智能電能表可靠性評估方法研究

曹華鋒, 馬亞珍 井含香 張長青

摘 要：本文主要介紹了智能電能表可靠性評價體系，首先對表征智能電能表可靠性的指標進行分析，智能電能表可靠性的指標包括智能電能表可靠度、失效率以及平均無故障工作時間。最后對智能電能表的運行可靠性的評估方法進行分析，包括智能電能表的加速壽命試驗、現場運行數據統計分析以及可靠性預計三種評估方法。

關鍵詞：智能電能表;可靠性;元器件應力法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.197

0 引言

當前電力市場的交易要靠電能計量作為貿易結算依據，電能計量的準確性關系著廣大電力用戶的切身利益。對電能計量可靠性的研究可以提高計量準確性、減少經濟糾紛。智能電能表作為計量的核心器具，其運行可靠性關乎著整個計量的可靠性，關系著國家電網的建設以及電力市場的公平、穩定。因此對智能電能表可靠性評價方法進行研究，建立完善、有效的智能電能表可靠性評價體系，保證國家電能計量的準確性迫在眉睫。

1 智能電能表可靠性評價指標分析

評價智能電能表質量的最重要參數就是其使用壽命、運行中的可靠程度。智能電能表在使用壽命內、額定的工作條件下運行故障率越低，其可靠程度越高。當然，在不同的環境下，智能電能表的可靠程度也不盡相同，往往會隨環境改變而改變。在智能電能表的可靠性評價體系中常用的可靠性指標有可靠度、失效率、平均無故障工作時間[2]。

1.1 智能電能表的可靠度分析

智能電能表在規定的時間內以及特定的工作環境下能夠正常運行并完成智能電能表的所具備的功能的概率稱之為可靠度，本文中采用G（t）表示。假定智能電能表使用壽命為T，規定運行時間為t，當t<T時，智能電能表在運行時間t內正常運行。已知智能電能表使用壽命的概率密度為f（t），則會有：

（1）

在正常情況下，G（t）會隨著智能電能表運行時間t的增加逐漸變小，當電能表運行時間t超出其使用壽命時，會大幅度減小。在現實應用中，智能電能表的壽命概率是無法在出廠時就可以得知的，G（t）的計算通常是在實驗室通過壽命加速試驗來獲得。

1.2 智能電能表的失效率分析

智能電能表的失效率是指智能電能表在時間為t的時間點之前正常運行的前提下，在（t，t+Δt）之間的時間間隔內智能電能表失效的概率。智能電能表可靠性其中的一個重要指標就是失效率。通常失效率分為三個階段，分別為早期失效期、有效壽命期、疲勞失效期，其曲線形狀就像浴盆一樣，被稱為“浴盆曲線”，如圖1所示。

智能電能表的早期失效率較高，智能電能表生產廠家可以采用技術措施使得產品加速進入使用壽命階段，該階段的失效率為常數。用來表征智能電能表可靠性的一個重要特征就是失效率，可表示為：

? （2）

上式中P為在智能電能表正常運行的時間內失效的概率，由該式可以看出，失效率越高，可靠性越低，反之可靠性越高。

1.3 智能電能表的平均無故障工作時間分析

無故障工作時間，顧名思義是指的智能電能表在運行中連續正常工作時間，平均無故障時間是指所有該種智能電能表可連續正常工作的平均值，該值無法在智能電能表出廠時就能得到，需要在智能電能表在現場長時間運行后，根據現場運行情況得到大量統計數據，經計算獲得。該值需要大量的樣本統計，又稱為智能電能表的平均壽命。當智能電能表運行過程中出現不可修復的故障時，那么該智能電能表從運行時刻至故障出現時刻的時間段內為其無故障工作時間。當智能電能表運行中出現的故障為可修復的，那個在出現兩次可修復故障的正常運行時間段稱之為無故障工作時間，假設平均無故障時間為MT，其表達式為：

（3）

式（3）中：ti為兩個可修復智能電能表故障時間間隔，n為智能電能表的修復次數。智能電能表的失效率與平均無故障時間存在互為倒數的關系，其表達式為：

（4）

智能電能表都存在不失效的最小時間，在平均無故障工作時間內，還是存在智能電能表運行的失效概率，假設智能電能表的最小不失效時間為MT，智能電能表失效率與可靠度及最小不失效時間的關系式為：

（5）

智能電能表運行時間超過最小正常運行時間MT時，其可靠度可表示為：

（6）

由上式可以得出，智能電能表在超過其額定的使用壽命內的可靠性降低為37%，在其使用壽命保證無故障工作的概率為37%。

2 智能電能表可靠性評價方法

智能電能表可靠性的評估方法目前常用的有，加速壽命試驗、運行數據分析、可靠性預計等方法，這幾種方法各有優勢跟缺陷。

2.1 加速壽命試驗

加速壽命試驗是實驗室的一種實驗方式，通過在實驗室模擬智能電能表現場運行環境，包括光照、溫度、濕度、電磁輻射、淋雨、腐蝕、沙塵等條件，通過調節模擬儀器增強試驗環境，加速智能電能表的運行失效進程，從而加速智能電能表壽命周期。通過試驗獲得實驗數據進行統計，最終得到智能電能表的使用壽命-可靠性曲線。在智能電能表現場運行過程中，影響其壽命最為主要的為溫度、濕度。因此通常情況下可以選用這兩種條件作為加速應力，通過改變智能電能表運行中的溫度、濕度使其出現加速失效狀態，在較短的時間內對智能電能表的壽命周期進行驗證。

在室內安裝的電能表，影響其使用壽命的主要因素為溫度，使用 Arrhhenius加速模型：

（7）

上式中：AF為智能電能表加速失效因子;tu為智能電能表現場運行中兩次失效時間間隔;ts為智能電能表在實驗室加速壽命試驗下的試驗時間;EA為活化能，一般選 0.6EV;K為 Boltzmann常數，8.617×10-5EV/K;Tu為智能電能表現場運行下的平均溫度;Ts為電能表實驗室加速壽命試驗下的平均溫度[2]。

2.2 現場數據統計分析

隨著電網的智能化水平的提高，我國電網已基本實現全采集全覆蓋，智能電能表的運行狀態可以通過采集終端采集回主站，因此智能電能表的現場數據統計變得更加方便。通過對采集回的數據進行統計，利用大數據的概念，通過數學建模對電能表投運時間、運行狀況、失效時間、壽命歷史等數據進行比對分析，從而得到電能表的壽命可靠性關系曲線。該方法可以得到所有在線運行的表計數據，數據收集具有數據量大、采集方便的優勢，但是采集周期相較長、數據相對滯后。

2.3 可靠性預計

智能電能表可靠性預計，該方法是利用智能電能表的元件的可靠性數據模型來進行數據計算得到電能表運行中的正常運行時間的概率，從而得到其可靠性程度。智能電能表可靠性預計常用的方法有：元器件應力法、元器件計數法、評分預計法、失效物理分析法、蒙特卡洛法、可靠性框圖法、相似預計法、上下限法等[3]，本文以元器件應力計數法為例進行電能表可靠性數據分析。

假定總失效率由σs表示; 第i個單元第j個元器件的工作失效率由σPij表示; 電能表劃分的電路單元數由N表示; 第i個單元的元器件總數由Mi表示;λs對應的標準差由σs表示; λPij對應的標準差由σPij表示，根據元器件應力法可以獲得智能電能表的可靠性數學模型，數學表達式可表示為：

（8）

（9）

在5.5P %置信上限的失效率計算中，智能電能表的元器件失效率服從γ分布，其形狀參數κ和范圍參數θ數學表達式為：

（10）

（11）

假定置信上限為UCL，通過采用γ累計分布函數的反函數G-1計算P% UCL失效率，其表達式可表示為：

（12）

智能電電表是由多個元器件構成，因此其使用壽命也同樣由元器件的使用壽命決定著，猶如木桶效應一樣，智能電能表的使用壽命是由其使用壽命最短的元器件決定。目前組成電能表的元器件如：電阻、計量芯片、電容等使用壽命往往已經超過10年，遠遠超過當前智能電能表的正常使用壽命，但是液晶顯示屏已經沒有達到該使用壽命。因此，提高智能電能表的使用壽命需要從使用壽命最短的元器件入手。

3 結束語

智能電能表的可靠性運行是保證廣大用電客戶切身利益的基礎，為了提高電能表運行的可靠性，需要建立起完善的質量監督體系、通過對電能表運行可靠性進行評估，提高電能表使用壽命。本文對電能表可靠性評價指標以及分析方法進行了詳細的闡述，對電能表可靠性評估具有重要價值。隨著我國電網的智能化發展，智能電能表已經做到了全面覆蓋，因此對智能電能表可靠性的研究有著非常廣闊的前景。

參考文獻：

[1]王思彤，羅瑋，袁瑞銘等.電子式電能表壽命概念的探討[J].電測與儀表，2009，46（10）：48-52.

[2]田正其，祝宇楠，劉建等.基于貝葉斯的智能電能表可靠性評估方法[J].計算機測量于控制，2016，24（10）：274-277.

[3]楊洪旗，劉少卿，黃進永.智能電能表的可靠性預計方法研究[J]. 電子產品可靠性與環境試驗，2016，34（03）：65-68.