基于FMEA 和HM 的智能電能表關(guān)鍵元器件認(rèn)定研究

梅能，肖霞，李若茜

( 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430300)

0 引言

我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)于2011 年全面開(kāi)啟，截至2020年底，全國(guó)范圍內(nèi)已基本實(shí)現(xiàn)智能電能表全覆蓋。智能電能表作為智能電網(wǎng)高級(jí)量測(cè)體系中最基本的構(gòu)成之一，是開(kāi)展用電量分析、負(fù)荷預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)源頭［1-2］，其可靠性對(duì)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義?；诖耍陙?lái)關(guān)于智能電能表可靠性的相關(guān)研究逐漸得到重視［3-5］。

一些理論分析和失效分析研究均表明，智能電能表中某些元器件的失效直接將導(dǎo)致智能電能表的故障。文獻(xiàn)［6］等結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)智能電能表黑屏故障進(jìn)行分析研究，利用故障樹(shù)模型分析發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致智能電能表黑屏最主要的原因是LCD 損壞、熱敏電阻選型不當(dāng)、電容擊穿等;文獻(xiàn)［7］等通過(guò)故障樹(shù)分析法確定了時(shí)鐘失準(zhǔn)的故障原因主要在于晶振、電池和時(shí)鐘芯片;文獻(xiàn)［8］對(duì)智能電能表時(shí)鐘電池欠壓故障進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電解電容和電阻是導(dǎo)致其故障的主要原因。

可靠性研究中，關(guān)鍵件和重要件的可靠性是保障產(chǎn)品可靠性的重要手段。關(guān)鍵件和重要件的認(rèn)定在軍工領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。文獻(xiàn)［9］通過(guò)危害性矩陣( Hazard Matrix，HM) 實(shí)現(xiàn)了對(duì)某軍機(jī)升降舵操作系統(tǒng)的關(guān)鍵器件的認(rèn)定，并基于此提出了相應(yīng)的可靠性提升措施，保證了軍機(jī)升降舵的調(diào)整片和軸承組件的可靠性;文獻(xiàn)［10］通過(guò)HM 法對(duì)某軍用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了關(guān)鍵部件的認(rèn)定，并進(jìn)行了故障機(jī)理分析，給出了維護(hù)建議，對(duì)提高該型軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性提供了有益指導(dǎo)。

上述研究對(duì)于關(guān)鍵件的認(rèn)定均采用HM 分析法，HM 利用FMEA 分析法得到所有潛在的故障模式、并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行危害性分析，通過(guò)分析所有故障模式的嚴(yán)酷度和故障概率，最終以危害性矩陣圖的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵件的認(rèn)定。

智能電能表作為電子產(chǎn)品，主要構(gòu)成為電子元器件，因此其關(guān)鍵件為電子元器件。文中針對(duì)智能電能表的特征，對(duì)構(gòu)成HM 的危害度和故障等級(jí)依據(jù)智能電能表的可靠性要求進(jìn)行定義，通過(guò)FMEA 方法確定智能電能表元器件的故障等級(jí)，并依據(jù)HM 認(rèn)定關(guān)鍵元器件。

1 智能電能表HM 構(gòu)建

危害性矩陣圖的分析對(duì)象是故障模式，它以故障模式嚴(yán)酷度作為橫軸，以故障模式發(fā)生概率等級(jí)作為縱軸［11-12］，形成危害性矩陣圖。確定橫軸和縱軸對(duì)應(yīng)指標(biāo)的定義方法是進(jìn)行HM 分析法的前提。

1.1 智能電能表嚴(yán)酷度定義方法

嚴(yán)酷度是故障模式可能造成的最嚴(yán)重影響的度量。已有研究中對(duì)軍工產(chǎn)品嚴(yán)酷度等級(jí)的定義通常從該故障模式造成的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境損害等角度衡量。而智能電能表作為電能計(jì)量器件，其故障不會(huì)危及人身安全和環(huán)境損壞。若參照對(duì)軍工產(chǎn)品的嚴(yán)酷度定義法來(lái)對(duì)智能電能表嚴(yán)酷度進(jìn)行定義，則嚴(yán)酷度評(píng)定結(jié)果肯定偏低。因此，需要結(jié)合智能電能表的可靠性要求給出專門的智能電能表嚴(yán)酷度定義表。

從智能電能表的可靠性要求出發(fā)，智能電能表首要功能是電能的計(jì)量，因此，將可能導(dǎo)致電能表計(jì)量功能喪失和整表無(wú)法正常工作的故障模式對(duì)應(yīng)的嚴(yán)酷度定義為I 級(jí); 故障后對(duì)智能電能表正常運(yùn)行造成較大影響，但其計(jì)量功能未喪失的故障模式嚴(yán)酷度定義為第II 級(jí); 故障后對(duì)智能電能表正常運(yùn)行影響較小或無(wú)故障的嚴(yán)酷度定義為第III 級(jí)。按照上述定義，文章給出的針對(duì)智能電能表的嚴(yán)酷度評(píng)定表如表1 所示。

其中將時(shí)鐘功能喪失列為I 級(jí)是由于時(shí)鐘信號(hào)是整表計(jì)量、通信的最基本信號(hào)，一旦喪失會(huì)導(dǎo)致整表無(wú)法正常工作;將顯示功能喪失列為第III 級(jí)是由于如今智能電能表采用自動(dòng)抄表、數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳的模式，用戶也可通過(guò)手機(jī)軟件實(shí)時(shí)查看用電情況，顯示功能喪失對(duì)電能表正常運(yùn)行無(wú)任何影響，故將其列為第III 級(jí)。

1.2 故障模式發(fā)生概率等級(jí)定義方法

故障模式發(fā)生概率等級(jí)是將故障模式按其發(fā)生概率進(jìn)行分級(jí)。按照標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z1391—2006 中給出的故障模式發(fā)生概率等級(jí)定義，如表2 所示。

表2 故障模式發(fā)生概率等級(jí)劃分表Tab.2 Probability of failure mode occurrence level table

其中故障模式發(fā)生概率分為A、B、C、D、E，具體的故障模式發(fā)生概率需要首先獲得智能電能表故障調(diào)研數(shù)據(jù)，然后在其基礎(chǔ)上進(jìn)行FMEA 分析得到每一種潛在的故障模式，最后通過(guò)危害性分析得到。

2 基于FMEA 的智能電能表元器件嚴(yán)酷度等級(jí)評(píng)定

2.1 FMEA 方法

FMEA 常用于電子器件的可靠性分析與安全評(píng)估，采用自下而上的分析方式，借助表格的形式來(lái)完成。常見(jiàn)的FMEA 表格如表3 所示。

表3 FMEA 表格形式Tab.3 FMEA formats

表3 中故障模式為對(duì)象可能的故障現(xiàn)象，對(duì)某一對(duì)象應(yīng)全面考慮其故障模式; 故障影響從三個(gè)層次分析;嚴(yán)酷度則以故障影響中的最終影響為嚴(yán)酷度的評(píng)定依據(jù)。

文章通過(guò)對(duì)智能電能表實(shí)際故障數(shù)據(jù)調(diào)研，明確智能電能表中易失效元器件，以智能電能表易失效元器件為分析對(duì)象，評(píng)定元器件的嚴(yán)酷度等級(jí)。

2.2 智能電能表故障數(shù)據(jù)調(diào)研

對(duì)國(guó)家電網(wǎng)在某省2018 年收集的共64.3 萬(wàn)條智能電能表故障信息進(jìn)行歸類與故障原因評(píng)估，具體故障數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 調(diào)研數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.4 Survey data results

由表4 可知，智能電能表的易失效元器件包括:鋰電池、時(shí)鐘芯片、晶振、負(fù)荷開(kāi)關(guān)、LCD 和驅(qū)動(dòng)芯片等16種。因此，選取這些元器件作為FMEA 分析對(duì)象。

2.3 FMEA 分析結(jié)果

對(duì)易失效元器件的故障模式、產(chǎn)生的故障影響以及對(duì)電能表形成的嚴(yán)酷度等級(jí)進(jìn)行分析，并形成FMEA表格。嚴(yán)酷度等級(jí)按照表1 定義來(lái)確定。由于篇幅限制，僅給出鋰電池、計(jì)量芯片和LCD 的FMEA 分析結(jié)果，如表5 所示。

表5 鋰電池、計(jì)量芯片和LCD 的FMEA 分析表格Tab.5 Table of FMEA analysis of lithium batteries，metering chips and LCD

從表5 可知，智能電能表中的鋰電池、計(jì)量芯片和LCD 均有多種故障模式，每種故障模式對(duì)智能電能表可靠性形成的影響和嚴(yán)酷度等級(jí)均從FMEA 表格中可清晰獲知。通過(guò)所有易失效元器件的FMEA 表格，即可得知所有易失效元器件的所有故障模式及其對(duì)智能電能表可靠性的影響以及相應(yīng)的嚴(yán)酷度等級(jí)。

3 智能電能表元器件故障發(fā)生概率等級(jí)評(píng)定

危害性分析在FMEA 確定的故障模式基礎(chǔ)上，引入每一種故障模式的故障頻數(shù)比，定量計(jì)算每一種故障模式的發(fā)生概率，在此基礎(chǔ)上評(píng)定該故障模式的故障等級(jí)，故障等級(jí)的評(píng)定依據(jù)見(jiàn)表2 所示。

同樣以鋰電池、計(jì)量芯片和LCD 為例，危害性分析結(jié)果如表6 所示。

表6 鋰電池、計(jì)量芯片和LCD 危害性分析表格Tab.6 Hazard analysis table for lithium batteries，metering chips，and LCDs

故障模式頻數(shù)比反應(yīng)了某一故障模式在該元器件所有故障模式中所占比重，其計(jì)算依據(jù)參考GJB/Z 299C《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》第7 部分中。故障模式發(fā)生概率等于元器件的故障占比與故障模式頻數(shù)比的乘積。

4 基于HM 的智能電能表關(guān)鍵元器件認(rèn)定

4.1 關(guān)鍵元器件認(rèn)定依據(jù)

由智能電能表元器件嚴(yán)酷度和故障等級(jí)繪制圖1 所示的危害性矩陣圖。由圖1 可知，元器件每一種故障模式均能對(duì)應(yīng)危害性矩陣圖中的一個(gè)格點(diǎn); 圖中對(duì)角線( 虛線) 往外延伸的方向即為危害性增長(zhǎng)方向;圖中每個(gè)格點(diǎn)與對(duì)角線之間垂線的垂足離坐標(biāo)原點(diǎn)越遠(yuǎn)，說(shuō)明該故障模式對(duì)可靠性的影響越大，則該故障模式對(duì)應(yīng)的元器件對(duì)智能電能表可靠性的影響越大。

圖1 智能電能表危害性矩陣圖Fig.1 Smart meter hazard matrix chart

根據(jù)嚴(yán)酷度定義，I 類嚴(yán)酷度對(duì)應(yīng)的故障模式會(huì)導(dǎo)致電表計(jì)量功能喪失甚至整表功能喪失，此類故障無(wú)論故障概率多低，一旦發(fā)生，都將導(dǎo)致整表主功能喪失，因此，將I 類嚴(yán)酷度對(duì)應(yīng)的I-E、I-D、I-C、I-B 和I-A均認(rèn)定為關(guān)鍵點(diǎn);對(duì)于II 類嚴(yán)酷度下的故障點(diǎn)，II 類嚴(yán)酷度對(duì)應(yīng)的故障模式發(fā)生后對(duì)智能電能表正常運(yùn)行造成較大影響，但其計(jì)量功能未喪失，此類嚴(yán)酷度下的故障點(diǎn)需結(jié)合故障概率來(lái)認(rèn)定，對(duì)表2 中故障概率特征為高概率、中等概率和不常發(fā)生的三個(gè)故障點(diǎn)，將其認(rèn)定為關(guān)鍵點(diǎn);對(duì)III 類故障度下的故障點(diǎn)，III 類嚴(yán)酷度定義為電表各種性能下降、外觀損壞和顯示功能喪失，對(duì)此類故障，由于影響較小且智能電能表能完成主要的計(jì)量功能，只有在此類故障出現(xiàn)概率較高時(shí)才會(huì)認(rèn)定其為關(guān)鍵點(diǎn)，因此將III-A，III-B 認(rèn)定為關(guān)鍵點(diǎn)，剩余III-C、III-D 以及III-E 不認(rèn)定為關(guān)鍵點(diǎn)。關(guān)鍵點(diǎn)在圖1中用黑色點(diǎn)描出如圖1 所示。

關(guān)鍵元器件的認(rèn)定依據(jù)見(jiàn)表7，當(dāng)某易失效元器件含有至少一種故障模式且該故障模式對(duì)應(yīng)的點(diǎn)在表7中時(shí)，將該元器件認(rèn)定為關(guān)鍵元器件。以鋰電池、計(jì)量芯片和LCD 為例，將鋰電池、計(jì)量芯片和LCD 的FMEA 分析結(jié)果和危害性分析結(jié)果對(duì)應(yīng)至危害性矩陣圖中，易知鋰電池含有表7 中所含故障模式I-C、I-D 以及III-A，計(jì)量芯片含有表7 中所含故障模式I-D 和I-E，而LCD 無(wú)表7 中所含的故障模式，故認(rèn)定鋰電池和計(jì)量芯片為智能電能表關(guān)鍵元器件，而LCD 不是智能電能表關(guān)鍵元器件。

表7 關(guān)鍵件認(rèn)定依據(jù)Tab.7 Key component rationale

4.2 智能電能表關(guān)鍵元器件

按照表7 中的認(rèn)定依據(jù)，對(duì)表4 中所有易失效元器件進(jìn)行FMEA 分析和危害性分析后可得智能電能表關(guān)鍵元器件為鋰電池、時(shí)鐘芯片、晶振、片式電容、壓敏電阻、電解電容、熱敏電阻、電流采樣電阻、電壓采樣電阻以及計(jì)量芯片。國(guó)家電網(wǎng)發(fā)布的電能表用元器件技術(shù)規(guī)范Q/GDW 11179 中給出了15 種智能電能表用元器件，和文中得到的結(jié)果對(duì)比如表8 所示。

表8 與國(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比Tab.8 Comparison with State Grid standards

對(duì)比分析知，按照文章方法認(rèn)定的智能電能表關(guān)鍵元器件全部包含于國(guó)網(wǎng)的15 種元器件中。對(duì)于國(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中包含、但未出現(xiàn)在文章結(jié)論中的元器件LCD、RS485、光電耦合器、瞬變二極管和負(fù)荷開(kāi)關(guān)，也在文中進(jìn)行了FMEA 分析，結(jié)果顯示其并不屬于關(guān)鍵元器件。對(duì)于微控制器和電流互感器，表4 的故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析人員在進(jìn)行失效分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后極少發(fā)現(xiàn)微控制器和電流互感器故障導(dǎo)致的智能電能表失效，故未將其列為易失效元器件。文獻(xiàn)［13-14］對(duì)智能電能表計(jì)量故障原因進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)計(jì)量芯片是影響其可靠性的主要原因;文獻(xiàn)［15-17］對(duì)智能電能表電源模塊進(jìn)行了可靠性分析，結(jié)果表明電源模塊危害度較高的器件為電解電容、熱敏電阻等。上述已有研究與文中結(jié)果十分吻合，互為佐證，進(jìn)一步說(shuō)明了文中方法的可行性。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)FMEA 和HM 分析方法，結(jié)合智能電能表實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)智能電能表關(guān)鍵元器件進(jìn)行了認(rèn)定。認(rèn)定結(jié)果符合實(shí)際情況，表明文中采用的認(rèn)定方法和依據(jù)現(xiàn)實(shí)可行。針對(duì)文中得到的關(guān)鍵元器件進(jìn)行針對(duì)性的可靠性提升措施可以有效地提高智能電能表可靠性。文章對(duì)智能電能表生產(chǎn)廠家和相關(guān)管理部分具有較好的參考價(jià)值，對(duì)提升智能電能表可靠性有積極作用。