鹽霧氣候下智能電能表更換方法研究

國網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最為重要的智能測量設備之一，實現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、支持微型分布式發電等功能。隨著智能電能表數量不斷增加，其計量問題也隨之增多。一些運行于沿海、高原等環境下的智能電能表，有可能因其性能在特定環境下的快速衰退而導致計量準確度下降。同時由于缺乏智能電能表性能動態評價機制，目前常采取定期批量更換的運行維護策略，造成了人力、物力浪費。

為了研究環境因素對于智能電能表性能演變規律的影響，指導實際生產運維，眾多學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[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節的處理過程進行了定量分析，確認了智能電能表性能衰退主要是由于計量芯片在嚴重過負荷工況下的數據溢出所致。文獻[2]利用Peck加速模型進行智能電能表加速壽命試驗，研究了基于溫濕度應力回歸分析的智能電能表性能退化。文獻[3]針對溫度、濕度及電應力參數，基于廣義多應力加速模型研究并確定了智能電表的壽命分布規律，建立了基于對數線性回歸模型的多應力退化模型。文獻[4]通過失效機理分析提煉了電能表關鍵參數（溫度、濕度、電應力、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律的不可忽略的一個重要的環境因素。統計發現，浙江、福建、江蘇等高鹽霧氣候的沿海區域的電能表故障率相對我國其他區域更高。然而，針對于高鹽霧氣候的沿海區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境下，對智能電能表性能衰退規律進行深入研究，為智能電能表性能的動態評估及預測提供重要參考和依據。

本文結合智能電能表狀態監測結果對壽命函數進行修正，最終本著提高智能電能表運行經濟性和安全性原則，提出智能電能表針對性的更換方案。

1 實驗設計

鹽霧環境模擬：智能電能表在鹽霧環境下的老化試驗可采用大型鹽霧試驗箱進行，并按照ASTM D1141-2013標準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、負載電阻、開關及保險絲組成。在智能電能表投入使用前，抽取一定數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)進行測試，當計量誤差(Δ)達到計量誤差可接受值(Δy)時，認為智能電能表達到壽命上限(l)。通過改變老化試驗參數，可獲得多個鹽霧濃度環境下的智能電能表壽命函數。

圖1 鹽霧老化試驗中智能電能表測試線路

2 結果分析

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，通過設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境下的性能演變/壽命規律，其關鍵在于建立性能衰退/壽命特征與鹽霧濃度之間的關系，并借用該關系實現外推，即需要建立老化試驗參數與智能電表壽命特征之間的數學模型[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l(X)及計量誤差函數(Δ(Y))可表示為：以溫度(T)及鹽沉積量(C)為變參數的情況下，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力條件下的壽命數據，若能獲得a0～a2和b0～b3的取值，再根據智能電表的壽命分布規律即可外推獲得特定鹽霧濃度下的壽命預估。

在健康監測以及可靠性分析領域，尤其是電子產品壽命預測方面，應用最廣泛的是指數分布、正態分布以及Weibull分布[6]，其中，當尺度參數η=1時Weibull分布退化為指數分布，而正態分布與Weibull分布也是可以相互轉化的。因此，本文假設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及可靠度函數分別為其中η為尺度參數，β為形狀參數，t為時間。

因此，依據Weibull分布特點，將多次老化試驗結果數據代入，可獲得壽命函數及計量誤差函數的通用表達式。

2.2 實際鹽霧環境中智能電能表的更換策略

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

假定某一特定鹽霧環境下，智能電能表運行時間為tx時，狀態監測系統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，在保證經濟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行區別對待：若計量誤差(Δ)達到或超過可接受的計量誤差限(Δy)，則應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Δ(Y)，則按照預測的壽命(l(X))進行更換，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Δ(Y)、但是小于可接受的計量誤差限(Δy)，則將預測壽命修正為l(X)-tΔ，距離更換的時間為l(X)-tΔ-tx。