CN103488912A - 基于谐波因子的电子式电能表可靠性预计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于谐波因子的电子式电能表可靠性预计方法，通过实验数据求的电能表的置信区间内的环境因子K及其平均值，并由此确定电能表的谐波因子π_h，根据谐波因子π_h和电能表不考虑谐波因子的总失效率λ_s，确定考虑谐波因子的电能表总失效率λ，进而获得考虑谐波因子的电能表预计使用寿命T。本发明简单、高效，且考虑到电能表使用寿命预计过程中，受到电网谐波的影响，提出了谐波因子以及基于谐波因子的电子式电能表可靠性预计方法，有效提高了电能表使用寿命的预计精度，具有重要的理论价值和广泛的工程实用价值。

Description

基于谐波因子的电子式电能表可靠性预计方法

技术领域

本发明涉及一种基于谐波因子的电子式电能表可靠性预计方法，属于电子设备安全与可靠性技术领域。

技术背景

目前，电子式电能表广泛应用于电力系统，其可靠性水平越来越受到社会各界的关注。电子式电能表的可靠性预计已有了一定的发展，目前主要是是根据其设计中所选用的元器件、零部件的失效率作为依据，结合技术设计、制造工艺、器件所受的电应力以及电能表的使用环境等因子来预计电子式电能表的可靠性。所以环境因子是很重要的参数，在可靠性工程中的应用非常广泛。

随着各种非线性用电设备的广泛应用，使得电网中存在严重的谐波污染问题，造成了电压畸变，进而对各种用电设备产生不良影响，已成为当前电力系统中影响电能质量的公害。然而目前电能表可靠性预计中并未考虑到电网电压谐波对电能表可靠性寿命的影响，因此目前的电能表可靠性预计方法存在着一定的不足，且有必要提出一种基于谐波因子的电子式电能表可靠性预计方法，从而提高电能表可靠性预计的准确度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于克服现有技术存在的缺陷，提出了一种基于谐波因子的电子式电能表可靠性预计方法。

在可靠性工程，环境因子K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：电子设备在某种存在电网电压谐波的实际使用环境（称环境Ⅰ）下的失效率与实验室环境（称环境Ⅱ）下失效率之比

K=λ₁/λ₂      （1）

式中，K为电子设备的环境因子，λ₁为某种存在电网电压谐波的实际使用环境（环境I）下的电能表失效率，λ₂为实验室环境（环境II）下的电能表失效率。失效率的单位是菲特FIT，1FIT=10^-9/时，即定义是在10⁹小时出现一次故障，即为1FIT。环境I为存在电网电压谐波的环境。环境II为实验室环境，电能表的电压和电流为理想值，不存在电网电压谐波。

电能表的失效率一般服从指数分布，即电能表的失效机理都相同，可靠度也相同，且其可靠性处于一个比较稳定的状态。在相同的试验时间内，电能表出现故障的机会是均等的。

假设，环境I中的电能表老化试验数据为（z₁，λ₁，τ₁），环境II中的电能表老化试验数据为（z₂，λ₂，τ₂），其中，z₁，z₂分别为在环境I和环境II的老化试验中，电能表的失效数，单位为个；λ₁，λ₂分别为电能表失效率；τ₁，τ₂分别为在环境I和环境II的老化试验时间，单位为小时。因此，在置信水平γ下环境因子K的置信区间[K_L，K_U]为

$K_L=\frac{{\mathrm{\τ}}_2({2z}_1+1)}{{\mathrm{\τ}}_1({2z}_2+1)}{F}_{{2z}_1+1,{2z}_2+1;1-\mathrm{\γ}}---\left(2\right)$

$K_U=\frac{{\mathrm{\τ}}_2({2z}_1+1)}{{\mathrm{\τ}}_1({2z}_2+1)}{F}_{{2z}_1+1,{2z}_2+1;\mathrm{\γ}}---\left(3\right)$

式中，F_a,b;r表示自由度为a，b，对应概率为γ的F分布的分位数；

环境因子在理论上有精确的阐述，但较难精确获得环境因子的值，有鉴于此，本发明通过大量实验，且充分考虑到数据的随机性，明确给出了环境因子的区间估计，即在电能表失效率预计过程中，约定一个估计值作为环境因子。

如：取置信度γ，根据公式（2）、（3）确定环境因子K的置信区间[K_L，K_U]，选取足够数量的被测电能表，进行老化试验，获得若干环境因子K，选取置信区间[K_L，K_U]内的K值计算平均值。

电网电压谐波含量为1%～3%条件下置信区间内的环境因子K的平均值为K₁

当电网电压谐波含量为3%～5%时，置信区间内的环境因子K的平均值为K₂

当电网电压谐波含量为1%以下，含量比较低，可不考虑环境因子，即认为谐波因子

π_h=1      （6）

当电网电压谐波含量为1%～3%时，取谐波因子

π_h=K₁      （7）

当电网电压谐波含量为3%～5%时，电网电压谐波含量较高，取谐波因子

π_h=K₂      （8）

GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》中规定的公用电网电压谐波电压上限值5.0%。

本发明为一种基于谐波因子的电子式电能表可靠性预计方法，其步骤是：

第一步：进行电能表老化统计试验，分别测试各个电能表在存在电网电压谐波的实际使用环境（环境I）中的老化试验数据（z₁，λ₁，τ₁），电能表在不存在电网电压谐波的实验室环境（环境II）中的电能表老化试验数据（z₂，λ₂，τ₂），其中，z₁，z₂分别为电能表的失效数，单位为个；λ₁，λ₂分别为电能表失效率；τ₁，τ₂分别为老化试验时间，单位为小时

给定置信水平（置信度）γ，按照下式确定环境因子K的置信区间[K_L，K_U]

$K_L=\frac{{\mathrm{\τ}}_2({2z}_1+1)}{{\mathrm{\τ}}_1({2z}_2+1)}{F}_{{2z}_1+1,{2z}_2+1;1-\mathrm{\γ}}$

$K_U=\frac{{\mathrm{\τ}}_2({2z}_1+1)}{{\mathrm{\τ}}_1({2z}_2+1)}{F}_{{2z}_1+1,{2z}_2+1;\mathrm{\γ}}$

式中，F_a,b;r表示自由度为a，b，对应概率为γ的F分布的分位数；

按照下式计算各个电能表的环境因子K

K=λ₁/λ₂

保留落入置信区间内的K值；将电网电压谐波含量为1%～3%条件下的环境因子K分为一组，将电网电压谐波含量为3%～5%条件下的环境因子K分为一组；分组计算落入置信区间内的K值的算数平均值：

电网电压谐波含量为1%～3%条件下置信区间内的环境因子K的平均值为K₁；

电网电压谐波含量为3%～5%条件下置信区间内的环境因子K的平均值为K₂；

第二步：确定待预计电能表不考虑谐波因子的总失效率λ_s。

第三步：确定电能表的谐波因子π_h：

当电网电压谐波含量为1%以下，取谐波因子π_h=1；

当电网电压谐波含量为1%～3%时，取谐波因子π_h=K₁；

当电网电压谐波含量为3%～5%时，取谐波因子π_h=K₂；

第四步：确定考虑谐波因子的电能表总失效率λ

λ=λ_sπ_h      （9）

式中，λ为考虑谐波因子的电能表总失效率，λ_s为不考虑谐波因子的电能表总失效率，π_h为电能表的谐波因子。

第五步：获取考虑谐波因子的电能表预计使用寿命T

T=10⁹/λ      （10）

式中，T为考虑谐波因子的电能表预计使用寿命，单位为小时，一般应换算为年。

本发明简单、高效，且考虑到电能表使用寿命预计过程中，受到电网电压谐波的影响，提出了谐波因子以及基于谐波因子的电子式电能表可靠性预计方法，有效提高了电能表使用寿命的预计精度，具有重要的理论价值和广泛的工程实用价值。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例、第一步：针对某公司提供的平均寿命为10年的DDZY71型单相费控智能电能表，进行电能表老化统计试验，分别测试各个电能表在存在电网电压谐波的实际使用环境（环境I）中的老化试验数据（z₁，λ₁，τ₁），电能表在不存在电网电压谐波的实验室环境（环境II）中的电能表老化试验数据（z₂，λ₂，τ₂）。

取置信度γ=0.5，确定环境因子K的置信区间[K_L，K_U]，

K_L=1，K_U=1.34；

根据公式（2）、（3）对实验数据进行计算，得：

当电网电压谐波含量为1%～3%时，置信区间内的环境因子K的算数平均值

K₁≈1.08

当电网电压谐波含量为3%～5%时，置信区间内的环境因子K的算数平均值

K₂≈1.20

第二步：依据国家军用标准GJB/Z299C-2006，确定代预计电能表的总失效率λ_s=6952.21FIT。

第三步：确定电能表的谐波因子π_h。

当电网电压谐波含量为1%以下，含量比较低，可不考虑环境因子，即认为谐波因子

π_h=1

当电网电压谐波含量为1%～3%时，可取谐波因子

π_h=K₁=1.08

当电网电压谐波含量为3%～5%时，含量较高，可取谐波因子

π_h=K₂=1.20

第四步：确定考虑谐波因子的电能表总失效率λ。

当电网电压谐波含量为1%以下，含量比较低，可不考虑环境因子，考虑谐波因子的电能表总失效率λ

λ=6952.21FIT

当电网电压谐波含量为1%～3%时，考虑谐波因子的电能表总失效率λ

λ=7508.39FIT

当电网电压谐波含量为3%～5%时，含量较高，考虑谐波因子的电能表总失效率λ

λ=8342.66FIT

第五步：根据公式（10）确定考虑谐波因子的电能表预计使用寿命T。

当电网电压谐波含量为1%以下，含量比较低，可不考虑环境因子，考虑谐波因子的电能表预计使用寿命T

T=16.4年

当电网电压谐波含量为1%～3%时，考虑谐波因子的电能表预计使用寿命T

T=15.2年

当电网电压谐波含量为3%～5%时，含量较高，考虑谐波因子的电能表预计使用寿命T

T=13.7年。

Claims (1)

1.一种基于谐波因子的电子式电能表可靠性预计方法，其步骤是：

第一步：进行电能表老化统计试验，分别测试各个电能表在存在电网谐波的实际使用环境中的老化试验数据（z₁，λ₁，τ₁），电能表在不存在电网谐波的实验室环境中的电能表老化试验数据（z₂，λ₂，τ₂），其中，z₁，z₂分别为电能表的失效数，单位为个；λ₁，λ₂分别为电能表失效率；τ₁，τ₂分别为老化试验时间，单位为小时；

给定置信水平（置信度）γ，按照下式确定环境因子K的置信区间[K_L，K_U]

$K_L=\frac{{\mathrm{\τ}}_2({2z}_1+1)}{{\mathrm{\τ}}_1({2z}_2+1)}{F}_{{2z}_1+1,{2z}_2+1;1-\mathrm{\γ}}$

$K_U=\frac{{\mathrm{\τ}}_2({2z}_1+1)}{{\mathrm{\τ}}_1({2z}_2+1)}{F}_{{2z}_1+1,{2z}_2+1;\mathrm{\γ}}$

式中，F_a,b;r表示自由度为a，b，对应概率为γ的F分布的分位数；

计算各个电能表的环境因子K

K=λ₁/λ₂；

保留落入置信区间内的K值；将电网电压谐波含量为1%～3%条件下的环境因子K分为一组，将电网电压谐波含量为3%～5%条件下的环境因子K分为一组；分别计算落入置信区间内的K值的算数平均值：

电网电压谐波含量为1%～3%条件下置信区间内的环境因子K的算数平均值为K₁；

电网电压谐波含量为3%～5%条件下置信区间内的环境因子K的算数平均值为K₂；

第二步：确定待预计电能表不考虑谐波因子的总失效率λ_s；

第三步：确定电能表的谐波因子π_h：

当电网电压谐波含量为1%以下，取谐波因子π_h=1；

当电网电压谐波含量为1%～3%时，取谐波因子π_h=K₁；

当电网电压谐波含量为3%～5%时，取谐波因子π_h=K₂；

第四步：确定考虑谐波因子的电能表总失效率λ

λ=λ_sπ_h；

第五步：获取考虑谐波因子的电能表预计使用寿命T

T=10⁹/λ。