智能電能表是一種新型電能表，相對以往的普通電能表，除具備基本的計量功能外，智能電能表是全電子式電能表，帶有硬件時鐘和完備的通信接口，具有高可靠性、高安全等級以及大存儲容量等特點，完全符合中國未來發(fā)展“節(jié)能環(huán)保”的要求。隨著智能電網的日益發(fā)展，世界各國對于智能化用戶終端的需求也日益增大，隨著智能電網在世界各國的建設，作為用戶端的智能電表的需求也會大幅度地增長。因此，智能電表的安全可靠性和失效率變得尤為重要。

目前，市面上有一些安全可靠性預計軟件，例如：美國的可靠性與維修性分析軟件Relex Studio，電子五所開發(fā)的可靠性維修性保障性工程軟件等，但是這些軟件都不是針對智能電表專門進行預計的軟件。本軟件主要參考Telcordia SR-332預計手冊，在Labview中設計了了一款專門適用于智能電能表的可靠性壽命預計軟件系統(tǒng),Telcordia 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品MTTF的權威性行業(yè)標準。

相較于其他智能電表壽命預計軟件，本文設計的基于Labview的智能電表壽命預計軟件的界面更加直觀，易操作，并且本軟件針對智能電表在不同環(huán)境溫度工作時分別進行壽命預計。

1 電能表壽命可靠性預估理論模型

圖1 可靠性壽命計算流程圖

軟件在電能表安全壽命預估中，參考了Telcordia SR-332預計手冊中的電子元器件供應商提供的失效率數據，主要來自計算機和電信行業(yè)。Telcordia SR-332是由貝爾實驗室提出，當前最為通用的商用電子產品MTBF權威性行業(yè)標準。 軟件中的失效率計算模型為：

式中， 為應用環(huán)境下的工作失效率; 為通用穩(wěn)態(tài)失效率; 為質量影響因子; 為電應力因子; 為溫度影響因子; 為工作失效率的標準差; 為通用穩(wěn)態(tài)失效率的標準差。其計算流程圖如圖1所示。

Telcordia SR-332預計手冊中元器件的失效率和標準差服從伽馬分布。通過計算得到電能表系統(tǒng)的失效率

和系統(tǒng)標準差 后，由伽馬分布的逆運算可求得置信度水平為90%的系統(tǒng)失效率 。伽馬分布的形狀參數 和尺度參數 表達式分別如下：

系統(tǒng)的P%的置信度水平記作 ，則其計算由下公式如下：

系統(tǒng)的P%的置信度水平記作 ，則其計算由下公式如下：

一般工程可靠性預計中，失效率的置信度水平一般取為90%。則經過上公式計算便可得到置信度水平為90%系統(tǒng)的失效率為 ，此值即為預計得到的系統(tǒng)的固有失效率MTTF。

本軟件在可靠性理論和Telcordia SR-332預計手冊的基礎上，提出電表生產廠家的生產工藝及設計影響因子 ，并提出基于生產工藝及設計影響因子的電能表壽命可靠性預計函數。

在可靠性工程中，生產工藝及設計影響因子屬于環(huán)境因子的一種。環(huán)境因子是一個非常重要的參數，它表征相同產品在不同嚴酷度等級的環(huán)境中失效快慢的程度。電子設備的環(huán)境因子K可定義為：電子設備在某種環(huán)境(稱環(huán)境Ⅰ)下的失效率與實驗室條件(稱環(huán)境Ⅱ)下失效率之比：

通常環(huán)境Ⅰ較為嚴酷，即環(huán)境因子一般大于1。

圖2 運算流程圖 考慮電能表生產廠家的生產工藝及設計影響因子，引入了環(huán)境因子 (1≤ ≤1.2)。據環(huán)境因子的定義，本軟件提出的基于生產工藝及設計影響因子的電能表系統(tǒng)的失效率應為：

式中 為考慮了生產工藝及設計影響因子時的系統(tǒng)實際失效率; 為未考慮生產工藝及設計影響因子時的預計得到的系統(tǒng)的固有失效率;一般系統(tǒng)的實際失效率要大于系統(tǒng)的固有失效率，即 。

所以綜合考慮電能表的各種影響因子，本課題首次提出基于生產工藝及設計影響因子的電能表壽命可靠性預計函數：

2 預估軟件設計

2.1軟件數據流圖

軟件在進行智能電表的可靠性壽命預計時，安全壽命預計流程圖如圖2所示。

具體計算步驟如下：

1) 針對智能電表的不同模塊，新建單元項;

2) 在單元中輸入該單元的各個器件個數;

3) 計算每個單元中器件的基本失效率和標準差;

4) 根據每個單元的基本失效率和標準差，預計整表的可靠性壽命。

2.2軟件各模塊設計

2.2.1軟件主體

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的，不同其他計算機語言采用基于文本的語言產生代碼，LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。LabVIEW作為虛擬儀器技術開發(fā)的領軍者，在該平臺上設計的人機交互界面更為簡潔、可靠、符合用戶的使用習慣。根據電能表可靠性壽命預計手冊Telcordia SR-332，電子元器件的失效率可分為不同溫度，本軟件根據智能電表的實際使用環(huán)境，主要考慮了30度和40度兩種工作溫度環(huán)境的情況，因此本軟件的設計基于此，分別對這兩種情況下的電能表可靠性壽命進行預估。本文所設計的軟件主要由三大部分構成，一共有十二個計算單元可供計算使用。第一部分是環(huán)境溫度為30°時的六個計算單元，其中包括每個單元的λ90%和其可靠壽命所占總電能表失效率的百分比，第二部分是環(huán)境溫度為40°時的六個計算單元，第三部分是整個電能表的總失效率和可靠壽命的結果顯示。其主面板如圖3所示。

圖3 智能電表可靠性壽命預計軟件主面板 2.2.2元器件和單元模塊[!--empirenews.page--]

本文設計的軟件共有12個計算單元，每個單元中包含13類器件。在使用本軟件進行壽命預估時，只需輸入每類器件的個數，軟件則根據Telcordia SR-332預計手冊的計算標準和計算公式，快速準確地計算出每個單元的單元失效率和標準差。

以第一單元為例，如圖4所示，每個單元中共包含13個器件模塊，分別為電阻、電容、電感、繼電器、光電子器件、晶體管、開關器件、連接器、微波元件、二極管、集成電路、雜項、其他器件。在單元模塊的程序面板設計中，采用INVGAMMA函數模塊、事件環(huán)節(jié)、while環(huán)節(jié)等嵌套運算，先計算出單元的基本失效率和標準差，再根據所有應用單元的失效率和標準差，應用伽馬分布和置信度水平，計算出整個智能電表的可靠壽命年限。程序面板如圖5所示。

圖4 1#單元模塊

器件模塊為單元模塊的子模塊，在該模塊中列出了相應器件的所有常用型號類別，在使用軟件計算過程中，對應相應類別的器件，輸入相應的器件個數，即可計算出該類器件的基本失效率，以用于單元模塊失效率的計算。以電容模塊為例，如圖6所示，電容模塊中共列出20種不同型號的電容，進行壽命預計時，輸入被測智能電表的單元模塊中所含有的相應類型的電容個數，得到電容模塊的基本失效率和標準差，數據返回上級單元模塊，用以計算整個單元模塊的失效率和標準差。

圖5 智能電表可靠性壽命預計部分程序面板

圖6 電容單元模塊

3電能表可靠性預計實例

本文對某電表公司生產的DTZY71型三相費控智能電能表，規(guī)格為“三相、3×5(60)A、3×220/380V、50Hz、有功1.0級”，如圖7所示;DTSI532型三相四線電子式載波電能表，如圖8所示，規(guī)格為“三相、3×5(60)A、3×220/380V、50Hz、有功1.0級，600imp/kwh”;DDZY71型單相費控智能電能表，如圖9所示，規(guī)格為“單相、5(60)A、220V、50Hz、1200imp/kWh、2.0級”。

圖7 DTZY71樣表照片 圖8 DTSI532樣表照片 圖9 DDZY71樣表照片

首先，統(tǒng)計出電能表中各類器件的元件個數，根據Telicordia SR-332預計手冊相應標準，采用環(huán)境溫度為30℃時的1至6#單元模塊，分別輸入每單元中相應器件的個數，計算出各類器件的基本失效率和基本標準差。計算出每個單元的總失效率、標準差和 ，返回主面板，計算出整表失效率和 ，繼而得出每單元 所占整表的比例。再由安全可靠壽命計算公式預計得出該表的安全可靠壽命年限，結果如表1所示。

表1 智能電表可靠壽命預計結果列表

4 結論

本設計以Telicordia SR-332預計手冊為標準，在Labview平臺上設計了一款智能電表安全預計壽命軟件，通過友好的圖形界面操作，對智能電表的可靠性壽命進行快速、準確的預計，對智能電表的逐漸普及有著廣泛的工程實用價值。