可靠性預(yù)測報(bào)告

關(guān)于國網(wǎng)GPRS表電源模塊的可靠性預(yù)計(jì)報(bào)告基于OFGEM模型1電能表可靠性預(yù)計(jì)的意義近幾年世界各主要經(jīng)濟(jì)體相繼推動(dòng)本國電網(wǎng)公司出臺(tái)了智能電網(wǎng)（SmartGrid）分步實(shí)施規(guī)劃。國家電網(wǎng)公司也結(jié)合自身特點(diǎn)，按照“安全、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、科學(xué)調(diào)度和增值服務(wù)”的總體目標(biāo)，大力推進(jìn)了“堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)”建設(shè)。而作為“公平交易”平臺(tái)的智能電表由于安裝基數(shù)龐大（達(dá)2億只）、覆蓋面廣、自動(dòng)化程度高，一旦質(zhì)量控制不好，勢必影響全局。因此，對智能電表的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、采購及運(yùn)行管理等各個(gè)環(huán)節(jié)中，除了加強(qiáng)驗(yàn)收測試，還應(yīng)該對產(chǎn)品的可靠度指標(biāo)作出科學(xué)的測評。然而，我國在電能表可靠性方面的標(biāo)準(zhǔn)體系還不完善，十多年來的現(xiàn)場應(yīng)用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，依靠現(xiàn)有的可靠性考核標(biāo)準(zhǔn)尚不足以全面地評估電能表的質(zhì)量水平；尤其是全電子式電表的失效機(jī)理與機(jī)電式電表有很大不同，使用JB/T50070標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估測試，只能一定程度上說明被驗(yàn)收的電表的質(zhì)量，卻不能用具體的可靠性指標(biāo)（如年平均失效率、可用壽命）來衡量電表的設(shè)計(jì)、制造、選材等質(zhì)量水平、并據(jù)此對電能表的輪換管理提供有價(jià)值的指導(dǎo)。JB/T50070用于實(shí)驗(yàn)室條件下考核電能表在溫度變化和脈沖負(fù)載情況下的平均壽命MTTF(MeanTimetoFailure），其測試結(jié)果僅適用于對待驗(yàn)批次產(chǎn)品作出“接收”或“拒收”。如果企業(yè)或用戶以“自送檢”方式要求試驗(yàn)機(jī)構(gòu)按照J(rèn)B/T50070標(biāo)準(zhǔn)考核，冀望據(jù)此來證明某種電能表具有15年或20年以上實(shí)際可用壽命指標(biāo)，則顯然超越了該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍。我國電能表行業(yè)有必要在深刻理解IEC62059系列標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合GJB299C及其它可靠性國際標(biāo)準(zhǔn)（如Mil_HDBK_217F/Mil_STD_833F/TR-332/SN29500/IEEE1413/RDF2000等），適時(shí)建立適合我國電能表行業(yè)實(shí)際的可靠性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從而對我國智能電表的可靠性預(yù)估起到很好的指導(dǎo)作用。2電能表的產(chǎn)品壽命指標(biāo)及可靠性預(yù)計(jì)方法要評價(jià)電能表的壽命，首先應(yīng)該從可靠性工程的角度出發(fā)用一些具體指標(biāo)加以描述。參照IEC61709和IEC62059標(biāo)準(zhǔn)表述如下:2.1失效（Failure）失效是指整機(jī)或零部件發(fā)生“不可修復(fù)”的損壞――即不能完成必要的功能。對普通電能表而言，計(jì)量失準(zhǔn)、計(jì)度器“串字”或“卡字”、殼體破損、內(nèi)部起火等就屬于失效。對多功能表、多費(fèi)率表、智能費(fèi)控電能表而言，除上述失效類型外，時(shí)鐘失準(zhǔn)、電量結(jié)算與事件記錄等功能紊亂、內(nèi)部繼電器損壞、不能通訊等也屬于“失效”。而一些次要功能的喪失，只要不影響產(chǎn)品的正常使用，就可以不歸結(jié)為失效，例如：LCD背光燈或一般指示用的LED燈不亮等。不同的使用場合可能會(huì)對功能的主次有不同的判斷（例如：無集中抄表系統(tǒng)的應(yīng)用場合，LCD缺筆畫就不可接受；而對有集抄系統(tǒng)的電表，對RS485通訊或PLC接口的阻斷就不可接受），具體尺度由用戶根據(jù)具體應(yīng)用場合來定義。2.2失效率λ（FailureRate）失效率是指產(chǎn)品在給定的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生不可修復(fù)性故障的累計(jì)次數(shù)，它是時(shí)間t的函數(shù)，其單位為Fit(Failureintime:Failures/h)。在IEC62059中，λ(t)定義為瞬時(shí)值：其中，F(xiàn)(t)是瞬時(shí)失效的分布函數(shù)，f(t)是瞬時(shí)失效的概率密度，R(t)是可靠度函數(shù)。失效率的數(shù)據(jù)，既可以來自現(xiàn)場實(shí)際使用情況的統(tǒng)計(jì)調(diào)查，也可以來自權(quán)威機(jī)構(gòu)的模擬測試。2.3壽命期與浴盆曲線（Lifecycle&Bathtubcurve）從可靠性工程的角度看，產(chǎn)品壽命期內(nèi)大體分為三個(gè)階段：早期失效期（InfantMortality）、正常使用期（UsefulLife）和耗損老化失效期（Wear-out）。各階段的失效率與時(shí)間的關(guān)系遵循浴盆曲線（BathtubCurve），如圖1所示。早期失效期：由于設(shè)計(jì)、制造、材料等過程中存在的缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品剛開始使用時(shí)失效率高。企業(yè)質(zhì)量管理水平越高，該過程就越短。雖然老化（Burn-in）和篩選也可將早期失效控制在出廠前，但如果采用嚴(yán)格控制質(zhì)量環(huán)節(jié)（SPC－Stepbystepprocesscontrol）及6δ管理方法則更能“事半功倍”。正常使用期：全電子式電能表在這一時(shí)期的故障產(chǎn)品質(zhì)量和使用環(huán)境有關(guān)，是隨機(jī)發(fā)生的，質(zhì)量越好的產(chǎn)品，其失效率很低且近乎是常數(shù)，因此可用壽命也越長。對維護(hù)成本高的單相電能表通常不會(huì)等到正常使用期結(jié)束才更換，而應(yīng)依據(jù)DL/T448規(guī)程輪換。耗損失效期：由于產(chǎn)品的各主要部件壽命已到，各種故障“累積”爆發(fā)，應(yīng)及時(shí)更換。2.4平均壽命(MTTF－Meantimetofailure)當(dāng)電能表進(jìn)入正常使用期后，由于失效率幾乎為常數(shù)，一般也用失效率λ的倒數(shù)――MTTF來衡量電能表的質(zhì)量水平：可見，MTTF只能衡量正常使用期持續(xù)時(shí)間長短。2.5可靠度（Reliability）可靠度R(t)是指產(chǎn)品運(yùn)行到一定時(shí)間后，產(chǎn)品保持功能完好的概率，它隨運(yùn)行時(shí)間變換。對處于正常使用期內(nèi)的電子式電能表，其失效是隨機(jī)性的，其可靠性指標(biāo)符合指數(shù)分布：我國電能表方面的標(biāo)準(zhǔn)習(xí)慣于使用MTTF來描述壽命，從上面的公式不難看出，當(dāng)產(chǎn)品運(yùn)行至平均壽命，即t=MTTF時(shí)，可靠度僅剩37.2%。換言之，100塊電表運(yùn)行至MTTF時(shí)，僅有37％保持完好。2.5可靠性預(yù)計(jì)方法智能電能表本質(zhì)上屬于電子設(shè)備，而針對電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)的國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)比較多，其中著名的有：軍標(biāo)類GJB/Z299C，Mil_HDBK_217F，RDF2000，及工業(yè)、醫(yī)療和電信類IEC61709、IEEE1413、SN29500、BellcoreTR-332等。這些標(biāo)準(zhǔn)對構(gòu)成電子設(shè)備的所有零件、加工工藝等均給出了參比條件下的失效率及其環(huán)境應(yīng)力。其中軍標(biāo)類的數(shù)據(jù)比較保守，不太適合電能表的可靠性預(yù)計(jì)，IEC62059標(biāo)準(zhǔn)、蘭吉爾ALEG標(biāo)準(zhǔn)、OFGEM等均使用西門子SN29500系列（基于IEC61709）標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這是因?yàn)镾N29500涵蓋了工業(yè)、醫(yī)療、通訊、民用等多個(gè)領(lǐng)域使用的各類材料、電子零部件、加工工藝等的失效率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)比其它標(biāo)準(zhǔn)更完整，更新也較及時(shí)。3OFGEM模型的應(yīng)用 OFGEM模型采用西門子公司的SN29500標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行電能表的可信性分析，并且應(yīng)用了簡化串行模型對電能表進(jìn)行“最壞情況”的預(yù)估。 該模型采用微軟公司的Excel軟件，通過對電子表格的操作得出電能表可靠度高于97%的時(shí)間作為電能表的可靠性時(shí)間的預(yù)估。配合SN29500標(biāo)準(zhǔn)，軟件操作簡單直觀。3.1OFGEM簡化串行模型 根據(jù)OFGEM簡化模型，電能表的總失效率等于所有零部件的失效率之和。這個(gè)前提是各個(gè)零部件的失效率在電能表的生命周期內(nèi)保持一個(gè)恒定的影響量。然而這個(gè)假設(shè)在某些方面顯得有點(diǎn)不合理。（在電能表的預(yù)估上不太需要考慮重復(fù)冗余的零部件）這樣也使得我們的串行模型為“最壞情況”的預(yù)估模型。該模型見圖二所示。該模型中，電能表的總失效率可以用下面公式來決定： 其中：=每個(gè)元器件的失效率=電能表的總體失效率3.2元件失效率數(shù)據(jù)來源 在OFGEM模型中，把所有的元器件分為五大類。分別為：分離半導(dǎo)體元件、集成IC、被動(dòng)元件、電氣連接器件、混雜元器件和沒有被SN29500標(biāo)準(zhǔn)囊括的元器件。每個(gè)元器件的失效率數(shù)據(jù)由參考失效率和轉(zhuǎn)換因子組成。以被動(dòng)元器件電容為例：(3.1)其中為參考失效率，、、、為電容元件失效率的轉(zhuǎn)換因子。3.2.1參考失效率來源每個(gè)元器件根據(jù)材料和總大類可以在SN29500標(biāo)準(zhǔn)中找到自己的參考失效率。（在參考環(huán)境下的參考失效率數(shù)據(jù)）3.2.2轉(zhuǎn)換因子 每個(gè)元器件的失效率從參考失效率到工作失效率的轉(zhuǎn)變中涉及到轉(zhuǎn)換因子的概念。在OFGEM模型中總共有5個(gè)轉(zhuǎn)換因子,分別為、、、、。：電壓轉(zhuǎn)換因子。：溫度轉(zhuǎn)換因子，采用阿列紐斯基本模型。：質(zhì)量轉(zhuǎn)換因子。：元器件工作負(fù)荷轉(zhuǎn)換因子。例如：電能表中不經(jīng)常在工作狀態(tài)的元器件。：元器件靈敏度漂移轉(zhuǎn)換因子。這個(gè)因子僅僅用在特定的元器件子分類中。 每個(gè)元器件的失效率在參考失效率向工作失效率轉(zhuǎn)變的過程中可通過查找SN29500標(biāo)準(zhǔn)找到自己需要的轉(zhuǎn)換因子。3.3π系數(shù)確定下面以被動(dòng)元件電容為例來說明π系數(shù)的確定。從式3.1中可看出電容從參考失效率到工作失效率需要4個(gè)轉(zhuǎn)換因子的作用，分別為：、、、。電容的電壓轉(zhuǎn)換因子：U：工作電壓：參考電壓：額定電壓、：常數(shù) 在實(shí)際操作中我們按照上述電壓的轉(zhuǎn)換因子得到電容的實(shí)際電壓π系數(shù)。其中U為電容的工作電壓。其他的參數(shù)都可以從SN29500標(biāo)準(zhǔn)中得到。 電容的溫度轉(zhuǎn)換因子：其中：、、:常數(shù)：參考環(huán)境溫度：參考電容溫度：實(shí)際電容溫度在實(shí)際操作中我們按照上述溫度的轉(zhuǎn)換因子公式得到電容的實(shí)際溫度π系數(shù)。其中為電容的實(shí)際溫度。其他的參數(shù)都可以從SN29500標(biāo)準(zhǔn)中得到。電容的轉(zhuǎn)換相對簡單，長壽命的參數(shù)設(shè)置為1，通用的參數(shù)設(shè)置為2.電容的轉(zhuǎn)換公式為：W:元器件的工作持續(xù)時(shí)間比例。R：常數(shù)4預(yù)計(jì)結(jié)果分析 本章節(jié)主要結(jié)合OFGEM模型對電源模塊進(jìn)行可靠性預(yù)估，并且給出了關(guān)鍵元器件的可靠性預(yù)估。4.1電源模塊的原理框圖電源模塊分為兩個(gè)部分，一部分是電源，另一部分是計(jì)量單元。其中電源采用的是高頻式開關(guān)電源，其優(yōu)點(diǎn)在于：體積小、重量輕，同時(shí)便于實(shí)現(xiàn)寬范圍供電和計(jì)量的需求。圖三電能表總框圖圖三為電能表的總體框架圖，虛線部分為電源模塊的原理框圖。圖中電源部分由橋式整流、EMI濾波、開關(guān)電路構(gòu)成。計(jì)量部分采用專用計(jì)量芯片MMI3來對電能進(jìn)行計(jì)量。4.2關(guān)鍵元器件的失效率圖四關(guān)鍵元器件的失效率統(tǒng)計(jì)圖 圖四所示為電源模塊中關(guān)鍵元器件的失效率?？v坐標(biāo)為失效率的大小，其單位為Fit(Failureintime:Failures/h)。從上圖可以看出，電容C443的失效率值最大，為11.19Fit。下面以耗散元器件C443和光耦I(lǐng)C411為例，說明失效率值的來源。電容受、、、四個(gè)轉(zhuǎn)換因子作用，使參考失效率轉(zhuǎn)換為個(gè)體失效率，而光耦器件IC411只受、兩個(gè)轉(zhuǎn)換因子作用。具體見圖五所示。CircuitRefTypeValueUTQWp(fai