提高配电终端可靠性的技术研究与探讨(威胜电气).ppt

提高配电终端可靠性的技术研究与探讨 宣讲人：宣讲人：阳武阳武 威胜电气有限公司 2014年8月 内容内容 1. 威胜集团简介 2. 配电终端可靠性概述 3. 配电终端可靠性的提升与技术改进 4. 应用案例与总结 2000年，威胜集团成立 2005年，威胜集团在香港主板成功上市 2006年，通过ISO14001 环境管理体系认证 自上市以来，实现了业务持续较快的增长 2013年，实现销售收入近25亿元，综合上缴税金2.9亿元 目前集团员工共约3800余人，连续10年纳税过亿元 3 集团简介集团简介主要历程主要历程 2013年11月4日，习近平总书 记考察威胜集团，并鼓励企业 继续加强研发创新 2009年10月16日，全 国人大常委会委员 长、时任国务院副总 理张德江视察威胜科 技园 2009年6月13日，时 任国务院总理温家宝 视察威胜科技园 2009年7月9日，时任 全国政协主席贾庆林 视察威胜科技园 集团简介集团简介领导关怀领导关怀 4 5 威胜产业集群威胜产业集群 6 持续创新持续创新系统的技术创新机制系统的技术创新机制 研发技术人员600人，硕士及以上人员210 人，博士10人，有12名国家和行业标准化 委员，并有2名院士担任集团研发顾问 每年将营业收入的7%以上投入到研发和技 术创新领域 与清华大学、华中科技大学、国防科技大 学、浙江大学、中南大学、湖南大学等多 家高校广泛开展“产、学、研”合作 拥有国家级企业技术中心、智能化综合能 效管理技术国家地方联合工程研究中心、 湖南省电测仪表工程技术研究中心、院士 专家工作站、博士后科研工作站 截至2014年3月，威胜集团拥有495项有效 专利，其中发明专利25项、实用新型339 项、外观设计127项，拥有307项软件著作 权，获得1项国家级科技进步二等奖，省、 市级科技奖多项 研发大楼，总面积8000平米 电气性能实验室 通信实验室 系统及终端通信研发中心 2名院士担任研发顾问 电能计量研发中心 内容内容 1. 威胜集团简介 2. 配电终端可靠性概述与模型 3. 配电终端可靠性的提升与技术改进 4. 应用案例与总结 配电终端是配电自动化的基石配电终端是配电自动化的基石 l配网自动化是电力系统安 全、可靠运行的关键； l配电终 端是自动化系统的关 键设备 ； l工作在雷击、静电、高温、 高湿环境，可靠性不高的终端 容易拒动、误动 ，严重影响配 网自动化系统的正常运行，威 胁着整个电网的安全。 配电终端可靠性水平不高配电终端可靠性水平不高 u 近年配电自动化试点和应用过程中体现出了基础技术方面的技术进步，同时 也出现了不少问题，行业专家多次提到配电终端水平参差不齐，运行可靠性 低的问题。 u 下表是配电终端国网专项检测统计表，参与检测的配电终端约有250台，全 部符合要求的有8台，不合格项目主要分布在电气性能、高低温、电源、冲 击耐压、防抖、浪涌等实验。配电终端可靠性有待进一步提高。 新版DL/T 721-2013在性能与可靠性方面进行了较大 调整： 新版行业标准增加可靠性要求新版行业标准增加可靠性要求 后备电源 增加了超级电容的描述，后备电源为超级电容时，应保持停 电后能分合闸三次，维持终端及通信模块至少运行15分钟 终端结构 进一步明确和提高了防护等级要求，安装在户外的装置防护 等级由IP54提高到IP55 蓄电池储存 在干燥、通风、阴凉的环境条件下停放或储存，严禁受 潮、雨淋；长期储存时，应每36个月充电一次。 热拔插功能 终端应采用模块化、可扩展、低功耗的产品，具有高可靠 性和适应性，应支持热插拔功能。 研究产品可靠性最基本的指标是失效率 ，它表示系统已经无故障的工作 到时间t后，在单位时间t内失效的概率。 失效率曲线（浴盘曲线）：产品的失效率随工作时间的变化具有不同的特点。 多数设备及器件失效率曲线形同浴盘的剖面,它明显地分为三段： 失效率曲线 可靠性的浴盘曲线可靠性的浴盘曲线 第 一阶段是早期失效期；表明器件在 开始使用时，失效率很高。 第二阶段是偶然失效期，这一阶段 的特点是失效率较低，近似看作常数 ，产品可靠性指标就是这个时期。 第三阶段，耗损失效期，该阶段的 失效率随时间的延长而急速增加,主 要原因是器件的损失己非常的严重 ，可适当的维修或直接更换了。 根据美国军用标准电子设备可靠性预计手册MIL-HDBK-217E来计算 装置中元器件和各硬件模块的失效率。根据该模型，电子器件的失效率和模 块的失效率可表示为： 式中: 为器件质量系数； 为应用环境系数； 为电路复杂系数； 为器件成熟系数； 为温度加速系数； N 为模 块M中的器件数； 为电压应用力减额系数； 为封装复 杂系数； 可靠性的预计方法可靠性的预计方法 描述产品可靠性另外一个重要指标是MTBF，即平均无故障工作时 间，指相邻两次故 障之间的平均工作时间： 配电自动化终端功能模块结构图 配电终端可靠性的预计方法配电终端可靠性的预计方法 常见配电终端由7个功能模块组 成，是串联系统，终端总失效率是各模 块失效率之和： Z =PSU +AI +DI +DO+BU+CPU+CU N个系统并联工作时， 总失效率之 和为： 以某配电终端为例进行可靠性评估，根据经验，如下系数变化较小 ： 应用环境系数 =2.5； 器件质量系数 =1； 器件成熟系数 =1； 根据MIL-HDBK-217E模型可得各硬件模块失效率如下表所示。表1，电源模块失效率计算 模块IC数量C1 T V C2×106/h-1 PSULM28471.00 0.040 5.40 2.00 0.050 0.56 MC78L051.00 0.020 6.10 2.00 0.007 0.26 SS1104.00 0.005 1.00 2.00 0.003 0.07 3300uf5.00 0.007 2.10 1.80 0.007 0.22 0.1uF56.00 0.005 0.10 1.00 0.002 0.31 100021.00 0.005 0.10 1.00 0.002 0.12 其它 0.60 PSU 2.13 配电终端可靠性的预计案例配电终端可靠性的预计案例 模块106/h-1 电源模块失效率2.13 采样模块失效率1.98 开入模块失效率1.56 开出模块失效率1.66 背板模块失效率2.25 主控模块失效率2.63 通信模块失效率1.03 终端总的失效率13.24 配电终端可靠性的预计小结配电终端可靠性的预计小结 通过 对各模块失效率分析，该终 端总失效率为13.24106/h-1，MTBF为 75528小时，两台级联时总 失效率为 19.86， MTBF为50352小时。 影响可靠性的因素主要分布在模块 数量、封装复杂系数、电压应 力影响 系数，电路复杂系数等方面。配电终 端可靠性的提升，也应重点从这几方 面改进。 内容内容 1. 威胜集团简介 2. 配电终端可靠性概述与模型 3. 配电终端可靠性的提升与技术改进 4. 应用案例与总结 通过对上述配电终端可靠性分 析，可从模块数量、封装复杂系数、电压 应力影响系数，电路复杂系数等方面进行 优化，优化方案如下： 1，一体化测控模块方案； 2，一体化通讯模块设计； 3，热插拔控制优化 4，生产制造工艺的优化； 配电终端可靠性的优化方案配电终端可靠性的优化方案 快速自愈快速自愈测控一体化测控一体化 电 源 板 备 用 板 备 用 板 遥 信 板 遥 信 板 遥 控 板 遥 控 板 遥 测 板 遥 测 板 C P U AD 板 遥测 遥信 遥控 板 电 源 板 遥测 遥信 遥控 板 主 控 板 1，测控模块以专用DSP为测控管理核心，可接入4个回路的三遥信息； 2，测控模块通过RS485、CAN总线与主控进行信息交互，互为备用，总线接口简 单可靠； 3，发明专利，用于配电自动化终端的测控系统及其测控模组，申请号： 201410049330.X；实用新型专利：用于用于配电自动化终端的测控模块及其测控 模组，专利号： 201420064151.9 微功率无线维护模块 支持免开箱、免爬杆定值修 改、参数配置 集成EPON等通信 模块于DTU插板内 部 标准的SC光纤接口， 易于安装、调试 减少通信单元的接线 ，提高可靠性 一体化通信模块与热插拔设计一体化通信模块与热插拔设计 背板采用RS485、CAN总 线，简单可靠； 电源延时上电与通信总 线热插拔设计，提高产 品可扩展性与易维护性 ； 罩式馈线终端罩式馈线终端FTUFTU的通信集成的通信集成 特点：高集成 解决方案：通信模块内置在罩体内部。 好处：取消通信连接电缆，可靠性更高。 威胜配电终端功能模块结构图 威胜配电终端仅有4个功能模块： ， PSU，电源模块，包括后备 电源，影响整机正常工作； ， CK ，测控一体模块：包含遥 信开入、遥控开出、模拟量输入 ，集成度高，可靠性高。 ，BU，背板总线：背板采用两 条串行总线，互为备用，热插拔 及总线匹配较易实现，可提高产 品可靠性。 ，CPU，主控模块：主板采用 邮票孔工艺，并在板上集成通讯 模块。 威胜配电终端模块结构威胜配电终端模块结构 复杂的主板连接方式 测控一体化模块DSP 主板邮票孔SMT贴片 复杂主控单元电路由连接器方式改为邮票孔SMT贴片方式 故障指示器无线主板 邮票孔SMT贴片 可靠的邮票孔连接方式可靠的邮票孔连接方式 潮湿环境易腐蚀 全自动三防处理，耐恶劣环境 全自动三防处理，提升产品抗腐蚀能力 三防处理三防处理 贴片缺陷引发质量问题 贴片缺陷自动检测 无尘及防静电车间降低电过应力 和静电放电导致的影响 贴片自动检测与无尘及防静电车间贴片自动检测与无尘及防静电车间 综合检测： 模拟量采样精度 SOE分辩率 遥控可靠性 通信接口 保护功能 绝缘性能 规约及用户定义功能 断路器模拟 配电终端自动化配电终端自动化综合检测台体综合检测台体 26 故障指示器自动化综合检测台体故障指示器自动化综合检测台体 针对故障指示器的自动化综合检测，投入生产制造，产能可倍增，质量更易于管控。 高效率：一次检120160只 高精度：1%，满足各省要求 全方案：支持有源、无源法等 各种故障检测判据 额定最大功率15kVA 输入电压220/380V 输入频率50Hz 输出电压0.5 10kV 可调 输出电流0 1000A 可调 输出频率50 Hz（3、5、7次谐波可调） 线径尺寸10 40 mm2 基本电气参数 综合检测： 功能检测和性能检测 故障指示器和通信终端检测 电流和电压同步检测 检测算法自定义 试验试验 波形可 编辑编辑 故障指示器自动化综合检测台体故障指示器自动化综合检测台体 故障指示器自动化综合检测台体故障指示器自动化综合检测台体 某电科院原检测设备 功能有限 效率低下 采用综合检测台体，16小时完成8个厂家共计20套设备（ 120台终端+480台指示器）的检测。 威胜配电终端可靠性提升措施威胜配电终端可靠性提升措施 优化项目 常规方案威胜方案优化效果 硬件结构 遥信开入、遥控开 出、模块采样采用独 立模块 遥信、遥控、遥测 一体模块 集成度高，电路复 杂系数低 通讯结构 通讯模块外置通讯模块可集成到 主控板 集成度高，电路复 杂系数低 背板连接 并行总线连接 RS485及CAN串行总 线连接 总线接口简单，热 插拔可靠性高 主板连接 端子排连接半邮票孔连接， SMT贴片 连接方式可靠性高 防潮处理 一般不做三防处理全自动三防处理防潮、防腐蚀 贴片质量 贴片一般采用目检全自动检测提高焊接质量 整机检测 人工检测全自动闭环检测台提高产品出厂合格 率 根据威胜配电终端可靠性提措施进行评估，威胜配电终端由4个功能模块 组成，终端总失效率是各模块失效率之和： Z =PSU +CK +BU+CPU 模块PSUCK CPU BU Z ×106/h-12.133.422.590.6710.52 项目8回路（4U机箱）16回路（4U机箱） 常规威胜常规威胜 Z(106/h-1)13.2410.5219.8613.94 MTBF(h)75528950575035271746 备注一台一台设备，配 置两个测控板 两台级联一台设备，配置 四个测控板 通过对各模块失效率分析： 1，威胜配电终端按八回路配置时，配置两个测控模块，总失效率为10.52106/h-1， MTBF为95057小时。 2，十六回路配置时，需四个测控模块，总失效率为13.94106/h-1，MTBF为71746小 时。 威胜配电终端可靠性提升小结威胜配电终端可靠性提升小结 内容内容 1. 威胜集团简介 2. 配电终端可靠性概述与模型 3. 配电终端可靠性的提升与技术改进 4. 应用案例与总结 配网自动化总体要求与解决思路配网自动化总体要求与解决思路 市区 B类供电 市区中心 A+、A类供电 郊区、县城 C类供电 农村 D、E类供电 故障定位： 配变监测与故障定位系统 指示器 +配变监测终端 就地保护与故障隔离： 配网监测与故障隔离系统 用户分界开关控制器 配网监控与快速自愈： 配网监测与快速自愈系统 配电三遥终端（FTU、DTU） 配电终端产品树配电终端产品树 配电产品配电产品应用案例应用案例 分布14个国内省份，已实施47个项目，设备累计2万余台。也正在走出国门 总结 l因地制宜、实用化的配电自动化方案将是发展趋势； l 配电终端设备的可靠性尤为重要； l 配电自动化方案需兼顾经济性； l 威胜在研发、服务各方面愿与您一起探讨。