基于加速壽命試驗的拆回智能電能表剩余壽命預測

周文斌，解進軍，段大鵬，劉士峰，靳陽，趙磊，程鵬申

（國網北京市電力公司電力科學研究院，北京 1001621）

引言

隨著智能電能表安裝數(shù)量逐年增加，智能電能表的可靠性問題日益突出[1-3]。智能電能表投運后，由于工作環(huán)境及運行時間的影響，構成智能電能表的基礎元器件的可靠性會逐漸降低[4,5]，使得智能電能表的系統(tǒng)可靠性降低，這將影響智能電能表計量的準確性[6-8]。為了解決這一問題，電力部門會對運行期間出現(xiàn)故障的智能電能表進行維修或替換[9,10]，對于服役期內未出現(xiàn)故障的智能電能表，根據(jù)其設計階段的平均壽命進行定期輪換，這使得有些滿足運行要求的智能電能表被迫輪換，增加了電力部門采購成本，給國家和社會帶來了巨大資源浪費。

為貫徹國家電網有限公司計量資產集約化等要求，實施拆回智能電能表維修充分利用的原則，挑選出仍有利舊價值的拆回電能表評估后再利用，可大幅降低智能電能表購置數(shù)量，減少電子垃圾，實現(xiàn)企業(yè)資源的最優(yōu)配置，同時滿足新舊動能轉換、營商環(huán)境改造等重點改造要求。因此如何科學、準確地預測拆回智能電能表的剩余壽命是一個亟待解決的難點問題。

在智能電能表壽命預測中，對設備的平均壽命預測方法較多，而對智能電能表剩余壽命的預測研究較少。文獻[11]采用分層抽樣的方法，對寒冷地區(qū)和濕熱地區(qū)運行的智能電能表進行剩余壽命預測；文獻[12]基于聚類理論，將智能電能表運行環(huán)境進行分類，結合環(huán)境特征，建立了智能電能表剩余壽命評估模型，以上2篇文獻均利用加速壽命試驗的方法確定weibull分布參數(shù)，試驗周期長、工作量較大。文獻[13]綜合基于weibull分布，建立了智能電能表剩余壽命預測模型，利用遺傳算法求出weibull分布參數(shù)，可定量分析智能電能表在一定使用年限下的剩余壽命；文獻[14]針對運行一段時間的智能電能表，基于加速退化試數(shù)據(jù)，建立了智能電能表的剩余壽命預測模型；在文獻[14]的基礎上，文獻[15]綜合運用Bayes理論與粒子濾波算法，充分利用退化試驗及外場運行的退化試驗數(shù)據(jù)，對智能電能表進行運行剩余壽命預測，相較文獻[14]，結果更加精確。以上文獻雖然對運行一段時間的智能電能表剩余壽命進行預測，但均未涉及已經完成服役期限的拆回智能電能表的剩余壽命預測問題。

基于以上，以完成服役期的拆回智能電能表為研究對象，提出一種適用于拆回智能電能表的剩余壽命預測方案。首先，研究拆回智能電能表分揀方案，對拆回智能電能表進行分揀、校驗；再設計加速壽命試驗方案，對滿足加速壽命試驗條件的拆回智能電能表進行加速壽命試驗；然后采用分組數(shù)據(jù)的方法對加速壽命試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

1 拆回智能電能表分揀方案

依據(jù)國家電網公司公布的《國家電網公司電能表拆回分揀管理辦法》[16]，設計拆回智能電能表分揀方案，主要包含拆回后智能電能表分選、分揀檢測及分揀處置分析三個業(yè)務環(huán)節(jié)。

智能電能表分選：智能電能表分選是指在分揀檢測前篩選出故障損壞不具備檢測條件的拆回電能表，并對具備檢測條件的拆回電能表，按照檢測需求，完成設備清潔、補上螺絲等分揀檢測前準備工作。

分揀檢測：分揀檢測指應用電能表分揀裝置對具備上電檢測條件的拆回電能表開展標準化的檢測試驗。

分揀處置分析：分揀處置分析指綜合考慮拆回電能表分揀檢測結果、拆回后檢定情況、報廢處置要求、與供應商協(xié)商的處置方式等，分析確認拆回電能表分揀后的處置方式。

其中，對于分揀合格、外觀清潔完整且無電池失壓、時鐘超差等風險的拆回電能表，分揀后為待校驗狀態(tài)，經裝用前檢定合格后進行加速壽命預測。

2 拆回電能表加速壽命試驗方案

試驗前檢測試驗樣本所有功能，對滿足加速壽命試驗條件的智能電能表進行抽樣[17-19]，樣本數(shù)不小于5 %，并對抽樣智能電能表進行編號，試驗過程中實時監(jiān)測智能電能表計量精度，并記錄。

試驗環(huán)境溫度為75 ℃，濕度為85 %，依據(jù)JJG596-2012《電子式交流電能表》，電壓為Un，電流為Ib，功率因數(shù)分別為1.0、0.5 L。功率因數(shù)取1.0，負載電流分別Imax、0.5(Imax-Ib)、Ib、0.1Ib、0.5Ib，獲得智能電能表的5組誤差數(shù)據(jù)；功率因數(shù)取0.5L，負載電流分別Imax、0.5(Imax-Ib)、Ib、0.1Ib、0.5Ib，獲得智能電能表的5組誤差數(shù)據(jù)，將獲得的誤差數(shù)據(jù)與標準表進行對比，超差判定為失效。

每隔24 h記錄一次，發(fā)現(xiàn)失效即停止該表試驗。

3 加速壽命試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

隨機選取n臺滿足加速壽命試驗的拆回智能電能表進行加速壽命試驗，假設：

1）設參與加速壽命試驗的拆回智能電表為新表；

2）設拆回智能電表剩余壽命服從單參數(shù)指數(shù)分布；

3）在時間t1,t2,… ,tk時進行觀測，并在tk時停止試驗；

5）拆回智能電能表失效時間落入（ti,ti+1）中的數(shù)量為fi，i=1,2,… ,k；

表1 試驗數(shù)據(jù)表

因為拆回智能電能表剩余壽命服從指數(shù)分布，分布函數(shù)為F(t) =1 -e-λt。

則一臺拆回智能電能表在測試時間間隔(ti,ti+1)內的失效概率為

fi臺拆回智能電能表在測試時間間隔(ti,ti+1)內的失效概率[20]為

n-f臺拆回智能電能表到kt時未失效的概率為

似然函數(shù)為

式中：

c—常數(shù)。

對式（4）取對數(shù)并求導，似然方程為

則式（5）可改寫為

化簡得

拆回智能電能表平均壽命θ的點估計為

平均壽命θ的1-α置信下限為

式中：

即可得出智能電能表在環(huán)境溫度為75 ℃、濕度為85 %時的評價壽命置信下限。

加速因子[14,15]可由下式計算

式中：

Ea—激活能(eV)；

k—玻爾茲曼常數(shù)；

T—絕對溫度；

RH—相對濕度；

n—常數(shù)。

由式（10），在高溫/高濕（溫度為75 ℃，濕度為85 %）環(huán)境下，加速老化時間1 h相當于室溫下智能電能表壽命為37.118 h。

至此，可推斷出室溫下拆回智能電能表的剩余壽命點估計為

平均壽命θ的1-α置信下限為

4 試驗結果與分析

對于分揀合格的拆回智能電能表，隨機抽取500臺，按本文第2節(jié)進行加速壽命試驗，獲得的試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 拆回智能電能表加速壽命試驗數(shù)據(jù)

由式（9），可得不同置信度下的平均壽命置信限如表3所示。

由表3，可得拆回智能電能表在室溫條件下，可再用5.3年以上。

表3 不同置信度下的平均壽命置信限

5 結語

設計了拆回智能電能表剩余壽命預測方案，且運用該方案對拆回智能電能表進行剩余壽命預測，結果較為理想，對拆回智能電能表的再利用具有一定的指導意義。

加速壽命試驗過程中發(fā)現(xiàn)拆回智能電能表存在超差、殼體變形、液晶屏模糊等問題，這些薄弱環(huán)節(jié)的發(fā)現(xiàn)，對提升智能電能表可靠性具有一定的借鑒意義。

加速壽命試驗方案采用24 h記錄一次智能電能表狀態(tài)，節(jié)約了時間和成本。

分組數(shù)據(jù)的采用，簡化了計算模型，提高了模型工作效率，便于工程應用。