智慧能源用電能數(shù)據(jù)采集器可靠性預(yù)計(jì)

繆 建，吳 鍵，邵建文

（浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，杭州 310010）

電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)是一種從元器件到整機(jī)、從小到大、從局部到整體的綜合預(yù)計(jì)方法，它根據(jù)元器件、模塊的可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)和整機(jī)系統(tǒng)的可靠性模型來預(yù)計(jì)電子部件和整機(jī)系統(tǒng)的可靠性水平[1]。

GJB899A-2009《可靠性鑒定與驗(yàn)收試驗(yàn)》中提出在進(jìn)行可靠性鑒定與驗(yàn)收試驗(yàn)之前必須進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，通常只有在可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果不小于鑒定驗(yàn)收結(jié)果下限時(shí)，產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)評(píng)估才具有必要性。

電能采集器作為能源數(shù)據(jù)采集及監(jiān)管系統(tǒng)中電能數(shù)據(jù)采集的工具，用于對(duì)工業(yè)企業(yè)、機(jī)關(guān)事業(yè)單位和居民用戶進(jìn)行用電監(jiān)督管理，在電能領(lǐng)域應(yīng)用范圍廣、數(shù)量龐大、地位重要。一只電能采集器能采集和監(jiān)控256個(gè)電能計(jì)量終端每天的用電信息，一旦電能采集器發(fā)生故障就有可能丟失所有用戶的用電信息，有可能造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至可能造成重大的安全事故，因此對(duì)電能數(shù)據(jù)采集器的可靠性試驗(yàn)評(píng)估是非常有必要的[2]。

本文著重解釋了基于元器件應(yīng)力法的電能數(shù)據(jù)采集器的可靠性預(yù)計(jì)，供國內(nèi)電能數(shù)據(jù)采集器廠家和使用方在可靠性鑒定與驗(yàn)收時(shí)參考和借鑒。

1 電能數(shù)據(jù)采集器的原理及組成

1.1 電能數(shù)據(jù)采集器的工作原理

電能采集器作為能源數(shù)據(jù)采集及監(jiān)管系統(tǒng)中電能數(shù)據(jù)采集的工具，用于對(duì)用戶進(jìn)行用電監(jiān)督管理。電能采集器通過遠(yuǎn)程控制對(duì)電能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，圖1所示為電能采集器實(shí)物和內(nèi)部電路板圖，其工作原理為接收來自上行信道 （遠(yuǎn)程通訊模塊）主站命令（能源控制中心），處理器（控制模塊）接收到命令后轉(zhuǎn)換為一條或者多條內(nèi)部可執(zhí)行的命令，從而提取歷史數(shù)據(jù)或參數(shù)，并對(duì)電能數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議封裝傳送給上行信道，上行信道將數(shù)據(jù)按照原路徑傳送主站，同時(shí)定時(shí)地通過下行信道（RS45通訊模塊）抄收各種用戶終端的用電量數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化采集電能數(shù)據(jù)。

圖1 電能數(shù)據(jù)采集器Fig.1 Electric energy data collector

1.2 電能數(shù)據(jù)采集器的結(jié)構(gòu)組成

電能采集器主要由控制模塊、電源模塊、RS485通訊模塊、存儲(chǔ)模塊、計(jì)量模塊、顯示模塊、遠(yuǎn)程通訊模塊、RTC模塊、ESAM模塊、USB模塊組成。采集器的結(jié)構(gòu)比較簡單，各個(gè)模塊之間可以看作串聯(lián)模型[3]。各個(gè)模塊承擔(dān)著相應(yīng)的作用，通過控制芯片把模塊與模塊聯(lián)系起來，共同組成電能采集器，電能采集器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電能采集器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram for data collector

2 可靠性預(yù)計(jì)方法

2.1 可靠性預(yù)計(jì)方法簡介

可靠性預(yù)計(jì)是定量估計(jì)新產(chǎn)品的可靠性，綜合評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案，鑒別研發(fā)方案和設(shè)計(jì)存在的問題，為優(yōu)先選取元器件提供數(shù)據(jù)，為可靠性試驗(yàn)提供定量的依據(jù)，為產(chǎn)品的使用和維護(hù)提供有益信息。可靠性預(yù)計(jì)方法有很多，主要包括元器件計(jì)數(shù)法、物理失效法、元器件應(yīng)力分析法、相似預(yù)計(jì)法、評(píng)分預(yù)計(jì)法、功能預(yù)計(jì)法、上下極限法和蒙特卡洛法等[4]。

2.2 可靠性預(yù)計(jì)方法比較

元器件計(jì)數(shù)法僅適用于初步設(shè)計(jì)階段，其預(yù)計(jì)精度不高，很難滿足電能采集器對(duì)預(yù)計(jì)結(jié)果精度的要求。

物理失效分析法用于設(shè)計(jì)和制造階段，其可靠性預(yù)計(jì)的前提是了解產(chǎn)品的失效機(jī)理和失效模式。物理失效分析法是通過分析產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，來預(yù)測產(chǎn)品的失效時(shí)間。雖然這種可靠性預(yù)計(jì)的準(zhǔn)確性很高，但是其失效機(jī)理的分析困難，這種預(yù)計(jì)的方法難度很大，應(yīng)用性低，有待對(duì)物理分析方法進(jìn)行深入的研究。

元器件應(yīng)力法主要應(yīng)用于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，它假設(shè)元器件失效率恒定，元器件失效前的時(shí)間服從指數(shù)分布。元器件應(yīng)力法在預(yù)計(jì)產(chǎn)品可靠性時(shí)，它要求預(yù)計(jì)的元器件的關(guān)系是串聯(lián)模型，它預(yù)計(jì)時(shí)考慮的因素較為全面，除了要求掌握元器件計(jì)數(shù)法所要求的元器件的種類、數(shù)量、質(zhì)量等級(jí)和環(huán)境系數(shù)外，還要求掌握元器件所受的工作應(yīng)力、溫度和元器件的工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)等[5]。

相似預(yù)計(jì)法主要應(yīng)用于新產(chǎn)品方案的規(guī)劃或新產(chǎn)品的初步構(gòu)思階段，它是一種基于經(jīng)驗(yàn)的預(yù)計(jì)方法，這種方法預(yù)計(jì)精度低，預(yù)計(jì)要求新產(chǎn)品和老產(chǎn)品具有相似性，因此，它應(yīng)用局限性很大，對(duì)于一個(gè)全新的產(chǎn)品不具有適用性[6]。

功能預(yù)計(jì)法是將設(shè)備或系統(tǒng)的功能與其自身的可靠性一一對(duì)應(yīng)起來，找到它們的函數(shù)關(guān)系，建立它們之間的回歸方程，進(jìn)而根據(jù)設(shè)備或系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能來確定其可靠性，這種方法只適用于特定的設(shè)備，由于電能采集器的功能和可靠性之間不存在這種回歸方程，也沒有如此的函數(shù)關(guān)系，因此，功能預(yù)計(jì)法不能滿足電能可靠性預(yù)計(jì)的要求。

評(píng)分預(yù)計(jì)法預(yù)計(jì)的結(jié)果不夠精確，主要適用于新的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)，用來對(duì)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行總體論證，評(píng)估新產(chǎn)品方案是否可行，其預(yù)計(jì)的準(zhǔn)確度與專家的打分水平緊緊相關(guān)，此方法主要應(yīng)用于產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段。

相似復(fù)雜性法是將系統(tǒng)的失效率和設(shè)備的有源元器件的個(gè)數(shù)和設(shè)備的工作環(huán)境聯(lián)系起來的圖解方法，它不能應(yīng)用于微電路中，且這個(gè)問題至今還沒有解決。

綜上，元器件應(yīng)力法更適用于電能采集器的可靠性預(yù)計(jì)。

2.3 基于元器件應(yīng)力法電能采集器可靠性預(yù)計(jì)

電能采集器選取的元器件都是經(jīng)過應(yīng)力篩選的，可以認(rèn)為所有的元器件的失效率是恒定不變的，即λ（t）=λ，λ為常數(shù)。 此時(shí)，元器件的可靠度函數(shù)為

電能采集器的每個(gè)模塊由n個(gè)元器件組成，則模塊的可靠度函數(shù)為

式中：Ri為單個(gè)元器件的可靠性；λj為單個(gè)元器件的失效率。

根據(jù)電能采集器結(jié)構(gòu)功能模塊組成，假設(shè)電能采集器功能模塊為串聯(lián)模型，由n個(gè)模塊組成，任何模塊中的元器件的失效都會(huì)導(dǎo)致電能采集器的失效。其失效率函數(shù)為

此時(shí)，電能采集器的失效率可通過查GJB/Z299C列出各類元器件的失效模型λp。對(duì)于MCU類的處理器，可得失效模型為

電阻類的失效模型為

電容類失效模型為

此不一一列舉各個(gè)元器件的失效模型。

式中：λb為基本失效率；πQ為質(zhì)量系數(shù)；πT為溫度系數(shù)；πE為環(huán)境系數(shù)；C1為電路復(fù)雜度失效率；πC為結(jié)構(gòu)系數(shù)；πL為應(yīng)用系數(shù)；πch為表面貼裝系數(shù)；πR為阻值系數(shù)；λp為工作失效率。

3 電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)實(shí)例

以杭州某公司生產(chǎn)的電能數(shù)據(jù)采集器DJGL33-PAX532型集中器進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。

3.1 可靠性建模

通過分析，將電能數(shù)據(jù)采集器分成控制模塊、電源模塊、RS485通訊模塊、存儲(chǔ)模塊、計(jì)量模塊、顯示模塊、遠(yuǎn)程通訊模塊、RTC模塊、ESAM模塊、USB模塊。它們之間組成串聯(lián)模型，系統(tǒng)的失效率為10個(gè)單元的失效率之和?？煽啃钥驁D如圖3所示。

圖3 電能數(shù)據(jù)采集器可靠性框圖Fig.3 Reliability diagram for energy collector

3.2 可靠性預(yù)計(jì)步驟

①繪制可靠性預(yù)計(jì)表格，查閱可靠性預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)手冊(cè)，計(jì)算每個(gè)元器件的工作失效率；②計(jì)算每個(gè)預(yù)計(jì)模塊的失效率；③把10個(gè)預(yù)計(jì)模塊的失效率相加，計(jì)算電能數(shù)據(jù)采集器的失效率；④計(jì)算電能數(shù)據(jù)采集器的平均壽命。

以電源模塊的可靠性預(yù)計(jì)為例，電源模塊的工作失效率如表1所示。

表1 電源模塊工作失效率Tab.1 Failure rate of power module

電源模塊總共有63個(gè)、20種類型元器件，其工作失效率為各個(gè)元器件的失效率之和，即電源模塊的工作失效率為

式中：λi為元器件失效率。

同理，利用相同方式對(duì)其他工作模塊進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，其他9個(gè)工作模塊的工作失效率預(yù)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 各個(gè)模塊工作失效率Tab.2 Failure rate of each module

可得電能數(shù)據(jù)采集器的系統(tǒng)工作失效率為

式中：λp為模塊失效率；λs為系統(tǒng)工作失效率。

由于電能數(shù)據(jù)采集器服從指數(shù)分布，電能數(shù)據(jù)采集器的平均壽命為

式中：MTTF為平均失效前時(shí)間；λs為系統(tǒng)工作失效率。

由分析可知電能采集器可靠性預(yù)計(jì)值滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)最低限的要求的，但是這并不能說明其可靠性符合需求，只能表明可靠性試驗(yàn)評(píng)估是有意義的。

4 結(jié)語

本文分析了電能采集器的結(jié)構(gòu)、工作原理，應(yīng)用元器件應(yīng)力法對(duì)電能采集器進(jìn)行了可靠性預(yù)計(jì)，獲得了其平均壽命預(yù)計(jì)值。元器件應(yīng)力法的可靠性預(yù)計(jì)適用于電能數(shù)據(jù)采集器的可靠性預(yù)計(jì)，其可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果可靠性為可靠性設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)提供依據(jù)，也可為電能數(shù)據(jù)采集器的可靠性評(píng)估的必要性提供依據(jù)，同時(shí)也可以為國內(nèi)相關(guān)企業(yè)提供參考和借鑒。

[1]曾利偉，昌川.可靠性預(yù)計(jì)方法及思考[J].電子質(zhì)量，2005（9）：28-30.

[2]DB33T 947-2014，能源監(jiān)測信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)要求[S].浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2014.

[3]GJB/Z299C-2006，電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)[S].電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)，2006.

[4]危阜勝，肖勇，黨三磊，等.電能計(jì)量表計(jì)及終端可靠性研究與探索[J].電測與儀表，2013，50（11）：63-67

[5]張?jiān)稣?，潘?電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[6]郝金偉，武照云，吳立輝，等.電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)研究綜述[J].機(jī)械管理開發(fā)，2013（4）：5-7.