用电信息采集系统可靠性分析①

程真何++吴强

摘 要：用电信息采集系统的可靠性是系统稳定运行的重要性能。本文介绍了用电信息采集系统可靠性的定量表示方法，分析了硬件、软件可靠性对系统的影响，同时对解决方法作了初步探讨。

关键词：系统 可靠性 分析

中图分类号：TN915.853 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（a）-0018-02

用电信息采集系统是通过对配电变压器和终端用户的用电数据的采集和分析，实现用电监控、推行阶梯定价、负荷管理、线损分析，最终达到自动抄表、错峰用电、用电检查（防窃电）、负荷预测和节约用电成本等目的。目前作为国家电网“建设坚强的智能电网”体系架构的一部分已越来越为人们所重视。搞好用电信息采集系统的可靠性分析，提高系统的可靠性是系统管理部门和设计部门共同关心的问题。本文试图在此方面作些探讨。

1 用电信息采集系统可靠性的概念

用电信息采集系统的可靠性通常是指系统在规定条件下，在规定时间内完成规定功能的能力。

（1）规定的条件是指系统设置在建筑物或其他场所中承受的各种条件，包括使用时的环境条件，如温度、湿度、粉尘、振动、高频电磁干扰，使用维护方法，运输条件，以及使用时对使用人员的技术要求等。

（2）系统的可靠性与规定的时间密切相关，系统的可靠性随着使用或工作时间增长而降低。因此在不同的规定时间内，系统的可靠性将不同，对应的时间指标也不同。用电信息采集系统是一个由多种元器件和装置组成的复合产品，其规定时间一般为经验值。

（3）系统的可靠性还与规定的功能有密切关系。规定的功能就是系统应具备的技术指标，即用电信息采集系统是对电力用户的用电信息进行采集、监控及统计分析功能。“完成规定的功能的能力”是指完成全部的规定功能的能力。

2 用电采集系统的可靠性的定量表示

用电采集系统的可靠性是一个定性的概念，在实际工作中往往以数学模型来具体表示可靠性的高低，如可用率、残存函数、MTBF（平均故障时间）、MTTR（平均维护时间）。

2.1 可用率

为了评价系统的可靠性，可用性概念是至关重要的。可用性表明一个确定的用电采集系统在某种给定的环境下能实际正常工作时间的概率。表现在用电采集系统中，上式系统工作内容（功能内容）的含义包括：用电采集系统中的采集功能统计分析功能、通信系统的传输功能、当地配变采集等终端的采集和发送功能。

对于一个完整的控制系统的可靠性分析，首先将其简化成一个简单的并联、串联系统；然后分别计算各子系统的可用率；最后再进行总加。并联、串联系统的数学模型分别如下：

（1）并联系统可用率：

（1）

其中，为每个并联子系统的不可靠度（分系统）；为并联子系统数量。

（2）串联系统可用率：

（2）

其中，为串联分系统可用率；为串联子系统数量。

2.2 残存函数

所谓残存函数就其系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率，换言之残存函数是功能程度的概率，其数学模型为：

（3）

其中，为在时间t时仍能使用的程度（百分比）；为在时间开始时的可靠性（一般为1）。

系统功能随时间的增加呈下降趋势。在某一时间to后，下降幅度更加明显，所以系统五年内必须作一次重新规划。否则影响整个系统的可靠性。

2.3 MTBF（平均故障时间）

所谓MTBF（Mean time between failures）是系统连续工作时间t这个随机变量的数学期望，其数学模型：

（4）

当t的分布函数服从指数，则

（5）

MTBF是判断一个系统好坏的主要指标。该系统直观反映了系统故障后恢复速度。对整个系统的选型与设计有很大的帮助。

2.4 MTTR（平均维护时间）

所谓MTTR（ Mean time to repair）是系统连续多次维护后的平均维护时间如该值很小，表示系统可维护性好容易修复。

3 影响用电采集系统可靠性的诸因素

用电采集系统的可靠性问题是从可靠性角度研究如何使该系统不间断运行，即使系统局部出现故障，其系统仍不失去其应有的监控功能，以保证对电力系统的监视和控制。

分析系统的可靠性问题，应先对系统的功能加以评估，搞清楚该系统包含的各子系统之间的逻辑连接关系，然后找出相应的、具体的数值。从而达到定量的分析效果。

现场运行经验表明：系统不可靠的因素，主要有以下两个方面。

3.1 系统硬件的不可靠因素

用电采集系统的可靠性与硬件的可靠性是密切相关的。在分析过程中应根据其性能指标和功能要求决定系统的结构形式，确定个部件分工。因此，在系统的硬件方案设计中应考虑的以下问题：

（1）系统的可靠性是由系统中的各元件的可靠性决定的，在满足系统的性能指标的前提下应尽可能的简化系统结构，减少元器件的数量，简化设计方案。

（2）合理划分软硬件功能，在硬件资源允许的情况下尽量采用软件来实现系统功能。

（3）作好硬件的冗余，在系统设计中对关键部件进行冗余设计，可以大大提高系统的可用性。冗余技术的基础是合理有效地对系统运行状态进行监控，在及时发现故障的前提下启动冗余部件。如磁盘系统冗余技术。通过配置热插拔硬盘并使用RAID系统，可以完全避免由于硬盘损坏造成的系统故障；如电源系统冗余技术。热插拔冗余电源正常工作时，两台电源各输出一半功率，从而使每一台电源都工作在轻负载状态，利于电源稳定工作。当其中一台发生故障，短时由另一台接替其工作并报警。endprint

3.2 系统软件的不可靠因素

由于用电采集系统是由硬件和软件组成的，在分析系统可靠性时，也应当考虑系统软件的因素。在提高元器件的质量、采用冗余设计等措施的同时，提高软件的可靠性可以使系统达到更好的、理想的效果。

用电采集系统软件内部含有大量彼此联系的功能，随着功能的增加，内部联系的复杂性呈非线性增长.数据采集软件的特点体现在逻辑的复杂性，统计分析软件的特点体现在数值计算的复杂性，因此，要求具有非常有效的算法和复杂的程序技巧。系统中绝大部分输入输出是在线的，其中还有很大的一部分是实时的，它们之间存在联系并相互干扰，此特点大大增加了软件开发和调试的复杂性、风险性。因此，在系统的软件方案设计中应考虑的以下问题。

（1）软件抗干扰措施。采用看门狗程序防止由于外界干扰、硬件故障及程序出错致使系统停机中断或程序进入死循环等。

（2）故障自诊断措施。根据事先已知的测试码、校验码和故障的对应关系，通过对观测结果的分析以确定是否发生故障，以及故障发生部位。

（4）软件可靠性与硬件可靠性之间有许多类似之处，两者的主要区别在于引起错误的机理。硬件错误由磨损老化及其他物理原因引起，软件错误是由软件设计不当造成的。另外，硬件错误修复后可能再次出现故障，而软件错误更改后一般就不会在发生同类错误。

4 提高用电采集系统可靠性的几点建议

从以上软硬件两大方面的分析，我们可以看出；要保证用电采集系统的可靠运行，我们必须注意以下几点。

4.1 加强现代化管理

现代化管理可以大大提高工作效率和质量，当然也应包括可靠性。但是如果处理不当，系统可靠性没有得到足够保证，那么它也会带来严重的影响。试想一下，假如在系统运行当中，由于计算机维护人员失误而删除了重要进程，导致系统崩溃，将是多么可怕的事情。因此愈是走向现代化，愈要注意可靠性。因此，电网自动化程度的不断提高，必须在各个方面提高和改善系统可靠性。没有可靠性作基础的系统只能是空中楼阁。

4.2 硬件上应注意的问题

系统选型中应尽可能的采用可靠性高的系统元件（如计算机、工作站、网卡、打印机、接口设备等），在保证能够完成预定功能的前提下，把系统的复杂性减低至最低限度。同时在系统的结构上尽量多采用冗余装置（互为备用），如双服务器带磁盘阵列、双前置、双网等。典型冗余式系统拓扑结构图见图1。

4.3 软件上需注意的问题

用电采集系统涉及多种专业技术：计算机硬件、软件、通信、计划、经营等，它需要有良好组织的众多技术人员进行确认、设计、编程、试验、联调、维护与改进，一般都需要至少两级以上的管理体系才能进行开发与维护。用户要求的特殊软件的开发对用户和厂商来说都有较大的风险，只有具有多名软件专家和清楚了解用户特殊要求的厂商才有提供这些软件的资格.对于本身没有技术能力的小公司，尽管谈判中什么都可以答应，但实际上是不可能做到的。对于国外供贷方，应坚持一个重要的原则：提供标准软件，不开发用户专用软件.在谈判用户专用软件时，供货方在报价和确定未知软件性能时必然要考虑风险。

评价软件稳定性时它很容易使缺少经验的用户上当，开发成功一个软件不仅在技术上非常复杂，而且绝大部分工作量是用户见不到的，是难以想象的.用户见到的软件产品主要是画面，但以此评价软件就过于表面化了，这些至多是露在水面上的冰山，90%的工作是隐含在水面以下。

4.4 运行维护部门应注意的问题

在运行中不断观察分析，纠正因软件不完善引发的故障。应努力提高运行维护人员的技术水平。定期维护，更新替换可靠性差的元件。

5 结语

随着电网自动化水平不断提高，用电采集系统在供配电网中的使用频度不断增加，同时人们也越来越注重系统的可靠性设计。用电采集系统的可靠性分析已经引起电力行业领导和工程技术人员的高度重视。努力提高用电采集系统的可靠性必将促进电网的安全、经济、稳定运行。

参考文献

[1] Patrick D.T.OConnor实用可靠性工程[M].电子工业出版杜，2005.

[2] 宋保维.系统可靠性设计与分析[M].西北工业大学出版社，2008.endprint

3.2 系统软件的不可靠因素

由于用电采集系统是由硬件和软件组成的，在分析系统可靠性时，也应当考虑系统软件的因素。在提高元器件的质量、采用冗余设计等措施的同时，提高软件的可靠性可以使系统达到更好的、理想的效果。

用电采集系统软件内部含有大量彼此联系的功能，随着功能的增加，内部联系的复杂性呈非线性增长.数据采集软件的特点体现在逻辑的复杂性，统计分析软件的特点体现在数值计算的复杂性，因此，要求具有非常有效的算法和复杂的程序技巧。系统中绝大部分输入输出是在线的，其中还有很大的一部分是实时的，它们之间存在联系并相互干扰，此特点大大增加了软件开发和调试的复杂性、风险性。因此，在系统的软件方案设计中应考虑的以下问题。

（1）软件抗干扰措施。采用看门狗程序防止由于外界干扰、硬件故障及程序出错致使系统停机中断或程序进入死循环等。

（2）故障自诊断措施。根据事先已知的测试码、校验码和故障的对应关系，通过对观测结果的分析以确定是否发生故障，以及故障发生部位。

（4）软件可靠性与硬件可靠性之间有许多类似之处，两者的主要区别在于引起错误的机理。硬件错误由磨损老化及其他物理原因引起，软件错误是由软件设计不当造成的。另外，硬件错误修复后可能再次出现故障，而软件错误更改后一般就不会在发生同类错误。

4 提高用电采集系统可靠性的几点建议

从以上软硬件两大方面的分析，我们可以看出；要保证用电采集系统的可靠运行，我们必须注意以下几点。

4.1 加强现代化管理

现代化管理可以大大提高工作效率和质量，当然也应包括可靠性。但是如果处理不当，系统可靠性没有得到足够保证，那么它也会带来严重的影响。试想一下，假如在系统运行当中，由于计算机维护人员失误而删除了重要进程，导致系统崩溃，将是多么可怕的事情。因此愈是走向现代化，愈要注意可靠性。因此，电网自动化程度的不断提高，必须在各个方面提高和改善系统可靠性。没有可靠性作基础的系统只能是空中楼阁。

4.2 硬件上应注意的问题

系统选型中应尽可能的采用可靠性高的系统元件（如计算机、工作站、网卡、打印机、接口设备等），在保证能够完成预定功能的前提下，把系统的复杂性减低至最低限度。同时在系统的结构上尽量多采用冗余装置（互为备用），如双服务器带磁盘阵列、双前置、双网等。典型冗余式系统拓扑结构图见图1。

4.3 软件上需注意的问题

用电采集系统涉及多种专业技术：计算机硬件、软件、通信、计划、经营等，它需要有良好组织的众多技术人员进行确认、设计、编程、试验、联调、维护与改进，一般都需要至少两级以上的管理体系才能进行开发与维护。用户要求的特殊软件的开发对用户和厂商来说都有较大的风险，只有具有多名软件专家和清楚了解用户特殊要求的厂商才有提供这些软件的资格.对于本身没有技术能力的小公司，尽管谈判中什么都可以答应，但实际上是不可能做到的。对于国外供贷方，应坚持一个重要的原则：提供标准软件，不开发用户专用软件.在谈判用户专用软件时，供货方在报价和确定未知软件性能时必然要考虑风险。

评价软件稳定性时它很容易使缺少经验的用户上当，开发成功一个软件不仅在技术上非常复杂，而且绝大部分工作量是用户见不到的，是难以想象的.用户见到的软件产品主要是画面，但以此评价软件就过于表面化了，这些至多是露在水面上的冰山，90%的工作是隐含在水面以下。

4.4 运行维护部门应注意的问题

在运行中不断观察分析，纠正因软件不完善引发的故障。应努力提高运行维护人员的技术水平。定期维护，更新替换可靠性差的元件。

5 结语

随着电网自动化水平不断提高，用电采集系统在供配电网中的使用频度不断增加，同时人们也越来越注重系统的可靠性设计。用电采集系统的可靠性分析已经引起电力行业领导和工程技术人员的高度重视。努力提高用电采集系统的可靠性必将促进电网的安全、经济、稳定运行。

参考文献

[1] Patrick D.T.OConnor实用可靠性工程[M].电子工业出版杜，2005.

[2] 宋保维.系统可靠性设计与分析[M].西北工业大学出版社，2008.endprint

3.2 系统软件的不可靠因素

由于用电采集系统是由硬件和软件组成的，在分析系统可靠性时，也应当考虑系统软件的因素。在提高元器件的质量、采用冗余设计等措施的同时，提高软件的可靠性可以使系统达到更好的、理想的效果。

用电采集系统软件内部含有大量彼此联系的功能，随着功能的增加，内部联系的复杂性呈非线性增长.数据采集软件的特点体现在逻辑的复杂性，统计分析软件的特点体现在数值计算的复杂性，因此，要求具有非常有效的算法和复杂的程序技巧。系统中绝大部分输入输出是在线的，其中还有很大的一部分是实时的，它们之间存在联系并相互干扰，此特点大大增加了软件开发和调试的复杂性、风险性。因此，在系统的软件方案设计中应考虑的以下问题。

（1）软件抗干扰措施。采用看门狗程序防止由于外界干扰、硬件故障及程序出错致使系统停机中断或程序进入死循环等。

（2）故障自诊断措施。根据事先已知的测试码、校验码和故障的对应关系，通过对观测结果的分析以确定是否发生故障，以及故障发生部位。

（4）软件可靠性与硬件可靠性之间有许多类似之处，两者的主要区别在于引起错误的机理。硬件错误由磨损老化及其他物理原因引起，软件错误是由软件设计不当造成的。另外，硬件错误修复后可能再次出现故障，而软件错误更改后一般就不会在发生同类错误。

4 提高用电采集系统可靠性的几点建议

从以上软硬件两大方面的分析，我们可以看出；要保证用电采集系统的可靠运行，我们必须注意以下几点。

4.1 加强现代化管理

现代化管理可以大大提高工作效率和质量，当然也应包括可靠性。但是如果处理不当，系统可靠性没有得到足够保证，那么它也会带来严重的影响。试想一下，假如在系统运行当中，由于计算机维护人员失误而删除了重要进程，导致系统崩溃，将是多么可怕的事情。因此愈是走向现代化，愈要注意可靠性。因此，电网自动化程度的不断提高，必须在各个方面提高和改善系统可靠性。没有可靠性作基础的系统只能是空中楼阁。

4.2 硬件上应注意的问题

系统选型中应尽可能的采用可靠性高的系统元件（如计算机、工作站、网卡、打印机、接口设备等），在保证能够完成预定功能的前提下，把系统的复杂性减低至最低限度。同时在系统的结构上尽量多采用冗余装置（互为备用），如双服务器带磁盘阵列、双前置、双网等。典型冗余式系统拓扑结构图见图1。

4.3 软件上需注意的问题

用电采集系统涉及多种专业技术：计算机硬件、软件、通信、计划、经营等，它需要有良好组织的众多技术人员进行确认、设计、编程、试验、联调、维护与改进，一般都需要至少两级以上的管理体系才能进行开发与维护。用户要求的特殊软件的开发对用户和厂商来说都有较大的风险，只有具有多名软件专家和清楚了解用户特殊要求的厂商才有提供这些软件的资格.对于本身没有技术能力的小公司，尽管谈判中什么都可以答应，但实际上是不可能做到的。对于国外供贷方，应坚持一个重要的原则：提供标准软件，不开发用户专用软件.在谈判用户专用软件时，供货方在报价和确定未知软件性能时必然要考虑风险。

评价软件稳定性时它很容易使缺少经验的用户上当，开发成功一个软件不仅在技术上非常复杂，而且绝大部分工作量是用户见不到的，是难以想象的.用户见到的软件产品主要是画面，但以此评价软件就过于表面化了，这些至多是露在水面上的冰山，90%的工作是隐含在水面以下。

4.4 运行维护部门应注意的问题

在运行中不断观察分析，纠正因软件不完善引发的故障。应努力提高运行维护人员的技术水平。定期维护，更新替换可靠性差的元件。

5 结语

随着电网自动化水平不断提高，用电采集系统在供配电网中的使用频度不断增加，同时人们也越来越注重系统的可靠性设计。用电采集系统的可靠性分析已经引起电力行业领导和工程技术人员的高度重视。努力提高用电采集系统的可靠性必将促进电网的安全、经济、稳定运行。

参考文献

[1] Patrick D.T.OConnor实用可靠性工程[M].电子工业出版杜，2005.

[2] 宋保维.系统可靠性设计与分析[M].西北工业大学出版社，2008.endprint