基于Labview的智能電能表安全壽命預(yù)計軟件設(shè)計

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(diǎn)，完全符合中國未來發(fā)展“節(jié)能環(huán)?！钡囊蟆ｋS著智能電網(wǎng)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(wǎng)在世界各國的建設(shè)，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(yù)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(jìn)行預(yù)計的軟件。本軟件主要參考Telcordia SR-332預(yù)計手冊，在Labview中設(shè)計了了一款專門適用于智能電能表的可靠性壽命預(yù)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(shè)備可靠性的預(yù)計方法，是目前最通用的商用電子產(chǎn)品MTTF的權(quán)威性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

相較于其他智能電表壽命預(yù)計軟件，本文設(shè)計的基于Labview的智能電表壽命預(yù)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(jìn)行壽命預(yù)計。

1 電能表壽命可靠性預(yù)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(yù)估中，參考了Telcordia SR-332預(yù)計手冊中的電子元器件供應(yīng)商提供的失效率數(shù)據(jù)，主要來自計算機(jī)和電信行業(yè)。Telcordia SR-332是由貝爾實(shí)驗(yàn)室提出，當(dāng)前最為通用的商用電子產(chǎn)品MTBF權(quán)威性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。軟件中的失效率計算模型為：

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

Telcordia SR-332預(yù)計手冊中元器件的失效率和標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)差 后，由伽馬分布的逆運(yùn)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(shù) 和尺度參數(shù) 表達(dá)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(yù)計中，失效率的置信度水平一般取為90%。則經(jīng)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(yù)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(yù)計手冊的基礎(chǔ)上，提出電表生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)工藝及設(shè)計影響因子 ，并提出基于生產(chǎn)工藝及設(shè)計影響因子的電能表壽命可靠性預(yù)計函數(shù)。

在可靠性工程中，生產(chǎn)工藝及設(shè)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(shù)，它表征相同產(chǎn)品在不同嚴(yán)酷度等級的環(huán)境中失效快慢的程度。電子設(shè)備的環(huán)境因子K可定義為：電子設(shè)備在某種環(huán)境(稱環(huán)境Ⅰ)下的失效率與實(shí)驗(yàn)室條件(稱環(huán)境Ⅱ)下失效率之比：

通常環(huán)境Ⅰ較為嚴(yán)酷，即環(huán)境因子一般大于1。

圖2 運(yùn)算流程圖考慮電能表生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)工藝及設(shè)計影響因子，引入了環(huán)境因子 (1≤ ≤1.2)。據(jù)環(huán)境因子的定義，本軟件提出的基于生產(chǎn)工藝及設(shè)計影響因子的電能表系統(tǒng)的失效率應(yīng)為：

式中 為考慮了生產(chǎn)工藝及設(shè)計影響因子時的系統(tǒng)實(shí)際失效率; 為未考慮生產(chǎn)工藝及設(shè)計影響因子時的預(yù)計得到的系統(tǒng)的固有失效率;一般系統(tǒng)的實(shí)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(chǎn)工藝及設(shè)計影響因子的電能表壽命可靠性預(yù)計函數(shù)：

2 預(yù)估軟件設(shè)計

2.1軟件數(shù)據(jù)流圖

軟件在進(jìn)行智能電表的可靠性壽命預(yù)計時，安全壽命預(yù)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(shù);

3) 計算每個單元中器件的基本失效率和標(biāo)準(zhǔn)差;

4) 根據(jù)每個單元的基本失效率和標(biāo)準(zhǔn)差，預(yù)計整表的可靠性壽命。

2.2軟件各模塊設(shè)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(jī)語言采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。LabVIEW作為虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的領(lǐng)軍者，在該平臺上設(shè)計的人機(jī)交互界面更為簡潔、可靠、符合用戶的使用習(xí)慣。根據(jù)電能表可靠性壽命預(yù)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(jù)智能電表的實(shí)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(shè)計基于此，分別對這兩種情況下的電能表可靠性壽命進(jìn)行預(yù)估。本文所設(shè)計的軟件主要由三大部分構(gòu)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(jié)果顯示。其主面板如圖3所示。

圖3 智能電表可靠性壽命預(yù)計軟件主面板2.2.2元器件和單元模塊

本文設(shè)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(jìn)行壽命預(yù)估時，只需輸入每類器件的個數(shù)，軟件則根據(jù)Telcordia SR-332預(yù)計手冊的計算標(biāo)準(zhǔn)和計算公式，快速準(zhǔn)確地計算出每個單元的單元失效率和標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(shè)計中，采用INVGAMMA函數(shù)模塊、事件環(huán)節(jié)、while環(huán)節(jié)等嵌套運(yùn)算，先計算出單元的基本失效率和標(biāo)準(zhǔn)差，再根據(jù)所有應(yīng)用單元的失效率和標(biāo)準(zhǔn)差，應(yīng)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(yīng)器件的所有常用型號類別，在使用軟件計算過程中，對應(yīng)相應(yīng)類別的器件，輸入相應(yīng)的器件個數(shù)，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(jìn)行壽命預(yù)計時，輸入被測智能電表的單元模塊中所含有的相應(yīng)類型的電容個數(shù)，得到電容模塊的基本失效率和標(biāo)準(zhǔn)差，數(shù)據(jù)返回上級單元模塊，用以計算整個單元模塊的失效率和標(biāo)準(zhǔn)差。

圖6 電容單元模塊

3電能表可靠性預(yù)計實(shí)例

本文對某電表公司生產(chǎn)的DTZY71型三相費(fèi)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(fèi)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(shù)，根據(jù)Telicordia SR-332預(yù)計手冊相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)器件的個數(shù)，計算出各類器件的基本失效率和基本標(biāo)準(zhǔn)差。計算出每個單元的總失效率、標(biāo)準(zhǔn)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(yù)計得出該表的安全可靠壽命年限，結(jié)果如表1所示。

表1 智能電表可靠壽命預(yù)計結(jié)果列表

4 結(jié)論

本設(shè)計以Telicordia SR-332預(yù)計手冊為標(biāo)準(zhǔn)，在Labview平臺上設(shè)計了一款智能電表安全預(yù)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(jìn)行快速、準(zhǔn)確的預(yù)計，對智能電表的逐漸普及有著廣泛的工程實(shí)用價值。