智慧能源用電能數據采集器可靠性預計

繆 建，吳 鍵，邵建文

（浙江省計量科學研究院，杭州 310010）

電子產品可靠性預計是一種從元器件到整機、從小到大、從局部到整體的綜合預計方法，它根據元器件、模塊的可靠性試驗數據和整機系統的可靠性模型來預計電子部件和整機系統的可靠性水平[1]。

GJB899A-2009《可靠性鑒定與驗收試驗》中提出在進行可靠性鑒定與驗收試驗之前必須進行可靠性預計，通常只有在可靠性預計結果不小于鑒定驗收結果下限時，產品的可靠性試驗評估才具有必要性。

電能采集器作為能源數據采集及監管系統中電能數據采集的工具，用于對工業企業、機關事業單位和居民用戶進行用電監督管理，在電能領域應用范圍廣、數量龐大、地位重要。一只電能采集器能采集和監控256個電能計量終端每天的用電信息，一旦電能采集器發生故障就有可能丟失所有用戶的用電信息，有可能造成嚴重的經濟損失，甚至可能造成重大的安全事故，因此對電能數據采集器的可靠性試驗評估是非常有必要的[2]。

本文著重解釋了基于元器件應力法的電能數據采集器的可靠性預計，供國內電能數據采集器廠家和使用方在可靠性鑒定與驗收時參考和借鑒。

1 電能數據采集器的原理及組成

1.1 電能數據采集器的工作原理

電能采集器作為能源數據采集及監管系統中電能數據采集的工具，用于對用戶進行用電監督管理。電能采集器通過遠程控制對電能數據進行采集，圖1所示為電能采集器實物和內部電路板圖，其工作原理為接收來自上行信道 （遠程通訊模塊）主站命令（能源控制中心），處理器（控制模塊）接收到命令后轉換為一條或者多條內部可執行的命令，從而提取歷史數據或參數，并對電能數據進行協議封裝傳送給上行信道，上行信道將數據按照原路徑傳送主站，同時定時地通過下行信道（RS45通訊模塊）抄收各種用戶終端的用電量數據信息，并進行存儲，從而實現遠程智能化采集電能數據。

圖1 電能數據采集器Fig.1 Electric energy data collector

1.2 電能數據采集器的結構組成

電能采集器主要由控制模塊、電源模塊、RS485通訊模塊、存儲模塊、計量模塊、顯示模塊、遠程通訊模塊、RTC模塊、ESAM模塊、USB模塊組成。采集器的結構比較簡單，各個模塊之間可以看作串聯模型[3]。各個模塊承擔著相應的作用，通過控制芯片把模塊與模塊聯系起來，共同組成電能采集器，電能采集器結構如圖2所示。

圖2 電能采集器結構Fig.2 Structure diagram for data collector

2 可靠性預計方法

2.1 可靠性預計方法簡介

可靠性預計是定量估計新產品的可靠性，綜合評價設計方案，鑒別研發方案和設計存在的問題，為優先選取元器件提供數據，為可靠性試驗提供定量的依據，為產品的使用和維護提供有益信息。可靠性預計方法有很多，主要包括元器件計數法、物理失效法、元器件應力分析法、相似預計法、評分預計法、功能預計法、上下極限法和蒙特卡洛法等[4]。

2.2 可靠性預計方法比較

元器件計數法僅適用于初步設計階段，其預計精度不高，很難滿足電能采集器對預計結果精度的要求。

物理失效分析法用于設計和制造階段，其可靠性預計的前提是了解產品的失效機理和失效模式。物理失效分析法是通過分析產品的薄弱環節，來預測產品的失效時間。雖然這種可靠性預計的準確性很高，但是其失效機理的分析困難，這種預計的方法難度很大，應用性低，有待對物理分析方法進行深入的研究。

元器件應力法主要應用于詳細設計階段，它假設元器件失效率恒定，元器件失效前的時間服從指數分布。元器件應力法在預計產品可靠性時，它要求預計的元器件的關系是串聯模型，它預計時考慮的因素較為全面，除了要求掌握元器件計數法所要求的元器件的種類、數量、質量等級和環境系數外，還要求掌握元器件所受的工作應力、溫度和元器件的工藝結構參數等[5]。

相似預計法主要應用于新產品方案的規劃或新產品的初步構思階段，它是一種基于經驗的預計方法，這種方法預計精度低，預計要求新產品和老產品具有相似性，因此，它應用局限性很大，對于一個全新的產品不具有適用性[6]。

功能預計法是將設備或系統的功能與其自身的可靠性一一對應起來，找到它們的函數關系，建立它們之間的回歸方程，進而根據設備或系統要實現的功能來確定其可靠性，這種方法只適用于特定的設備，由于電能采集器的功能和可靠性之間不存在這種回歸方程，也沒有如此的函數關系，因此，功能預計法不能滿足電能可靠性預計的要求。

評分預計法預計的結果不夠精確，主要適用于新的產品和設計，用來對新產品的設計方案進行總體論證，評估新產品方案是否可行，其預計的準確度與專家的打分水平緊緊相關，此方法主要應用于產品的概念設計階段。

相似復雜性法是將系統的失效率和設備的有源元器件的個數和設備的工作環境聯系起來的圖解方法，它不能應用于微電路中，且這個問題至今還沒有解決。

綜上，元器件應力法更適用于電能采集器的可靠性預計。

2.3 基于元器件應力法電能采集器可靠性預計

電能采集器選取的元器件都是經過應力篩選的，可以認為所有的元器件的失效率是恒定不變的，即λ（t）=λ，λ為常數。 此時，元器件的可靠度函數為

電能采集器的每個模塊由n個元器件組成，則模塊的可靠度函數為

式中：Ri為單個元器件的可靠性；λj為單個元器件的失效率。

根據電能采集器結構功能模塊組成，假設電能采集器功能模塊為串聯模型，由n個模塊組成，任何模塊中的元器件的失效都會導致電能采集器的失效。其失效率函數為

此時，電能采集器的失效率可通過查GJB/Z299C列出各類元器件的失效模型λp。對于MCU類的處理器，可得失效模型為

電阻類的失效模型為

電容類失效模型為

此不一一列舉各個元器件的失效模型。

式中：λb為基本失效率；πQ為質量系數；πT為溫度系數；πE為環境系數；C1為電路復雜度失效率；πC為結構系數；πL為應用系數；πch為表面貼裝系數；πR為阻值系數；λp為工作失效率。

3 電能數據采集系統可靠性預計實例

以杭州某公司生產的電能數據采集器DJGL33-PAX532型集中器進行可靠性預計。

3.1 可靠性建模

通過分析，將電能數據采集器分成控制模塊、電源模塊、RS485通訊模塊、存儲模塊、計量模塊、顯示模塊、遠程通訊模塊、RTC模塊、ESAM模塊、USB模塊。它們之間組成串聯模型，系統的失效率為10個單元的失效率之和。可靠性框圖如圖3所示。

圖3 電能數據采集器可靠性框圖Fig.3 Reliability diagram for energy collector

3.2 可靠性預計步驟

①繪制可靠性預計表格，查閱可靠性預計數據手冊，計算每個元器件的工作失效率；②計算每個預計模塊的失效率；③把10個預計模塊的失效率相加，計算電能數據采集器的失效率；④計算電能數據采集器的平均壽命。

以電源模塊的可靠性預計為例，電源模塊的工作失效率如表1所示。

表1 電源模塊工作失效率Tab.1 Failure rate of power module

電源模塊總共有63個、20種類型元器件，其工作失效率為各個元器件的失效率之和，即電源模塊的工作失效率為

式中：λi為元器件失效率。

同理，利用相同方式對其他工作模塊進行可靠性預計，其他9個工作模塊的工作失效率預計結果如表2所示。

表2 各個模塊工作失效率Tab.2 Failure rate of each module

可得電能數據采集器的系統工作失效率為

式中：λp為模塊失效率；λs為系統工作失效率。

由于電能數據采集器服從指數分布，電能數據采集器的平均壽命為

式中：MTTF為平均失效前時間；λs為系統工作失效率。

由分析可知電能采集器可靠性預計值滿足國家相關標準最低限的要求的，但是這并不能說明其可靠性符合需求，只能表明可靠性試驗評估是有意義的。

4 結語

本文分析了電能采集器的結構、工作原理，應用元器件應力法對電能采集器進行了可靠性預計，獲得了其平均壽命預計值。元器件應力法的可靠性預計適用于電能數據采集器的可靠性預計，其可靠性預計結果可靠性為可靠性設計方案的評價提供依據，也可為電能數據采集器的可靠性評估的必要性提供依據，同時也可以為國內相關企業提供參考和借鑒。

[1]曾利偉，昌川.可靠性預計方法及思考[J].電子質量，2005（9）：28-30.

[2]DB33T 947-2014，能源監測信息系統數據采集技術要求[S].浙江省質量技術監督局，2014.

[3]GJB/Z299C-2006，電子設備可靠性預計手冊[S].電子設備可靠性預計手冊國防科學技術工業委員會，2006.

[4]危阜勝，肖勇，黨三磊，等.電能計量表計及終端可靠性研究與探索[J].電測與儀表，2013，50（11）：63-67

[5]張增照，潘勇.電子產品可靠性預計[M].北京：科學出版社，2007.

[6]郝金偉，武照云，吳立輝，等.電子產品可靠性預計研究綜述[J].機械管理開發，2013（4）：5-7.