智能電能表可靠性評估方法研究

曹華鋒, 馬亞珍 井含香 張長青

摘 要：本文主要介紹了智能電能表可靠性評價體系，首先對表征智能電能表可靠性的指標(biāo)進(jìn)行分析，智能電能表可靠性的指標(biāo)包括智能電能表可靠度、失效率以及平均無故障工作時間。最后對智能電能表的運(yùn)行可靠性的評估方法進(jìn)行分析，包括智能電能表的加速壽命試驗、現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析以及可靠性預(yù)計三種評估方法。

關(guān)鍵詞：智能電能表;可靠性;元器件應(yīng)力法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.197

0 引言

當(dāng)前電力市場的交易要靠電能計量作為貿(mào)易結(jié)算依據(jù)，電能計量的準(zhǔn)確性關(guān)系著廣大電力用戶的切身利益。對電能計量可靠性的研究可以提高計量準(zhǔn)確性、減少經(jīng)濟(jì)糾紛。智能電能表作為計量的核心器具，其運(yùn)行可靠性關(guān)乎著整個計量的可靠性，關(guān)系著國家電網(wǎng)的建設(shè)以及電力市場的公平、穩(wěn)定。因此對智能電能表可靠性評價方法進(jìn)行研究，建立完善、有效的智能電能表可靠性評價體系，保證國家電能計量的準(zhǔn)確性迫在眉睫。

1 智能電能表可靠性評價指標(biāo)分析

評價智能電能表質(zhì)量的最重要參數(shù)就是其使用壽命、運(yùn)行中的可靠程度。智能電能表在使用壽命內(nèi)、額定的工作條件下運(yùn)行故障率越低，其可靠程度越高。當(dāng)然，在不同的環(huán)境下，智能電能表的可靠程度也不盡相同，往往會隨環(huán)境改變而改變。在智能電能表的可靠性評價體系中常用的可靠性指標(biāo)有可靠度、失效率、平均無故障工作時間[2]。

1.1 智能電能表的可靠度分析

智能電能表在規(guī)定的時間內(nèi)以及特定的工作環(huán)境下能夠正常運(yùn)行并完成智能電能表的所具備的功能的概率稱之為可靠度，本文中采用G（t）表示。假定智能電能表使用壽命為T，規(guī)定運(yùn)行時間為t，當(dāng)t<T時，智能電能表在運(yùn)行時間t內(nèi)正常運(yùn)行。已知智能電能表使用壽命的概率密度為f（t），則會有：

（1）

在正常情況下，G（t）會隨著智能電能表運(yùn)行時間t的增加逐漸變小，當(dāng)電能表運(yùn)行時間t超出其使用壽命時，會大幅度減小。在現(xiàn)實應(yīng)用中，智能電能表的壽命概率是無法在出廠時就可以得知的，G（t）的計算通常是在實驗室通過壽命加速試驗來獲得。

1.2 智能電能表的失效率分析

智能電能表的失效率是指智能電能表在時間為t的時間點之前正常運(yùn)行的前提下，在（t，t+Δt）之間的時間間隔內(nèi)智能電能表失效的概率。智能電能表可靠性其中的一個重要指標(biāo)就是失效率。通常失效率分為三個階段，分別為早期失效期、有效壽命期、疲勞失效期，其曲線形狀就像浴盆一樣，被稱為“浴盆曲線”，如圖1所示。

智能電能表的早期失效率較高，智能電能表生產(chǎn)廠家可以采用技術(shù)措施使得產(chǎn)品加速進(jìn)入使用壽命階段，該階段的失效率為常數(shù)。用來表征智能電能表可靠性的一個重要特征就是失效率，可表示為：

? （2）

上式中P為在智能電能表正常運(yùn)行的時間內(nèi)失效的概率，由該式可以看出，失效率越高，可靠性越低，反之可靠性越高。

1.3 智能電能表的平均無故障工作時間分析

無故障工作時間，顧名思義是指的智能電能表在運(yùn)行中連續(xù)正常工作時間，平均無故障時間是指所有該種智能電能表可連續(xù)正常工作的平均值，該值無法在智能電能表出廠時就能得到，需要在智能電能表在現(xiàn)場長時間運(yùn)行后，根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行情況得到大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，經(jīng)計算獲得。該值需要大量的樣本統(tǒng)計，又稱為智能電能表的平均壽命。當(dāng)智能電能表運(yùn)行過程中出現(xiàn)不可修復(fù)的故障時，那么該智能電能表從運(yùn)行時刻至故障出現(xiàn)時刻的時間段內(nèi)為其無故障工作時間。當(dāng)智能電能表運(yùn)行中出現(xiàn)的故障為可修復(fù)的，那個在出現(xiàn)兩次可修復(fù)故障的正常運(yùn)行時間段稱之為無故障工作時間，假設(shè)平均無故障時間為MT，其表達(dá)式為：

（3）

式（3）中：ti為兩個可修復(fù)智能電能表故障時間間隔，n為智能電能表的修復(fù)次數(shù)。智能電能表的失效率與平均無故障時間存在互為倒數(shù)的關(guān)系，其表達(dá)式為：

（4）

智能電能表都存在不失效的最小時間，在平均無故障工作時間內(nèi)，還是存在智能電能表運(yùn)行的失效概率，假設(shè)智能電能表的最小不失效時間為MT，智能電能表失效率與可靠度及最小不失效時間的關(guān)系式為：

（5）

智能電能表運(yùn)行時間超過最小正常運(yùn)行時間MT時，其可靠度可表示為：

（6）

由上式可以得出，智能電能表在超過其額定的使用壽命內(nèi)的可靠性降低為37%，在其使用壽命保證無故障工作的概率為37%。

2 智能電能表可靠性評價方法

智能電能表可靠性的評估方法目前常用的有，加速壽命試驗、運(yùn)行數(shù)據(jù)分析、可靠性預(yù)計等方法，這幾種方法各有優(yōu)勢跟缺陷。

2.1 加速壽命試驗

加速壽命試驗是實驗室的一種實驗方式，通過在實驗室模擬智能電能表現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境，包括光照、溫度、濕度、電磁輻射、淋雨、腐蝕、沙塵等條件，通過調(diào)節(jié)模擬儀器增強(qiáng)試驗環(huán)境，加速智能電能表的運(yùn)行失效進(jìn)程，從而加速智能電能表壽命周期。通過試驗獲得實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，最終得到智能電能表的使用壽命-可靠性曲線。在智能電能表現(xiàn)場運(yùn)行過程中，影響其壽命最為主要的為溫度、濕度。因此通常情況下可以選用這兩種條件作為加速應(yīng)力，通過改變智能電能表運(yùn)行中的溫度、濕度使其出現(xiàn)加速失效狀態(tài)，在較短的時間內(nèi)對智能電能表的壽命周期進(jìn)行驗證。

在室內(nèi)安裝的電能表，影響其使用壽命的主要因素為溫度，使用 Arrhhenius加速模型：

（7）

上式中：AF為智能電能表加速失效因子;tu為智能電能表現(xiàn)場運(yùn)行中兩次失效時間間隔;ts為智能電能表在實驗室加速壽命試驗下的試驗時間;EA為活化能，一般選 0.6EV;K為 Boltzmann常數(shù)，8.617×10-5EV/K;Tu為智能電能表現(xiàn)場運(yùn)行下的平均溫度;Ts為電能表實驗室加速壽命試驗下的平均溫度[2]。

2.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

隨著電網(wǎng)的智能化水平的提高，我國電網(wǎng)已基本實現(xiàn)全采集全覆蓋，智能電能表的運(yùn)行狀態(tài)可以通過采集終端采集回主站，因此智能電能表的現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計變得更加方便。通過對采集回的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，利用大數(shù)據(jù)的概念，通過數(shù)學(xué)建模對電能表投運(yùn)時間、運(yùn)行狀況、失效時間、壽命歷史等數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，從而得到電能表的壽命可靠性關(guān)系曲線。該方法可以得到所有在線運(yùn)行的表計數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)收集具有數(shù)據(jù)量大、采集方便的優(yōu)勢，但是采集周期相較長、數(shù)據(jù)相對滯后。

2.3 可靠性預(yù)計

智能電能表可靠性預(yù)計，該方法是利用智能電能表的元件的可靠性數(shù)據(jù)模型來進(jìn)行數(shù)據(jù)計算得到電能表運(yùn)行中的正常運(yùn)行時間的概率，從而得到其可靠性程度。智能電能表可靠性預(yù)計常用的方法有：元器件應(yīng)力法、元器件計數(shù)法、評分預(yù)計法、失效物理分析法、蒙特卡洛法、可靠性框圖法、相似預(yù)計法、上下限法等[3]，本文以元器件應(yīng)力計數(shù)法為例進(jìn)行電能表可靠性數(shù)據(jù)分析。

假定總失效率由σs表示; 第i個單元第j個元器件的工作失效率由σPij表示; 電能表劃分的電路單元數(shù)由N表示; 第i個單元的元器件總數(shù)由Mi表示;λs對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差由σs表示; λPij對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差由σPij表示，根據(jù)元器件應(yīng)力法可以獲得智能電能表的可靠性數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)表達(dá)式可表示為：

（8）

（9）

在5.5P %置信上限的失效率計算中，智能電能表的元器件失效率服從γ分布，其形狀參數(shù)κ和范圍參數(shù)θ數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

（10）

（11）

假定置信上限為UCL，通過采用γ累計分布函數(shù)的反函數(shù)G-1計算P% UCL失效率，其表達(dá)式可表示為：

（12）

智能電電表是由多個元器件構(gòu)成，因此其使用壽命也同樣由元器件的使用壽命決定著，猶如木桶效應(yīng)一樣，智能電能表的使用壽命是由其使用壽命最短的元器件決定。目前組成電能表的元器件如：電阻、計量芯片、電容等使用壽命往往已經(jīng)超過10年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前智能電能表的正常使用壽命，但是液晶顯示屏已經(jīng)沒有達(dá)到該使用壽命。因此，提高智能電能表的使用壽命需要從使用壽命最短的元器件入手。

3 結(jié)束語

智能電能表的可靠性運(yùn)行是保證廣大用電客戶切身利益的基礎(chǔ)，為了提高電能表運(yùn)行的可靠性，需要建立起完善的質(zhì)量監(jiān)督體系、通過對電能表運(yùn)行可靠性進(jìn)行評估，提高電能表使用壽命。本文對電能表可靠性評價指標(biāo)以及分析方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，對電能表可靠性評估具有重要價值。隨著我國電網(wǎng)的智能化發(fā)展，智能電能表已經(jīng)做到了全面覆蓋，因此對智能電能表可靠性的研究有著非常廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)：

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