关于国网GPRS表电源模块的可靠性预计报告

                                                   基于OFGEM模型

1电能表可靠性预计的意义

近几年世界各主要经济体相继推动本国电网公司出台了智能电网（Smart Grid）分步实施规划。国家电网公司也结合自身特点，按照“安全、经济、节能、科学调度和增值服务”的总体目标，大力推进了“坚强的智能电网”建设。而作为 “公平交易”平台的智能电表由于安装基数庞大（达2亿只）、覆盖面广、自动化程度高，一旦质量控制不好，势必影响全局。因此，对智能电表的设计、生产、采购及运行管理等各个环节中，除了加强验收测试，还应该对产品的可靠度指标作出科学的测评。

然而，我国在电能表可靠性方面的标准体系还不完善，十多年来的现场应用统计数据表明，依靠现有的可靠性考核标准尚不足以全面地评估电能表的质量水平；尤其是全电子式电表的失效机理与机电式电表有很大不同，使用JB/T50070标准进行评估测试，只能一定程度上说明被验收的电表的质量，却不能用具体的可靠性指标（如年平均失效率、可用寿命）来衡量电表的设计、制造、选材等质量水平、并据此对电能表的轮换管理提供有价值的指导。

JB/T50070用于实验室条件下考核电能表在温度变化和脉冲负载情况下的平均寿命MTTF (Mean Time to Failure），其测试结果仅适用于对待验批次产品作出“接收”或“拒收”。 如果企业或用户以“自送检”方式要求试验机构按照JB/T50070标准考核，冀望据此来证明某种电能表具有15年或20年以上实际可用寿命指标，则显然超越了该标准的适用范围。 我国电能表行业有必要在深刻理解IEC62059系列标准的基础上，结合GJB299C及其它可靠性国际标准（如Mil_HDBK_217F /Mil_STD_833F/TR-332 /SN29500 /IEEE1413/ RDF2000等），适时建立适合我国电能表行业实际的可靠性评价标准，从而对我国智能电表的可靠性预估起到很好的指导作用。

2电能表的产品寿命指标及可靠性预计方法

要评价电能表的寿命，首先应该从可靠性工程的角度出发用一些具体指标加以描述。参照IEC61709和IEC62059标准表述如下:

2.1 失效（Failure）

失效是指整机 或零部件发生“不可修复”的损坏――即不能完成必要的功能。对普通电能表而言，计量失准、计度器“串字”或“卡字”、壳体破损、内部起火等就属于失效。 对多功能表、多费率表、智能费控电能表而言，除上述失效类型外，时钟失准、电量结算与事件记录等功能紊乱、内部继电器损坏、不能通讯等也属于“失效”。

而一些次要功能的丧失，只要不影响产品的正常使用，就可以不归结为失效，例如：LCD背光灯或一般指示用的LED灯不亮等。不同的使用场合可能会对功能的主次有不同的判断（例如：无集中抄表系统的应用场合，LCD缺笔画就不可接受；而对有集抄系统的电表，对RS485通讯或PLC接口的阻断就不可接受），具体尺度由用户根据具体应用场合来定义。

2.2 失效率λ（Failure Rate）

失效率是指产品在给定的时间间隔内发生不可修复性故障的累计次数，它是时间t的函数，其单位为Fit(Failure in time: Failures/h)。在IEC62059中，λ(t)定义为瞬时值：

其中，F(t)是瞬时失效的分布函数，f(t)是瞬时失效的概率密度，R(t)是可靠度函数。 失效率的数据，既可以来自现场实际使用情况的统计调查，也可以来自权威机构的模拟测试。

2.3 寿命期与浴盆曲线（Lifecycle & Bathtub curve）

从可靠性工程的角度看，产品寿命期内大体分为三个阶段：早期失效期（Infant Mortality）、正常使用期（Useful Life）和耗损老化失效期（Wear-out）。各阶段的失效率与时间的关系遵循浴盆曲线（Bathtub Curve），如图1所示。

早期失效期：由于设计、制造、材料等过程中存在的缺陷，导致产品刚开始使用时失效率高。企业质量管理水平越高，该过程就越短。虽然老化（Burn-in）和筛选也可将早期失效控制在出厂前，但如果采用严格控制质量环节（SPC－Step by step process control）及6δ管理方法则更能“事半功倍”。

正常使用期：全电子式电能表在这一时期的故障产品质量和使用环境有关，是随机发生的，质量越好的产品，其失效率很低且近乎是常数，因此可用寿命也越长。对维护成本高的单相电能表通常不会等到正常使用期结束才更换，而应依据DL/T448规程轮换。

耗损失效期：由于产品的各主要部件寿命已到，各种故障“累积”爆发，应及时更换。

2.4 平均寿命(MTTF－Mean time to failure)

当电能表进入正常使用期后，由于失效率几乎为常数，一般也用失效率λ的倒数――MTTF来衡量电能表的质量水平：

可见，MTTF只能衡量正常使用期持续时间长短。

2.5 可靠度（Reliability）

可靠度R(t)是指产品运行到一定时间后，产品保持功能完好的概率，它随运行时间变换。 对处于正常使用期内的电子式电能表，其失效是随机性的，其可靠性指标符合指数分布：

我国电能表方面的标准习惯于使用MTTF来描述寿命，从上面的公式不难看出，当产品运行至平均寿命，即t=MTTF时，可靠度仅剩37.2%。换言之，100块电表运行至MTTF时，仅有37％保持完好。

2.5 可靠性预计方法

智能电能表本质上属于电子设备，而针对电子设备可靠性预计的国际和国内标准比较多，其中著名的有：军标类GJB/Z299C，Mil_HDBK_217F，RDF2000，及工业、医疗和电信类IEC61709、IEEE1413、SN29500、Bellcore TR-332等。这些标准对构成电子设备的所有零件、加工工艺等均给出了参比条件下的失效率及其环境应力。其中军标类的数据比较保守，不太适合电能表的可靠性预计，IEC62059标准、兰吉尔ALEG标准、OFGEM等均使用西门子SN29500系列（基于IEC61709）标准的基础数据。这是因为SN29500涵盖了工业、医疗、通讯、民用等多个领域使用的各类材料、电子零部件、加工工艺等的失效率基础数据，且数据比其它标准更完整，更新也较及时。

3 OFGEM模型的应用

    OFGEM模型采用西门子公司的SN29500标准来进行电能表的可信性分析，并且应用了简化串行模型对电能表进行“最坏情况”的预估。

    该模型采用微软公司的Excel软件，通过对电子表格的操作得出电能表可靠度高于97%的时间作为电能表的可靠性时间的预估。配合SN29500标准，软件操作简单直观。

3.1 OFGEM简化串行模型

       根据OFGEM简化模型，电能表的总失效率等于所有零部件的失效率之和。这个前提是各个零部件的失效率在电能表的生命周期内保持一个恒定的影响量。然而这个假设在某些方面显得有点不合理。（在电能表的预估上不太需要考虑重复冗余的零部件）这样也使得我们的串行模型为“最坏情况”的预估模型。该模型见图二所示。

该模型中，电能表的总失效率可以用下面公式来决定：

       其中：=每个元器件的失效率

          =电能表的总体失效率

3.2 元件失效率数据来源

       在OFGEM模型中，把所有的元器件分为五大类。分别为：分离半导体元件、集成IC、被动元件、电气连接器件、混杂元器件和没有被SN29500标准囊括的元器件。每个元器件的失效率数据由参考失效率和转换因子组成。以被动元器件电容为例：

                            (3.1)

其中为参考失效率，、、、为电容元件失效率的转换因子。

3.2.1 参考失效率来源

每个元器件根据材料和总大类可以在SN29500标准中找到自己的参考失效率。（在参考环境下的参考失效率数据）

3.2.2 转换因子

       每个元器件的失效率从参考失效率到工作失效率的转变中涉及到转换因子的概念。在OFGEM模型中总共有5个转换因子,分别为、、、、。

：电压转换因子。

：温度转换因子，采用阿列纽斯基本模型。

：质量转换因子。

：元器件工作负荷转换因子。例如：电能表中不经常在工作状态的元器件。

：元器件灵敏度漂移转换因子。这个因子仅仅用在特定的元器件子分类中。

       每个元器件的失效率在参考失效率向工作失效率转变的过程中可通过查找SN29500标准找到自己需要的转换因子。

3.3π系数确定

下面以被动元件电容为例来说明π系数的确定。从式3.1中可看出电容从参考失效率到工作失效率需要4个转换因子的作用，分别为：、、、。

电容的电压转换因子：

U：  工作电压

：参考电压

：额定电压

、：常数

       在实际操作中我们按照上述电压的转换因子得到电容的实际电压π系数。其中U为电容的工作电压。其他的参数都可以从SN29500标准中得到。

       电容的温度转换因子：

其中：

  

、、:常数

：参考环境温度

：参考电容温度

：实际电容温度

在实际操作中我们按照上述温度的转换因子公式得到电容的实际温度π系数。其中为电容的实际温度。其他的参数都可以从SN29500标准中得到。

电容的转换相对简单，长寿命的参数设置为1，通用的参数设置为2.

电容的转换公式为：

                     W: 元器件的工作持续时间比例。

                     R：常数

4 预计结果分析

       本章节主要结合OFGEM模型对电源模块进行可靠性预估，并且给出了关键元器件的可靠性预估。

4.1 电源模块的原理框图

电源模块分为两个部分，一部分是电源，另一部分是计量单元。其中电源采用的是高频式开关电源，其优点在于：体积小、重量轻，同时便于实现宽范围供电和计量的需求。                      图三  电能表总框图

图三为电能表的总体框架图，虚线部分为电源模块的原理框图。图中电源部分由桥式整流、EMI滤波、开关电路构成。计量部分采用专用计量芯片MMI3来对电能进行计量。

4.2 关键元器件的失效率

                      图四 关键元器件的失效率统计图

       图四所示为电源模块中关键元器件的失效率。纵坐标为失效率的大小，其单位为Fit (Failure in time: Failures/h)。从上图可以看出，电容C443的失效率值最大，为11.19Fit。

    下面以耗散元器件C443和光耦IC411为例，说明失效率值的来源。电容受、、、四个转换因子作用，使参考失效率转换为个体失效率，而光耦器件IC411只受、两个转换因子作用。具体见图五所示。

                      图五 耗散元件的失效率示例

4.3 整个模块的寿命评估

       以上是利用该模型对国网GPRS表电源模块所做的可靠性预估，通过上图可看出，该电能表电源模块可靠度降到97%需要10.6年的时间，故估计该款表电源模块的寿命为10.6年。

 

第二篇：可靠性报告

中国地质大学（武汉）

可 靠 性 实 验 报 告

姓名 蔡稳牢 学号 20111000764 学院 机电 指导老师 江进国

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某金属材料在某水平应力下疲劳寿命试验

一、 主要测试设备：疲劳试验机。 二、 测试数量：10个。 三、 主要测试项目：某金属材料在某水平应力下的疲劳寿命。 四、 测试方法：将试件装入疲劳试验机，设定水平应力,接通疲劳试验机电源，让其正常工

作。待试件发生疲劳破坏时，记下该试件的疲劳寿命，直至所有试件发生疲劳破坏。 五、 实验数据记录：

六、 实验数据分析。

（1） 实验数据假设：一般金属疲劳寿命多较好地服从对数正态分布，故先假设该材料疲

劳寿命服从对数正态分布。

（2） 概率分布检验：

a) 计算中位秩数值如表（1）所示

b) 计算结果见表（1）

1n57.046??xi??5.7046

ni?1101n

??yi?0

ni?1

c) 相关系数检验

????xyii?112ni?n12?1.739?0(325.828?10?5.7046)(7.574?0)1212?0.9949n?n2?2????xi?n???yi2?n2??i?1??i?1?

?05查表得，当 ? ? n ? 2 ? 8 ， ? 0 . 查得 ? 0 . ，? ? ? ? ? 。故接受疲? 0 .056319

劳寿命服从对数正态分布的假设。

n

xiyi?n 1.739?0??i?1??4.311 Bn2325.828?10?5.7046xi2?n

i?1

????

A??B?0?4.311?5.7046??24.5925

d) 用解析法计算出样本的均值μ与标准差σ的估计值

e) 概率密度函数

可靠度函数

式中φ为标准正态概率密度函数；t为失效周数随机变量。t的对数呈正态分布。

f)

对数正态分布概率密度函数、可靠度函数、故障率函数分别如下图所示。

g) 计算该材料的某些参数 ?(1):MTTF=12????10

10=306.3

(2):其在306.3千次时的可靠度

R（306.3）=P(n>ln306.3?5.7406)=p(n>-0.0756) 0.212

=1-0.4699=0.5301

(3):其在306.3千次时的故障率

ln306.3?5.7406） h(306.3)= =0.0137。 306.3?0.212?0.5301?（

参考文献

[1]陈继平 李元科主编 《现代设计方法》 华中科技大学出版社；

[2]赵宇 杨军 马小兵编著 《可靠性数据分析教程》 北京航天航空大学出版社。