一、创新成果概述

本成果以电能计量设备全过程中关键点的质量技术提升为目标，从元器件设计选型、检测方法、监测技术、质量评价等过程入手，建立覆盖电能计量设备全过程、循环动态优化的质量评价体系，重点突破以下几方面的难题：

1）电能计量设备元器件你设计缺陷识别率低、故障不可复现率高的难题。

2）电能计量设备产业链质量数据脱节，标准体系不完善，单一静态质量评价方法不准确。

3）缺乏基于元器件的检测评价技术和自动化检测实验室。

4）缺乏基于元器件的涵盖元器件设计、检测、筛选、比对和运行全过程的质量综合评价体系。

二、主要做法

深入研究电能计量设备元器件的技术要求、检测方法和质量评定程序，分析了电能计量设备的环境适应性对元器件的要求。

1）全向量分析影响电能计量设备的温度、湿度、盐雾、电磁、机械、辐照、微环境等各种应力载荷类型，揭示了电能计量设备关键元器件失效模式、失效机理与敏感应力的内在联系，在国内首次向电能计量设备设计了32 类元器件级FMEA（Failure Mode and Effects Analysis）分析列表和FTA（Fault Tree Analysis）故障树；建立了支撑可靠性设计的关键元器件选用数据库和失效预防信息系统，实现元器件的优选、快速有效测评，牵引高性能载波通信集成电路、微处理器等元器件国产化研制生产和工程应用，实现元器件国产化品种规格全覆盖，国产化率超85%；通过系统化、规模化搜集元器件外场故障数据，与可靠性仿真相结合对元器件失效率进行修正，提出了基于元器件敏感应力修正的可靠性预计模型，解决了多应力条件下电能计量设备可靠性预计准确性的难题；开展基于失效物理的高密度组装多物理场耦合协同量化设计与可靠性虚拟分析技术研究，搭建高风险点的对策设计、外场故障的反馈型设计、模块化的可靠性设计、整机的齐寿命量化设计等四个层级的全向量可靠性定量设计和故障控制设计的共性技术平台，改善了设计缺陷识别率低、故障不可复现率高的难题。

2）提出了采样电阻宽量程开尔文四线阻值检测技术，消除了引线及环境因素对测试结果的干扰；提出了光电转换器的光谱匹配退化监测方法，研制了非侵入式光电耦合器退化监测装置。通过施加电流脉冲信号，对光电耦合器的响应的信号进行处理，获取其方波脉冲个数，从方波脉冲个数的变化确定光电耦合器电流传输比CTR的变化，实现对光电耦合器退化情况的实时监测和跟踪，有效掌握光电耦合器的健康状况。提出了阻抗自动匹配的电流互感器测试技术，提出了动态链接库规范化的黑盒检测技术，提出了阻容元件等自动化检测技术，建立了电力行业首个具有CNAS/CMA资质的计量设备元器件性能评价实验室，研制电阻、电容、半导体器件、集成电路、电池和液晶显示器6类自动化检测设备，排除人为因素对检测结果的干扰，保证测试精度的同时检测效率提升80%。

3）提出改进型的Robert边缘检测图像识别方法，电能表边缘识别速度提升0.2s，研制了基于图像识别算法的元器件比对仪，通过提取电能计量设备元器件特征，自动识别、保存电能表内置元器件型号、体积和尺寸等信息，与全性能试验后留样电能表元器件名称、型号、位置等特征值进行电能表元器件案比对，元器件比对时间节约90%，比对正确率提升至97%，加强了电能表的质量管控，保证了供货计量设备的质量一致性。

4）制定了17类关键元器件的质量评定程序、技术要求、试验方法和检验规则，统一规范了元器件共195种验收检验方法，实现元器件设计、生产、选型、检验验收和包装运输等各环节的标准化。提出了包含元器件全性能检测、元器件备案、元器件比对、元器件抽样检测和不合格整改反馈的5个环节的全过程动态闭环管理方案，并将检测结果纳入检测结果纳入供应商评价体系，并反馈给厂商整改。完成一套元器件管理平台，实现了包括元器件统计分析、性能参数规范化管理（封装尺寸、产品手册、检测信息、可靠性信息、使用信息）、元器件试验检测模块、元器件等级划分和相关字典维护等功能，形成了基于元器件的电能计量设备质量评价体系，电能计量设备年故障率降低至0.15%。

三、主要创新点

1）提出了基于元器件敏感应力修正的可靠性预计模型，设计了面向电能计量设备的32类元器件级FMEA分析列表和FTA故障树数据库，建立了多层级全向量的可靠性定量设计和故障控制设计共性技术平台，改善了设计缺陷识别率低、故障不可复现率高的难题。

2）提出了采样电阻宽量程开尔文四线阻值检测技术，消除了引线及环境因素对测试结果的干扰。提出了基于方波脉冲序列的开关电源光电耦合器性能退化监测技术，研制针床式元器件的自动化检测设备，检测效率提升80%，建立了电力行业首个具有CNAS/CMA资质的计量设备元器件性能评价实验室。

3）提出了基于元器件型号识别、工艺监测、安装位置判定的Robert边缘检测图像识别方法，比对正确率达到97%，抽检元器件合格率从79.4%提升至89.2%，电能计量设备年故障率降低至0.15%。

4）提出了包含元器件全性能检测、元器件备案、元器件比对的、元器件抽样检测和不合格整改反馈5个环节的全过程动态闭环管理方案，建立了计量设备用用元器件标准体系架构和元器件质量管理平台，形成了基于元器件的电能计量设备质量管理体系，电能计量设备年故障率降低至0.15%，填补了国内外该领域空白。

四、应用成效

依托研究成果申请国际专利2项，授权国家发明专利4项，授权实用新型专利8项，主编电力行业标准2项和国网公司企业标准16项，获得软件著作权4项，出版专著1部。部。中国仪器仪表学会主持的鉴定认为：研究成果有效提高了电能计量设备的产品质量，显著推动了电能计量设备产业升级，产生了良好的经济、社会效益，应用前景广泛，总体达到国际领先水平。

本项目研究成果技术领先，技术评价体系完善，具有较强的竞争力。项目自2013年起在黑龙江、福建等27个省公司应用，并推广至100余家电能计量设备制造企业，整机产品质量普遍提升。同时推广170余家元器件生产企业，元器件质量大幅提升，全面提升了计量终端质量检测与管控技术水平。

五、可推广性

本项目实施以来为电能表设计、元器件选型、可靠性评价提供了标准依据。通过元器件质量监督，追踪15类元器件的批次质量问题，帮助生产企业及时替换元器件，有效防范了绝大部分的电能表元器件质量问题，本项目研究成果技术领先，技术评价体系完善，具有较强的竞争力。项目自2011年起在黑龙江、福建等27个省公司应用，并推广至许继集团等100余家电能计量设备制造企业，整机产品质量普遍提升。同时推广至北京南都昊诚电源设备有限责任公司等170余家元器件生产企业，元器件质量大幅提升。

本成果还将在国内外水、气、热、交通等工业仪器仪表领域应用，前景广阔。(供稿单位：中国电力科学研究院有限公司)