基于加速壽命試驗(yàn)的拆回智能電能表剩余壽命預(yù)測

周文斌，解進(jìn)軍，段大鵬，劉士峰，靳陽，趙磊，程鵬申

（國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)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(yùn)后，由于工作環(huán)境及運(yùn)行時(shí)間的影響，構(gòu)成智能電能表的基礎(chǔ)元器件的可靠性會(huì)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(jì)量的準(zhǔn)確性[6-8]。為了解決這一問題，電力部門會(huì)對(duì)運(yùn)行期間出現(xiàn)故障的智能電能表進(jìn)行維修或替換[9,10]，對(duì)于服役期內(nèi)未出現(xiàn)故障的智能電能表，根據(jù)其設(shè)計(jì)階段的平均壽命進(jìn)行定期輪換，這使得有些滿足運(yùn)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(huì)帶來了巨大資源浪費(fèi)。

為貫徹國家電網(wǎng)有限公司計(jì)量資產(chǎn)集約化等要求，實(shí)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(jià)值的拆回電能表評(píng)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(shí)現(xiàn)企業(yè)資源的最優(yōu)配置，同時(shí)滿足新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換、營商環(huán)境改造等重點(diǎn)改造要求。因此如何科學(xué)、準(zhǔn)確地預(yù)測拆回智能電能表的剩余壽命是一個(gè)亟待解決的難點(diǎn)問題。

在智能電能表壽命預(yù)測中，對(duì)設(shè)備的平均壽命預(yù)測方法較多，而對(duì)智能電能表剩余壽命的預(yù)測研究較少。文獻(xiàn)[11]采用分層抽樣的方法，對(duì)寒冷地區(qū)和濕熱地區(qū)運(yùn)行的智能電能表進(jìn)行剩余壽命預(yù)測；文獻(xiàn)[12]基于聚類理論，將智能電能表運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行分類，結(jié)合環(huán)境特征，建立了智能電能表剩余壽命評(píng)估模型，以上2篇文獻(xiàn)均利用加速壽命試驗(yàn)的方法確定weibull分布參數(shù)，試驗(yàn)周期長、工作量較大。文獻(xiàn)[13]綜合基于weibull分布，建立了智能電能表剩余壽命預(yù)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(xiàn)[14]針對(duì)運(yùn)行一段時(shí)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(yù)測模型；在文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[15]綜合運(yùn)用Bayes理論與粒子濾波算法，充分利用退化試驗(yàn)及外場運(yùn)行的退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)智能電能表進(jìn)行運(yùn)行剩余壽命預(yù)測，相較文獻(xiàn)[14]，結(jié)果更加精確。以上文獻(xiàn)雖然對(duì)運(yùn)行一段時(shí)間的智能電能表剩余壽命進(jìn)行預(yù)測，但均未涉及已經(jīng)完成服役期限的拆回智能電能表的剩余壽命預(yù)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(duì)象，提出一種適用于拆回智能電能表的剩余壽命預(yù)測方案。首先，研究拆回智能電能表分揀方案，對(duì)拆回智能電能表進(jìn)行分揀、校驗(yàn)；再設(shè)計(jì)加速壽命試驗(yàn)方案，對(duì)滿足加速壽命試驗(yàn)條件的拆回智能電能表進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)；然后采用分組數(shù)據(jù)的方法對(duì)加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1 拆回智能電能表分揀方案

依據(jù)國家電網(wǎng)公司公布的《國家電網(wǎng)公司電能表拆回分揀管理辦法》[16]，設(shè)計(jì)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(gè)業(yè)務(wù)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(duì)具備檢測條件的拆回電能表，按照檢測需求，完成設(shè)備清潔、補(bǔ)上螺絲等分揀檢測前準(zhǔn)備工作。

分揀檢測：分揀檢測指應(yīng)用電能表分揀裝置對(duì)具備上電檢測條件的拆回電能表開展標(biāo)準(zhǔn)化的檢測試驗(yàn)。

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(jié)果、拆回后檢定情況、報(bào)廢處置要求、與供應(yīng)商協(xié)商的處置方式等，分析確認(rèn)拆回電能表分揀后的處置方式。

其中，對(duì)于分揀合格、外觀清潔完整且無電池失壓、時(shí)鐘超差等風(fēng)險(xiǎn)的拆回電能表，分揀后為待校驗(yàn)狀態(tài)，經(jīng)裝用前檢定合格后進(jìn)行加速壽命預(yù)測。

2 拆回電能表加速壽命試驗(yàn)方案

試驗(yàn)前檢測試驗(yàn)樣本所有功能，對(duì)滿足加速壽命試驗(yàn)條件的智能電能表進(jìn)行抽樣[17-19]，樣本數(shù)不小于5 %，并對(duì)抽樣智能電能表進(jìn)行編號(hào)，試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測智能電能表計(jì)量精度，并記錄。

試驗(yàn)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(fù)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行對(duì)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(yàn)。

3 加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

隨機(jī)選取n臺(tái)滿足加速壽命試驗(yàn)的拆回智能電能表進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，假設(shè)：

1）設(shè)參與加速壽命試驗(yàn)的拆回智能電表為新表；

2）設(shè)拆回智能電表剩余壽命服從單參數(shù)指數(shù)分布；

3）在時(shí)間t1,t2,… ,tk時(shí)進(jìn)行觀測，并在tk時(shí)停止試驗(yàn)；

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

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

因?yàn)椴鸹刂悄茈娔鼙硎Ｓ鄩勖闹笖?shù)分布，分布函數(shù)為F(t) =1 -e-λt。

則一臺(tái)拆回智能電能表在測試時(shí)間間隔(ti,ti+1)內(nèi)的失效概率為

fi臺(tái)拆回智能電能表在測試時(shí)間間隔(ti,ti+1)內(nèi)的失效概率[20]為

n-f臺(tái)拆回智能電能表到kt時(shí)未失效的概率為

似然函數(shù)為

式中：

c—常數(shù)。

對(duì)式（4）取對(duì)數(shù)并求導(dǎo)，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(diǎn)估計(jì)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(shí)的評(píng)價(jià)壽命置信下限。

加速因子[14,15]可由下式計(jì)算

式中：

Ea—激活能(eV)；

k—玻爾茲曼常數(shù)；

T—絕對(duì)溫度；

RH—相對(duì)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(shí)間1 h相當(dāng)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(diǎn)估計(jì)為

平均壽命θ的1-α置信下限為

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)于分揀合格的拆回智能電能表，隨機(jī)抽取500臺(tái)，按本文第2節(jié)進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 拆回智能電能表加速壽命試驗(yàn)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(jié)語

設(shè)計(jì)了拆回智能電能表剩余壽命預(yù)測方案，且運(yùn)用該方案對(duì)拆回智能電能表進(jìn)行剩余壽命預(yù)測，結(jié)果較為理想，對(duì)拆回智能電能表的再利用具有一定的指導(dǎo)意義。

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

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