基于FMEA 和HM 的智能电能表关键元器件认定研究

梅能，肖霞，李若茜

( 华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430300)

0 引言

我国智能电网建设于2011 年全面开启，截至2020年底，全国范围内已基本实现智能电能表全覆盖。智能电能表作为智能电网高级量测体系中最基本的构成之一，是开展用电量分析、负荷预测的数据源头［1-2］，其可靠性对整个电网系统的稳定运行具有重要意义。基于此，近年来关于智能电能表可靠性的相关研究逐渐得到重视［3-5］。

一些理论分析和失效分析研究均表明，智能电能表中某些元器件的失效直接将导致智能电能表的故障。文献［6］等结合现场数据对智能电能表黑屏故障进行分析研究，利用故障树模型分析发现导致智能电能表黑屏最主要的原因是LCD 损坏、热敏电阻选型不当、电容击穿等;文献［7］等通过故障树分析法确定了时钟失准的故障原因主要在于晶振、电池和时钟芯片;文献［8］对智能电能表时钟电池欠压故障进行分析，发现电解电容和电阻是导致其故障的主要原因。

可靠性研究中，关键件和重要件的可靠性是保障产品可靠性的重要手段。关键件和重要件的认定在军工领域发挥了重要的作用。文献［9］通过危害性矩阵( Hazard Matrix，HM) 实现了对某军机升降舵操作系统的关键器件的认定，并基于此提出了相应的可靠性提升措施，保证了军机升降舵的调整片和轴承组件的可靠性;文献［10］通过HM 法对某军用发动机进行了关键部件的认定，并进行了故障机理分析，给出了维护建议，对提高该型军用发动机的可靠性提供了有益指导。

上述研究对于关键件的认定均采用HM 分析法，HM 利用FMEA 分析法得到所有潜在的故障模式、并在其基础上进行危害性分析，通过分析所有故障模式的严酷度和故障概率，最终以危害性矩阵图的形式实现对关键件的认定。

智能电能表作为电子产品，主要构成为电子元器件，因此其关键件为电子元器件。文中针对智能电能表的特征，对构成HM 的危害度和故障等级依据智能电能表的可靠性要求进行定义，通过FMEA 方法确定智能电能表元器件的故障等级，并依据HM 认定关键元器件。

1 智能电能表HM 构建

危害性矩阵图的分析对象是故障模式，它以故障模式严酷度作为横轴，以故障模式发生概率等级作为纵轴［11-12］，形成危害性矩阵图。确定横轴和纵轴对应指标的定义方法是进行HM 分析法的前提。

1.1 智能电能表严酷度定义方法

严酷度是故障模式可能造成的最严重影响的度量。已有研究中对军工产品严酷度等级的定义通常从该故障模式造成的人员伤亡、经济损失和环境损害等角度衡量。而智能电能表作为电能计量器件，其故障不会危及人身安全和环境损坏。若参照对军工产品的严酷度定义法来对智能电能表严酷度进行定义，则严酷度评定结果肯定偏低。因此，需要结合智能电能表的可靠性要求给出专门的智能电能表严酷度定义表。

从智能电能表的可靠性要求出发，智能电能表首要功能是电能的计量，因此，将可能导致电能表计量功能丧失和整表无法正常工作的故障模式对应的严酷度定义为I 级; 故障后对智能电能表正常运行造成较大影响，但其计量功能未丧失的故障模式严酷度定义为第II 级; 故障后对智能电能表正常运行影响较小或无故障的严酷度定义为第III 级。按照上述定义，文章给出的针对智能电能表的严酷度评定表如表1 所示。

其中将时钟功能丧失列为I 级是由于时钟信号是整表计量、通信的最基本信号，一旦丧失会导致整表无法正常工作;将显示功能丧失列为第III 级是由于如今智能电能表采用自动抄表、数据自动上传的模式，用户也可通过手机软件实时查看用电情况，显示功能丧失对电能表正常运行无任何影响，故将其列为第III 级。

1.2 故障模式发生概率等级定义方法

故障模式发生概率等级是将故障模式按其发生概率进行分级。按照标准GJB/Z1391—2006 中给出的故障模式发生概率等级定义，如表2 所示。

表2 故障模式发生概率等级划分表Tab.2 Probability of failure mode occurrence level table

其中故障模式发生概率分为A、B、C、D、E，具体的故障模式发生概率需要首先获得智能电能表故障调研数据，然后在其基础上进行FMEA 分析得到每一种潜在的故障模式，最后通过危害性分析得到。

2 基于FMEA 的智能电能表元器件严酷度等级评定

2.1 FMEA 方法

FMEA 常用于电子器件的可靠性分析与安全评估，采用自下而上的分析方式，借助表格的形式来完成。常见的FMEA 表格如表3 所示。

表3 FMEA 表格形式Tab.3 FMEA formats

表3 中故障模式为对象可能的故障现象，对某一对象应全面考虑其故障模式; 故障影响从三个层次分析;严酷度则以故障影响中的最终影响为严酷度的评定依据。

文章通过对智能电能表实际故障数据调研，明确智能电能表中易失效元器件，以智能电能表易失效元器件为分析对象，评定元器件的严酷度等级。

2.2 智能电能表故障数据调研

对国家电网在某省2018 年收集的共64.3 万条智能电能表故障信息进行归类与故障原因评估，具体故障数据如表4 所示。

表4 调研数据结果Tab.4 Survey data results

由表4 可知，智能电能表的易失效元器件包括:锂电池、时钟芯片、晶振、负荷开关、LCD 和驱动芯片等16种。因此，选取这些元器件作为FMEA 分析对象。

2.3 FMEA 分析结果

对易失效元器件的故障模式、产生的故障影响以及对电能表形成的严酷度等级进行分析，并形成FMEA表格。严酷度等级按照表1 定义来确定。由于篇幅限制，仅给出锂电池、计量芯片和LCD 的FMEA 分析结果，如表5 所示。

表5 锂电池、计量芯片和LCD 的FMEA 分析表格Tab.5 Table of FMEA analysis of lithium batteries，metering chips and LCD

从表5 可知，智能电能表中的锂电池、计量芯片和LCD 均有多种故障模式，每种故障模式对智能电能表可靠性形成的影响和严酷度等级均从FMEA 表格中可清晰获知。通过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对智能电能表可靠性的影响以及相应的严酷度等级。

3 智能电能表元器件故障发生概率等级评定

危害性分析在FMEA 确定的故障模式基础上，引入每一种故障模式的故障频数比，定量计算每一种故障模式的发生概率，在此基础上评定该故障模式的故障等级，故障等级的评定依据见表2 所示。

同样以锂电池、计量芯片和LCD 为例，危害性分析结果如表6 所示。

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

故障模式频数比反应了某一故障模式在该元器件所有故障模式中所占比重，其计算依据参考GJB/Z 299C《电子设备可靠性预计手册》第7 部分中。故障模式发生概率等于元器件的故障占比与故障模式频数比的乘积。

4 基于HM 的智能电能表关键元器件认定

4.1 关键元器件认定依据

由智能电能表元器件严酷度和故障等级绘制图1 所示的危害性矩阵图。由图1 可知，元器件每一种故障模式均能对应危害性矩阵图中的一个格点; 图中对角线( 虚线) 往外延伸的方向即为危害性增长方向;图中每个格点与对角线之间垂线的垂足离坐标原点越远，说明该故障模式对可靠性的影响越大，则该故障模式对应的元器件对智能电能表可靠性的影响越大。

图1 智能电能表危害性矩阵图Fig.1 Smart meter hazard matrix chart

根据严酷度定义，I 类严酷度对应的故障模式会导致电表计量功能丧失甚至整表功能丧失，此类故障无论故障概率多低，一旦发生，都将导致整表主功能丧失，因此，将I 类严酷度对应的I-E、I-D、I-C、I-B 和I-A均认定为关键点;对于II 类严酷度下的故障点，II 类严酷度对应的故障模式发生后对智能电能表正常运行造成较大影响，但其计量功能未丧失，此类严酷度下的故障点需结合故障概率来认定，对表2 中故障概率特征为高概率、中等概率和不常发生的三个故障点，将其认定为关键点;对III 类故障度下的故障点，III 类严酷度定义为电表各种性能下降、外观损坏和显示功能丧失，对此类故障，由于影响较小且智能电能表能完成主要的计量功能，只有在此类故障出现概率较高时才会认定其为关键点，因此将III-A，III-B 认定为关键点，剩余III-C、III-D 以及III-E 不认定为关键点。关键点在图1中用黑色点描出如图1 所示。

关键元器件的认定依据见表7，当某易失效元器件含有至少一种故障模式且该故障模式对应的点在表7中时，将该元器件认定为关键元器件。以锂电池、计量芯片和LCD 为例，将锂电池、计量芯片和LCD 的FMEA 分析结果和危害性分析结果对应至危害性矩阵图中，易知锂电池含有表7 中所含故障模式I-C、I-D 以及III-A，计量芯片含有表7 中所含故障模式I-D 和I-E，而LCD 无表7 中所含的故障模式，故认定锂电池和计量芯片为智能电能表关键元器件，而LCD 不是智能电能表关键元器件。

表7 关键件认定依据Tab.7 Key component rationale

4.2 智能电能表关键元器件

按照表7 中的认定依据，对表4 中所有易失效元器件进行FMEA 分析和危害性分析后可得智能电能表关键元器件为锂电池、时钟芯片、晶振、片式电容、压敏电阻、电解电容、热敏电阻、电流采样电阻、电压采样电阻以及计量芯片。国家电网发布的电能表用元器件技术规范Q/GDW 11179 中给出了15 种智能电能表用元器件，和文中得到的结果对比如表8 所示。

表8 与国网标准对比Tab.8 Comparison with State Grid standards

对比分析知，按照文章方法认定的智能电能表关键元器件全部包含于国网的15 种元器件中。对于国网标准中包含、但未出现在文章结论中的元器件LCD、RS485、光电耦合器、瞬变二极管和负荷开关，也在文中进行了FMEA 分析，结果显示其并不属于关键元器件。对于微控制器和电流互感器，表4 的故障数据统计分析人员在进行失效分析和数据统计后极少发现微控制器和电流互感器故障导致的智能电能表失效，故未将其列为易失效元器件。文献［13-14］对智能电能表计量故障原因进行分析，结果发现计量芯片是影响其可靠性的主要原因;文献［15-17］对智能电能表电源模块进行了可靠性分析，结果表明电源模块危害度较高的器件为电解电容、热敏电阻等。上述已有研究与文中结果十分吻合，互为佐证，进一步说明了文中方法的可行性。

5 结束语

通过FMEA 和HM 分析方法，结合智能电能表实际运行情况，对智能电能表关键元器件进行了认定。认定结果符合实际情况，表明文中采用的认定方法和依据现实可行。针对文中得到的关键元器件进行针对性的可靠性提升措施可以有效地提高智能电能表可靠性。文章对智能电能表生产厂家和相关管理部分具有较好的参考价值，对提升智能电能表可靠性有积极作用。