一种用电信息采集设备可靠性验证的试验方法
【专利摘要】本发明提供一种用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，包括以下步骤：建立用电信息采集设备可靠性模型，确定失效模式、失效判据及失效统计原则；进行用电信息采集设备温湿度恒定应力加速寿命试验，并进行失效统计；对加速寿命试验得到的试验数据进行分析，并得到累积失效概率和可靠度。本发明提供的用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，以建立用电信息采集设备的可靠性模型，指导用电信息采集设备温湿度恒定应力加速寿命试验的开展，并从加速条件下的失效数据推导出正常使用条件下可靠性特征量的估计值，验证用电信息采集设备的可靠性是否满足要求。
【专利说明】一种用电信息采集设备可靠性验证的试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种试验方法，具体讲涉及一种用电信息采集设备可靠性验证的试验方法。
【背景技术】
[0002]在用电信息采集系统建设中，由于系统规模大，采集设备类型多，运行环境多样，连续运行时间长，通信介质和通信协议复杂，采集设备的可靠性问题越来越突出，从而制约了采集系统的推广和应用。
[0003]为了实现用电信息采集系统全覆盖和全采集的目标，要求采集设备能在各种运行环境(包括电磁环境、气候环境等)下，长期可靠地运行。同时，用电信息采集系统实现的功能涉及企业的切身利益，为了确保电能数据的安全和完整，要求采集设备具有很高的可靠性。
[0004]用电信息采集设备用于对各信息采集点的用电信息进行采集，可以实现电能表数据的采集、数据管理、数据双向传输以及转发或执行控制命令。按应用场所分为专变采集终端、集中抄表终端(包括集中器、采集器)、分布式能源监控终端等类型。用电信息采集设备的可靠性技术研究及应用仍处于起步阶段，大部分采集设备生产厂家在设计、元器件选择和生产工艺上缺乏对可靠性的保障，也没有有效的方法对设备的可靠性进行验证。
[0005]用电信息采集设备在正常使用条件下进行寿命试验，很难在短时间内获得失效数据。为缩短试验时间、减少试验样本数和试验费用，采用加速寿命试验。实际中，采集设备通常受到多种应力的影响，如温度、湿度等，并且具有多种失效模式，如通信失效、电能表数据抄收失败、模拟量测量误差超差等，采集设备的加速寿命试验具有多应力和多失效模式的特点。
【发明内容】
[0006]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，以建立用电信息采集设备的可靠性模型，指导用电信息采集设备温湿度恒定应力加速寿命试验的开展，并从加速条件下的失效数据推导出正常使用条件下可靠性特征量的估计值，验证用电信息采集设备的可靠性是否满足要求。
[0007]为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案:
[0008]本发明提供一种用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，所述方法包括以下步骤:
[0009]步骤1:建立用电信息采集设备可靠性模型，确定失效模式、失效判据及失效统计原则；
[0010]步骤2:进行用电信息采集设备温湿度恒定应力加速寿命试验，并进行失效统计；
[0011]步骤3:对加速寿命试验得到的试验数据进行分析，并得到累积失效概率和可靠度。
[0012]所述步骤I包括以下步骤:
[0013]步骤1-1:建立用电信息采集设备可靠性模型；
[0014]步骤1-2:确定用电信息采集设备可靠性验证要求；
[0015]步骤1-3:确定失效判据、失效模式及失效统计原则。
[0016]所述步骤1-1中，用电信息采集设备包括电源模块、主控模块、接口模块、交流采样模块、显示模块、通信模块和安全模块；用电信息采集设备可靠性模型为串联模型，用电信息采集设备中任一模块失效，用电信息采集设备就出现失效，试验中发生失效的试验样品不进行维修。
[0017]所述步骤1-2中，用电信息采集设备可靠性验证指标具体为:Y年时用电信息采集设备失效率小于等于F%，置信度50% ;其中Y≥0，0≤F≤100。
[0018]所述步骤1-3中，所述失效模式为状态量采集、电能表数据采集、通信、模拟量测量误差和电源电压变化下的失效；
[0019](I)改变所有输入状态，测试5次；若测试主机显示的状态量与输入状态5次均不符合，判为状态量采集失效；
[0020](2)测试主机通过用电信息采集设备抄收电能表数据,若抄收失败或测试主机显示的电能表数据与电能表数据不一致，判为电能表数据采集失效；
[0021](3)通信次数应大于10次，功能测试中出现与测试主机10次均通信失败，判为通?目失效;
[0022](4)测试5次取平均值，测量电压基本误差超标准规定的最大误差值，判为模拟量测量误差失效；
[0023](5)在电源电压分别为Un+20^^PUn-20%时，判断状态量采集、电能表数据采集、通信和模拟量测量误差中若有其一失效，判为电源电压变化失效；其中Un为电源额定电压。
[0024]所述失效统计原则包括:
[0025](I)因外部试验设备影响或人为因素引起的失效，不计入失效；
[0026](2)用电信息采集设备的试验样品在同一测试周期中出现多次相同项目的失效，只记录第一次失效，并在以后的测试周期不再对此试验样品进行该项目测试；
[0027](3)试验样品在单个测试周期中出现不能自启动或自恢复，分析原因，试验样品重新人工启动后进行测试；如该项目测试没有失效，相应的失效模式记录为悬置项，该项目测试发生失效，则该项记为失效项；
[0028](4)试验样品在单个测试周期中该项目测试没有失效，但出现测试项目外的失效，分析原因；若应力试验结束时该试验样品的该项目仍没有失效，则相应的失效模式记录为悬置项。
[0029]所述步骤2包括以下步骤:
[0030]步骤2-1:确定试验应力和试验样品；
[0031 ] 步骤2-2:建立加速寿命模型；
[0032]步骤2-3:确定应力水平下的最小试验时间和试验终止时间；
[0033]步骤2-4:进行温湿度恒定应力加速寿命试验，并进行失效统计。
[0034]所述步骤2-1具体包括以下步骤:
[0035]步骤2-1-1:温度和湿度是对用电信息采集设备可靠性影响较大的环境应力，选取以下四级应力水平进行试验；
[0036](I)温度为75°C，且湿度为95%时，确定为第一级应力水平；
[0037](2)温度为75°C，且湿度为85%时，确定为第二级应力水平；
[0038](3)温度为75°C，且湿度为75%时，确定为第三级应力水平；
[0039](4)温度为65°C，且湿度为95%时，确定为第四级应力水平；
[0040]步骤2-1-2:所述试样品从批量生产的经过出厂检验合格的同批次用电信息采集设备中随机抽取，每个组合应力试验的样品数不少于10个。
[0041]所述步骤2-2中的加速寿命模型采用Peck模型，用来描述温度和湿度综合应力与寿命的关系；Peck I旲型的加速系数AF表不为:
【权利要求】
1.一种用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，其特征在于:所述方法包括以下步骤: 步骤1:建立用电信息采集设备可靠性模型，确定失效模式、失效判据及失效统计原则； 步骤2:进行用电信息采集设备温湿度恒定应力加速寿命试验，并进行失效统计； 步骤3:对加速寿命试验得到的试验数据进行分析，并得到累积失效概率和可靠度。
2.根据权利要求1所述的用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，其特征在于:所述步骤I包括以下步骤: 步骤1-1:建立用电信息采集设备可靠性模型； 步骤1-2:确定用电信息采集设备可靠性验证要求； 步骤1-3:确定失效判据、失效模式及失效统计原则。
3.根据权利要求2所述的用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，其特征在于:所述步骤1-1中，用电信息采集设备包括电源模块、主控模块、接口模块、交流采样模块、显示模块、通信模块和安全模块；用电信息采集设备可靠性模型为串联模型，用电信息采集设备中任一模块失效，用电 信息采集设备就出现失效，试验中发生失效的试验样品不进行维修。
4.根据权利要求2所述的用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，其特征在于:所述步骤1-2中，用电信息采集设备可靠性验证指标具体为:Y年时用电信息采集设备失效率小于等于1^%，置信度50% ;其中Y≤0，0≤F≤100。
5.根据权利要求2所述的用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，其特征在于:所述步骤1-3中，所述失效模式为状态量采集、电能表数据采集、通信、模拟量测量误差和电源电压变化下的失效； (1)改变所有输入状态，测试5次；若测试主机显示的状态量与输入状态5次均不符合，判为状态量采集失效； (2)测试主机通过用电信息采集设备抄收电能表数据,若抄收失败或测试主机显示的电能表数据与电能表数据不一致，判为电能表数据采集失效； (3)通信次数应大于10次，功能测试中出现与测试主机10次均通信失败，判为通信失效； (4)测试5次取平均值，测量电压基本误差超标准规定的最大误差值，判为模拟量测量误差失效; (5)在电源电压分别为1+20%和1-20%时，判断状态量采集、电能表数据采集、通信和模拟量测量误差中若有其一失效，判为电源电压变化失效；其中Un为电源额定电压。
6.根据权利要求2所述的用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，其特征在于:所述失效统计原则包括: (1)因外部试验设备影响或人为因素引起的失效，不计入失效； (2)用电信息采集设备的试验样品在同一测试周期中出现多次相同项目的失效，只记录第一次失效，并在以后的测试周期不再对此试验样品进行该项目测试； (3)试验样品在单个测试周期中出现不能自启动或自恢复，分析原因，试验样品重新人工启动后进行测试；如该项目测试没有失效，相应的失效模式记录为悬置项，该项目测试发生失效，则该项记为失效项；(4)试验样品在单个测试周期中该项目测试没有失效，但出现测试项目外的失效，分析原因；若应力试验结束时该试验样品的该项目仍没有失效，则相应的失效模式记录为悬置项。
7.根据权利要求1所述的用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，其特征在于:所述步骤2包括以下步骤: 步骤2-1:确定试验应力和试验样品； 步骤2-2:建立加速寿命模型； 步骤2-3:确定应力水平下的最小试验时间和试验终止时间； 步骤2-4:进行温湿度恒定应力加速寿命试验，并进行失效统计。
8.根据权利要求7所述的用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，其特征在于:所述步骤2-1具体包括以下步骤: 步骤2-1-1:温度和湿度是对用电信息采集设备可靠性影响较大的环境应力，选取以下四级应力水平进行试验； (1)温度为75°C，且湿度为95%时，确定为第一级应力水平； (2)温度为75°C，且湿度为85%时，确定为第二级应力水平； (3)温度为75°C，且湿度为75%时，确定为第三级应力水平； (4)温度为65°C，且湿度为95%时，确定为第四级应力水平； 步骤2-1-2:所述试样品从批量生产的经过出厂检验合格的同批次用电信息采集设备中随机抽取，每个组合应力试验的样品数不少于10个。
9.根据权利要求7所述的用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，其特征在于:所述步骤2-2中的加速寿命模型采用Peck模型，用来描述温度和湿度综合应力与寿命的关系；Peck模型的加速系数AF表示为:
RH -.L去) AF = (^eA11)
RH', 其中，RHu为正常使用条件下的百分比相对湿度，RHs为应力水平下的百分比相对湿度；Tu为正常使用条件下以k表示的温度，1；为应力水平下以k表示的温度，k为玻尔兹曼常数，取8.617X 10_5eV/K ;Ea为以电子伏表示的活化能，取值范围为0.3~1.5 ;n为加速系数参数，取值范围为I~12。
10.根据权利要求9所述的用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，其特征在于:所述步骤2-3中，使Ea取典型值0.9，且η取典型值3，由式(I)得到的AF带入式(2)即可得到每级应力水平下的最小试验时间Dmin，表示为: 厂厂
5
YIn(1-OiCLl) Y In(1-UCXl) D.=MAX{---)-14 ,---)-U- )(2)
AF , L cF Λ AF t Λ cF λ
In 1----1n 1--
_ { 1000JJ L V 1000人 其中，UCL1为50%置信度下出现第1次失效的失效概率估计值，通过查IEC62059-31-1附录D得到，c为附加失效因子，取值15 ； 每级应力水平下采用定时截尾试验，在以下情况下试验终止:(1)未达到最小试验时间，但已经出现全部试验样品失效； (2)已达到最小试验时间，并且每个独立的失效模式已经出现至少5个试验样品失效； (3)若达到最小试验时间，试验样品的失效数小于5，则继续试验直至某个独立失效模式出现至少5个试验样本失效或试验时间已经达到2倍最小试验时间。
11.根据权利要求7所述的用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，其特征在于:所述步骤2-4中，进行温湿度恒定应力加速寿命试验过程如下: 在每级应力水平的试验过程中，试验样品始终处于工作状态；对试验样品施加温度、湿度组合应力的同时，交流模拟量输入端施加额定电压Un，状态量输入端连接外部模拟器，测试主机通过通信线与试验样品连接，但不进行通信；试验样品在加速寿命试验开始前，在正常试验室环境下失效模式进行测试，其功能和基本性能应符合要求；若试验样品不符合要求则给予替换，保证试验前所有试验样品都是合格品； 每组恒定应力加速寿命试验均采用定时截尾试验,最小试验时间根据每组加速应力水平的加速系数和终端可靠性要求确定，在最小试验时间结束时失效样品数r > 5，试验即可终止，否则应延长试验时间；且在每组应力水平试验时，应进行失效数据统计。
12.根据权利要求9所述的用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，其特征在于:所述步骤3包括以下步骤: 步骤3-1:对试验数据排序，并计算失效序号和中位秩失效概率估计值； 步骤3-2:计算各类失效模式在各级应力水平下的威布尔分布参数； 步骤3-3:各类失效模式的加速系数； 步骤3-4:计算各类失效模式在各级应力水平下的加速系数； 步骤3-5:推算各类失效模式在正常使用条件下的威布尔分布参数； 步骤3-6:计算各类失效模式在正常使用条件下的累积失效概率和累积可靠度。
13.根据权利要求12所述的用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，其特征在于:所述步骤3-1中，将悬置项与失效项按失效累积时间从小到大排序，失效序号和中位秩失效概率估计值分别通过式(3)和(4)计算，有:
其中，r」为第j个已经调整的失效序号，Iy1为上一个已经调整的失效序号，N为该失效模式的失效项和悬置项总数，即试验样品总数为中位秩失效概率估计值。
14.根据权利要求12所述的用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，其特征在于:所述步骤3-2中，威布尔分布参数包括形状参数β和尺度参数η，基于最小二乘法计算各类失效模式在各级应力水平下的形状参数β和尺度参数H过程如下: 用电信息采集设备的寿命分布服从威布尔分布，累积失效概率用F(t)表示，有: F(t)=l-e<t,,l)l!(5) 将式(5)两边取自然对数，有:
再取第二次自然对数，有:
设 y = In (-1n (1_F (t))), A = - β In ( η), B = β , x = In (t)；则有:
y = A+Bx(8)
其中，Xi = In(TTFi), TTFi为第i个试验样品失效的累积失效时间=InHnd-F(TTFi))), F(TTFi)为对应于第i个试验样品失效的失效概率，P为观察到的失效数； 由A和B可得形状参数β和尺度参数Π，有: β =B(11)
η = e β.(12)。
15.根据权利要求12所述的用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，其特征在于:所述步骤3-3中，各类失效模式的加速系数包括各类失效模式下以电子伏表示的活化能Ea'和加速系数参数n';计算过程如下: 对式(I)两边求对数，得到:
满足
时，#, 为最大应力水平下的加速系数，且^juima=AFl; AFi为第i级应力水平下的加速系数，Cu-为最大应力水平下的尺度参数，且=为第i级应力水平下的尺度参数；有:
其中，RHi为第i级应力水平下的湿度，RHmax为应力水平的最高湿度，且有RHmax = RH1=RH4 为兎i级应力水平下的温度，Tmax为应力水平的最1?温度，且有Tmax = T1 = T2 =T3; 设定方程Zi = nXi+EJi,方程系数X1、Yi和Zi表示为: (1)第一级应力水平下，X1= Y1 = Z1 = O ； (2)第二级应力水平下，
(3)第三级应力水平下，
⑷第四级应力水平下，
其中，1、n2> 113和n4分别为第一至第四级应力水平下的尺度参数； 于是各类失效模式下以电子伏表示的活化能Ea'和加速系数参数n'表示为:
16.根据权利要求15所述的用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，其特征在于:所述步骤3-4中，根据正常使用条件下的百分比相对湿度RHu和正常使用条件下以k表示的温度Tu，以及计算出的Ea'和n'计算各类失效模式在各级应力水平下的加速系数AF'，有:
17.根据权利要求14所述的用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，其特征在于:所述步骤3-5中，各类失效模式在正常使用条件下的威布尔分布参数包括形状参数β，和尺度参数H'，计算过程如下: 用电信息采集设备的寿命分布服从威布尔分布，各类失效模式在正常使用条件下用电信息采集设备的累积失效概率用F(t')表示，有:
将式(18)两边取自然对数，有:
再取第二次自然对数，有:
其中，χ/ = In(TTF/ )，TTF/为正常使用条件下第i个试验样品失效的累积失效时间； Ji' = In (-1n (1-FCTTFi' )))，F(TTF/ )为对应于正常使用条件下第i个试验样品失效的失效概率，P为观察到的失效数； 由k'和B'可得形状参数β /和尺度参数η '，有: β ' = B'(24)η =(25)。
18.根据权利要求17所述的用电信息采集设备可靠性验证的试验方法，其特征在于:所述步骤3-6中，将各类失效模式在正常使用条件下的形状参数β '和尺度参数η'分别代入式(5)中，得到各类失效模式在正常使用条件下的累积失效概率F1U)、F2 (t)、F3 (t)、F4(t)和匕(0 ;各类失效模式在正常使用条件下的累积可靠度表示为
R (t) = (1-F1 (t)) (1-F2 (t)) (1-F3 (t)) (1-F4 (t)) (1-F5 ⑴)(26) 其中，R(t)为各类失效模式在正常使用条件下的累积可靠度。
【文档编号】G01R31/00GK104076224SQ201410332093
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】刘岩, 董俐君, 刘喆, 唐悦, 章宏伟, 闫梓桐 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院