随着智能电网的快速发展，融合先进传感器的测量技术、通信技术、信息技术和控制技术的现代化电网初步形成，作为智能电网中的核心部分，AMI 高级量测体系在其中发挥着重要的作用。电能计量装置是高级量测体系的重要组成部分，包括智能电表与智能计量终端等。各电网公司经过多年的规划与建设，已基本建成覆盖关口、专变、公变及居民用户的网、省、地三级计量自动化系统，其中既包括了各类计量自动化终端的大范围应用，同时智能电表的全面建设与应用也达到了较大的规模。

海量设备的投入运行对电能计量装置的质量提出了更加严酷的要求，即使是微小的故障和质量问题都将产生难以估量的影响。据统计，新装电能表第一年运行的平均故障率就达到900ppm，部分省市甚至高达6000ppm。居高不下的故障率水平不仅增加了电网的运行维护成本，造成电力资源浪费和经济损失，也对电力网的安全运行和用户安全用电造成一定的风险。

电能计量设备的主要组成部分包括CPU主板、电源模块、计量模块、通信模块和显示单元等。微处理器是电能计量设备工作的核心，微处理器的失效将直接导致整个电能计量设备的失效，因此，对电能计量设备中的微处理器开展可靠性的相关研究十分重要。

可靠性的研究包括了可靠性预计、可靠性试验和可靠性管理等方面，其中，可靠性预计可以提供被研究系统相关的可靠性参数，是可靠性评估的重要方法之一，也是人们在可靠性研究中的重点。

传统的可靠性预计方法借助相关的标准或手册展开，如美军标MIL-HDBK-338《电子设备可靠性设计手册》、国军标GJB 813《电子设备可靠性预计》与GJB/z 299C《电子设备可靠性预计手册》等，这种方法基于大量现场数据和试验结果，结合数理统计的思想，给出特定应力条件下的失效等，考虑到不同应力条件下失效率不同，引入如环境系数、质量系数等对基本失效率进行修正，由此预计设备或系统的可靠水平。这种方法由于数据来源于实际运行的结果，因此准确性较高，目前的一些可靠性预计平台中仍以传统可靠性预计方法为基础。

而对于新研发的产品，由于缺乏现场数据且通过试验获得结果需要大量的时间与资金投入，且现场数据与实验结果远远跟不上产品更新换代的速度，加之传统可靠性预计方法认为器件在使用器内满足常失效率模型（即满足指数分布），并不适用于后来的如集成电路等产品，因此传统的可靠性预计方法在现阶段也受到了一定的限制，在1996年美国陆军明文规定停止使用MIL-HDBK-217手册进行可靠性预计。在此基础上，一种基于失效物理的可靠性分析方法被提出，这种方法从微观层面深入掌握和研究产品或器件发生失效的物理化学过程，找出主要失效原因与失效机理，以寿命应力模型为基础，完成对新产品的可靠性预计工作。基于失效物理的方法所采用的预计模型来自相关公开的文献，因此可以确定预计模型的假设条件、结果局限性、置信水平等，考虑了元器件寿命期间内的环境条件和器件自身的材料结构特点，是未来进行产品可靠性评估的重要手段之一。

失效机理是指引起电子元器件的物理或化学变化等实质原因，通常是指在某些应力条件下，由于设计或制造工艺形成的潜在缺陷发生的失效及其机理。失效机理通过研究元器件的失效模式，从原子、分子的角度来探求元器件的失效，并建立描述这些失效机理的物理模型，在筛选、寿命试验、评价、生产过程控制等元器件的形成过程中促进设备可靠性的提升。在过去的几十年里，研究者们在失效物理领域已取得了可观的进步，对电子元器件失效的机理及相应模型的研究也更加深入。建立失效物理模型且获取某一失效机理与寿命特征之间的关系，对于提升产品的质量具有重要意义。

相对于依赖试验数据与统计学方法对微处理器进行可靠性评估，从失效物理角度获得的可靠性评估结果更能了解到其失效的微观层面原因、掌握导致失效的因素，对提高产品的可靠性有极大的指导意义。但目前从原子、分子角度探求元器件的失效机理，从失效物理的角度通过失效物理模型对失效分布进行预计的研究极少。因此，本毕业设计的目的包括两个方面：首先，从微观角度出发理解电能计量设备微处理器失效的深层原因，结合失效物理的知识，找出电能计量设备中微处理器的失效机理与寿命应力模型，不再停留在理论分析与宏观的失效模式层面；其次，借助合适的仿真平台完成其寿命仿真并分析其寿命分布类型，给出一种基于失效物理的可靠性仿真方法。本课题的意义在于：从失效物理角度为电能计量设备关键元器件的可靠性评估提供新的思路；给出一种可以拓展到对其他元器件进行可靠性评估的仿真方法；由获得的仿真结果入手展开分析，为可靠性试验中采用威布尔分布的数据处理方法提供更科学的依据。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本内容

研究的内容分为电能计量设备概念及研究现状、失效物理相关概念、可靠性仿真平台与方法、微处理器失效机理和微处理器寿命仿真五个方面。