鹽霧氣候下智能電能表更換方法研究

國網(wǎng)浙江省電力有限公司舟山供電公司 宋鳳偉 魯舟斌 王賢雷 賀琦富 周夏語

智能電能表作為智能電網(wǎng)最為重要的智能測量設(shè)備之一，實現(xiàn)了用戶和供電公司之間真正的雙向通信和信息互享，并支持付費模式可變、支持微型分布式發(fā)電等功能。隨著智能電能表數(shù)量不斷增加，其計量問題也隨之增多。一些運行于沿海、高原等環(huán)境下的智能電能表，有可能因其性能在特定環(huán)境下的快速衰退而導(dǎo)致計量準(zhǔn)確度下降。同時由于缺乏智能電能表性能動態(tài)評價機制，目前常采取定期批量更換的運行維護(hù)策略，造成了人力、物力浪費。

為了研究環(huán)境因素對于智能電能表性能演變規(guī)律的影響，指導(dǎo)實際生產(chǎn)運維，眾多學(xué)者開展了智能電能表性能退化的研究并已取得較多的成果。文獻(xiàn)[1]對智能電能表外圍采樣電路、采樣信號在計量芯片中各個環(huán)節(jié)的處理過程進(jìn)行了定量分析，確認(rèn)了智能電能表性能衰退主要是由于計量芯片在嚴(yán)重過負(fù)荷工況下的數(shù)據(jù)溢出所致。文獻(xiàn)[2]利用Peck加速模型進(jìn)行智能電能表加速壽命試驗，研究了基于溫濕度應(yīng)力回歸分析的智能電能表性能退化。文獻(xiàn)[3]針對溫度、濕度及電應(yīng)力參數(shù)，基于廣義多應(yīng)力加速模型研究并確定了智能電表的壽命分布規(guī)律，建立了基于對數(shù)線性回歸模型的多應(yīng)力退化模型。文獻(xiàn)[4]通過失效機理分析提煉了電能表關(guān)鍵參數(shù)（溫度、濕度、電應(yīng)力、振動和磁場），然后通過加速壽命試驗，并對退化軌跡建模及多應(yīng)力加速模型開展研究，綜合評估了智能電表可靠性和壽命水平。

對于沿海地區(qū)使用的智能電能表，鹽霧濃度是影響智能電能表性能衰退規(guī)律的不可忽略的一個重要的環(huán)境因素。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，浙江、福建、江蘇等高鹽霧氣候的沿海區(qū)域的電能表故障率相對我國其他區(qū)域更高。然而，針對于高鹽霧氣候的沿海區(qū)域的智能電能表性能衰退的研究較少，尚缺乏針對性的運維、更換方案。因此，需要在綜合考慮電能表的特定運行環(huán)境下，對智能電能表性能衰退規(guī)律進(jìn)行深入研究，為智能電能表性能的動態(tài)評估及預(yù)測提供重要參考和依據(jù)。

本文結(jié)合智能電能表狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果對壽命函數(shù)進(jìn)行修正，最終本著提高智能電能表運行經(jīng)濟(jì)性和安全性原則，提出智能電能表針對性的更換方案。

1 實驗設(shè)計

鹽霧環(huán)境模擬：智能電能表在鹽霧環(huán)境下的老化試驗可采用大型鹽霧試驗箱進(jìn)行，并按照ASTM D1141-2013標(biāo)準(zhǔn)配置鹽霧實驗中所用的人工海水溶液，利用所配制的人造海水配制不同人造海水濃度的溶液，作為接下來的鹽霧溶液。

加速試驗：智能電能表在鹽霧環(huán)境下開展老化試驗的線路如圖1，整個試驗測試線路由鹽霧控制箱、智能電能表、電能表校驗儀、交流電源、負(fù)載電阻、開關(guān)及保險絲組成。在智能電能表投入使用前，抽取一定數(shù)量的智能電能表開展鹽霧老化試驗。在鹽霧老化試驗過程中，將智能電能表置于鹽霧箱中，通過控制鹽霧用溶液中的人造海水濃度以及鹽霧沉降率，控制鹽沉積量(C)，同時控制試驗溫度(T)，在老化時間(t)時對參與實驗的智能電能表的計量誤差(Δ)進(jìn)行測試，當(dāng)計量誤差(Δ)達(dá)到計量誤差可接受值(Δy)時，認(rèn)為智能電能表達(dá)到壽命上限(l)。通過改變老化試驗參數(shù)，可獲得多個鹽霧濃度環(huán)境下的智能電能表壽命函數(shù)。

圖1 鹽霧老化試驗中智能電能表測試線路

2 結(jié)果分析

2.1 鹽霧老化加速模型

本文選取智能電表計量誤差作為其性能退化敏感參數(shù)，通過設(shè)置一定的閾值來估計電表的失效時間，即使用壽命或更換時間。通過高鹽霧濃度下的性能衰退/壽命特征去外推實際鹽霧環(huán)境下的性能演變/壽命規(guī)律，其關(guān)鍵在于建立性能衰退/壽命特征與鹽霧濃度之間的關(guān)系，并借用該關(guān)系實現(xiàn)外推，即需要建立老化試驗參數(shù)與智能電表壽命特征之間的數(shù)學(xué)模型[5]。

常用的加速壽命模型包括Arrhenius模型、Eyring模型和Peck模型等，本文使用常用的廣義加速壽命模型為例，在加速老化試驗中，智能電能表的壽命函數(shù)l(X)及計量誤差函數(shù)(Δ(Y))可表示為：以溫度(T)及鹽沉積量(C)為變參數(shù)的情況下，上式可表示為：l(X)=exp (a0+a1T+a2C)，Δ(Y)=exp (b0+b1T+b2C+b3t)。利用加速試驗獲得高應(yīng)力條件下的壽命數(shù)據(jù)，若能獲得a0～a2和b0～b3的取值，再根據(jù)智能電表的壽命分布規(guī)律即可外推獲得特定鹽霧濃度下的壽命預(yù)估。

在健康監(jiān)測以及可靠性分析領(lǐng)域，尤其是電子產(chǎn)品壽命預(yù)測方面，應(yīng)用最廣泛的是指數(shù)分布、正態(tài)分布以及Weibull分布[6]，其中，當(dāng)尺度參數(shù)η=1時Weibull分布退化為指數(shù)分布，而正態(tài)分布與Weibull分布也是可以相互轉(zhuǎn)化的。因此，本文假設(shè)智能電能表老化壽命及計量誤差分布同樣符合Weibull分布，其故障概率密度函數(shù)及可靠度函數(shù)分別為其中η為尺度參數(shù)，β為形狀參數(shù)，t為時間。

因此，依據(jù)Weibull分布特點，將多次老化試驗結(jié)果數(shù)據(jù)代入，可獲得壽命函數(shù)及計量誤差函數(shù)的通用表達(dá)式。

2.2 實際鹽霧環(huán)境中智能電能表的更換策略

對于某一特定鹽霧環(huán)境下運行的智能電能表，可首先測得該環(huán)境中的鹽沉積量(C)，然后將溫度及鹽沉積量參數(shù)代入壽命函數(shù)及計量誤差函數(shù)，可計算得到對應(yīng)的壽命(l(X))以及計量誤差隨時間的變化函數(shù)(Δ(t))，如果給定一個計量誤差Δ，也可以通過Δ(t)計算得到對應(yīng)的時間tΔ。

假定某一特定鹽霧環(huán)境下，智能電能表運行時間為tx時，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的智能電能表的計量誤差為Δ，那么該智能電能表的剩余壽命(L(X))可表示為：

那么在運行了時間tx之后，該智能電能表可繼續(xù)運行的時間（距離更換該智能電能表的時間）tc為：

因此，在保證經(jīng)濟(jì)性與安全性的前提下，對于已運行了時間tx、計量誤差為Δ的智能電能表，其更換時間可分以下三種情況進(jìn)行區(qū)別對待：若計量誤差(Δ)達(dá)到或超過可接受的計量誤差限(Δy)，則應(yīng)立即更換智能電能表；若計量誤差(Δ)小于老化試驗所得到的計量誤差函數(shù)Δ(Y)，則按照預(yù)測的壽命(l(X))進(jìn)行更換，距離更換的時間為l(X)-tx；若計量誤差(Δ)大于老化試驗所得到的計量誤差函數(shù)Δ(Y)、但是小于可接受的計量誤差限(Δy)，則將預(yù)測壽命修正為l(X)-tΔ，距離更換的時間為l(X)-tΔ-tx。