基于Labview的智能电能表安全寿命预计软件设计

王一凡1，夏欢2，张杨2，赵阳2，徐星2，黄学军3

1、江苏益邦电力科技有限公司，江苏 南京 210000

            2、南京师范大学电气与自动化工程学院，江苏 南京 210042

          3、苏州泰思特电子科技有限公司，江苏省 苏州市 215011)

摘要：目前，国家电网正在大力推进电力用户用电信息采集系统建设，智能电表的运用将越来越广泛，然而针对电能表安全寿命预估更多侧重于理论模型计算，耗费时间周期较长，因此设计一款快速预估软件显得尤为需要，本文设计的软件用来计算电能表的失效率及其使用寿命，以Telcordia SR-332预计手册为标准，快速准确地进行电能表的安全寿命预计，很大程度上减少了工作量和计算误差。

关键词：Labview，电能表，安全寿命预计，失效率

智能电能表是一种新型电能表，相对以往的普通电能表，除具备基本的计量功能外，智能电能表是全电子式电能表，带有硬件时钟和完备的通信接口，具有高可靠性、高安全等级以及大存储容量等特点，完全符合中国未来发展“节能环保”的要求。随着智能电网的日益发展，世界各国对于智能化用户终端的需求也日益增大，随着智能电网在世界各国的建设，作为用户端的智能电表的需求也会大幅度地增长。因此，智能电表的安全可靠性和失效率变得尤为重要。

目前，市面上有一些安全可靠性预计软件，例如：美国的可靠性与维修性分析软件Relex Studio，电子五所开发的可靠性维修性保障性工程软件等，但是这些软件都不是针对智能电表专门进行预计的软件。本软件主要参考Telcordia SR-332预计手册，在Labview中设计了了一款专门适用于智能电能表的可靠性寿命预计软件系统,Telcordia SR-332是从贝尔通信研究中心发展起来用于评估电子设备可靠性的预计方法，是目前最通用的商用电子产品MTTF的权威性行业标准。

相较于其他智能电表寿命预计软件，本文设计的基于Labview的智能电表寿命预计软件的界面更加直观，易操作，并且本软件针对智能电表在不同环境温度工作时分别进行寿命预计。

1 电能表寿命可靠性预估理论模型

图1 可靠性寿命计算流程图

软件在电能表安全寿命预估中，参考了Telcordia SR-332预计手册中的电子元器件供应商提供的失效率数据，主要来自计算机和电信行业。Telcordia SR-332是由贝尔实验室提出，当前最为通用的商用电子产品MTBF权威性行业标准。

软件中的失效率计算模型为：

式中， 为应用环境下的工作失效率; 为通用稳态失效率; 为质量影响因子; 为电应力因子; 为温度影响因子; 为工作失效率的标准差; 为通用稳态失效率的标准差。其计算流程图如图1所示。

Telcordia SR-332预计手册中元器件的失效率和标准差服从伽马分布。通过计算得到电能表系统的失效率

和系统标准差 后，由伽马分布的逆运算可求得置信度水平为90%的系统失效率 。伽马分布的形状参数 和尺度参数 表达式分别如下：

系统的P%的置信度水平记作 ，则其计算由下公式如下：

系统的P%的置信度水平记作 ，则其计算由下公式如下：

一般工程可靠性预计中，失效率的置信度水平一般取为90%。则经过上公式计算便可得到置信度水平为90%系统的失效率为 ，此值即为预计得到的系统的固有失效率MTTF。

本软件在可靠性理论和Telcordia SR-332预计手册的基础上，提出电表生产厂家的生产工艺及设计影响因子 ，并提出基于生产工艺及设计影响因子的电能表寿命可靠性预计函数。

在可靠性工程中，生产工艺及设计影响因子属于环境因子的一种。环境因子是一个非常重要的参数，它表征相同产品在不同严酷度等级的环境中失效快慢的程度。电子设备的环境因子K可定义为：电子设备在某种环境(称环境Ⅰ)下的失效率与实验室条件(称环境Ⅱ)下失效率之比：

通常环境Ⅰ较为严酷，即环境因子一般大于1。

图2 运算流程图

考虑电能表生产厂家的生产工艺及设计影响因子，引入了环境因子 (1≤ ≤1.2)。据环境因子的定义，本软件提出的基于生产工艺及设计影响因子的电能表系统的失效率应为：

式中 为考虑了生产工艺及设计影响因子时的系统实际失效率; 为未考虑生产工艺及设计影响因子时的预计得到的系统的固有失效率;一般系统的实际失效率要大于系统的固有失效率，即 。

所以综合考虑电能表的各种影响因子，本课题首次提出基于生产工艺及设计影响因子的电能表寿命可靠性预计函数：

2 预估软件设计

2.1软件数据流图

软件在进行智能电表的可靠性寿命预计时，安全寿命预计流程图如图2所示。

具体计算步骤如下：

1) 针对智能电表的不同模块，新建单元项;

2) 在单元中输入该单元的各个器件个数;

3) 计算每个单元中器件的基本失效率和标准差;

4) 根据每个单元的基本失效率和标准差，预计整表的可靠性寿命。

2.2软件各模块设计

2.2.1软件主体

LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发的，不同其他计算机语言采用基于文本的语言产生代码，LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。LabVIEW作为虚拟仪器技术开发的领军者，在该平台上设计的人机交互界面更为简洁、可靠、符合用户的使用习惯。根据电能表可靠性寿命预计手册Telcordia SR-332，电子元器件的失效率可分为不同温度，本软件根据智能电表的实际使用环境，主要考虑了30度和40度两种工作温度环境的情况，因此本软件的设计基于此，分别对这两种情况下的电能表可靠性寿命进行预估。本文所设计的软件主要由三大部分构成，一共有十二个计算单元可供计算使用。第一部分是环境温度为30°时的六个计算单元，其中包括每个单元的λ90%和其可靠寿命所占总电能表失效率的百分比，第二部分是环境温度为40°时的六个计算单元，第三部分是整个电能表的总失效率和可靠寿命的结果显示。其主面板如图3所示。

图3 智能电表可靠性寿命预计软件主面板

2.2.2元器件和单元模块

本文设计的软件共有12个计算单元，每个单元中包含13类器件。在使用本软件进行寿命预估时，只需输入每类器件的个数，软件则根据Telcordia SR-332预计手册的计算标准和计算公式，快速准确地计算出每个单元的单元失效率和标准差。

以第一单元为例，如图4所示，每个单元中共包含13个器件模块，分别为电阻、电容、电感、继电器、光电子器件、晶体管、开关器件、连接器、微波元件、二极管、集成电路、杂项、其他器件。在单元模块的程序面板设计中，采用INVGAMMA函数模块、事件环节、while环节等嵌套运算，先计算出单元的基本失效率和标准差，再根据所有应用单元的失效率和标准差，应用伽马分布和置信度水平，计算出整个智能电表的可靠寿命年限。程序面板如图5所示。

图4 1#单元模块

器件模块为单元模块的子模块，在该模块中列出了相应器件的所有常用型号类别，在使用软件计算过程中，对应相应类别的器件，输入相应的器件个数，即可计算出该类器件的基本失效率，以用于单元模块失效率的计算。以电容模块为例，如图6所示，电容模块中共列出20种不同型号的电容，进行寿命预计时，输入被测智能电表的单元模块中所含有的相应类型的电容个数，得到电容模块的基本失效率和标准差，数据返回上级单元模块，用以计算整个单元模块的失效率和标准差。

图6 电容单元模块

3电能表可靠性预计实例

本文对某电表公司生产的DTZY71型三相费控智能电能表，规格为“三相、3×5(60)A、3×220/380V、50Hz、有功1.0级”，如图7所示;DTSI532型三相四线电子式载波电能表，如图8所示，规格为“三相、3×5(60)A、3×220/380V、50Hz、有功1.0级，600imp/kwh”;DDZY71型单相费控智能电能表，如图9所示，规格为“单相、5(60)A、220V、50Hz、1200imp/kWh、2.0级”。

图7 DTZY71样表照片 图8 DTSI532样表照片 图9 DDZY71样表照片

首先，统计出电能表中各类器件的元件个数，根据Telicordia SR-332预计手册相应标准，采用环境温度为30℃时的1至6#单元模块，分别输入每单元中相应器件的个数，计算出各类器件的基本失效率和基本标准差。计算出每个单元的总失效率、标准差和 ，返回主面板，计算出整表失效率和 ，继而得出每单元 所占整表的比例。再由安全可靠寿命计算公式预计得出该表的安全可靠寿命年限，结果如表1所示。

表1 智能电表可靠寿命预计结果列表

4 结论

本设计以Telicordia SR-332预计手册为标准，在Labview平台上设计了一款智能电表安全预计寿命软件，通过友好的图形界面操作，对智能电表的可靠性寿命进行快速、准确的预计，对智能电表的逐渐普及有着广泛的工程实用价值。