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智能电能表可靠性研究与分析

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摘要：智能电能表是智能电网的重要组成部分,其可靠性关系到整个电网安全可靠的运行。在分析智能电能表结构特点的基础上,结合现有存在的可靠性预计方法,提出以TelcordiaSR-332手册为理论指导,元器件应力法为实施方法,以某公司的某型号智能电表为研究对象,对智能电能表各个模块进行计算分析,并分析温度对智能电能表可靠性的影响,可以有针对性进行改进智能电能表的薄弱环节。

关键词：智能电能表;SR-332手册;元器件应力法;温度分析;

引言

当今社会居民社会用电量逐步增高的同时,电力系统规模也在逐步增大,其中电力系统的基层建设中非常重要的一点是获得电力基层用户的具体用电情况,进一步促进电力系统实现社会全面覆盖。电力信息化的基础在于智能电能表的大范围实施,不仅能够提高电力计量自动化水平,同时利用智能电能表具有避免电费拖欠,提高当地基层电力部门的工作效率等功能。1智能电能表可靠性方法研究

1.1可靠性指标介绍

可靠性指标是综合考虑产品的器件类型、型号规格、质量等级、性能额定值、工艺结构参数、工作应力等因素,能够反映产品可靠性水平的量化指标。常用的可靠性指标有可靠度、失效率、MTBF、MTTR等。

智能电能表具有电压电流计量功能、液晶显示功能、数据实时存储功能、485通信功能、红外通信功能和安全认证功能,其结构框图如图1所示。

图1单相表构造框图

根据功能模块划分,电能表主要分成电源模块、通信模块、计量模块、显示模块、控制模块、存储模块等,从而建立可靠性串联模型,进行最坏情况的寿命预估,电能表可靠性框图如图2所示。

图2智能电能表串联模型图

产品的失效率大小与时间有关,其大致可以分为三种:失效率不随时间的变化而变化、失效率随时间的变化而增大、失效率随时间的变化而减小。通过研究大量的文献资料发现,智能电能表的失效率服从一条类似浴盆样的曲线,习惯称之为“浴盆曲线”。在浴盆曲线上,故障率可以分为早期故障期、偶然故障期以及耗损故障期三个区间。

1.2可靠性预计手册的选取

根据标准电能表的应用实际场景,本项目决定选择TelcordiaSR-332[11]可靠性预计手册,主要基于下面的考虑:

(1)TelcordiaSR-332标准是贝尔实验室专门为电子设备提出的标准,提供了市面上常用的电子元器件失效率数据和系统的预计方法,同时还提供利用实验数据、现场数据和老化数据得到的预计结果修正方法,便于在设计、样机评价和试选型等阶段智能电能表的预计;

(2)国际知名企业(包括阿尔卡特、思科、英特尔、朗讯、摩托罗拉等)均参与了标准的制定和应用,SR-332标准的元器件可靠性数据库的电子文件较为公开,容易获取;

(3)标准电能表属于使用工况较为稳定的设备,通常固定安装在室内或室外的计量箱内,剧烈振动、温度剧变等不可预见的外部冲击较少,不会超出SR-332标准涵盖的温度范围。

1.3元器件应力法

元器件应力法是可靠性预计过程中应用最广泛、预计最精确的方法之一。其属于以数理统计为基础的预计元器件失效率的方法,适用于电子产品设计和生产的不同阶段。元器件应力法基本原理为:元器件的可靠性决定设备的可靠性;元器件失效率恒定,可靠度服从指数分布;系统可靠性模型为串联模型,元器件失效率的累加为产品失效率。其核心在于确定元器件在各种应力下的失效率,在确定元器件的失效率的基础上,获得模块以及整个产品的失效率,从而保证预计的精确性。在使用元器件应力法必须考虑元器件类型、型号规格、质量等级、性能额定值、工艺结构参数、工作应力(温度应力、电应力、环境应力等)等;元器件应力法的实用性较强,是目前电能表可靠性预计的最佳工程应用方法。

2智能电能表可靠性结果与分析

2.1元器件失效率预计

根据1.5节中介绍的计算公式计算元器件的失效率。以一个工作温度为45℃,有30个逻辑门的双极型数字集成电路为例,介绍元器件失效率的计算过程。

首先,该集成电路的类型为双极型数字集成电路,并且该集成电路包含30个逻辑门,根据SR-332手册中表8-7中双极型集成电路逻辑门的数量范围可选取固有失效率λGi=1.2FITs。σGi=0.87FITs。

通过该集成电路的类型为双极型数字集成电路可以确定对应的温度应力曲线为SR-332手册中表9-1中的6号曲线,由于该集成电路的工作温度为45℃,在6号曲线中对应45℃的温度因子πTi=1.2。SR-332手册规定了集成电路的电应力因子πSi=1。根据表9-4可知质量因子πQi=1,环境因子为πE=1。

2.2各个模块可靠性预计结果及分析

由上述表述可以得到智能电能表各个模块在置信水平为90%,环境温度分布为20℃、35℃和50℃的情况下各模块的失效率数