Wie man die Zuverlässigkeit von Stromzählersystemen verbessert

Mit der rasanten Entwicklung der Elektronikindustrie werden verschiedene Instrumente und Messgeräte in der industriellen Steuerung und in allen Bereichen des sozialen Lebens weit verbreitet eingesetzt. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Instrumenten, und Stromzähler sind da keine Ausnahme. Die Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Stromzählern sind in den technischen Standards für intelligente Zähler festgelegt.

Diese Standards legen fest, dass die durchschnittliche Nutzungsdauer von Stromzählern mindestens zehn Jahre betragen muss, wodurch die Zuverlässigkeitsauslegung während des Entwicklungsprozesses besonders wichtig wird. Die Wahrscheinlichkeit, die erforderlichen Funktionen unter bestimmten Bedingungen und innerhalb einer bestimmten Zeit auszuführen, wird als mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) bezeichnet, auch bekannt als durchschnittliche Fehlzeit. MTBF ist ein gängiges Maß zur Messung der Zuverlässigkeit. Das Ziel der Zuverlässigkeitsauslegung für Stromzähler besteht darin, die MTBF des Produkts zu erhöhen und einen normalen Betrieb sicherzustellen.

1. Hardware-Zuverlässigkeitsauslegung

Störsignalunterdrückungsauslegung für die Stromversorgung von Stromzählern

Laut ingenieurtechnischer Datenanalyse dringt 70 % der Störungen im System über die Stromversorgung ein. Daher ist die Verbesserung der Qualität der Stromversorgung von großer Bedeutung für den zuverlässigen Betrieb des gesamten Systems. Da die Systemstromversorgung in der Regel aus dem Netzstrom abgeleitet wird, konzentriert sich die störfestige Auslegung der Stromversorgung hauptsächlich auf die Filterung am Eingang und die Unterdrückung von transitorischen Störungen.

2. Erdungsauslegung für Stromzähler

Die Auslegung des Erdungssystems beeinflusst direkt die störfesteigende Kapazität des gesamten Produkts. Eine gute Auslegung kann externe Umweltstörungen blockieren und interne gekoppelte Rauschsignale effektiv unterdrücken. Die Berücksichtigung der folgenden beiden Aspekte kann die Systemzuverlässigkeit verbessern:

Digitale Erde und Analogerde Wegen der scharfen Kanten digitaler Signale zeigen die Ströme in digitalen Schaltkreisen gepulste Veränderungen. Daher sollten analoge und digitale Erden in Stromzählersystemen getrennt ausgelegt und nur an einem einzigen Punkt verbunden sein. Analog- und digitale Schaltkreise auf der Leiterplatte sollten mit ihren jeweiligen "Erden" verbunden sein. Dies verhindert effektiv, dass das gepulste Erdströme des digitalen Schaltkreises über den gemeinsamen Erdwiderstand in den analogen Schaltkreis gekoppelt werden und transitorische Störungen bilden. Bei der Existenz hochfrequenter starken Signale in dem System wird diese Störung noch signifikanter.

Einzelpunkt- und Mehrpunkt-Erdung In Niederfrequenzsystemen kombiniert die Erdung in der Regel parallele Einzelpunkterdung mit serieller Einzelpunkterdung, um die Leistung zu verbessern. Parallele Einzelpunkterdung bedeutet, dass mehrere Modulerdungen an einem Ort zusammengeführt werden, wobei das Erdpotential jedes Moduls mit seinem eigenen Strom und Widerstand zusammenhängt. Der Vorteil liegt in der Abwesenheit von Kopplungsstörungen durch den gemeinsamen Erdleitungs-Widerstand; der Nachteil ist der hohe Einsatz von Erdleitungen.

Serielle Einzelpunkterdung bedeutet, dass mehrere Module den gleichen Erdleitungsabschnitt teilen. Da der äquivalente Widerstand der Erdleitung Spannungsfälle erzeugt, haben die Verbindungspunkte verschiedener Module unterschiedliche Potentiale gegenüber der Erde. Stromänderungen in jedem Modul beeinflussen das Erdpotential, ändern die Schaltungsausgabe und verursachen Kopplungsstörungen durch den gemeinsamen Erdleitungs-Widerstand. Diese Methode zeichnet sich durch einfache Verkabelung aus. Mehrpunkterdung wird in Hochfrequenzsystemen häufig verwendet, bei der die Erdleitung jedes Moduls so nah wie möglich an eine Erd-Leitbahn angeschlossen wird. Die Vorteile sind kurze Erdleitungen, geringer Widerstand und die Beseitigung von Störgeräuschen, die durch den gemeinsamen Erdleitungs-Widerstand verursacht werden.

3. Isolierungsauslegung für Stromzähler

Ein Hauptziel der Isolierungsauslegung ist es, Rauschquellen von empfindlichen Schaltkreisen zu trennen. Das Merkmal der Isolierungsauslegung ist, dass der Stromzähler Signalübertragungen mit seiner Arbeitsumgebung ohne direkte elektrische Wechselwirkung aufrechterhält. Hauptsächliche Implementierungsarten umfassen Transformatorisolation, Optokopplerisolierung, Relaisisolierung, Isolationsverstärker und Layoutisolierung.

• Transformatorisolation Puls-Transformatorien, die wenige Wicklungen, kleine verteilte Kapazitäten (nur einige Picofarad) und Primär- und Sekundärwicklungen auf gegenüberliegenden Seiten des Kerns aufweisen, können als Isolationskomponenten für Puls-Signale dienen und die digitale Signalisolation erreichen.

• Optokopplerisolierung Durch Hinzufügen eines Optokopplers können Spikes und verschiedene Rauschstörungen unterdrückt werden. Die Verwendung von Optokopplern stellt sicher, dass es keine elektrische Wechselwirkung zwischen dem Host-Computersystem und dem Kommunikationsport des Stromzählers gibt, was die störfesteigende Leistung des Systems verbessert. Optokoppler können digitale Signale isolieren, aber nicht für analoge Signale geeignet. Gemeinsame Methoden zur Isolierung analoger Signale sind: A. Spannung-Frequenz-Umsetzung gefolgt von Optokopplerisolierung, was zu komplexen Schaltungen führt; B. Differenzverstärker, die eine niedrigere Isolationsspannung bieten; C. Isolationsverstärker, die gut performen, aber teuer sind.

• Relaisisolierung Da zwischen der Spule und den Kontakten eines Relais keine elektrische Verbindung besteht, kann die Spule Signale empfangen, während die Kontakte sie weiterleiten, was das Problem der Wechselwirkung zwischen starken und schwachen elektrischen Signalen löst und Störungsisolierung erreicht.

• Layoutisolierung Isolierung durch PCB-Layout, hauptsächlich durch Trennung von starken und schwachen elektrischen Schaltkreisen.

4. Druckkraftschaltungsplatine (PCB) störfesteigende Auslegung für Stromzähler

Die Druckkraftschaltungsplatine dient als Träger für Schaltungskomponenten und bietet elektrische Verbindungen zwischen ihnen. Die Qualität der PCB-Auslegung beeinflusst direkt die störfesteigende Kapazität des Systems. Allgemeine Prinzipien, die bei der PCB-Auslegung beachtet werden, umfassen:

• Kristallschwingungen sollten so nahe wie möglich an den Pins des zentralen Prozessors (CPU) platziert werden. Ihre Metallgehäuse sollten geerdet und gesichert werden, dann sollte die Taktfrequenzbereich mit einer Erdleitung isoliert werden - dies verhindert viele schwierige Probleme;

• Verwenden Sie Kristallschwingungen mit niedrigerer Frequenz für die CPU und halten Sie die digitalen Schaltkreise so langsam wie möglich, vorausgesetzt, die Systemleistungsanforderungen werden erfüllt;

• Nicht verwendete Eingabe-/Ausgabeports der CPU sollten nicht frei schweben; sie sollten mit dem Systemstrom oder der Erde verbunden werden, und das Gleiche gilt für andere Chips;

• Minimieren Sie die Länge der Leitungen zwischen Hochfrequenzkomponenten. Halten Sie Eingabe- und Ausgabefunktionskomponenten weit auseinander, und platzieren Sie störanfällige Komponenten nicht zu dicht beieinander;

• Vermeiden Sie Stromschleifen in Niederfrequenz- und Schwachsignal-Schaltungen. Wenn dies unvermeidbar ist, minimieren Sie die Schleiffläche, um induzierte Rauschsignale zu reduzieren;

• Vermeiden Sie 90-Grad-Biegungen in Systemleitungen, um die Ausstrahlung von Hochfrequenzrauschen zu verhindern;

• Eingabe- und Ausgabelinien im System sollten nicht parallel laufen. Fügen Sie eine Erdleitung zwischen zwei Leitern hinzu, um reaktive Kopplung effektiv zu verhindern.

5. Software-Zuverlässigkeitsauslegung

5.1 Digitale Filterauslegung für Stromzähler

Derzeit werden in Stromzählern verschiedene Mess-ICs weit verbreitet eingesetzt. Der zentrale Prozessor kommuniziert mit diesen Messchips über Serial Peripheral Interface (SPI) oder Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART), um Parameter des Stromsystems zu erhalten. Wenn der Bus gestört wird oder der Messchip fehlerhaft arbeitet, erhält der zentrale Prozessor falsche Daten.

Daher ist die Integration von Softwarefiltern von entscheidender Bedeutung. Für gewöhnliche Stromparameter kann die Mittelwertmethode angewendet werden: fünf bis sechs Datenpunkte sammeln, die maximalen und minimalen Werte entfernen und dann den Mittelwert berechnen. Für Energiemessdaten sollte der dynamische Bereich innerhalb einer Zeiteinheit basierend auf dem nominellen Betriebsumfeld des Zählers geschätzt werden; wenn ungewöhnliche Energiemessdaten auftreten, kann die Software diese Datensätze verwerfen. Andere Methoden umfassen Medianfilterung, arithmetische Mittelung und erste Ordnung Tiefpassfilterung. Die Praxis hat gezeigt, dass die Verwendung von Softwarefiltern die Zuverlässigkeit der Parametervorlesung maximiert.

5.2 Datenredundanzauslegung für Stromzähler

Um die Systemzuverlässigkeit zu verbessern, können Systemeinstellungs- und Kalibrierungsparameter eine Mehrfach-Sicherheitsauslegung verwenden. Wenn ein Datensatz beschädigt wird, kann ein anderer Sicherheitsdatensatz aktiviert werden. Um die Datensicherheit zu gewährleisten und die Überlebenswahrscheinlichkeit der Daten bei fehlerhaften Operationen zu erhöhen, sollten mehrere Datensätze an verschiedenen Standorten gespeichert werden.

5.3 Datenprüfung und Operation Redundanzauslegung für Stromzähler

Wenn der zentrale Prozessor Einstellungs- oder Kalibrierungsparameter in das Speichergerät schreibt, kann Störungen dazu führen, dass falsche Daten geschrieben werden, aber der Prozessor kann die Richtigkeit der geschriebenen Daten nicht bestimmen. Um korrektes Daten-Schreiben sicherzustellen, führt die Softwareauslegung eine "Prüfsumme" der zu schreibenden Daten durch und speichert die Prüfsumme zusammen mit den Daten. Nach jeder Schreiboperation wird eine Lesevorgang durchgeführt, und die Prüfsumme der gelesenen Daten wird mit der gespeicherten Prüfsumme verglichen. Wenn sie nicht übereinstimmen, wird die Schreiboperation wiederholt, bis die Daten korrekt geschrieben wurden. Wenn die Wiederholungsgrenze überschritten wird, wird ein Schreibfehler angezeigt.