CN114764532A - 一种配网终端可靠性预测方法及系统 - Google Patents

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肖保明
姜宁浩
沈雪梅
毛志鹏
王鹏
钱佳斌
吴可
盛立健
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Abstract

本发明公开了一种配网终端可靠性预测方法及系统，获取预先基于配网终端的磁化因子、电极化因子、热应力因子和外部环境因子构建的配网终端元器件失效模型；获取计算得到的配网终端的电磁环境因子的数值；根据配网终端的电磁环境因子的数值以及配网终端元器件失效模型计算得到考虑电磁环境因子后的配网终端的总失效率；根据考虑电磁环境因子后的配网终端的总失效率计算配网终端的可靠性。优点：通过分析配网终端各类元器件的磁化因子、电极化因子、热应力因子和外部环境因子，搭建起配网终端元器件失效模型。根据考虑电磁环境因子后的配网终端的总失效率计算配网终端的可靠性与可靠寿命，确保了可靠性预测的准确性。

Description

一种配网终端可靠性预测方法及系统
技术领域
本发明涉及一种配网终端可靠性预测方法及系统，属于配网终端技术领域。
背景技术
随着电网规模的日益扩大，设备结构也越来越复杂。配网位于电力系统的末端，设备繁多，连接及运行方式多样，影响因素众多，其在使用中极易出现失效或故障，甚至引发系统瘫痪。加强对终端的管理具有非常重要的意义，确保配网自动化终端安全运行是保证配电网供电可靠的必要条件，进行可靠性的预测必不可少。因此，拟设计一套应用瞬态电磁环境场景下的配网终端可靠性预测方法。
虽然电子元器件有着多样化的失效模式，但其中存在一定的规律性，因此提出失效模型在预测元器件的质量和可靠性上具有重要现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种配网终端可靠性预测方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明提供一种配网终端可靠性预测方法，包括：
获取预先基于配网终端的磁化因子、电极化因子、热应力因子和外部环境因子构建的配网终端元器件失效模型；
获取计算得到的配网终端的电磁环境因子的数值；
根据配网终端的电磁环境因子的数值以及配网终端元器件失效模型计算得到考虑电磁环境因子后的配网终端的总失效率；
根据考虑电磁环境因子后的配网终端的总失效率计算配网终端的可靠性。
进一步的，所述配网终端元器件失效模型的构建过程，包括：
收集配网终端的数据信息，所述配网终端包括电源模块、采集模块、MCU模块、数据处理，通讯模块、保护模块对应的各类元器件；
根据收集的各类元器件，确定包含器件名称、型号、规格和工作应力的配网终端元器件信息清单；
通过配网终端元器件清单，确定各类元器件的元器件磁化因子、电极化因子、热应力因子和外部环境因子；
根据元器件磁化因子、电极化因子、热应力因子和外部环境因子建立配网终端元器件失效模型，包含数据如下：
λBB＝λGπMπCπHπE σBB＝σGπMπCπHπE (1)
其中，λBB为元器件稳态失效率，σBB为元器件稳态失效率标准差，λG为元器件通用稳态失效率，σG为元器件通用稳态失效率标准差，πM为元器件的元器件磁化因子，πC为元器件的元器件电极化因子，πH为元器件的元器件热应力因子，πE为元器件的元器件外部环境因子。
进一步的，利用所述配网终端元器件失效模型确定配网终端的电磁环境因子的数值，包括：
式(2)为自由度a,b的F分布的r分位数公式，利用式(2)求得电磁环境因子：
Figure BDA0003554095510000021
F为置信度水平，取0.6-0.8，通过预先查阅的F分布表，将加快老化后的失效数B(a/2,b/2)、置信度水平F波动数带入式(2)，计算得到电磁环境因子的取值区间。
进一步的，所述未考虑电磁环境因子的配网终端的总失效率的确定过程，包括：
将配网终端划分为N种预测单元，第i种预测单元的元器件数量为Ni，赋初值i＝1,j＝1，λij表示第i种预测单元中的第j个元器件的失效率；
利用配网终端元器件失效模型计算第i种单元的第j个元器件的失效率λij；
结合所有预测单元的每个元器件的失效率计算得到未考虑电磁环境因子的配网终端的总失效率λS；
Figure BDA0003554095510000022
式中，λi为第i种单元中的元器件的失效率，λGij为第i种单元的第j个元器件通用稳态失效率，πMij为第i种单元的第j个元器件的磁化因子，πCij为第i种单元的第j个元器件的电极化因子，πHij为第i种单元的第j个元器件的热应力因子，πEij为第i种单元的第j个元器件的外部环境因子。
进一步的，所述根据配网终端的电磁环境因子的数值以及配网终端元器件失效模型计算得到考虑电磁环境因子后的配网终端的总失效率，包括：
考虑在电磁环境因子影响下的配网终端总失效率λ′为：
λ′＝λSαE (4)
式中，αE为电磁环境因子，λS为未考虑电磁环境因子的配网终端的总失效率。
进一步的，所述电磁环境因子后的配网终端的总失效率计算配网终端的可靠性，包括：
利用可靠度函数计算可靠性，表示为：
R(t)＝e-λ′t (5)
式中，λi为考虑电磁环境因子后各个元器件的失效率，t表示修复前平均时间。
进一步的，根据考虑电磁环境因子后的配网终端的总失效率，计算配网终端的可靠寿命，包括：
考虑电磁环境因子后的可靠寿命表示如下：
Figure BDA0003554095510000031
式(6)中，T表示可靠寿命，λ′F表示置信水平F下的考虑电磁环境因子的配网终端总失效率，LnΓ(F)表示当x＝F时伽马函数
Figure BDA0003554095510000032
计算得到的自然对数值，t表示修复前平均时间。
一种配网终端可靠性预测系统，包括：
第一获取模块，用于获取预先基于配网终端的磁化因子、电极化因子、热应力因子和外部环境因子构建的配网终端元器件失效模型；
第二获取模块，用于获取计算得到的配网终端的电磁环境因子的数值；
第一计算模块，用于根据配网终端的电磁环境因子的数值以及配网终端元器件失效模型计算得到考虑电磁环境因子后的配网终端的总失效率；
第二计算模块，用于根据考虑电磁环境因子后的配网终端的总失效率计算配网终端的可靠性。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
一种计算设备，包括：
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。
本发明所达到的有益效果：
本发明通过分析配网终端各类元器件的磁化因子、电极化因子、热应力因子和外部环境因子，搭建起配网终端元器件失效模型。在此基础上，根据考虑电磁环境因子后的配网终端的总失效率计算配网终端的可靠性与可靠寿命，提出瞬态电磁环境下配网终端可靠性预测方法，确保了可靠性预测的准确性。
附图说明
图1为配网终端元器件失效模型构建过程示意图；
图2为配网终端元器件的可靠性预测流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种配网终端可靠性预测方法，包括：
1、配网终端元器件失效模型构建：
1)收集配网终端的数据信息，以包含了电源模块、采集模块、MCU模块的基础模块和包含了数据处理模块、通讯模块、保护模块的功能模块为主。信息较模糊的前往数据测试区进行立即测试；
2)启动数据统计流程，将数据传递给数据统计整理区，并进行保存和及时更新；
3)液晶显示屏上显示各类元器件的完整信息；
4)由数据统计整理区进行汇总，编制出包含器件名称、型号、规格和工作应力等参数在内的配网终端元器件信息清单。
5)在综合考虑实验室试验数据、元器件计数法和现场失效跟踪等信息的基础上，分析各类元器件的元器件磁化因子、元器件电极化因子、元器件温度因子、元器件外部环境因子。
6)建立包含元器件质量因子、元器件电极化因子、元器件温度因子、元器件外部环境因子的配网终端元器件失效模型。其中包括元器件稳态失效率和元器件稳态失效率标准差两项具体数据：
λBB＝λGπMπCπHπE σBB＝σGπMπCπHπE (7)
式(7)中，λBB为元器件稳态失效率，σBB为元器件稳态失效率标准差，λG为元器件通用稳态失效率，σG为元器件通用稳态失效率标准差，πM为元器件的元器件磁化因子，πC为元器件的元器件电极化因子，πH为元器件的元器件热应力因子，πE为元器件的元器件外部环境因子。对于电阻、电容等元器件，其稳态失效率与材质的阻抗值相关；芯片稳态失效率与晶体管个数、容量大小和逻辑门数相关。
2、未考虑电磁环境因子的配网终端的总失效率的确定过程：
1)将配网终端划分为N个预测单位，第i个单元器件数量为Ni，赋初值i＝1，j＝1；
2)根据得到的配网终端元器件失效模型和元器件稳态失效率及其标准差，研究配网应用场景下的电磁环境应力数据和加速老化试验之后的失效数，汇报给智能预测区，并及时上报给中控室；
3)智能预测区根据数据进行根据元器件分析各因子，依据元器件预计模型，预计第i个单元第j个元器件失效率；
4)观察j与Ni关系，若j＝Ni，则进行第(5)步；若j≠Ni，则进行第(6)步；
5)则观察i与N的关系，若i＝N，则进行第(8)步；若i≠N，则进行第(7)步；
6)令j+1→j，返回第(3)步；
7)令i+1→i，并赋初值j＝1，返回第(3)步；
8)以上操作步骤全部汇报至智能终端检测区，中控室的液晶显示屏上显示详细操作步骤。
9)经数据统计整理发现，失效机理均服从指数分布，其可靠性也相对稳定。可以认为在相同的试验时间内相同型号的配网终端出现故障的机会是均等的。
3、考虑电磁环境因子的配网终端的总失效率的确定过程：
1)在数据统计与分析的基础上，提出配网终端的电磁环境因子的概念，电磁环境分析区进行专项评估。
2)电磁环境分析区根据电磁环境恶劣程度，给出电磁环境因子的数值。
3)工程计算中，环境因子的置信度水平一般取0.6-0.8，可以依据区间估计理论计算方法确定电磁环境因子的置信度取值范围。式(8)为自由度a,b的F分布的r分位数公式：
Figure BDA0003554095510000061
将加快老化后的失效数B(a/2,b/2)、置信度水平F带入式(8)，则可以计算电磁环境因子αE的取值区间。
4)在此基础上，提出综合环境应力下配网终端可靠性预测方法(见图2)。
其中，配网终端的总失效率λS为：
Figure BDA0003554095510000062
5)考虑电磁环境因子后的λ′为：
λ′＝λSαE (10)
式中，αE为电磁环境因子。
6)以上数值汇报给电磁环境分析区，分析计算配网终端的可靠性与可靠寿命，可靠度函数为：
Figure BDA0003554095510000063
式中，λ′i为考虑电磁环境因子影响下的第i种单元中的元器件的失效率，t表示MTTF(Mean Time To Failure，修复前平均时间)是指所有元器件预计的可运作平均时间，也就是修复前平均时间，即寿命均值。
根据置信度水平，计算可靠寿命，此处置信度水平取0.8，得到考虑电磁环境因子后的配网终端总失效率为λ′0.8，则可计算出配网终端的可靠寿命(/年)，其计算公式如下：
Figure BDA0003554095510000071
7)最后进行分析比对，确保配网终端可靠性预测的准确性和合理性，交予中控室进行最终审核。
相应的本发明还提供一种配网终端可靠性预测系统，包括：
第一获取模块，用于获取预先基于配网终端的磁化因子、电极化因子、热应力因子和外部环境因子构建的配网终端元器件失效模型；
第二获取模块，用于获取计算得到的配网终端的电磁环境因子的数值；
第一计算模块，用于根据配网终端的电磁环境因子的数值以及配网终端元器件失效模型计算得到考虑电磁环境因子后的配网终端的总失效率；
第二计算模块，用于根据考虑电磁环境因子后的配网终端的总失效率计算配网终端的可靠性。
相应的本发明还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
相应的本发明还提供一种计算设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种配网终端可靠性预测方法，其特征在于，包括：
获取预先基于配网终端的磁化因子、电极化因子、热应力因子和外部环境因子构建的配网终端元器件失效模型；
获取计算得到的配网终端的电磁环境因子的数值；
根据配网终端的电磁环境因子的数值以及配网终端元器件失效模型计算得到考虑电磁环境因子后的配网终端的总失效率；
根据考虑电磁环境因子后的配网终端的总失效率计算配网终端的可靠性。
2.根据权利要求1所述的配网终端可靠性预测方法，其特征在于，所述配网终端元器件失效模型的构建过程，包括：
收集配网终端的数据信息，所述配网终端包括电源模块、采集模块、MCU模块、数据处理，通讯模块、保护模块对应的各类元器件；
根据收集的各类元器件，确定包含器件名称、型号、规格和工作应力的配网终端元器件信息清单；
通过配网终端元器件清单，确定各类元器件的元器件磁化因子、电极化因子、热应力因子和外部环境因子；
根据元器件磁化因子、电极化因子、热应力因子和外部环境因子建立配网终端元器件失效模型，包含数据如下：
λBB＝λGπMπCπHπE σBB＝σGπMπCπHπE (1)
其中，λBB为元器件稳态失效率，σBB为元器件稳态失效率标准差，λG为元器件通用稳态失效率，σG为元器件通用稳态失效率标准差，πM为元器件的元器件磁化因子，πC为元器件的元器件电极化因子，πH为元器件的元器件热应力因子，πE为元器件的元器件外部环境因子。
3.根据权利要求2所述的配网终端可靠性预测方法，其特征在于，利用所述配网终端元器件失效模型确定配网终端的电磁环境因子的数值，包括：
式(2)为自由度a,b的F分布的r分位数公式，利用式(2)求得电磁环境因子：
Figure FDA0003554095500000021
F为置信度水平，取0.6-0.8，通过预先查阅的F分布表，将加快老化后的失效数B(a/2,b/2)、置信度水平F波动数带入式(2)，计算得到电磁环境因子的取值区间。
4.根据权利要求4所述的配网终端可靠性预测方法，其特征在于，所述未考虑电磁环境因子的配网终端的总失效率的确定过程，包括：
将配网终端划分为N种预测单元，第i种预测单元的元器件数量为Ni，赋初值i＝1,j＝1，λij表示第i种预测单元中的第j个元器件的失效率；
利用配网终端元器件失效模型计算第i种单元的第j个元器件的失效率λij；
结合所有预测单元的每个元器件的失效率计算得到未考虑电磁环境因子的配网终端的总失效率λS；
Figure FDA0003554095500000022
式中，λi为第i种单元中的元器件的失效率，λGij为第i种单元的第j个元器件通用稳态失效率，πMij为第i种单元的第j个元器件的磁化因子，πCij为第i种单元的第j个元器件的电极化因子，πHij为第i种单元的第j个元器件的热应力因子，πEij为第i种单元的第j个元器件的外部环境因子。
5.根据权利要求3所述的配网终端可靠性预测方法，其特征在于，所述根据配网终端的电磁环境因子的数值以及配网终端元器件失效模型计算得到考虑电磁环境因子后的配网终端的总失效率，包括：
考虑在电磁环境因子影响下的配网终端总失效率λ′为：
λ′＝λSαE (4)
式中，αE为电磁环境因子，λS为未考虑电磁环境因子的配网终端的总失效率。
6.根据权利要求5所述的配网终端可靠性预测方法，其特征在于，所述电磁环境因子后的配网终端的总失效率计算配网终端的可靠性，包括：
利用可靠度函数计算可靠性，表示为：
R(t)＝e-λ′t (5)
式中，λi为考虑电磁环境因子后各个元器件的失效率，t表示修复前平均时间。
7.根据权利要求5所述的配网终端可靠性预测方法，其特征包括：根据考虑电磁环境因子后的配网终端的总失效率，计算配网终端的可靠寿命，表示如下：
Figure FDA0003554095500000031
式(6)中，T表示可靠寿命，λ′F表示置信水平F下的考虑电磁环境因子的配网终端总失效率，LnΓ(F)表示当x＝F时伽马函数
Figure FDA0003554095500000032
计算得到的自然对数值，t表示修复前平均时间。
8.一种配网终端可靠性预测系统，其特征包括：
第一获取模块，用于获取预先基于配网终端的磁化因子、电极化因子、热应力因子和外部环境因子构建的配网终端元器件失效模型；
第二获取模块，用于获取计算得到的配网终端的电磁环境因子的数值；
第一计算模块，用于根据配网终端的电磁环境因子的数值以及配网终端元器件失效模型计算得到考虑电磁环境因子后的配网终端的总失效率；
第二计算模块，用于根据考虑电磁环境因子后的配网终端的总失效率计算配网终端的可靠性。
9.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至7所述的方法中的任一方法。
10.一种计算设备，其特征包括：
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至7所述的方法中的任一方法的指令。
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CN116644590A (zh) * 2023-05-31 2023-08-25 中国人民解放军国防科技大学 通信测试设备可靠性预计方法、装置、设备和存储介质

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