基于FMEA 和HM 的智能電能表關鍵元器件認定研究

梅能，肖霞，李若茜

( 華中科技大學電氣與電子工程學院，武漢 430300)

0 引言

我國智能電網建設于2011 年全面開啟，截至2020年底，全國范圍內已基本實現智能電能表全覆蓋。智能電能表作為智能電網高級量測體系中最基本的構成之一，是開展用電量分析、負荷預測的數據源頭［1-2］，其可靠性對整個電網系統的穩定運行具有重要意義。基于此，近年來關于智能電能表可靠性的相關研究逐漸得到重視［3-5］。

一些理論分析和失效分析研究均表明，智能電能表中某些元器件的失效直接將導致智能電能表的故障。文獻［6］等結合現場數據對智能電能表黑屏故障進行分析研究，利用故障樹模型分析發現導致智能電能表黑屏最主要的原因是LCD 損壞、熱敏電阻選型不當、電容擊穿等;文獻［7］等通過故障樹分析法確定了時鐘失準的故障原因主要在于晶振、電池和時鐘芯片;文獻［8］對智能電能表時鐘電池欠壓故障進行分析，發現電解電容和電阻是導致其故障的主要原因。

可靠性研究中，關鍵件和重要件的可靠性是保障產品可靠性的重要手段。關鍵件和重要件的認定在軍工領域發揮了重要的作用。文獻［9］通過危害性矩陣( Hazard Matrix，HM) 實現了對某軍機升降舵操作系統的關鍵器件的認定，并基于此提出了相應的可靠性提升措施，保證了軍機升降舵的調整片和軸承組件的可靠性;文獻［10］通過HM 法對某軍用發動機進行了關鍵部件的認定，并進行了故障機理分析，給出了維護建議，對提高該型軍用發動機的可靠性提供了有益指導。

上述研究對于關鍵件的認定均采用HM 分析法，HM 利用FMEA 分析法得到所有潛在的故障模式、并在其基礎上進行危害性分析，通過分析所有故障模式的嚴酷度和故障概率，最終以危害性矩陣圖的形式實現對關鍵件的認定。

智能電能表作為電子產品，主要構成為電子元器件，因此其關鍵件為電子元器件。文中針對智能電能表的特征，對構成HM 的危害度和故障等級依據智能電能表的可靠性要求進行定義，通過FMEA 方法確定智能電能表元器件的故障等級，并依據HM 認定關鍵元器件。

1 智能電能表HM 構建

危害性矩陣圖的分析對象是故障模式，它以故障模式嚴酷度作為橫軸，以故障模式發生概率等級作為縱軸［11-12］，形成危害性矩陣圖。確定橫軸和縱軸對應指標的定義方法是進行HM 分析法的前提。

1.1 智能電能表嚴酷度定義方法

嚴酷度是故障模式可能造成的最嚴重影響的度量。已有研究中對軍工產品嚴酷度等級的定義通常從該故障模式造成的人員傷亡、經濟損失和環境損害等角度衡量。而智能電能表作為電能計量器件，其故障不會危及人身安全和環境損壞。若參照對軍工產品的嚴酷度定義法來對智能電能表嚴酷度進行定義，則嚴酷度評定結果肯定偏低。因此，需要結合智能電能表的可靠性要求給出專門的智能電能表嚴酷度定義表。

從智能電能表的可靠性要求出發，智能電能表首要功能是電能的計量，因此，將可能導致電能表計量功能喪失和整表無法正常工作的故障模式對應的嚴酷度定義為I 級; 故障后對智能電能表正常運行造成較大影響，但其計量功能未喪失的故障模式嚴酷度定義為第II 級; 故障后對智能電能表正常運行影響較小或無故障的嚴酷度定義為第III 級。按照上述定義，文章給出的針對智能電能表的嚴酷度評定表如表1 所示。

其中將時鐘功能喪失列為I 級是由于時鐘信號是整表計量、通信的最基本信號，一旦喪失會導致整表無法正常工作;將顯示功能喪失列為第III 級是由于如今智能電能表采用自動抄表、數據自動上傳的模式，用戶也可通過手機軟件實時查看用電情況，顯示功能喪失對電能表正常運行無任何影響，故將其列為第III 級。

1.2 故障模式發生概率等級定義方法

故障模式發生概率等級是將故障模式按其發生概率進行分級。按照標準GJB/Z1391—2006 中給出的故障模式發生概率等級定義，如表2 所示。

表2 故障模式發生概率等級劃分表Tab.2 Probability of failure mode occurrence level table

其中故障模式發生概率分為A、B、C、D、E，具體的故障模式發生概率需要首先獲得智能電能表故障調研數據，然后在其基礎上進行FMEA 分析得到每一種潛在的故障模式，最后通過危害性分析得到。

2 基于FMEA 的智能電能表元器件嚴酷度等級評定

2.1 FMEA 方法

FMEA 常用于電子器件的可靠性分析與安全評估，采用自下而上的分析方式，借助表格的形式來完成。常見的FMEA 表格如表3 所示。

表3 FMEA 表格形式Tab.3 FMEA formats

表3 中故障模式為對象可能的故障現象，對某一對象應全面考慮其故障模式; 故障影響從三個層次分析;嚴酷度則以故障影響中的最終影響為嚴酷度的評定依據。

文章通過對智能電能表實際故障數據調研，明確智能電能表中易失效元器件，以智能電能表易失效元器件為分析對象，評定元器件的嚴酷度等級。

2.2 智能電能表故障數據調研

對國家電網在某省2018 年收集的共64.3 萬條智能電能表故障信息進行歸類與故障原因評估，具體故障數據如表4 所示。

表4 調研數據結果Tab.4 Survey data results

由表4 可知，智能電能表的易失效元器件包括:鋰電池、時鐘芯片、晶振、負荷開關、LCD 和驅動芯片等16種。因此，選取這些元器件作為FMEA 分析對象。

2.3 FMEA 分析結果

對易失效元器件的故障模式、產生的故障影響以及對電能表形成的嚴酷度等級進行分析，并形成FMEA表格。嚴酷度等級按照表1 定義來確定。由于篇幅限制，僅給出鋰電池、計量芯片和LCD 的FMEA 分析結果，如表5 所示。

表5 鋰電池、計量芯片和LCD 的FMEA 分析表格Tab.5 Table of FMEA analysis of lithium batteries，metering chips and LCD

從表5 可知，智能電能表中的鋰電池、計量芯片和LCD 均有多種故障模式，每種故障模式對智能電能表可靠性形成的影響和嚴酷度等級均從FMEA 表格中可清晰獲知。通過所有易失效元器件的FMEA 表格，即可得知所有易失效元器件的所有故障模式及其對智能電能表可靠性的影響以及相應的嚴酷度等級。

3 智能電能表元器件故障發生概率等級評定

危害性分析在FMEA 確定的故障模式基礎上，引入每一種故障模式的故障頻數比，定量計算每一種故障模式的發生概率，在此基礎上評定該故障模式的故障等級，故障等級的評定依據見表2 所示。

同樣以鋰電池、計量芯片和LCD 為例，危害性分析結果如表6 所示。

表6 鋰電池、計量芯片和LCD 危害性分析表格Tab.6 Hazard analysis table for lithium batteries，metering chips，and LCDs

故障模式頻數比反應了某一故障模式在該元器件所有故障模式中所占比重，其計算依據參考GJB/Z 299C《電子設備可靠性預計手冊》第7 部分中。故障模式發生概率等于元器件的故障占比與故障模式頻數比的乘積。

4 基于HM 的智能電能表關鍵元器件認定

4.1 關鍵元器件認定依據

由智能電能表元器件嚴酷度和故障等級繪制圖1 所示的危害性矩陣圖。由圖1 可知，元器件每一種故障模式均能對應危害性矩陣圖中的一個格點; 圖中對角線( 虛線) 往外延伸的方向即為危害性增長方向;圖中每個格點與對角線之間垂線的垂足離坐標原點越遠，說明該故障模式對可靠性的影響越大，則該故障模式對應的元器件對智能電能表可靠性的影響越大。

圖1 智能電能表危害性矩陣圖Fig.1 Smart meter hazard matrix chart

根據嚴酷度定義，I 類嚴酷度對應的故障模式會導致電表計量功能喪失甚至整表功能喪失，此類故障無論故障概率多低，一旦發生，都將導致整表主功能喪失，因此，將I 類嚴酷度對應的I-E、I-D、I-C、I-B 和I-A均認定為關鍵點;對于II 類嚴酷度下的故障點，II 類嚴酷度對應的故障模式發生后對智能電能表正常運行造成較大影響，但其計量功能未喪失，此類嚴酷度下的故障點需結合故障概率來認定，對表2 中故障概率特征為高概率、中等概率和不常發生的三個故障點，將其認定為關鍵點;對III 類故障度下的故障點，III 類嚴酷度定義為電表各種性能下降、外觀損壞和顯示功能喪失，對此類故障，由于影響較小且智能電能表能完成主要的計量功能，只有在此類故障出現概率較高時才會認定其為關鍵點，因此將III-A，III-B 認定為關鍵點，剩余III-C、III-D 以及III-E 不認定為關鍵點。關鍵點在圖1中用黑色點描出如圖1 所示。

關鍵元器件的認定依據見表7，當某易失效元器件含有至少一種故障模式且該故障模式對應的點在表7中時，將該元器件認定為關鍵元器件。以鋰電池、計量芯片和LCD 為例，將鋰電池、計量芯片和LCD 的FMEA 分析結果和危害性分析結果對應至危害性矩陣圖中，易知鋰電池含有表7 中所含故障模式I-C、I-D 以及III-A，計量芯片含有表7 中所含故障模式I-D 和I-E，而LCD 無表7 中所含的故障模式，故認定鋰電池和計量芯片為智能電能表關鍵元器件，而LCD 不是智能電能表關鍵元器件。

表7 關鍵件認定依據Tab.7 Key component rationale

4.2 智能電能表關鍵元器件

按照表7 中的認定依據，對表4 中所有易失效元器件進行FMEA 分析和危害性分析后可得智能電能表關鍵元器件為鋰電池、時鐘芯片、晶振、片式電容、壓敏電阻、電解電容、熱敏電阻、電流采樣電阻、電壓采樣電阻以及計量芯片。國家電網發布的電能表用元器件技術規范Q/GDW 11179 中給出了15 種智能電能表用元器件，和文中得到的結果對比如表8 所示。

表8 與國網標準對比Tab.8 Comparison with State Grid standards

對比分析知，按照文章方法認定的智能電能表關鍵元器件全部包含于國網的15 種元器件中。對于國網標準中包含、但未出現在文章結論中的元器件LCD、RS485、光電耦合器、瞬變二極管和負荷開關，也在文中進行了FMEA 分析，結果顯示其并不屬于關鍵元器件。對于微控制器和電流互感器，表4 的故障數據統計分析人員在進行失效分析和數據統計后極少發現微控制器和電流互感器故障導致的智能電能表失效，故未將其列為易失效元器件。文獻［13-14］對智能電能表計量故障原因進行分析，結果發現計量芯片是影響其可靠性的主要原因;文獻［15-17］對智能電能表電源模塊進行了可靠性分析，結果表明電源模塊危害度較高的器件為電解電容、熱敏電阻等。上述已有研究與文中結果十分吻合，互為佐證，進一步說明了文中方法的可行性。

5 結束語

通過FMEA 和HM 分析方法，結合智能電能表實際運行情況，對智能電能表關鍵元器件進行了認定。認定結果符合實際情況，表明文中采用的認定方法和依據現實可行。針對文中得到的關鍵元器件進行針對性的可靠性提升措施可以有效地提高智能電能表可靠性。文章對智能電能表生產廠家和相關管理部分具有較好的參考價值，對提升智能電能表可靠性有積極作用。