电子式电能表可靠性分预计分析方法

江苏省电气装备电磁兼容工程实验室电子式电能表可靠性

预计分析方法江苏省电气装备电磁兼容工程实验室第一章：可靠性概述1.1可靠性介绍1.2可靠性工程的组成第二章：基本概念2.1可靠性定义2.2可靠度定义2.3失效率定义2.4失效率浴盆曲线2.5MTTF（平均寿命）2.6可靠寿命分析江苏省电气装备电磁兼容工程实验室第三章：电能表可靠性预计模型第四章：可靠性预计手册的对比和选择4.1各预计手册特点和局限性4.2GJB/Z299C和Telcordia

SR-332手册的对比4.3可靠性预计手册选择第五章：TelcordiaSR-332可靠性预计方法介绍

第六章：预计实例及分析6.1预计实例6.2电能表可靠性预计的意义及提高可靠性的措施江苏省电气装备电磁兼容工程实验室一、可靠性介绍随着电子产品的广泛应用，其可靠性备受关注。电子产品的发展与可靠性密切相关。(1)电子产品的复杂程度在不断增加。

电子产品的可靠性决定于所用元器件的可靠性，一般说来，电子制造设备所用的元器件数量越多，其可靠性问题就越严重，为保证设备或系统能可靠地工作，对元器件可靠性的要求就非常高、非常苛刻。(2)对电子产品的使用环境要求日益严酷。

现已从实验室到野外，从热带到寒带，从陆地到深海，从高空到宇宙空间，经受着不同的环境条件，除温度、湿度影响外，海水、盐雾、冲击、振动、宇宙粒子、各种辐射等对电子元器件的影响，导致产品失效的可台皂性增大。(3)电子制造设备的装置密集度不断增加。

电子产品正朝小型化、微型化方向发展，其结果导致装置密度的不断增加，从而使内部温升增高，散热条件恶化。而电子元器件将随环境温度的增高，降低其可靠性，因而元器件的可靠性引起人们的极大重视。1.1可靠性的重要性可靠性已经列为产品的重要质量指标加以考核和检验。长期以来，人们只用产品的技术性能指标作为衡量电子产品质量好坏的标志，这只反映了产品质量好坏的一个方面，还不能反映产品质量的全貌。因为，如果产品不可靠，即使其技术性能再好也得不到发挥。从某种意义上说，可靠性可以综合反映产品的质量。

本次讲座以电子式电能表为例介绍可靠性预计和分析方法。

1.2可靠性工程的组成可靠性设计可靠性工程可靠性试验可靠性预计可靠性分析硬件可靠性软件可靠性二、可靠性基本概念2.1可靠性定义

可靠性：可靠性是指产品在规定时间、规定条件下完成规定功能的能力。可靠性规定条件产品工作的环境条件产品工作的负荷条件产品的工作方式规定时间

保持产品良好状态保证产品产品寿命规定功能产品功能的实现产品对性能的承诺2.2可靠度可靠度，它是描述可靠性的定量指标。通常用R(t)表示，其数学公式可表示为：式中，P表示概率；T表示电子式电能表发生失效前的工作的时间，即电能表的寿命；t表示系统规定工作的时间。可靠度的概率意义为：产品发生失效前工作时间大于规定工作时间的概率。2.3失效率失效是指它丧失完成规定功能的事件。失效率又称故障率，是产品可靠性的一个重要指标，其定义为：在规定条件下，产品在某时刻后的单位时间内发生失效的概率，一般表示为：电能表故障率的国际惯用单位是菲特（FIT：FailuresInTime），它表示每十亿产品小时内的失效数，每10亿小时内出现一次故障即为1FIT。2.4失效率的浴盆曲线电子产品的失效率随时间变化可划分为浴盆曲线中的三个阶段：早期失效期、偶然失效期和耗损失效期。失效率是时间的函数，一般情况下，失效率随时间变化的关系可由下图所示的浴盆曲线表示。电子产品在不同时期内的失效率特点和失效原因：早期失效期，也称为老炼期，此阶段产品刚开始使用，失效率较高，但是随着使用时间增加失效率迅速降低。此时失效原因大多由于设计、原材料和制造过程中的缺陷以及运输、调试启动不当等原因造成的。偶然失效期，也称为使用寿命期，此阶段的特点是失效率较低且较为稳定，往往可以近似看作常数。此时是产品的良好使用阶段，偶然失效主要原因是质量缺陷、材料弱点、环境和使用不当等因素造成的。耗损期，也称为衰老期，此阶段的失效率随使用时间的延长而急速增加，这段的失效主要是由于元器件持续置于运行和环境应力的影响下开始老化，产生老化失效，失效率较高。浴盆曲线特点分析2.5MTTF（平均寿命）MTTF是R(t)的无穷积分。电子产品的可靠性特征量指标规定为平均寿命，对可修理的产品，其寿命用MTBF（meantimebetweenfailure）表示；对不可修理的产品用MTTF（meantimetofailure），电子式电能表的可靠性特征量规定为MTTF，它指电能表失效前工作时间的平均值。其数学表达式为：

MTTF（平均寿命）可见，指数分布下的电子式电能表使用寿命达到MTTF的概率为0.368。电子式电能表是典型的电子产品，可靠度服从指数分布：根据上式，可以得到MTTF与失效率的关系：电能表使用寿命到达MTTF的概率为：2.6可靠寿命分析对使用寿命达到MTTF的概率为0.368，从概率统计学角度可做如下解释：

1）对于批量电能表而言，运行时间可到达MTTF的产品比例只有36.8%；

2）对于单台电能表而言，其工作时间可达到MTTF的概率是36.8%；

3）该批电能表工作时间可达到MTTF的置信水平是36.8%。

可靠寿命分析以一块电子式电能表为例，假设其系统失效率为7038FIT，依据公式：计算可得其平均寿命MTTF为142086小时，即16.22年。

按此计算，则此块电能表的实际能用16.22年的概率仅为36.8%；相同型号的同一批电能表使用寿命可以达到16.22年的仅36.8%，显然不是我们想要的。

所以我国电能表行业的标准习惯使用MTTF来描述电能表的寿命，实际上是不恰当的。

国外的电能表可靠性研究起步较早，英国燃气和电力市场监管机构（OFGEM）将可靠度下降到97%时的使用时间定义为民用电能表的可用寿命。

国内的JB/T50070-2002《电能表可靠性要求及考核方法》规定了电能表可靠性考核的试验方法，据此推算国内电能表的可靠度不能低于93.0%；按照DL/T448-2000《电能计量装置技术管理规程》和DL/T830-2002《精致式单相交流有功电能表使用导则》推算，国内运行中电能表的可靠度不能低于87.5%。

可靠寿命分析

此处建议，将可靠度下降到90%的使用时间作为我国电子式电能表的寿命指标。

现举例说明如下：

按可靠度下降到90%的可靠寿命作为我国电子式电能表的可靠寿命指标，若要达到国网公司对智能电表可用寿命为10年的规定，则依据下公式计算：可靠寿命分析

可得，电子式电能表的系统失效率需要小于1202.76FIT,即平均寿命MTTF至少应为94.9年才能满足国网公司对智能电表可用寿命为10年的要求。三、电能表可靠性预计模型

依据国际电工委员会的IEC62059-41《电能计量设备可靠性-第41部分可靠性预计》和JJF1024-2006《仪器测量可靠性分析》对电子产品展开预计时，其基本设想是系统各组成部分同等重要，任何一部分的失效都假定会引起系统的失效，对电能表的预计同样沿用了这个思想。

对电子式电能表进行可靠性预计时，其系统模型仍采用串联模型，整表系统失效率等于子单元或元器件失效率的加和。

电能表可靠性预计模型以DDZY71型智能电表的为例，可靠性串联模型可依据其主要的单元结构划分为七个单元，可靠性串联模型如下：该模型中未考虑表壳、铭牌、导线、螺钉、PCB板、焊点；未考虑电能表软件的可靠性。默认为在达到电能表使用寿命之前，这些部分不会影响电能表的可靠性。四、预计手册对比和选择电子式电能表作为一种电能计量设备，适合它的可靠性预计手册有很多种，如：美国军用手册MIL-HDBK-217F、美国的可靠性研究中心的PRISM和美国可靠性信息中心的217PLUS、贝尔实验室的TelcordiaSR-332、法国的FIDES、国际电工委员会的IEC/TR-62380、德国西门子公司的SN29500，还有我国的国军标GJB/Z299C-2006。选择预计手册时，首先要较全面的了解各预计手册的特点，然后依据产品所属行业，预计产品所处的阶段和预计的目的等因素选择合适的预计手册。根据应用行业不同，预计手册可分为军用标准和民用标准，军用标准为应用于军事领域而制定，制定较为严格;商用标准制定宽松，适用于商用电子产品。4.1各预计手册特点和局限性

不同预计手册失效率模型均有差别，所取的修正因子也各不相同，基本失效率和修正因子也由不同的行业数据统计而来，所以适用的行业也各不相同。对这些预计手册的特点和局限性进行比较，用于选择一部最适用于电子式电能表可靠性预计的手册。

1）TelcordiaSR-332

特点：由世界多家知名电子产品企业共同起草，由美国贝尔实验室提出，该手册综合考虑了元器件计数法、实验室试验数据和现场失效数据等信息，提供了3种预计方法，还提出了置信水平的计算方法，是目前最适合于电子产品可靠性预计的方法。局限性：预计温度限于30℃到65℃，低于30℃的按照30℃预计，65℃的要有对应的温度因子方程计算温度因子，比较繁琐。

2）MIL-HDBK-217F

特点：美国国防部编制，标准几乎涵盖所有类型的电子元器件的可靠性预计模型，是世界上最广泛的军用预计标准，预计方法包括元器件应力法和元器件计数法。局限性：军表的制定比较严格，用来预计商用电子商品的失效率会导致失效率偏高，目前已停止更新。

3）PRISM

特点：美国系统可靠性中心开发，综合考虑了各种外界因素，包括生产、管理、工艺和各种试验数据。局限性：该方法仅应用于软件，预计模型中没有考虑到元器件的失效机理和失效模式。各预计手册特点和局限性

4）217PLUS

特点：由美国可靠性信息分析中心发布，是PRISM的升级版，该标准考虑了设计开发、生产制造、管理水平甚至软件的因素。局限性：系统级的可靠性预计太过复杂，适于复杂系统。

5）FIDES

特点：法国国防协会与商业航空公司联合开发提出，该方法较充分地考虑了产品内部和外部的各种引起失效的因素，通常是由过程评分的方法得到基本失效率。局限性：该方法较新，使用经验不足，分析用时冗长，分析效率低。各预计手册特点和局限性

6）IEC/TR62380

特点：国际电工委员会提出，支持占空任务剖面极其应用阶段，可计算PCB板失效率。局限性：失效率预计模型非常复杂，分析效率低下，在国际上尚未广泛推广。

7）SN29500

特点：德国西门子公司的企业标准，对器件的失效率和参数更新比较及时，元器件类别全面，也提供了元器件应力法和计数法。局限性：西门子企业标准，一般只对西门子内部及其相关公司开放。

8）GJB/Z299C

特点：我国国军标，参照MIL-HDBK-217F标准制定，元器件类型全面，包括国内和国外多种器件的可靠性预计，提供了元器件应力法和计数法。局限性：军用标准制定比较严格，用来预计商用电子产品的失效率结果偏高。各预计手册特点和局限性4.2GJB/Z299C和Telcordia

SR-332手册的对比国内并没有适用于可靠性预计的商用标准，目前国内运用最多的可靠性预计手册是国军标GJB/Z299C，该手册包含的元器件类型全面，包括国内和国外多种器件的可靠性预计，提供了元器件应力法和计数法。但是军用标准的制定对于商用电子产品过于严格，用来预计商用电子产品的失效率结果偏高。

TelcordiaSR-332预计手册的制定针对于商用电子产品，相对宽松，还提出了置信水平的计算方法。虽然手册中对温度因子规定：当工作温度低于30℃时按照30℃预计，通过对比各预计手册表明：当温度低于30℃时，温度因子变化很小，基本可以忽略，只有温度上升超过30℃时，其温度因子变化才逐渐明显。GJB/Z299C和Telcordia

SR-332手册的对比

此处应用分别应用SR-332和GJB/Z299C对一款单相费控智能电能表展开预计，其中SR-332的置信度选为90%，预计结果如下表。—可靠度下降到95%时的可靠寿命。—可靠度下降到90%时的可靠寿命。4.3可靠性预计手册的选择可靠性预计手册的选择主要考虑以下几个方面：手册适用的行业、数据提出的日期和来源、预计产品所处的阶段、预计手册所包含的元器件类型和环境类型、可利用资源等。考虑到电子式电能表的商用特点、预计操作性的可行性、预计手册的应用经验，还有电表厂家可提供的设计研发、生产制造等信息的因素，对比以上各预计手册，总结出目前最适用于电子式电能表可靠性预计的预计手册是TelcordiaSR-332。五、TelcordiaSR-332

可靠性预计方法介绍

TelcordiaSR-332预计手册不仅提供了失效率、标准差的计算方法，还给出了置信度水平的计算方法。该预计手册为所有元器件提供了统一的应用环境下的失效率预计模型，计算公式为：其中：—元器件通用是效率；—元器件质量因子；—元器件工作电应力因子；—元器件工作温度应力因子；—元器件工作环境因子；TelcordiaSR-332

可靠性预计方法介绍标准差也称均方差，它能反映一个数据集合的离散程度。此处标准差可理解为预计的失效率偏离其真实值的程度。元器件对应的失效率标准差计算公式为：以上相应的个参数，都可依据电子元器件的基本信息，从于SR-332手册中查询得到。—元器件通用标准差；其中：TelcordiaSR-332可靠性预计方法介绍

TelcordiaSR-332预计手册还提供了系统失效率的置信度水平的计算方法。该手册假设失效率服从G（伽马）分布，G分布的形状参数（shapeparameter）和尺度参数（scaleparemeter）如求法下：—系统失效率；其中：—系统失效率的标准差；TelcordiaSR-332可靠性预计方法介绍当形状参数不大于100时，采用如下公式计算置信度：当形状参数大于100时，采用如下公式计算置信度：TelcordiaSR-332可靠性预计方法介绍在TelcordiaSR-332失效模型的环境因子中较为敏感的是电应力因子。标准中给出了大多数元器件的通用稳态失效率数据列表。对于电阻、电容等元器件，可直接依据其材质的类别和阻值容量等信息查得其基本失效率。而对于集成电路，可以依据其类别的晶体管数目、容量大小、逻辑门数及有源器件类型等信息计算相应的失效率。此处以江苏林洋电子股份有限公司的DDZY71型单相费控智能电能表进行可靠性预计，并对各单元进行分析其的可靠性，为提高电能表可靠性水平提供了技术依据。对DDZY71型智能电表进行可靠性预计，所需的电能表元器件详细清单、技术设计以及制造工艺均由生产厂家提供。可靠性预计是根据RS-332中不同元器件的失效率预计模型，结合元器件的质量等级、制造工艺和结构参数以及工作时所承受的电、热、环境等应力，并考虑该型号电能表的使用环境，求得各个元器件的失效率。

六、预计实例及分析江苏林洋电子股份有限公司生产的DDZY71型单相费控智能电能表作为可靠性预计的对象，该型号电能表的规格为“单相、5（60）A、220V、50Hz、1200imp/kWh、2.0级”。该表的可靠性串联模型可依据其主要的单元结构划分为以下七个单元：6.1预计实例

DDZY71型单相费控智能电能表各电路单元可靠性预计结果见下表。预计实例DDZY71型单相费控智能电能表各单元的失效率所占比重如下图。预计实例失效率最高的是按键与显示单元，其次是时钟、存储和ESAM单元，以及电源单元。

1）按键与显示单元：该单元的失效率主要来自LCD显示器，它的失效率远高于其他元器件。虽然该型号电能表采用了防紫外线的高性能LCD显示器，但它是电能表中最薄弱的元器件之一，使用环境中的尘埃、温度、湿度、腐蚀、紫外线、震动等多重外界因素都会缩短它的使用寿命，其主要失效模式表现为：断码、缺码、残码、黑屏等。预计实例

2）时钟、存储和ESAM单元：该单元的失效率主要来自锂电池和集成电路。锂电池也是电能表可靠性最薄弱的环节之一