù)；Mi為第i個(gè)模塊的元器件總數(shù)。

（3）錄入／查詢功能

用戶按照標(biāo)準(zhǔn)格式導(dǎo)入元器件、模塊或整表的失效率數(shù)據(jù)，方便進(jìn)行查詢。

（4）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

包括基本元器件數(shù)據(jù)庫、用戶元器件庫、GJB／Z 299C-2006參數(shù)庫等。

（5）系統(tǒng)管理

包括用戶管理，角色管理，權(quán)限管理等。電能表可靠性涉及商業(yè)秘密，必須進(jìn)行嚴(yán)格的權(quán)限管理。

5 基于云平臺(tái)的電能表可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

本文根據(jù)電能表可靠性預(yù)計(jì)的流程特點(diǎn)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)，即用戶應(yīng)用層、業(yè)務(wù)功能層、數(shù)據(jù)管理層、數(shù)據(jù)庫層。

（1）用戶應(yīng)用層：為用戶提供應(yīng)用界面，包括可靠性計(jì)算結(jié)果、導(dǎo)入／導(dǎo)出結(jié)果、數(shù)據(jù)查詢結(jié)果等；

（2）業(yè)務(wù)功能層：按照功能需求設(shè)計(jì)接口結(jié)構(gòu)，依據(jù)IEC 62059-41的應(yīng)力分析法預(yù)計(jì)元器件失效率、模塊失效率、整表失效率并生成可靠性預(yù)計(jì)報(bào)告等；

（3）數(shù)據(jù)管理層：負(fù)責(zé)管理基本元器件失效率數(shù)據(jù)庫、用戶信息庫、各類參數(shù)庫及跟蹤用戶計(jì)算過程中的相關(guān)文件，提供與其他程序的接口，支持搜索、瀏覽、過濾等功能；

（4）數(shù)據(jù)庫層：包括數(shù)據(jù)庫的關(guān)系模式、數(shù)據(jù)完整性約束條件、數(shù)據(jù)庫表的定義、刪除、修改、索引、存取控制等；

圖5為電能表系統(tǒng)失效率，圖6為元器件失效率計(jì)算過程。

圖5 電能表系統(tǒng)失效率Fig.5 Failure rate of electric energymeter system

圖6 元器件失效率計(jì)算過程Fig.6 Failure rate of components calculation process

6 結(jié)束語

目前電能表產(chǎn)品同質(zhì)化競爭非常激烈，各企業(yè)在功能、性能、價(jià)格方面的差距逐漸減小，核心技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量成為企業(yè)立足的根本。利用電能表可靠性預(yù)計(jì)云平臺(tái)可以拓展應(yīng)用范圍，快速、準(zhǔn)確地確定產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，促進(jìn)電能表產(chǎn)品質(zhì)量提升，同時(shí)指引電能表現(xiàn)場數(shù)據(jù)的抽樣檢測判定方法。電能表可靠性云平臺(tái)建立以后，為全國近千家電能表制造企業(yè)和大學(xué)、科研院所、計(jì)量中心提供科研、設(shè)計(jì)、制造、檢測和運(yùn)行的可靠性數(shù)據(jù)及產(chǎn)品可靠性預(yù)測服務(wù)，需求廣泛，市場前景巨大。

另外，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”［17］推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行跨界合作與深度融合，形成了“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)”的新興產(chǎn)業(yè)合作模式，基于云平臺(tái)的電能表可靠性預(yù)計(jì)系統(tǒng)作為傳統(tǒng)制造業(yè)向“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)”轉(zhuǎn)型發(fā)展的創(chuàng)新探索，也為傳統(tǒng)制造業(yè)在新常態(tài)下實(shí)現(xiàn)變革發(fā)展提供了參考。

本文的研究仍處于初級(jí)層面，還有待用戶進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)。不可否認(rèn)，基于云平臺(tái)的電能表可靠性預(yù)計(jì)系統(tǒng)仍然存在一些問題，如：服務(wù)質(zhì)量如何確認(rèn)。在電能表可靠性預(yù)計(jì)過程中用戶和技術(shù)是關(guān)鍵因素，他們的特征和習(xí)慣對(duì)服務(wù)質(zhì)量有顯著影響［18］；所以在今后的工作中，可以進(jìn)一步探討云平臺(tái)的服務(wù)質(zhì)量解決方案的構(gòu)建。