盐雾气候下智能电能表更换方法研究

国网浙江省电力有限公司舟山供电公司 宋凤伟 鲁舟斌 王贤雷 贺琦富 周夏语

智能电能表作为智能电网最为重要的智能测量设备之一，实现了用户和供电公司之间真正的双向通信和信息互享，并支持付费模式可变、支持微型分布式发电等功能。随着智能电能表数量不断增加，其计量问题也随之增多。一些运行于沿海、高原等环境下的智能电能表，有可能因其性能在特定环境下的快速衰退而导致计量准确度下降。同时由于缺乏智能电能表性能动态评价机制，目前常采取定期批量更换的运行维护策略，造成了人力、物力浪费。

为了研究环境因素对于智能电能表性能演变规律的影响，指导实际生产运维，众多学者开展了智能电能表性能退化的研究并已取得较多的成果。文献[1]对智能电能表外围采样电路、采样信号在计量芯片中各个环节的处理过程进行了定量分析，确认了智能电能表性能衰退主要是由于计量芯片在严重过负荷工况下的数据溢出所致。文献[2]利用Peck加速模型进行智能电能表加速寿命试验，研究了基于温湿度应力回归分析的智能电能表性能退化。文献[3]针对温度、湿度及电应力参数，基于广义多应力加速模型研究并确定了智能电表的寿命分布规律，建立了基于对数线性回归模型的多应力退化模型。文献[4]通过失效机理分析提炼了电能表关键参数（温度、湿度、电应力、振动和磁场），然后通过加速寿命试验，并对退化轨迹建模及多应力加速模型开展研究，综合评估了智能电表可靠性和寿命水平。

对于沿海地区使用的智能电能表，盐雾浓度是影响智能电能表性能衰退规律的不可忽略的一个重要的环境因素。统计发现，浙江、福建、江苏等高盐雾气候的沿海区域的电能表故障率相对我国其他区域更高。然而，针对于高盐雾气候的沿海区域的智能电能表性能衰退的研究较少，尚缺乏针对性的运维、更换方案。因此，需要在综合考虑电能表的特定运行环境下，对智能电能表性能衰退规律进行深入研究，为智能电能表性能的动态评估及预测提供重要参考和依据。

本文结合智能电能表状态监测结果对寿命函数进行修正，最终本着提高智能电能表运行经济性和安全性原则，提出智能电能表针对性的更换方案。

1 实验设计

盐雾环境模拟：智能电能表在盐雾环境下的老化试验可采用大型盐雾试验箱进行，并按照ASTM D1141-2013标准配置盐雾实验中所用的人工海水溶液，利用所配制的人造海水配制不同人造海水浓度的溶液，作为接下来的盐雾溶液。

加速试验：智能电能表在盐雾环境下开展老化试验的线路如图1，整个试验测试线路由盐雾控制箱、智能电能表、电能表校验仪、交流电源、负载电阻、开关及保险丝组成。在智能电能表投入使用前，抽取一定数量的智能电能表开展盐雾老化试验。在盐雾老化试验过程中，将智能电能表置于盐雾箱中，通过控制盐雾用溶液中的人造海水浓度以及盐雾沉降率，控制盐沉积量(C)，同时控制试验温度(T)，在老化时间(t)时对参与实验的智能电能表的计量误差(Δ)进行测试，当计量误差(Δ)达到计量误差可接受值(Δy)时，认为智能电能表达到寿命上限(l)。通过改变老化试验参数，可获得多个盐雾浓度环境下的智能电能表寿命函数。

图1 盐雾老化试验中智能电能表测试线路

2 结果分析

2.1 盐雾老化加速模型

本文选取智能电表计量误差作为其性能退化敏感参数，通过设置一定的阈值来估计电表的失效时间，即使用寿命或更换时间。通过高盐雾浓度下的性能衰退/寿命特征去外推实际盐雾环境下的性能演变/寿命规律，其关键在于建立性能衰退/寿命特征与盐雾浓度之间的关系，并借用该关系实现外推，即需要建立老化试验参数与智能电表寿命特征之间的数学模型[5]。

常用的加速寿命模型包括Arrhenius模型、Eyring模型和Peck模型等，本文使用常用的广义加速寿命模型为例，在加速老化试验中，智能电能表的寿命函数l(X)及计量误差函数(Δ(Y))可表示为：以温度(T)及盐沉积量(C)为变参数的情况下，上式可表示为：l(X)=exp (a0+a1T+a2C)，Δ(Y)=exp (b0+b1T+b2C+b3t)。利用加速试验获得高应力条件下的寿命数据，若能获得a0～a2和b0～b3的取值，再根据智能电表的寿命分布规律即可外推获得特定盐雾浓度下的寿命预估。

在健康监测以及可靠性分析领域，尤其是电子产品寿命预测方面，应用最广泛的是指数分布、正态分布以及Weibull分布[6]，其中，当尺度参数η=1时Weibull分布退化为指数分布，而正态分布与Weibull分布也是可以相互转化的。因此，本文假设智能电能表老化寿命及计量误差分布同样符合Weibull分布，其故障概率密度函数及可靠度函数分别为其中η为尺度参数，β为形状参数，t为时间。

因此，依据Weibull分布特点，将多次老化试验结果数据代入，可获得寿命函数及计量误差函数的通用表达式。

2.2 实际盐雾环境中智能电能表的更换策略

对于某一特定盐雾环境下运行的智能电能表，可首先测得该环境中的盐沉积量(C)，然后将温度及盐沉积量参数代入寿命函数及计量误差函数，可计算得到对应的寿命(l(X))以及计量误差随时间的变化函数(Δ(t))，如果给定一个计量误差Δ，也可以通过Δ(t)计算得到对应的时间tΔ。

假定某一特定盐雾环境下，智能电能表运行时间为tx时，状态监测系统中的智能电能表的计量误差为Δ，那么该智能电能表的剩余寿命(L(X))可表示为：

那么在运行了时间tx之后，该智能电能表可继续运行的时间（距离更换该智能电能表的时间）tc为：

因此，在保证经济性与安全性的前提下，对于已运行了时间tx、计量误差为Δ的智能电能表，其更换时间可分以下三种情况进行区别对待：若计量误差(Δ)达到或超过可接受的计量误差限(Δy)，则应立即更换智能电能表；若计量误差(Δ)小于老化试验所得到的计量误差函数Δ(Y)，则按照预测的寿命(l(X))进行更换，距离更换的时间为l(X)-tx；若计量误差(Δ)大于老化试验所得到的计量误差函数Δ(Y)、但是小于可接受的计量误差限(Δy)，则将预测寿命修正为l(X)-tΔ，距离更换的时间为l(X)-tΔ-tx。