基于GJB/Z 299C的智能電能表計量單元可靠性預計

黃友朋 路韜 黨三磊 陳亮

摘 要：為提高國產(chǎn)智能電能表可靠性，提出在智能電能表設計階段進行可靠性預計，以計量單元為例，依據(jù)GJB/Z299C，給出了詳細的可靠性預計方法。根據(jù)設計電路原理圖，進行集成電路/元器件歸類;再根據(jù)集成電路/元器件類別，基于GJB/Z299C，設計相應的可靠性信息表;結合工程應用與可靠性信息表，計算出各集成電路/元器件的失效率;最終得到計量單元的失效率。實踐結果表明，該方法具有可行性及推廣價值。

關鍵詞：智能電能表; 可靠性預計;計量單元; GJB/Z 299C

DOI：10.15938/j.jhust.2021.06.014

中圖分類號： TM933.4

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2021）06-0104-08

Reliability Prediction of the Measurement Unit

for Smart Meter Based on GJB/Z 299C

HUANG You-peng， LU Tao， DANG San-lei， CHEN Liang

（Power Measurement Center， Guangdong Power Grid Co. LTD， Guangzhou， 510001， China）

Abstract：To improve the reliability of domestic smart meter， the reliability prediction is needed during the design phase of smart meter. For the measurement unit， the reliability prediction method is given on GJB/Z299C. The integrated circuits or electronic components are grouped according to the circuit diagram designed. The corresponding reliability information diagram is designed on the categories and GJB/Z299C. The failure rate of each component can be calculated by combining engineering application with reliability information diagrams. Finally， the failure rate of measurement unit can be deduced. The practice results show that the method is feasible and is worth applying widely.

Keywords：smart meter; reliability prediction; measurement unit; GJB/Z 299C

0 引 言

電力行業(yè)是國民經(jīng)濟的第一基礎產(chǎn)業(yè)，是關系國計民生的一項重要的公用事業(yè)。為滿足經(jīng)濟增長、社會進步及生活需求，世界各國都在加快建設及完善智能電網(wǎng)。建設智能電網(wǎng)已然成為世界各國推動綠色經(jīng)濟發(fā)展、提高能源及資源利用率、應對環(huán)境變化的主要手段，其安全、經(jīng)濟、可靠地運行，是經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要保障[1]。智能電能表作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，是實現(xiàn)智能電網(wǎng)數(shù)字化、互動化、自動化、信息化的有力保障[2]，而智能電能表能夠進行準確無誤地計量是基本前提。截至2017年，國家電網(wǎng)智能電表覆蓋率達到99.03%，累計采集4.47億戶[3-4]。隨著智能電能表的應用普及，故障凸顯[5]。對于智能電能表來說，一旦發(fā)生故障，輕則影響用戶利益及企業(yè)形象，重則影響用戶的用電安全及電網(wǎng)的運行安全[6-7]。因此，智能電能表的可靠性問題引起了生產(chǎn)廠家及用戶的廣泛關注[8]。

智能電能表的工作環(huán)境、用戶類別均影響智能電能表計量單元的可靠性[9]。近年來，眾多研究人員對智能電能表可靠性試驗方法進行研究與展望[10-15]。文[16-19]采用元器件應力法對智能電能表進行了可靠性研究與分析;文[20]通過建立智能電能表故障樹的方法，對智能電能表進行了可靠性研究與探索;文[21]綜合運用GJB/Z 299C與IEC62059，設計了電能表可靠性預計系統(tǒng);對評估智能電能表可靠性具有一定的指導意義。文[22]針對企業(yè)收集數(shù)據(jù)不足等問題，研究了智能電能表現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理方法。文[23]從現(xiàn)場校驗角度研究了智能電能表可靠性，側重討論了智能電能表的輪換方案。文[24-26]對現(xiàn)有的電子產(chǎn)品可靠性預計手冊GJB/Z 299C、SN29500、IEC62380、SR-332及MIL-HDBK-217F進行了比較分析;文[27]對智能電能表關鍵元器件進行可靠性預計;但未進行單元或系統(tǒng)的可靠性研究。但是關于智能電能表計量單元可靠性研究文獻較為鮮見。

基于以上，本文依據(jù)GJB/Z 299C[28]，以智能電能表計量單元為研究對象，進行可靠性預計，并給出基于GJB/Z 299C智能電能表計量單元可靠性預計的詳細方案。這種基于GJB/Z 299C的可靠性預計方法可推廣至其他單元或者系統(tǒng)。

1 基于GJB/Z 299C的可靠性預計方法

GJB/Z 299C-2006為中華人民共和國國家軍用標準《電子設備可靠性預計手冊》（以下簡稱為GJB/Z 299C），用其進行單元可靠性預計時，主要過程如下：

1）對單元電路原理圖中的電子元器件進行統(tǒng)計、歸類，列出相應表格;

2）根據(jù)工程經(jīng)驗，對歸類后的電子元器件，設計出相應的可靠性信息表;

3）根據(jù)電子元器件可靠性信息表，計算/推斷出該元器件的可靠性信息;

4）根據(jù)元器件的可靠性信息，計算出單元的可靠性信息。

2 智能電能表計量單元可靠性預計

某公司生產(chǎn)的某型號單相費控智能電能表主要參數(shù)如表1所示。

2.1 計量單元電路

單相費控智能電能表計量單元電路原理圖如圖1所示。

由圖1，歸納智能電能表計量單元電路元器件型號和數(shù)量，如表2所示。

2.2 元器件可靠性預計

由圖1及表1可知，計量單元電路主要包括片集成電路、晶振、貼片電阻、貼片電容及貼片光耦。

由于篇幅所限，本文僅給出了以上集成電路及電子元器件的可靠性信息輸入表及復雜參數(shù)獲取方式，其他相關信息參照GJB/Z 299C，本文將給出詳細參考信息。為簡化表格，考慮智能電能表各構成單元工作環(huán)境相同，將環(huán)境系數(shù)信息單列于表3。

2.2.1 片集成電路可靠性預計

由GJB/Z 299C，可知片集成電路工作失效率為

λP=λbπQπEπLπFπT（1）

式中：λb為基本失效率;πQ為質量系數(shù);πE為環(huán)境系數(shù);πL為成熟系數(shù);πF為電路功能系數(shù);πT為溫度應力系數(shù)。

結合工程實際和式（1），設計片集成電路可靠性信息表，見表4。

單片集成電路外貼元件失效率為GJB/Z 299C表5.2.2-1計算出的工作失效率。計算時，TC=35℃;πE=1;C3=0;πL=1，質量等級及πQ值見GJB/Z 299C表5.2.2-1。

二極管（）;晶體管（）;電位器（）;電容器（）;電阻器（）;感性元件（）具體類型見GJB/Z 299C表5.2.3-7。

πQA1（）;A2（）;A3（）;A4（）;A5（）;A6（）;B1（）;B2（）;C（）詳見GJB/Z 299C表5.2.3-2。

πL符合相應的標準或技術條件，已穩(wěn)定生產(chǎn)的產(chǎn)品（）;質量尚未穩(wěn)定的產(chǎn)品（）;試制品或新投產(chǎn)的初批次產(chǎn)品;設計或工藝上有重大變更;長期中斷生產(chǎn)或生產(chǎn)線有重大變化（）

πT若僅知電路封裝底座溫度，℃（）;若已知電路封裝內(nèi)的最高溫度，℃（）

πF數(shù)字（）;高頻（10MHz～1GHz）（）;微波（>1GHz）（）;模擬（）;功率（）

基本失效率λb的模型為

λb=ASλC+λRTNRT+∑λDCNDC+λSF……（2）

式中：λC為網(wǎng)絡復雜度失效率，可通過查GJB/Z299C表5.2.3-5獲得;AS為襯底面積，cm2;NRT為膜電阻數(shù);λRT為膜電阻失效率，可通過查GJB/Z299C表5.2.3-6獲得?！痞薉CNDC為外貼元器件失效率的和。λDC可通過查GJB/Z299C表5.2.3-7獲得。NDC為外貼某一種類元器件數(shù);λSF為工藝和封裝失效率，可通過查GJB/Z299C表5.2.3-8獲得。

環(huán)境系數(shù)πE可根據(jù)表3，通過查GJB/Z 299C表5.2.3-1獲得。質量系數(shù)πQ可通過查GJB/Z 299C表5.2.3-2獲得。成熟系數(shù)πL可通過查GJB/Z 299C表5.2.2-4獲得。溫度應力系數(shù)πT可通過查GJB/Z 299C表5.2.3-3獲得。電路功能系數(shù)πF可通過查GJB/Z 299C表5.2.3-4獲得。

2.2.2 晶振可靠性預計

晶振工作失效率預計模型為

λP=λbπEπQ（3）

式中：λb=0.35×10-6/h;質量系數(shù)πQ分為5個等級，可通過查GJB/Z 299C表5.15.2-2獲得;環(huán)境系數(shù)πE可根據(jù)表3，通過查GJB/Z 299C表5.15.2-1獲得。

晶振可靠性信息輸入表較為簡單，限于本文篇幅，故略去。

2.2.3 貼片電阻可靠性預計

貼片電阻工作失效率預計模型為

λP=λbπEπQπR（4）

式中：λb=0.007×10-6/h;πR為阻值系數(shù)。

環(huán)境系數(shù)πE可根據(jù)表3，通過查GJB/Z 299C表5.5.11-1獲得。質量系數(shù)πQ分為4個等級，可通過查GJB/Z 299C表5.5.11-2獲得。阻值系數(shù)πR分為3個區(qū)間，可通過查GJB/Z 299C表5.5.11-3獲得。（貼片電阻可靠性信息輸入表較為簡單，限于本文篇幅，故略去。）

2.2.4 貼片電容可靠性預計

貼片電容工作失效率預計模型為

λP=λbπEπQπCVπKπch（5）

式中：πCV為電容量系數(shù);πK為種類系數(shù);πch為表明貼裝系數(shù)。

基本失效率λb可通過查GJB/Z 299C表5.7.2-1～表5.7.2-3及圖5.7.2-1～圖5.7.2-3獲得。環(huán)境系數(shù)πE可根據(jù)表3，通過查GJB/Z 299C表5.7.2-4獲得。質量系數(shù)πQ可通過查GJB/Z 299C表5.7.2-5獲得。種類系數(shù)πK可通過查GJB/Z 299C表5.7.2-7獲得。表面貼裝系數(shù)πch可通過查GJB/Z 299C表5.7.1-1獲得。

貼片電容可靠性數(shù)據(jù)信息如表5所示。

1（1）符合GJB972A，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的S級產(chǎn)品（2）符合GJB732-1989、GJB1214-1991，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的B級產(chǎn)品符合GJB972-1900，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目（QPL）的B級產(chǎn)品是否

2（1）符合GJB972A，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的R級產(chǎn)品（2）符合GJB732-1989、GJB1214-1991，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的Q級產(chǎn)品符合GJB972-1900，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的Q級產(chǎn)品是否

3（1）符合GJB972A，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的P級產(chǎn)品（2）符合GJB732-1989、GJB1214-1991，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的L級產(chǎn)品符合GJB972-1900，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的L級產(chǎn)品是否

4（1）符合GJB972A，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的M級產(chǎn)品（2）符合GJB732-1989、GJB1214-1991，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的W級產(chǎn)品符合GJB972-1900，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的W級產(chǎn)品是否

πCVC≤10pF（）;10pF<C≤470pF（）;470pF<C≤0.0047μF（）;0.0047μF<C≤0.047μF（）;0.047μF<C≤0.22μF（）;0.22μF<C≤1μF（）;1μF<C≤3.3μF（）;C>3.3μF（）

πK聚苯乙烯，聚四氟乙烯，聚碳酸酯（）;滌綸，聚丙乙烯等有機膜，紙-膜符合介質（）;紙介，金屬化紙介（）

πch片式（）;有引線（包含有引線SMT，通孔式）（）

2.2.5 貼片光耦可靠性預計

貼片光耦工作失效率預計模型為

λP=λbπEπQπTπK（6）

環(huán)境系數(shù)πE可根據(jù)表3，通過查GJB/Z 299C表5.3.12-1獲得。質量系數(shù)πQ可通過查GJB/Z 299C表5.3.12-2獲得。溫度應力系數(shù)πT可通過查GJB/Z 299C表5.3.12-3獲得。種類系數(shù)πK可通過查GJB/Z 299C表5.3.12-4獲得。

貼片光耦可靠性數(shù)據(jù)信息如表6所示。

A1符合GJB33A，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的JY級產(chǎn)品————是否

A2符合GJB33A，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的JCT級產(chǎn)品符合GJB33-1985，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的GCT級產(chǎn)品是否

A3符合GJB33A，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的JT級產(chǎn)品符合GJB33-1985且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的GT級產(chǎn)品是否

A4符合GJB33A，且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的JP級產(chǎn)品（1）符合GJB33-1985且列入軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄（QPL）的GP級產(chǎn)品（2）按QZJ840611A “七專”技術條件組織生產(chǎn)的產(chǎn)品是否

B1（1）符合GB/T4589.1，且經(jīng)中國電子元器件質量認證委員會認證合格的II類產(chǎn)品（2）符合GB/T4589.1的III類產(chǎn)品按QZJ840611、QZJ840612 “七?！奔夹g條件組織生產(chǎn)的產(chǎn)品是否

B2（1）按軍用標準的篩選要求進行篩選的B2質量等級（2）符合GB/T4589.1的II類產(chǎn)品按“七九〇五”七專質量控制技術協(xié)議組織生產(chǎn)的產(chǎn)品是否

A1符合GB/T4589.1的I類產(chǎn)品符合*SJ614的產(chǎn)品是否

C低檔產(chǎn)品是否

πT發(fā)光二極管、紅外發(fā)光二極管、光敏二極管（）;光敏三極管、光電耦合器、數(shù)碼管（）

工作環(huán)境溫度，℃數(shù)值：

πK發(fā)光二極管（）;紅外發(fā)光二極管（）;光敏二極管（）;光敏三極管（）;簡單式光電耦合器（）;復合式光電耦合器（）;單位數(shù)碼管（）;多位數(shù)碼管（）

3 工程應用實例

某智能電能表測量單元如圖1所示，電子元器件清單見表2。在工程應用時，根據(jù)需求，在表格中相應位置打“√”即可，因為篇幅所限，僅給出了打“√”項。工作環(huán)境為一般地面固定，產(chǎn)品質量等級為“七?！?。

1）集成電路8205C失效率

集成電路8205C可靠性信息見表7。由GJB/Z 299C表5.2.3-5、GJB/Z 299C表5.2.3-8及式（2），可計算出λb=0.084×10-6/h。

由表3、表6、GJB/Z 299C表5.2.3-1、GJB/Z 299C表5.2.3-2、GJB/Z 299C表5.2.2-4、GJB/Z 299C表5.2.3-3、GJB/Z 299C表5.2.3-4及式（1），可得集成電路8205C失效率λp1為

λp1=0.201×10-6/h

2）晶振失效率

由表3GJB/Z 299C表5.15.2-1、GJB/Z 299C表5.15.2-2及式（3），可得晶振的失效率λp2為

λp2=0.184×10-6/h

3）貼片電阻失效率

由表3GJB/Z 299C表5.5.11-1、GJB/Z 299C表5.5.11-2、GJB/Z 299C表5.5.11-3及式（4），計算出貼片電阻失效率分別為

λp3=λp4=λp5=λp6=λp7=0.01344×10-6/h

λp8=λp9=…λp24=0.0084×10-6/h

4）貼片電容失效率

假定工作電壓分別為5V、3V，工作環(huán)境溫度均為40℃，額定溫度均為100℃。由表3、表7、GJB/Z 299C表5.7.2-1～表5.7.2-3、圖5.7.2-1～圖5.7.2-3、GJB/Z 299C表5.7.2-4、GJB/Z 299C表5.7.2-5、GJB/Z 299C表5.7.2-7、GJB/Z 299C表5.7.1-1及式（5），計算出貼片電容失效率分別為

λp25=λp26=0.005138×10-6/h

λp27=λp28=λp29=0.002408×10-6/h

λp30=λp31=…=λp35=0.004175×10-6/h

λp36=0.007707×10-6/h

5）貼片光耦失效率

由表3、表6、GJB/Z 299C表5.3.12-1、GJB/Z 299C表5.3.12-2、GJB/Z 299C表5.3.12-3、GJB/Z 299C表5.3.12-4及式（6），貼片光耦失效率為

λp37=0.08834×10-6/h

6）計量單元失效率

綜上，計量單元總失效率為

λP=λp1+λp2+…+λp37=0.707847×10-6/h

考慮電子產(chǎn)品壽命多服從指數(shù)分布，則計量單元的平均壽命為

MTBF=1λp=1.4127×106h

可靠度函數(shù)為

R（t）=e-λpt

隨時間變化，計量單元可靠度變化趨勢如圖2所示。

由圖可知，智能電能表運行10年，計量單元可靠度為0.9399;運行20年，其可靠度為0.883367。完全滿足設計與使用規(guī)范。

4 結 論

為提高智能電能表計量單元可靠性，在智能電能表設計階段，基于GJB/Z 299C對其計量單元進行可靠性預計。

該方法依據(jù)計量單元設計原理圖，對每個集成電路/電子元器件進行可靠性預計，經(jīng)運算得到計量單元的可靠性信息，其結果可用于檢驗設計是否符合使用壽命要求，對提高計量單元及智能電能表可靠性具有重要意義。

依據(jù)該方法可進行智能電能表可靠性分配，為集成電路/元器件選取提供依據(jù)。

該方法經(jīng)企業(yè)試行，并取得較好效果，且可推廣至其它單元或系統(tǒng)。

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（編輯：溫澤宇）

收稿日期： 2020-09-03

基金項目： 廣東電網(wǎng)公司科技項目（GDKJXM20185871）; 國家自然科學基金（61179023）;黑龍江省自然科學基金（QC2016068）.

作者簡介：

黃友朋（1987—），男，高級工程師;

黨三磊（1982—），男，碩士，教授級高級工程師.

通信作者：

路 韜（1993—），男，碩士，工程師，E-mail：1159818989@qq.com.

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