Ως βασικό στοιχείο του έξυπνου δικτύου, η αξιοπιστία των μονοφασικών έξυπνων μετρητών έχει λάβει αυξανόμενη προσοχή. Ο Reallin χρησιμοποίησε τη μέθοδο δοκιμής αξιοπιστίας (RET) για έξυπνες μετρητές μιας φάσης. Μέσω της ανάλυσης ιστορικών δεδομένων και της ανάλυσης αποτυχίας και των αποτελεσμάτων (FMEA), εντοπίστηκαν οι κύριες ευαίσθητες τάσεις και οι αδύναμοι σύνδεσμοι που επηρεάζουν την αξιοπιστία των μονοφασικών έξυπνων μετρητών. Με βάση τη θεωρία αξιοπιστίας και σε συνδυασμό με τα τεχνικά χαρακτηριστικά των μονοφασικών μετρητών της κρατικής δικτύωσης, σχεδιάστηκε και εφαρμόστηκε ένα σύστημα δοκιμής βελτίωσης της αξιοπιστίας υψηλής θερμοκρασίας. Τα αποτελέσματα των δοκιμών δείχνουν ότι αυτή η μέθοδος μπορεί να εκθέσει αποτελεσματικά τη λειτουργία αποτυχίας υπό ευαίσθητες συνθήκες εργασίας και να καθορίσει το όριο εργασίας και το όριο βλάβης. Αυτή η μελέτη παρέχει μια αξιόπιστη βάση για το εύρος ασφαλείας των μεταγενέστερων επιταχυνόμενων δοκιμών ζωής και θέτει ένα θεμέλιο για την έρευνα αξιοπιστίας των έξυπνων μετρητών.
Λέξεις -κλειδιά:Μονο φάσμα έξυπνος μετρητής. Δοκιμή βελτίωσης αξιοπιστίας · Δοκιμή τάσης βημάτων υψηλής θερμοκρασίας
Περιεχόμενο
1. Τι είναι ένας έξυπνος μετρητής μιας φάσης
2. Δοκιμή βελτίωσης της ευελιξίας
2.1 Smart Meter RET ενός φάσης
2.2 μονοφάσος έξυπνος μετρητής υψηλής θερμοκρασίας RET
2.2.1 Επισκόπηση RET υψηλής θερμοκρασίας
2.2.2 Στοιχεία δοκιμής
3. Ανάλυση αποτελεσμάτων δοκιμής
4 Συμπέρασμα
1. Τι είναι ένας έξυπνος μετρητής μονής φάσης;
2. Δοκιμή βελτίωσης αξιοπιστίας
Το όριο προδιαγραφών είναι ο τύπος του ορίου που παρέχεται από το μετρητή που παράγουμε. Το προϊόν αναμένεται να εργαστεί σε αυτό το όριο. Το όριο σχεδιασμού είναι το όριο εντός του οποίου το προϊόν μπορεί να λειτουργήσει σωστά. Η διαφορά μεταξύ του ορίου σχεδιασμού και του ορίου προδιαγραφών ονομάζεται περιθώριο σχεδιασμού. Το όριο λειτουργίας είναι η διαχωριστική γραμμή μεταξύ της κανονικής λειτουργίας και της αποτυχίας, βάσει της οποίας το προϊόν δεν θα αποτύχει και μπορεί να πληροί τις βασικές απαιτήσεις των πελατών για την ποιότητα και τη λειτουργία του προϊόντος. Οι επιταχυνόμενες δοκιμές ζωής πραγματοποιούνται συνήθως μέσα σε αυτό το όριο. Το όριο καταστροφής αναφέρεται στο εύρος εντός του οποίου το προϊόν μπορεί να λειτουργήσει χωρίς μη αναστρέψιμη αποτυχία. Η δοκιμή βελτίωσης αξιοπιστίας χρησιμοποιείται συνήθως για τον προσδιορισμό του ορίου καταστροφής του προϊόντος.
Το RET συνήθως υιοθετεί τη μέθοδο της δοκιμής στρες βημάτων. Ο τύπος του στρες μπορεί να είναι το περιβαλλοντικό στρες, όπως οι κραδασμοί, η θερμοκρασία, η υγρασία, ο ψεκασμός άλατος κλπ. Ή το άγχος εργασίας, όπως η τάση, η τροφοδοσία κλπ. Κατά τη διάρκεια του πειράματος, το επίπεδο στρες εφαρμόζεται από χαμηλό έως υψηλό και κάθε επίπεδο στρες πρέπει να διατηρείται για μια χρονική περίοδο. Η δοκιμή δεν θα σταματήσει μέχρι να αποτύχουν όλα τα δείγματα.
2.1-φάση Smart Meter RET
Αδύναμα σημεία και ευαίσθητο στρες του έξυπνου μετρητή μιας φάσης
Ο Smart Meter είναι ένας μετρητής ηλεκτρικής ενέργειας με λειτουργίες όπως μέτρηση ηλεκτρικής ενέργειας, αποθήκευση πληροφοριών, ανταλλαγή επεξεργασίας, επικοινωνία δικτύου, παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο και αυτόματο έλεγχο. Ο έξυπνος μετρητής μιας φάσης που χρησιμοποιείται σε αυτή τη δοκιμή αποτελείται από μονάδα δειγματοληψίας και μέτρησης, μονάδα μικροελεγκτή (MCU), μονάδα οθόνης LCD, μονάδα επικοινωνίας, μονάδα τροφοδοσίας και άλλες μονάδες μονάδας. Το δομικό σχηματικό διάγραμμα του μονοφασικού μετρητή Smart παρουσιάζεται στο σχήμα 2. Ο χρησιμοποιούμενος έξυπνος μετρητής ενός φάσης αποτελείται από μια μονάδα δειγματοληψίας και μέτρησης, μονάδα μικροελεγκτή (MCU), μονάδα οθόνης LCD, μονάδα επικοινωνίας, μονάδα τροφοδοσίας και άλλες μονάδες μονάδας. Το δομικό σχηματικό διάγραμμα του μονοφασικού έξυπνου μετρητή παρουσιάζεται στο σχήμα 1.
Με βάση τα αποτελέσματα της ανάλυσης ιστορικών δεδομένων και της ανάλυσης αποτυχίας και των αποτελεσμάτων (FMEA), διαπιστώσαμε ότι η λειτουργία αυτού του μονοφασικού έξυπνου μετρητή επηρεάζεται εύκολα από το στρες θερμοκρασίας στο φυσικό περιβάλλον εργασίας. Η ακατάλληλη θερμοκρασία μπορεί να προκαλέσει ποικιλία αποτυχιών, όπως σφάλματα μέτρησης, αποτυχία φωτός δείκτη, ανωμαλία εμφάνισης και διακοπή επικοινωνίας.
Η μελέτη διαπίστωσε ότι η μονάδα μέτρησης, η οθόνη LCD και η μονάδα επικοινωνίας 485 είναι οι κύριοι αδύναμοι σύνδεσμοι. Η χαμηλή θερμοκρασία επηρεάζει κυρίως την οθόνη LCD, ενώ η υψηλή θερμοκρασία έχει μεγαλύτερη επίδραση στο σύνολο, ειδικά τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα, τα οποία μπορεί να προκαλέσουν φυσικές αλλαγές και σωρευτικές ζημιές.
Συνοπτικά, η υψηλή θερμοκρασία αναγνωρίζεται ως βασικός παράγοντας στρες που επηρεάζει την αξιοπιστία του μετρητή. Με βάση αυτά τα ευρήματα, επιλέξαμε έναν μετρητή έξυπνης ενέργειας μιας φάσης για τη δοκιμή βελτίωσης της αξιοπιστίας υψηλής θερμοκρασίας (RET) για να μελετήσουμε περαιτέρω τον αντίκτυπο της θερμοκρασίας στην απόδοση του μετρητή και να παρέχουμε μια επιστημονική βάση για τη βελτίωση της αξιοπιστίας του.
2.2 Υψηλής θερμοκρασίας του Smart Meter
Το RET στο μονο φάσμα Smart Meter βρίσκεται σε δοκιμή θερμοκρασίας βημάτων, η οποία εφαρμόζει συνεχώς το στρες βημάτων υψηλής θερμοκρασίας στο όργανο δοκιμής. Η δοκιμή δεν θα σταματήσει μέχρι να φτάσει το επίπεδο τάσης στο όριο βλάβης ή στο μέγιστο όριο του οργάνου δοκιμής. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής, οι βασικές παράμετροι απόδοσης του έξυπνου μετρητή παρακολουθούνται σε πραγματικό χρόνο και η λειτουργία αποτυχίας του καταγράφεται. Στη συνέχεια, μέσω της ανάλυσης των δεδομένων δοκιμών, προσδιορίζονται το όριο εργασίας και το όριο βλάβης σε υψηλή θερμοκρασία.
| Κατηγορία παραμέτρων | Όνομα παραμέτρου | Τιμή παραμέτρου | Περιγραφή |
| Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά | Τάση αναφοράς | 220V | Τυπική τάση εργασίας |
| Τρέχουσες προδιαγραφές | 5(60)A | Βασικό ρεύμα 5Α, Μέγιστο 60α | |
| Επίπεδο ακρίβειας | Επίπεδο 1 | Κατάλληλο για ενεργό μέτρηση ισχύος | |
| Κλίμακα συχνοτήτων | (50 ± 2,5) Hz | Ισχύει για το πρότυπο ηλεκτρικό δίκτυο | |
| Ηρεμία κατανάλωση ενέργειας | <1.5W,10VA | Σχεδιασμός χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας | |
| Περιβαλλοντική προσαρμοστικότητα | Θερμοκρασία λειτουργίας | -25 βαθμός ~ 60 βαθμοί -40 βαθμός ~ 70 βαθμός βαθμού |
Εύρος θερμοκρασίας προδιαγραφών |
| Σχετική υγρασία | <95% | Ακραία θερμοκρασία λειτουργίας | |
| Αξιοπιστία | MTTF | Μεγαλύτερο ή ίσο με 10 χρόνια | Μέσος χρόνος μεταξύ των αποτυχιών |
2.2.1 Επισκόπηση του RET υψηλής θερμοκρασίας
Η μελέτη αυτή θεωρεί μόνο την επίδραση της υψηλής θερμοκρασίας και υιοθετεί το ακόλουθο σχήμα: εκτός από τις παραμέτρους θερμοκρασίας, άλλες παράμετροι ρυθμίζονται σύμφωνα με τις τιμές τεχνικής παραμέτρου που παρουσιάζονται στον Πίνακα 1. S1.
Λαμβάνοντας υπόψη ότι το συνιστώμενο όριο εργασίας του τσιπ μέσα στο μετρητή είναι συνήθως μεταξύ 80 βαθμών ~ 85 βαθμών, το βήμα θερμοκρασίας ρυθμίζεται ομοιόμορφα σε 5 μοίρες και ο ρυθμός αλλαγής θερμοκρασίας ελέγχεται κάτω από 2,5 μοίρες \/λεπτό. Προκειμένου να παρατηρηθεί πλήρως η επίδραση της θερμοκρασίας στο μετρητή, κάθε επίπεδο θερμοκρασίας διατηρείται για 30 λεπτά.
Το σχήμα 3 δείχνει τη διαδικασία της δοκιμής RET υψηλής θερμοκρασίας. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής, η θερμοκρασία αυξάνεται συνεχώς έως ότου όλα τα τεμάχια δοκιμής αποτύχουν σε ένα ορισμένο επίπεδο θερμοκρασίας (t +1, εγώ μεγαλύτερη ή ίση με 1). Στη συνέχεια, η θερμοκρασία μειώνεται στο προηγούμενο επίπεδο (TI). Εάν όλα τα κομμάτια δοκιμής μπορούν να λειτουργούν κανονικά σε επίπεδο TI, το TI +1 καθορίζεται ως θερμοκρασία του ορίου εργασίας. Αφού καθορίσετε το όριο εργασίας, συνεχίστε τη δοκιμή για να εξερευνήσετε το όριο ζημιών. Η μέθοδος είναι η διεξαγωγή λεπτομερέστερων δοκιμών στην περιοχή θερμοκρασίας κοντά στο όριο εργασίας. Για παράδειγμα, εάν το κομμάτι δοκιμής δεν μπορεί να επαναλάβει την κανονική λειτουργία μετά από να παραμείνει σε θερμοκρασία TJ για 30 λεπτά, τότε το TJ μπορεί να αναγνωριστεί ως θερμοκρασία ορίου ζημιών. Εάν το κομμάτι δοκιμής μπορεί να επαναλάβει την κανονική λειτουργία, συνεχίστε να αυξήστε τη δοκιμή θερμοκρασίας μέχρι να επιτευχθεί το μέγιστο όριο θερμοκρασίας του εξοπλισμού δοκιμής.
Αυτή η μέθοδος μπορεί να καθορίσει με ακρίβεια το όριο εργασίας και το όριο ζημιών των έξυπνων μετρητών, παρέχοντας βασικά δεδομένα για την αξιολόγηση της αξιοπιστίας υψηλής θερμοκρασίας τους.
2.2.2 Στοιχεία δοκιμής
Με βάση το όργανο δοκιμής και την χωρητικότητα του θαλάμου δοκιμής, 16 μονοφασικά έξυπνα μετρητές επιλέχθηκαν ως δείγματα για δοκιμές. Αυτό το RET περιλαμβάνει τρία βήματα: Πρώτον, διεξάγεται μια συνολική δοκιμή αξιολόγησης απόδοσης πριν από την RET για να διασφαλιστεί ότι όλα τα τεμάχια δοκιμών είναι κατάλληλα. Δεύτερον, τα online στοιχεία παρακολούθησης που χρησιμοποιούνται κατά τη διάρκεια της RET χρησιμοποιούνται για να διερευνήσουν τις μεταβαλλόμενες τάσεις των αδύναμων δεσμών των μονοφασικών έξυπνων μετρητών. Τέλος, μετά την RET, διεξάγεται μια ολοκληρωμένη δοκιμή αξιολόγησης απόδοσης σε θερμοκρασία δωματίου και τα δεδομένα δοκιμών καταγράφονται σε πραγματικό χρόνο. Τα στοιχεία δοκιμής κάθε βήματος εμφανίζονται στο σχήμα 4.
3. Ανάλυση αποτελεσμάτων δοκιμών
Εικόνα 5. Στατιστικά στοιχεία σφάλματος μέτρησης σε διαφορετικά στάδια θερμοκρασίας
| Θερμοκρασία (βαθμός) | Εύρος σφάλματος (%) | Μέσο σφάλμα (%) | Οθόνη LCD | 485 επικοινωνία | Συνολική κατάσταση |
| 23 | 0.00~0.15 | 0.04 | ⭕ | ⭕ | ⭕ |
| 70 | 0.30~0.70 | 0.45 | ⭕ | ⭕ | ⭕ |
| 75 | 0.30~0.80 | 0.60 | ⭕ | ⭕ | ⭕ |
| 80 | 0.40~1.00 | 0.70 | ⭕ | ⭕ | ⭕ |
| 85 | 0.50~1.05 | 0.70 | ⭕ | △ | △ |
| 90 | 0.55~1.10 | 0.75 | △ | △ | ▲ |
| 95 | 0.60~1.15 | 0.80 | ■ | △ | ■ |
| 100 | 0.65~1.20 | 0.85 | ● | △ | ■ |
| 110 | 0.70~1.25 | 0.90 | ● | ■ | ■ |
| 120 | \ | \ | ● | ● | ● |
| 130 | \ | \ | ● | ● | ● |
| 150 | \ | \ | ● | ● | ● |
| Σημείωση: ⭕normal · △ Μικρό αντίκτυπο · σημαντική επίδραση · σοβαρή επίδραση, ● Πλήρης αποτυχία | |||||
Πίνακας 2 Σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας RET και της απόδοσης του μετρητή
(1) Αλλαγή σφάλματος μέτρησης: 23 βαθμοί: 0.
(2) Απόδοση οθόνης LCD: 90 βαθμοί: ελαφρώς μειωμένη, 95 βαθμοί: Οι χαρακτήρες δεν μπορούν να εμφανιστούν, 100 βαθμοί: μαύρη οθόνη.
(3) 485 Επικοινωνία: 85 βαθμός: Πρώτη αποτυχία, 110 βαθμοί: Οι περισσότερες αποτυχίες, 120 βαθμοί: Πλήρης αποτυχία.
(4) Κρίσιμα σημεία θερμοκρασίας: 95 βαθμοί: Θερμοκρασία ορίου λειτουργίας (αστοχία μεγάλης κλίμακας LCD), 120 βαθμοί: Περιεκτική λειτουργική θερμοκρασία αποτυχίας, 150 βαθμοί: Εκτιμώμενη θερμοκρασία ορίου ζημιών.
(5) Διαδικασία αποτυχίας: 70 βαθμοί ~ 85 βαθμοί: Τα μεμονωμένα δείγματα άρχισαν να αποτυγχάνουν, 95 βαθμοί: ο αριθμός των αποτυχιών αυξήθηκε σημαντικά, 120 βαθμοί: Όλα τα δείγματα απέτυχαν πλήρως.
(6) Δυνατότητα ανάκτησης: Όταν η θερμοκρασία πέσει σε 90 μοίρες, οι περισσότερες λειτουργίες αποκαθίστανται. Όταν η θερμοκρασία πέσει σε θερμοκρασία δωματίου, τα περισσότερα δείγματα επιστρέφουν στο φυσιολογικό.
Σύμφωνα με τη θεωρία αξιοπιστίας του συστήματος, ο μονοφασικός έξυπνος μετρητής μπορεί να θεωρηθεί ως σύστημα σειράς που αποτελείται από πολλαπλές μονάδες μονάδας. Οποιαδήποτε αποτυχία μονάδας μπορεί να προκαλέσει την αποτυχία ολόκληρου του συστήματος. Με βάση το φαινόμενο "μπανιέρα", η μονάδα που αποτυγχάνει πρώτα κατά τη διάρκεια της δοκιμής βελτίωσης της αξιοπιστίας (RET) είναι το πιο αδύναμο μέρος του συστήματος. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι η μονάδα οθόνης LCD είναι το συστατικό που είναι πιο ευαίσθητο στη θερμοκρασία στον έξυπνο μετρητή μιας φάσης.
Με βάση το φαινόμενο που η οθόνη LCD υγρού κρυστάλλου εξαφανίζεται σε 95 μοίρες και όλοι οι δοκιμασμένοι μετρητές μπορούν να αναγνωριστούν ως αποτυχημένοι σε αυτή τη θερμοκρασία, μπορούμε να εκτιμήσουμε 95 βαθμούς ως όριο θερμοκρασίας λειτουργίας του μονοφασικού έξυπνου μετρητή. Αν και η λειτουργία παρακολούθησης στο διαδίκτυο αποτυγχάνει πλήρως στους 120C, τα περισσότερα από τα τεμάχια δοκιμών έχουν ανακάμψει όταν η θερμοκρασία πέσει σε 90 μοίρες. Αυτό το RET τερματίστηκε σε 150 μοίρες (το ανώτατο όριο του θαλάμου εναλλασσόμενου υγρού θερμοκρασίας υψηλής και χαμηλής θερμοκρασίας). Μετά την πτώση σε θερμοκρασία δωματίου, οι περισσότεροι από τους μετρητές πέρασαν την ολοκληρωμένη δοκιμή απόδοσης και επανέλαβαν την κανονική λειτουργία. Μπορεί να συναχθεί ότι η θερμοκρασία ορίου ζημιών του έξυπνου μετρητή πρέπει να είναι υψηλότερη από 150 βαθμοί.
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το όριο εργασίας του δείγματος δοκιμής είναι 25k υψηλότερο από το όριο σχεδιασμού και υπάρχει μεγάλο περιθώριο μεταξύ του ορίου ζημιών και του ορίου εργασίας. Αυτό δείχνει ότι ο μονοφασικός έξυπνος μετρητής που χρησιμοποιείται σε αυτό το RET έχει υψηλή αξιοπιστία και μπορεί να διατηρήσει σταθερή λειτουργία σε σκληρά περιβάλλοντα.
4 Συμπέρασμα
Με βάση την αρχή RET και τα χαρακτηριστικά των μονοφασικών έξυπνων μετρητών, σχεδιάστηκε και διεξήχθη μια δοκιμή βελτίωσης της αξιοπιστίας υψηλής θερμοκρασίας. Η δοκιμή επαλήθευσε τα αποτελέσματα της ανάλυσης ιστορικών δεδομένων και της FMEA και πίστευε ότι οι αδύναμοι δεσμοί του μετρητή ήταν η μονάδα μέτρησης, η μονάδα οθόνης LCD και η μονάδα επικοινωνίας 485, μεταξύ των οποίων η οθόνη LCD ήταν η πιο αδύναμη. Ο τρόπος αποτυχίας κάτω από την υψηλή θερμοκρασία μετρήθηκε σφάλμα από την ανοχή, την αποτυχία εμφάνισης LCD και την αποτυχία επικοινωνίας 485. Το όριο εργασίας υψηλής θερμοκρασίας προσδιορίστηκε ως 95 βαθμούς και το όριο ζημιών ήταν υψηλότερο από 150 μοίρες. Η επιτυχής εφαρμογή αυτού του RET όχι μόνο επαλήθευσε τη σκοπιμότητα του σχεδίου δοκιμής, αλλά παρείχε επίσης τη βάση για την επιλογή παραμέτρων και τον προσδιορισμό του εύρους ασφαλείας της επακόλουθης επιταχυνόμενης δοκιμής ζωής. Ταυτόχρονα, έθεσε τα θεμέλια για περαιτέρω έρευνα σχετικά με τις δοκιμές βελτίωσης της αξιοπιστίας των έξυπνων μετρητών