基于Labview的智能電能表安全壽命預計軟件設計

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(shí)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(lái)發(fā)展“節能環(huán)?！钡囊?。隨著(zhù)智能電網(wǎng)的日益發(fā)展，世界各國對于智能化用戶(hù)終端的需求也日益增大，隨著(zhù)智能電網(wǎng)在世界各國的建設，作為用戶(hù)端的智能電表的需求也會(huì )大幅度地增長(cháng)。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(kāi)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(zhuān)門(mén)進(jìn)行預計的軟件。本軟件主要參考Telcordia SR-332預計手冊，在Labview中設計了了一款專(zhuān)門(mén)適用于智能電能表的可靠性壽命預計軟件系統,Telcordia SR-332是從貝爾通信研究中心發(fā)展起來(lái)用于評估電子設備可靠性的預計方法，是目前最通用的商用電子產(chǎn)品MTTF的權威性行業(yè)標準。

相較于其他智能電表壽命預計軟件，本文設計的基于Labview的智能電表壽命預計軟件的界面更加直觀(guān)，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(shí)分別進(jìn)行壽命預計。

1 電能表壽命可靠性預估理論模型

圖1 可靠性壽命計算流程圖

軟件在電能表安全壽命預估中，參考了Telcordia SR-332預計手冊中的電子元器件供應商提供的失效率數據，主要來(lái)自計算機和電信行業(yè)。Telcordia SR-332是由貝爾實(shí)驗室提出，當前最為通用的商用電子產(chǎn)品MTBF權威性行業(yè)標準。軟件中的失效率計算模型為：

式中， 為應用環(huán)境下的工作失效率; 為通用穩態(tài)失效率; 為質(zhì)量影響因子; 為電應力因子; 為溫度影響因子; 為工作失效率的標準差; 為通用穩態(tài)失效率的標準差。其計算流程圖如圖1所示。

Telcordia SR-332預計手冊中元器件的失效率和標準差服從伽馬分布。通過(guò)計算得到電能表系統的失效率

和系統標準差 后，由伽馬分布的逆運算可求得置信度水平為90%的系統失效率 。伽馬分布的形狀參數 和尺度參數 表達式分別如下：

系統的P%的置信度水平記作 ，則其計算由下公式如下：

系統的P%的置信度水平記作 ，則其計算由下公式如下：

一般工程可靠性預計中，失效率的置信度水平一般取為90%。則經(jīng)過(guò)上公式計算便可得到置信度水平為90%系統的失效率為 ，此值即為預計得到的系統的固有失效率MTTF。

本軟件在可靠性理論和Telcordia SR-332預計手冊的基礎上，提出電表生產(chǎn)廠(chǎng)家的生產(chǎn)工藝及設計影響因子 ，并提出基于生產(chǎn)工藝及設計影響因子的電能表壽命可靠性預計函數。

在可靠性工程中，生產(chǎn)工藝及設計影響因子屬于環(huán)境因子的一種。環(huán)境因子是一個(gè)非常重要的參數，它表征相同產(chǎn)品在不同嚴酷度等級的環(huán)境中失效快慢的程度。電子設備的環(huán)境因子K可定義為：電子設備在某種環(huán)境(稱(chēng)環(huán)境Ⅰ)下的失效率與實(shí)驗室條件(稱(chēng)環(huán)境Ⅱ)下失效率之比：

通常環(huán)境Ⅰ較為嚴酷，即環(huán)境因子一般大于1。

圖2 運算流程圖考慮電能表生產(chǎn)廠(chǎng)家的生產(chǎn)工藝及設計影響因子，引入了環(huán)境因子 (1≤ ≤1.2)。據環(huán)境因子的定義，本軟件提出的基于生產(chǎn)工藝及設計影響因子的電能表系統的失效率應為：

式中 為考慮了生產(chǎn)工藝及設計影響因子時(shí)的系統實(shí)際失效率; 為未考慮生產(chǎn)工藝及設計影響因子時(shí)的預計得到的系統的固有失效率;一般系統的實(shí)際失效率要大于系統的固有失效率，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)工藝及設計影響因子的電能表壽命可靠性預計函數：

2 預估軟件設計

2.1軟件數據流圖

軟件在進(jìn)行智能電表的可靠性壽命預計時(shí)，安全壽命預計流程圖如圖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(gè)器件個(gè)數;

3) 計算每個(gè)單元中器件的基本失效率和標準差;

4) 根據每個(gè)單元的基本失效率和標準差，預計整表的可靠性壽命。

2.2軟件各模塊設計

2.2.1軟件主體

LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器(NI)公司研制開(kāi)發(fā)的，不同其他計算機語(yǔ)言采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)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(kāi)發(fā)的領(lǐng)軍者，在該平臺上設計的人機交互界面更為簡(jiǎn)潔、可靠、符合用戶(hù)的使用習慣。根據電能表可靠性壽命預計手冊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)行預估。本文所設計的軟件主要由三大部分構成，一共有十二個(gè)計算單元可供計算使用。第一部分是環(huán)境溫度為30°時(shí)的六個(gè)計算單元，其中包括每個(gè)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(shí)的六個(gè)計算單元，第三部分是整個(gè)電能表的總失效率和可靠壽命的結果顯示。其主面板如圖3所示。

圖3 智能電表可靠性壽命預計軟件主面板2.2.2元器件和單元模塊

本文設計的軟件共有12個(gè)計算單元，每個(gè)單元中包含13類(lèi)器件。在使用本軟件進(jìn)行壽命預估時(shí)，只需輸入每類(lèi)器件的個(gè)數，軟件則根據Telcordia SR-332預計手冊的計算標準和計算公式，快速準確地計算出每個(gè)單元的單元失效率和標準差。

以第一單元為例，如圖4所示，每個(gè)單元中共包含13個(gè)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(kāi)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計中，采用INVGAMMA函數模塊、事件環(huán)節、while環(huán)節等嵌套運算，先計算出單元的基本失效率和標準差，再根據所有應用單元的失效率和標準差，應用伽馬分布和置信度水平，計算出整個(gè)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器件的所有常用型號類(lèi)別，在使用軟件計算過(guò)程中，對應相應類(lèi)別的器件，輸入相應的器件個(gè)數，即可計算出該類(lèi)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)行壽命預計時(shí)，輸入被測智能電表的單元模塊中所含有的相應類(lèi)型的電容個(gè)數，得到電容模塊的基本失效率和標準差，數據返回上級單元模塊，用以計算整個(gè)單元模塊的失效率和標準差。

圖6 電容單元模塊

3電能表可靠性預計實(shí)例

本文對某電表公司生產(chǎn)的DTZY71型三相費控智能電能表，規格為“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(xiàn)電子式載波電能表，如圖8所示，規格為“三相、3×5(60)A、3×220/380V、50Hz、有功1.0級，600imp/kwh”;DDZY71型單相費控智能電能表，如圖9所示，規格為“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，統計出電能表中各類(lèi)器件的元件個(gè)數，根據Telicordia SR-332預計手冊相應標準，采用環(huán)境溫度為30℃時(shí)的1至6#單元模塊，分別輸入每單元中相應器件的個(gè)數，計算出各類(lèi)器件的基本失效率和基本標準差。計算出每個(gè)單元的總失效率、標準差和 ，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計得出該表的安全可靠壽命年限，結果如表1所示。

表1 智能電表可靠壽命預計結果列表

4 結論

本設計以Telicordia SR-332預計手冊為標準，在Labview平臺上設計了一款智能電表安全預計壽命軟件，通過(guò)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、準確的預計，對智能電表的逐漸普及有著(zhù)廣泛的工程實(shí)用價(jià)值。