袁金燦，馬 進，王思彤，周麗霞，周 暉

（1.中國電力科學研究院，北京 100192；2.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206；3.冀北電網(wǎng)有限公司計量中心，北京 102208）

0 引言

目前國家電網(wǎng)公司正在大力推進電力用戶用電信息采集系統(tǒng)建設，計劃用5年時間（2010年至2014年），建成覆蓋全部用戶、采集全部用電信息、支持全面電費控制的采集系統(tǒng)，而智能電能表是采集系統(tǒng)最重要、最基礎的組成部分。智能電能表的可靠性直接影響著采集系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，也直接關系到千家萬戶的供電可靠性和安全性。因此，除了需要對智能電能表的設計、生產(chǎn)、采購及運行管理等各個環(huán)節(jié)中加強驗收測試，還應該對產(chǎn)品的可靠度指標做出科學的預計測評，總結出提高可靠性的措施，進而從整體上提高產(chǎn)品質量，延長智能電能表的使用壽命。

1 可靠性預計手冊的選擇

可靠性預計手冊為可靠性預計提供基礎數(shù)據(jù)和預計方法，是智能電能表可靠性預計的基礎。幾乎每種預計標準都以可靠性預計手冊的形式出現(xiàn)，因此很多時候又將可靠性預計標準稱為預計手冊。如無特殊說明，本文將不區(qū)分可靠性預計手冊和可靠性預計標準。電子類產(chǎn)品的可靠性預計手冊很多，但是由于預計手冊的不同適用性，任何一款預計手冊都有各自的特點和局限性。本文對這些預計手冊的特點和局限性進行了比較，如表1所示。根據(jù)應用的領域不同，預計手冊可以分為軍用標準和商用標準，根據(jù)對系統(tǒng)可靠性處理方法的不同又可以分成不同的類別。下面結合智能電能表特點，對不同的預計手冊分類進行對比，最后選擇出最適用于智能電能表的可靠性預計手冊。

表1 多種預計手冊的特點和局限性Tab.1 Characteristics and limitations of a few reliability prediction handbooks

1.1 軍用標準和商用標準

根據(jù)應用行業(yè)不同，預計手冊可分為軍用標準和商用標準。軍用標準應用于軍事領域，制定較為嚴格；商用標準制定寬松，適用于商用電子產(chǎn)品。國際上應用較為廣泛的軍用標準有美軍標MIL-HDBK-217F，商用標準有 Telcordia SR-332（簡稱 SR-332）、SN29500；國內(nèi)通常應用的軍用標準是國軍標GJB／Z 299C。由于MIL-HDBK-217F數(shù)據(jù)庫自1995年以來未更新[8]，其元器件失效率數(shù)據(jù)已無法真實地反映當下失效率水平，因此不再參與對比。本文應用SR-332、SN29500和GJB／Z 299C對一款單相費控智能電能表進行預計，其中SR-332的置信度選為90%。預計結果見表2。其中，MTTF為平均失效前時間，t0.95和t0.90分別為可靠度為0.95、0.90時的可靠壽命。

表2 3種預計手冊的預計結果Tab.2 Predictive results with three kinds of reliability prediction handbook

從表2可以看出：應用GJB／Z 299C預計的失效率約為SR-332的6.7倍；SN29500預計的失效率和SR-332的預計結果相差不大；應用GJB／Z 299C預計的失效率要遠大于另外2個預計手冊的預計結果。應用表2中GJB／Z 299C的計算結果，選樣本為10000只，得出智能電能表運行時間與累積失效數(shù)、可靠度的關系如表3所示。

表3 運行時間與累積失效數(shù)、可靠度的關系Tab.3 Relationship between running time and cumulative failure times／reliability

DL／T448—2000《電能計量裝置技術管理規(guī)程》規(guī)定運行中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類電能表的輪換周期一般為3～4年。滿1個輪換周期后抽樣10%做修調(diào)前檢驗，Ⅰ、Ⅱ類電能表的修調(diào)前檢驗合格率為100%，Ⅲ類電能表的修調(diào)前檢驗合格率應該不低于98%[9]。家用的智能電能表是屬于第Ⅱ類電能表，表3中運用GJB／Z 299C預計出的可靠性指標顯然不能滿足DL／T448—2000的要求，同時也不滿足國家電網(wǎng)公司對智能電能表壽命達15年的需求。進一步應用GJB／Z 299C預計多款智能電能表，得到的失效率和本款單相費控智能電能表的結果相近。目前，智能電能表安裝到現(xiàn)場后，雖然還沒有完善的現(xiàn)場對比數(shù)據(jù)，但安裝的智能電能表運行數(shù)據(jù)和國軍標的預計結果存在較大差距。因此，本文選用商用標準預計智能電能表失效率。

1.2 系統(tǒng)可靠性預計方法選擇

系統(tǒng)的可靠性預計方法大體分為2類：一類是考慮過程因素和設計因素的方法，另一類是采用串聯(lián)結構加和形式的系統(tǒng)預計方法。其中應用PRISM、217 Plus和FIDES手冊開展預計時，首先需要綜合考慮工藝等級因素、工作剖面和初始的可靠性預計，采用綜合的可靠性評估方法建立系統(tǒng)模型；然后，采用貝葉斯統(tǒng)計方法將可靠性評估方法和系統(tǒng)試驗及過程數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一考慮。因此，這3種方法屬于前一類，適用于較復雜系統(tǒng)。智能電能表由于應用時間還不長，結構較為簡單，依據(jù)IEC62059-41和JJF1024—2006，不考慮其過程和設計因素，系統(tǒng)采用串聯(lián)結構，系統(tǒng)失效率視為各元器件失效率的累加[10]。因此需要選擇串聯(lián)加和的系統(tǒng)預計方法，不再選用PRISM、217 Plus和FIDES等考慮過程因素和設計因素的預計手冊開展預計。

1.3 智能電能表可靠性預計手冊的選擇

考慮到智能電能表的特點、方法可操作性、應用經(jīng)驗和電能表廠家所能提供的工程信息等因素，對比各預計手冊，可以得到Telcordia SR-332 Issue 2是目前預計智能電能表可靠性最佳的預計手冊，原因如下。

a.智能電能表結構相對簡單，生產(chǎn)工藝符合相應的工藝標準，在制造商交付電力公司前，智能電能表經(jīng)歷過老化篩選，決定智能電能表可靠性的最主要因素是元器件。依據(jù)IEC62059-41《電能計量設備可信性-第41部分可靠性預計》和JJF1024—2006《測量儀器可靠性分析》搭建智能電能表可靠性預計模型，可以假定所有元器件同樣重要，即任何元器件的失效都會引起智能電能表的失效，其可靠性框圖是串聯(lián)模型[10]，系統(tǒng)失效率宜采用SR-332預計手冊的累加模式處理。

b.智能電能表屬于地面、計量箱內(nèi)固定安裝，劇烈振動、溫度劇變等不可預見的外部沖擊較少。SR-332手冊廣泛應用于電子通信業(yè)，已較全面包含一般的智能電能表自然環(huán)境和應力影響[11]；且SR-332收集數(shù)據(jù)的器件和智能電能表屬于同一個系統(tǒng)，元器件分類較適用于智能電能表，隨著我國元器件質量水平的不斷提高，2006年出版的SR-332元器件數(shù)據(jù)滿足預計的需求。

c.SR-332是從貝爾通信研究中心發(fā)展起來用于評估電子設備可靠性的預計方法，是目前最通用的商用電子產(chǎn)品MTTF的權威性行業(yè)標準；阿爾卡特、思科、英特爾、朗訊、摩托羅拉等國際知名企業(yè)均參與了其標準的制定和應用。SR-332能夠較為準確地反映電子設備的失效率水平，獲得了廣泛使用。據(jù)IEEE調(diào)查，進行可靠性預計的整機單位有10%采用SR-332的預計方法；歐洲電力供應商協(xié)會2005年統(tǒng)計顯示，其16個成員公司中有8個公司采用SR-332的預計標準[12]。此外Telcordia預計標準擁有較豐富的實踐經(jīng)驗，其2006年最新出版的SR-332 Issue 2提供了各種置信水平下計算失效率的方法，具有非常重要的實用價值和現(xiàn)實意義。智能電能表作為典型的商用電子設備，宜采用商用標準SR-332計算失效率。

d.電能表廠家提供的用于智能電能表可靠性預計的工程信息，一般包含智能電能表的原理圖、各組成元器件的類型、生產(chǎn)廠家、型號、規(guī)格、環(huán)境類型、主要性能、工作環(huán)境溫度、制造商、質量等級、額定電應力、工作電應力等信息，如果采用IEC62380和FIDES等較復雜的預計手冊開展預計，需要廠家收集更多的元器件信息，會大幅增加預計所需時間和費用。

e.SR-332提供了幾乎全部電子元器件的失效率和系統(tǒng)的預計方法，同時還提供了利用實驗數(shù)據(jù)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)和老化數(shù)據(jù)對預計結果修正的方法，便于在設計、樣機評價和試驗選型等階段對智能電能表進行預計。另外，SR-332標準以電子文件的形式出售，比只向西門子內(nèi)部及其相關公司開放的SN29500[12]更適于在國內(nèi)廣泛推廣。同時很多專注于可靠性預計的軟件產(chǎn)品，都支持依據(jù)SR-332方法的可靠性預計，有利于智能電能表可靠性預計方法的廣泛應用。

2 預計結果分析

在選定預計手冊之后，應用預計手冊計算的智能電能表預計結果除了可以綜合評價設計方案，給電力公司提供加強入網(wǎng)的檢測手段之外，對智能電能表的可靠性檢測和設計等也具有重要意義。通過分析預計結果可以鑒別出高失效率元器件，為優(yōu)選及使用元器件提供數(shù)據(jù)；可以評估出外界應力對智能電能表可靠性的影響，為智能電能表的使用和維護提供有益信息；幫助檢查智能電能表研發(fā)方案和電路設計的合理性，發(fā)現(xiàn)設計中的潛在缺陷，為改進優(yōu)選設計方案提供依據(jù)。鑒于預計結果的重要意義，本文從環(huán)境應力造成影響、對可靠性改進的建議和元器件的分析3個方面對智能電能表的預計結果做進一步分析。

2.1 應力造成的影響

在智能電能表中，對可靠性影響較為嚴重的應力因子有溫度應力因子和電應力因子。本文基于可靠性預計結果，研究智能電能表失效率隨溫度應力、電應力變化的趨勢和表內(nèi)的應力敏感元器件。

首先，預計了一款單相本地費控智能電能表在25℃和40℃時整機和各單元模塊的失效率；隨著溫度的升高，整機失效率從25℃時的812.93 fit上升至40℃的1112.33 fit；隨著溫度升高，各功能單元的失效率變化的幅度各不相同。為進一步分析智能電能表失效率隨溫度變化的規(guī)律，本文根據(jù)預計結果繪制出整表和各功能模塊隨溫度變化的曲線如圖1所示。圖1中，數(shù)字1—8分別對應整表、通信單元、按鍵和顯示單元、電源單元、費控單元、采樣和計量單元、MCU控制單元、拉閘及檢測單元?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，整表和各組件的失效率都迅速增大，曲線上升的趨勢近似于指數(shù)型；整表和各單元模塊的失效率增長程度各有不同。

圖1 失效率隨溫度變化曲線Fig.1 Curves of failure rate vs.temperature

深入分析智能電能表中各單元模塊的元器件，發(fā)現(xiàn)其中應用的存儲器、穩(wěn)壓器、電解電容和熱壓敏電阻受溫度變化影響較大。在預計手冊SR-332中，給出了可以量化溫度對元器件失效率的影響的溫度應力因子πT的計算公式：

其中，e為自然對數(shù)的底；T0=40+273=313（K），為參考溫度；T1為工作溫度；k=8.62×10-5eV／K，為玻爾茲曼常數(shù)；Ea為活化能。根據(jù)此溫度應力模型，智能電能表中256 KB的ROM存儲器在40℃下的失效率為19.73 fit，而在50℃時的失效率為37.51 fit。可見溫度升高了10℃，ROM存儲器的失效率就增加了1倍。鑒于整表、組件和敏感元器件的失效率隨溫度變化的幅度較大，在智能電能表設計中必須考慮熱設計，盡量降低智能電能表元器件的工作溫度，從而提高可靠性。

除溫度應力外，電應力也是影響電子設備可靠性的主要因素之一。本文通過改變智能電能表的電應力，繪制出整表和各單元模塊失效率隨電應力變化的曲線，如圖2所示。圖2中，數(shù)字1—8分別對應整表、采樣和計量單元、按鍵和顯示單元、費控單元、拉閘及檢測單元、通信單元、電源單元、MCU控制單元。

圖2 失效率隨電應力變化曲線Fig.2 Curves of failure rate vs.electrical stress

由圖2可見，隨著電應力的增加，整表和各單元模塊的失效率迅速增大，呈現(xiàn)指數(shù)型上升趨勢；進一步研究電應力對元器件的影響，可以發(fā)現(xiàn)智能電能表內(nèi)對電應力最為敏感的元器件有鋁電解電容、二極管、三極管、瓷介電容等，在應用SR-332預計的結果中，這些元器件的失效率在不同電應力水平下差別較大，如表4所示。

表4 不同電應力水平下元器件失效率比較Tab.4 Comparison of failure rate in different electrical stress

結合表4所示的敏感元器件失效率進行分析，可以對高失效率單元和失效率較高的重點元器件進一步實施降額設計，從而降低失效率，提高可靠性。一般依照設計經(jīng)驗，智能電能表中的貼片電阻、貼片電容、電解電容等應保證50%以上的降額；二極管、三極管應盡量采取降額設計，最大限度降低其失效率；10（40）A的智能電能表，應盡量采用最大電流不小于60 A的繼電器。

根據(jù)上面的分析，可以發(fā)現(xiàn)智能電能表可靠性受溫度應力和電應力影響較大，在進行智能電能表設計時，應全面考慮元器件可能遇到的極端工作條件，在確保技術性能指標的前提下，有必要對元器件的工作電壓范圍、溫度特性、電特性參數(shù)等都采用降額使用的方法，從而降低元器件在各種應力條件下的失效率。

2.2 對比產(chǎn)品改進可靠性

通過對比分析不同的智能電能表設計方案預計結果不僅可以發(fā)現(xiàn)各設計方案中存在的高失效率單元，同時還可以分析出方案引起高失效率的原因，從而識別出潛在的改進可靠性的機會，有針對性地提出改進措施，降低失效率。

2.2.1 同一類型不同廠家的智能電能表

研究樣本選為國內(nèi)和國外的同一類型的智能電能表，2款智能電能表主要功能類似。應用SR-332（置信度選為90%）預計2款智能電能表的可靠性，預計結果如表5所示。

表5 預計結果Tab.5 Predictive results

由表5可以看出，本款國外的單相智能電能表的失效率比國內(nèi)的要低，其原因主要是國外表的采樣計量單元和電源單元失效率較低。通過查看2款電能表的模塊元器件組成，發(fā)現(xiàn)本款國內(nèi)單相智能電能表采樣計量模塊和電源單元中應用了錳銅分流器、直插晶振、電解電容、插件磁珠等失效率較高的元器件，而國外單相智能電能表中未使用此類失效率較高元器件，或使用較少。由于在預計手冊中失效率較低元器件往往是穩(wěn)定生產(chǎn)的成熟元器件，此類元器件具有較高的穩(wěn)定性和較低的失效率，因此，選擇元器件時，應盡量考慮采用穩(wěn)定生產(chǎn)的成熟元器件，并選擇穩(wěn)定的供貨商。

此外，對于預計結果中分析出的高失效率單元中的失效率較高的元器件，當元器件不能被替換，且其他任何可靠性設計技術都難以進一步提高產(chǎn)品可靠性時，并聯(lián)、備用、表決等冗余設計便成為提高智能電能表可靠性的必然選擇。智能電能表的冗余設計，就是對設計部分并聯(lián)相同或不同的單元，或增加備用單元，并聯(lián)或增加的部分與設計部分應實現(xiàn)相同的功能。同時對于高失效率元器件的冗余設計也可以使元器件的可靠性成倍提高，例如，智能電能表電源部分鋁電解電容的失效率較高，提高其可靠性可通過并聯(lián)2個電解電容的方式來實現(xiàn)。預計結果顯示此470 μF的電解電容失效率為26.8 fit，當并聯(lián)2個同樣的電解電容時，此單元的失效率為13.4 fit，失效率降低了一半。

2.2.2 同一廠家不同類型智能電能表

根據(jù)功能的不同，智能電能表可劃分成不同的種類。其中，按照費控方式的不同智能電能表可劃分為帶CPU卡的本地費控預付費智能電能表和遠程費控智能電能表2類；按照通信方式的不同可分為載波表、RS-485表和紅外通信表。本文研究了一組同一廠家生產(chǎn)的不同類型智能電能表的預計結果，分析不同種類的智能電能表的可靠性的特點。樣本選為4款不同功能的智能電能表：K1為單相本地費控智能電能表（載波／CPU卡），K2為單相費控智能電能表（CPU卡），K3為單相本地費控智能電能表（遠程／載波），K4為三相四線智能電能表。K1、K2、K3都擁有計量、結算、測量、通信、事件記錄、凍結、報警等基本功能，主要區(qū)別在于載波通信和預付費2種功能；K1同時擁有載波通信功能和IC卡預付費功能，K2只具備載波通信功能，K3只具備IC卡預付費功能。K4構造比K1、K2、K3都要復雜，功能也更全面。應用SR-332預計4款智能電能表的可靠性，結果如表6所示。其中，t0.97為可靠度為0.97時的可靠壽命。

表6 4種智能電能表可靠性指標對比Tab.6 Comparison of reliability indexes among four kinds of smart electrical power meters

從表6可以發(fā)現(xiàn)：智能電能表的功能越復雜，整表的失效率也就會越大，可靠性就會越低。因此，隨著智能電能表技術的發(fā)展，智能電能表性能和功能越來越強，在一定技術條件下，應該注意協(xié)調(diào)多功能與可靠性的關系。一方面，功能的增加，將會使應用的元器件數(shù)量增多，會相對降低電能表的可靠性；另一方面，多功能設計增加了設計中存在不合理、不可靠隱患的幾率。因此，在設計智能電能表時，應根據(jù)實際需要選擇合理的功能配置。

2.3 元器件的分析

對大量的電子設備的故障統(tǒng)計表明，元器件失效在故障分布中占首位。要保證智能電能表可靠運行，首先需要保證其內(nèi)部元器件的可靠性。因此，本文應用預計結果，對元器件做進一步分析，對單個元器件失效率和各類元器件失效占比進行排列，分別如圖3和表7所示。

分析以上預計結果，結合現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以得出以下結論。

圖3 單個元器件失效率分析Fig.3 Analysis of failure rate for single component

表7 各類別元器件失效占比Tab.7 Failure rate ratio of different kinds of component

a.影響智能電能表可靠性的主要元器件為：集成電路（實時時鐘芯片、ESAM模塊和RS-485芯片）、液晶、電解電容、鋰電池、穩(wěn)壓器、錳銅分流器、變壓器和壓熱敏電阻等。進一步對比單個元器件的失效率，可發(fā)現(xiàn)液晶的失效率最高、其次為實時時鐘芯片和鋰電池的失效率。為提高智能電能表可靠性，上述元器件的使用和選取在方案設計時必須著重分析。

b.在現(xiàn)場應用中，液晶、時鐘電池、電解電容、存儲器、晶振、表殼、卡槽及卡座等是影響智能電能表壽命的主要元器件。綜合圖3和表7中的預計數(shù)據(jù)，可得到液晶、電池和電解電容是智能電能表中失效率較高、容易出現(xiàn)故障的3類元器件，應作為關鍵元器件進行研究。此3類元器件在選用時要使用品牌廠商的優(yōu)質元器件，且在方案設計、應力篩選、可靠性試驗驗證等各個環(huán)節(jié)都應當給予重視。

c.集成電路失效占比較大。一方面是由于手冊提供的集成電路失效率較高；另一方面，使用數(shù)量較多。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，集成電路對智能電能表的壽命周期影響較小，經(jīng)歷了半個世紀的發(fā)展已具有超長壽命。預計失效率較高是由于預計手冊的數(shù)據(jù)存在一定的滯后性造成的。

d.智能電能表中應用最多的電阻和電容，由于屬于無源器件，物理特性較為穩(wěn)定，沒有時效性，單個失效率較小，在現(xiàn)場較少發(fā)生故障。

3 結論

智能電能表作為較為簡單的商用電子產(chǎn)品，適于應用 SR-332手冊，采用累加模型進行可靠性預計。本文依據(jù)IEC62059-41和JJF1024—2006，應用Telcordia SR-332手冊，預計出了多款智能電能表的可靠性指標，分析結果得到了提高智能電能表可靠性的措施：采用熱設計、降額設計和冗余設計等可靠性設計技術；減少功能，減少元器件數(shù)量；使用具備可靠性數(shù)據(jù)的優(yōu)質元器件；本文進一步綜合現(xiàn)場數(shù)據(jù)，提出液晶、電池和電解電容是智能電能表失效率較高的關鍵元器件，在方案設計、元器件采購、應力篩選、可靠性試驗驗證等各個環(huán)節(jié)都應當給予重視。

鑒于可靠性預計對智能電能表的重要意義，電力部門和電能表廠家應加大對智能電能表的可靠性預計工作的投入，應用預計的方法來綜合評價智能電能表設計方案，鑒別研發(fā)方案和電路設計的潛在問題或薄弱環(huán)節(jié)，進而從整體上提高智能電能表可靠性。