智慧能源用电能数据采集器可靠性预计

缪 建，吴 键，邵建文

（浙江省计量科学研究院，杭州 310010）

电子产品可靠性预计是一种从元器件到整机、从小到大、从局部到整体的综合预计方法，它根据元器件、模块的可靠性试验数据和整机系统的可靠性模型来预计电子部件和整机系统的可靠性水平[1]。

GJB899A-2009《可靠性鉴定与验收试验》中提出在进行可靠性鉴定与验收试验之前必须进行可靠性预计，通常只有在可靠性预计结果不小于鉴定验收结果下限时，产品的可靠性试验评估才具有必要性。

电能采集器作为能源数据采集及监管系统中电能数据采集的工具，用于对工业企业、机关事业单位和居民用户进行用电监督管理，在电能领域应用范围广、数量庞大、地位重要。一只电能采集器能采集和监控256个电能计量终端每天的用电信息，一旦电能采集器发生故障就有可能丢失所有用户的用电信息，有可能造成严重的经济损失，甚至可能造成重大的安全事故，因此对电能数据采集器的可靠性试验评估是非常有必要的[2]。

本文着重解释了基于元器件应力法的电能数据采集器的可靠性预计，供国内电能数据采集器厂家和使用方在可靠性鉴定与验收时参考和借鉴。

1 电能数据采集器的原理及组成

1.1 电能数据采集器的工作原理

电能采集器作为能源数据采集及监管系统中电能数据采集的工具，用于对用户进行用电监督管理。电能采集器通过远程控制对电能数据进行采集，图1所示为电能采集器实物和内部电路板图，其工作原理为接收来自上行信道 （远程通讯模块）主站命令（能源控制中心），处理器（控制模块）接收到命令后转换为一条或者多条内部可执行的命令，从而提取历史数据或参数，并对电能数据进行协议封装传送给上行信道，上行信道将数据按照原路径传送主站，同时定时地通过下行信道（RS45通讯模块）抄收各种用户终端的用电量数据信息，并进行存储，从而实现远程智能化采集电能数据。

图1 电能数据采集器Fig.1 Electric energy data collector

1.2 电能数据采集器的结构组成

电能采集器主要由控制模块、电源模块、RS485通讯模块、存储模块、计量模块、显示模块、远程通讯模块、RTC模块、ESAM模块、USB模块组成。采集器的结构比较简单，各个模块之间可以看作串联模型[3]。各个模块承担着相应的作用，通过控制芯片把模块与模块联系起来，共同组成电能采集器，电能采集器结构如图2所示。

图2 电能采集器结构Fig.2 Structure diagram for data collector

2 可靠性预计方法

2.1 可靠性预计方法简介

可靠性预计是定量估计新产品的可靠性，综合评价设计方案，鉴别研发方案和设计存在的问题，为优先选取元器件提供数据，为可靠性试验提供定量的依据，为产品的使用和维护提供有益信息。可靠性预计方法有很多，主要包括元器件计数法、物理失效法、元器件应力分析法、相似预计法、评分预计法、功能预计法、上下极限法和蒙特卡洛法等[4]。

2.2 可靠性预计方法比较

元器件计数法仅适用于初步设计阶段，其预计精度不高，很难满足电能采集器对预计结果精度的要求。

物理失效分析法用于设计和制造阶段，其可靠性预计的前提是了解产品的失效机理和失效模式。物理失效分析法是通过分析产品的薄弱环节，来预测产品的失效时间。虽然这种可靠性预计的准确性很高，但是其失效机理的分析困难，这种预计的方法难度很大，应用性低，有待对物理分析方法进行深入的研究。

元器件应力法主要应用于详细设计阶段，它假设元器件失效率恒定，元器件失效前的时间服从指数分布。元器件应力法在预计产品可靠性时，它要求预计的元器件的关系是串联模型，它预计时考虑的因素较为全面，除了要求掌握元器件计数法所要求的元器件的种类、数量、质量等级和环境系数外，还要求掌握元器件所受的工作应力、温度和元器件的工艺结构参数等[5]。

相似预计法主要应用于新产品方案的规划或新产品的初步构思阶段，它是一种基于经验的预计方法，这种方法预计精度低，预计要求新产品和老产品具有相似性，因此，它应用局限性很大，对于一个全新的产品不具有适用性[6]。

功能预计法是将设备或系统的功能与其自身的可靠性一一对应起来，找到它们的函数关系，建立它们之间的回归方程，进而根据设备或系统要实现的功能来确定其可靠性，这种方法只适用于特定的设备，由于电能采集器的功能和可靠性之间不存在这种回归方程，也没有如此的函数关系，因此，功能预计法不能满足电能可靠性预计的要求。

评分预计法预计的结果不够精确，主要适用于新的产品和设计，用来对新产品的设计方案进行总体论证，评估新产品方案是否可行，其预计的准确度与专家的打分水平紧紧相关，此方法主要应用于产品的概念设计阶段。

相似复杂性法是将系统的失效率和设备的有源元器件的个数和设备的工作环境联系起来的图解方法，它不能应用于微电路中，且这个问题至今还没有解决。

综上，元器件应力法更适用于电能采集器的可靠性预计。

2.3 基于元器件应力法电能采集器可靠性预计

电能采集器选取的元器件都是经过应力筛选的，可以认为所有的元器件的失效率是恒定不变的，即λ（t）=λ，λ为常数。 此时，元器件的可靠度函数为

电能采集器的每个模块由n个元器件组成，则模块的可靠度函数为

式中：Ri为单个元器件的可靠性；λj为单个元器件的失效率。

根据电能采集器结构功能模块组成，假设电能采集器功能模块为串联模型，由n个模块组成，任何模块中的元器件的失效都会导致电能采集器的失效。其失效率函数为

此时，电能采集器的失效率可通过查GJB/Z299C列出各类元器件的失效模型λp。对于MCU类的处理器，可得失效模型为

电阻类的失效模型为

电容类失效模型为

此不一一列举各个元器件的失效模型。

式中：λb为基本失效率；πQ为质量系数；πT为温度系数；πE为环境系数；C1为电路复杂度失效率；πC为结构系数；πL为应用系数；πch为表面贴装系数；πR为阻值系数；λp为工作失效率。

3 电能数据采集系统可靠性预计实例

以杭州某公司生产的电能数据采集器DJGL33-PAX532型集中器进行可靠性预计。

3.1 可靠性建模

通过分析，将电能数据采集器分成控制模块、电源模块、RS485通讯模块、存储模块、计量模块、显示模块、远程通讯模块、RTC模块、ESAM模块、USB模块。它们之间组成串联模型，系统的失效率为10个单元的失效率之和。可靠性框图如图3所示。

图3 电能数据采集器可靠性框图Fig.3 Reliability diagram for energy collector

3.2 可靠性预计步骤

①绘制可靠性预计表格，查阅可靠性预计数据手册，计算每个元器件的工作失效率；②计算每个预计模块的失效率；③把10个预计模块的失效率相加，计算电能数据采集器的失效率；④计算电能数据采集器的平均寿命。

以电源模块的可靠性预计为例，电源模块的工作失效率如表1所示。

表1 电源模块工作失效率Tab.1 Failure rate of power module

电源模块总共有63个、20种类型元器件，其工作失效率为各个元器件的失效率之和，即电源模块的工作失效率为

式中：λi为元器件失效率。

同理，利用相同方式对其他工作模块进行可靠性预计，其他9个工作模块的工作失效率预计结果如表2所示。

表2 各个模块工作失效率Tab.2 Failure rate of each module

可得电能数据采集器的系统工作失效率为

式中：λp为模块失效率；λs为系统工作失效率。

由于电能数据采集器服从指数分布，电能数据采集器的平均寿命为

式中：MTTF为平均失效前时间；λs为系统工作失效率。

由分析可知电能采集器可靠性预计值满足国家相关标准最低限的要求的，但是这并不能说明其可靠性符合需求，只能表明可靠性试验评估是有意义的。

4 结语

本文分析了电能采集器的结构、工作原理，应用元器件应力法对电能采集器进行了可靠性预计，获得了其平均寿命预计值。元器件应力法的可靠性预计适用于电能数据采集器的可靠性预计，其可靠性预计结果可靠性为可靠性设计方案的评价提供依据，也可为电能数据采集器的可靠性评估的必要性提供依据，同时也可以为国内相关企业提供参考和借鉴。

[1]曾利伟，昌川.可靠性预计方法及思考[J].电子质量，2005（9）：28-30.

[2]DB33T 947-2014，能源监测信息系统数据采集技术要求[S].浙江省质量技术监督局，2014.

[3]GJB/Z299C-2006，电子设备可靠性预计手册[S].电子设备可靠性预计手册国防科学技术工业委员会，2006.

[4]危阜胜，肖勇，党三磊，等.电能计量表计及终端可靠性研究与探索[J].电测与仪表，2013，50（11）：63-67

[5]张增照，潘勇.电子产品可靠性预计[M].北京：科学出版社，2007.

[6]郝金伟，武照云，吴立辉，等.电子产品可靠性预计研究综述[J].机械管理开发，2013（4）：5-7.