智能电能表可靠性评估方法研究

曹华锋, 马亚珍 井含香 张长青

摘 要：本文主要介绍了智能电能表可靠性评价体系，首先对表征智能电能表可靠性的指标进行分析，智能电能表可靠性的指标包括智能电能表可靠度、失效率以及平均无故障工作时间。最后对智能电能表的运行可靠性的评估方法进行分析，包括智能电能表的加速寿命试验、现场运行数据统计分析以及可靠性预计三种评估方法。

关键词：智能电能表;可靠性;元器件应力法

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

0 引言

当前电力市场的交易要靠电能计量作为贸易结算依据，电能计量的准确性关系着广大电力用户的切身利益。对电能计量可靠性的研究可以提高计量准确性、减少经济纠纷。智能电能表作为计量的核心器具，其运行可靠性关乎着整个计量的可靠性，关系着国家电网的建设以及电力市场的公平、稳定。因此对智能电能表可靠性评价方法进行研究，建立完善、有效的智能电能表可靠性评价体系，保证国家电能计量的准确性迫在眉睫。

1 智能电能表可靠性评价指标分析

评价智能电能表质量的最重要参数就是其使用寿命、运行中的可靠程度。智能电能表在使用寿命内、额定的工作条件下运行故障率越低，其可靠程度越高。当然，在不同的环境下，智能电能表的可靠程度也不尽相同，往往会随环境改变而改变。在智能电能表的可靠性评价体系中常用的可靠性指标有可靠度、失效率、平均无故障工作时间[2]。

1.1 智能电能表的可靠度分析

智能电能表在规定的时间内以及特定的工作环境下能够正常运行并完成智能电能表的所具备的功能的概率称之为可靠度，本文中采用G（t）表示。假定智能电能表使用寿命为T，规定运行时间为t，当t<T时，智能电能表在运行时间t内正常运行。已知智能电能表使用寿命的概率密度为f（t），则会有：

（1）

在正常情況下，G（t）会随着智能电能表运行时间t的增加逐渐变小，当电能表运行时间t超出其使用寿命时，会大幅度减小。在现实应用中，智能电能表的寿命概率是无法在出厂时就可以得知的，G（t）的计算通常是在实验室通过寿命加速试验来获得。

1.2 智能电能表的失效率分析

智能电能表的失效率是指智能电能表在时间为t的时间点之前正常运行的前提下，在（t，t+Δt）之间的时间间隔内智能电能表失效的概率。智能电能表可靠性其中的一个重要指标就是失效率。通常失效率分为三个阶段，分别为早期失效期、有效寿命期、疲劳失效期，其曲线形状就像浴盆一样，被称为“浴盆曲线”，如图1所示。

智能电能表的早期失效率较高，智能电能表生产厂家可以采用技术措施使得产品加速进入使用寿命阶段，该阶段的失效率为常数。用来表征智能电能表可靠性的一个重要特征就是失效率，可表示为：

  （2）

上式中P为在智能电能表正常运行的时间内失效的概率，由该式可以看出，失效率越高，可靠性越低，反之可靠性越高。

1.3 智能电能表的平均无故障工作时间分析

无故障工作时间，顾名思义是指的智能电能表在运行中连续正常工作时间，平均无故障时间是指所有该种智能电能表可连续正常工作的平均值，该值无法在智能电能表出厂时就能得到，需要在智能电能表在现场长时间运行后，根据现场运行情况得到大量统计数据，经计算获得。该值需要大量的样本统计，又称为智能电能表的平均寿命。当智能电能表运行过程中出现不可修复的故障时，那么该智能电能表从运行时刻至故障出现时刻的时间段内为其无故障工作时间。当智能电能表运行中出现的故障为可修复的，那个在出现两次可修复故障的正常运行时间段称之为无故障工作时间，假设平均无故障时间为MT，其表达式为：

（3）

式（3）中：ti为两个可修复智能电能表故障时间间隔，n为智能电能表的修复次数。智能电能表的失效率与平均无故障时间存在互为倒数的关系，其表达式为：

（4）

智能电能表都存在不失效的最小时间，在平均无故障工作时间内，还是存在智能电能表运行的失效概率，假设智能电能表的最小不失效时间为MT，智能电能表失效率与可靠度及最小不失效时间的关系式为：

（5）

智能电能表运行时间超过最小正常运行时间MT时，其可靠度可表示为：

（6）

由上式可以得出，智能电能表在超过其额定的使用寿命内的可靠性降低为37%，在其使用寿命保证无故障工作的概率为37%。

2 智能电能表可靠性评价方法

智能电能表可靠性的评估方法目前常用的有，加速寿命试验、运行数据分析、可靠性预计等方法，这几种方法各有优势跟缺陷。

2.1 加速寿命试验

加速寿命试验是实验室的一种实验方式，通过在实验室模拟智能电能表现场运行环境，包括光照、温度、湿度、电磁辐射、淋雨、腐蚀、沙尘等条件，通过调节模拟仪器增强试验环境，加速智能电能表的运行失效进程，从而加速智能电能表寿命周期。通过试验获得实验数据进行统计，最终得到智能电能表的使用寿命-可靠性曲线。在智能电能表现场运行过程中，影响其寿命最为主要的为温度、湿度。因此通常情况下可以选用这两种条件作为加速应力，通过改变智能电能表运行中的温度、湿度使其出现加速失效状态，在较短的时间内对智能电能表的寿命周期进行验证。

在室内安装的电能表，影响其使用寿命的主要因素为温度，使用 Arrhhenius加速模型：

（7）

上式中：AF为智能电能表加速失效因子;tu为智能电能表现场运行中两次失效时间间隔;ts为智能电能表在实验室加速寿命试验下的试验时间;EA为活化能，一般选 0.6EV;K为 Boltzmann常数，8.617×10-5EV/K;Tu为智能电能表现场运行下的平均温度;Ts为电能表实验室加速寿命试验下的平均温度[2]。

2.2 现场数据统计分析

随着电网的智能化水平的提高，我国电网已基本实现全采集全覆盖，智能电能表的运行状态可以通过采集终端采集回主站，因此智能电能表的现场数据统计变得更加方便。通过对采集回的数据进行统计，利用大数据的概念，通过数学建模对电能表投运时间、运行状况、失效时间、寿命历史等数据进行比对分析，从而得到电能表的寿命可靠性关系曲线。该方法可以得到所有在线运行的表计数据，数据收集具有数据量大、采集方便的优势，但是采集周期相较长、数据相对滞后。

2.3 可靠性预计

智能电能表可靠性预计，该方法是利用智能电能表的元件的可靠性数据模型来进行数据计算得到电能表运行中的正常运行时间的概率，从而得到其可靠性程度。智能电能表可靠性预计常用的方法有：元器件应力法、元器件計数法、评分预计法、失效物理分析法、蒙特卡洛法、可靠性框图法、相似预计法、上下限法等[3]，本文以元器件应力计数法为例进行电能表可靠性数据分析。

假定总失效率由σs表示; 第i个单元第j个元器件的工作失效率由σPij表示; 电能表划分的电路单元数由N表示; 第i个单元的元器件总数由Mi表示;λs对应的标准差由σs表示; λPij对应的标准差由σPij表示，根据元器件应力法可以获得智能电能表的可靠性数学模型，数学表达式可表示为：

（8）

（9）

在5.5P %置信上限的失效率计算中，智能电能表的元器件失效率服从γ分布，其形状参数κ和范围参数θ数学表达式为：

（10）

（11）

假定置信上限为UCL，通过采用γ累计分布函数的反函数G-1计算P% UCL失效率，其表达式可表示为：

（12）

智能电电表是由多个元器件构成，因此其使用寿命也同样由元器件的使用寿命决定着，犹如木桶效应一样，智能电能表的使用寿命是由其使用寿命最短的元器件决定。目前组成电能表的元器件如：电阻、计量芯片、电容等使用寿命往往已经超过10年，远远超过当前智能电能表的正常使用寿命，但是液晶显示屏已经没有达到该使用寿命。因此，提高智能电能表的使用寿命需要从使用寿命最短的元器件入手。

3 结束语

智能电能表的可靠性运行是保证广大用电客户切身利益的基础，为了提高电能表运行的可靠性，需要建立起完善的质量监督体系、通过对电能表运行可靠性进行评估，提高电能表使用寿命。本文对电能表可靠性评价指标以及分析方法进行了详细的阐述，对电能表可靠性评估具有重要价值。随着我国电网的智能化发展，智能电能表已经做到了全面覆盖，因此对智能电能表可靠性的研究有着非常广阔的前景。

参考文献：

[1]王思彤，罗玮，袁瑞铭等.电子式电能表寿命概念的探讨[J].电测与仪表，2009，46（10）：48-52.

[2]田正其，祝宇楠，刘建等.基于贝叶斯的智能电能表可靠性评估方法[J].计算机测量于控制，2016，24（10）：274-277.

[3]杨洪旗，刘少卿，黄进永.智能电能表的可靠性预计方法研究[J]. 电子产品可靠性与环境试验，2016，34（03）：65-68.