कैसे पावर मीटर सिस्टम की विश्वसनीयता बढ़ाएं

इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग के तेजी से विकास के साथ, विभिन्न प्रकार के उपकरण और मीटर औद्योगिक नियंत्रण और सामाजिक जीवन के सभी पहलुओं में व्यापक रूप से प्रयोग किए जा रहे हैं। इसी समय, उपकरणों की विश्वसनीयता की आवश्यकताएँ बढ़ रही हैं, और विद्युत मीटर इसका अपवाद नहीं हैं। विद्युत मीटरों की विश्वसनीयता की आवश्यकताएँ स्मार्ट मीटर तकनीकी मानकों के भीतर निर्दिष्ट की गई हैं।

ये मानक निर्धारित करते हैं कि विद्युत मीटरों की औसत उपयोगकाल कम से कम दस वर्षों तक होनी चाहिए, जिससे विकास प्रक्रिया के दौरान विश्वसनीयता डिजाइन विशेष रूप से महत्वपूर्ण हो जाती है। निर्दिष्ट स्थितियों और समय के भीतर आवश्यक कार्यों को पूरा करने की संभावना को माध्य फेलर बीच फेलर (MTBF) कहा जाता है, जिसे औसत फेलर अंतराल समय भी कहा जाता है। MTBF विश्वसनीयता मापन का एक सामान्य मापदंड है। विद्युत मीटरों के लिए विश्वसनीयता डिजाइन का उद्देश्य उत्पाद के MTBF को बढ़ाना और सामान्य संचालन सुनिश्चित करना है।

1. हार्डवेयर विश्वसनीयता डिजाइन

विद्युत मीटरों के लिए विद्युत सप्लाई इंटरफ़ेयरेंस दमन डिजाइन

इंजीनियरिंग सांख्यिकीय डेटा विश्लेषण के अनुसार, विद्युत मीटर प्रणालियों में 70% इंटरफ़ेयरेंस विद्युत सप्लाई के माध्यम से प्रवेश करता है। इसलिए, विद्युत सप्लाई की गुणवत्ता में सुधार पूरी प्रणाली के विश्वसनीय संचालन के लिए बहुत महत्वपूर्ण है। चूंकि प्रणाली विद्युत सामान्यतः लाइन विद्युत से लिया जाता है, विद्युत सप्लाई के लिए इंटरफ़ेयरेंस डिजाइन मुख्य रूप से इनपुट पोर्ट पर फिल्टरिंग और ट्रांसिएंट इंटरफ़ेयरेंस के दमन पर केंद्रित होता है।

2. विद्युत मीटरों के लिए ग्राउंडिंग डिजाइन

ग्राउंडिंग प्रणाली का डिजाइन पूरे उत्पाद की इंटरफ़ेयरेंस विरोधी क्षमता को प्रत्यक्ष रूप से प्रभावित करता है। एक अच्छा डिजाइन बाहरी पर्यावरणीय इंटरफ़ेयरेंस को रोक सकता है और आंतरिक रूप से कप्लिंग शोर को प्रभावी रूप से दबा सकता है। निम्नलिखित दो पहलुओं का ध्यान रखकर प्रणाली की विश्वसनीयता में सुधार किया जा सकता है: 

डिजिटल ग्राउंड और एनालॉग ग्राउंड डिजिटल सिग्नलों की तेज धारियों के कारण, डिजिटल सर्किट में धारा पल्स में परिवर्तन दिखाई देता है। इसलिए, विद्युत मीटर प्रणालियों में एनालॉग ग्राउंड और डिजिटल ग्राउंड को अलग-अलग डिजाइन किया जाना चाहिए, जो केवल एक बिंदु पर जुड़ा हो। सर्किट बोर्ड पर एनालॉग और डिजिटल सर्किट को अपने संबंधित "ग्राउंड" से जोड़ा जाना चाहिए। यह डिजिटल सर्किट की पल्स ग्राउंड धारा को एनालॉग सर्किट में कोमन ग्राउंड इम्पीडेंस के माध्यम से कप्लिंग करने से रोकता है, जिससे ट्रांसिएंट इंटरफ़ेयरेंस बनता है। जब प्रणाली में उच्च आवृत्ति के बड़े सिग्नल होते हैं, तो यह इंटरफ़ेयरेंस अधिक महत्वपूर्ण हो जाता है।

एक-बिंदु और बहु-बिंदु ग्राउंडिंग निम्न आवृत्ति प्रणालियों में, ग्राउंडिंग आमतौर पर समान्तर एक-बिंदु ग्राउंडिंग और श्रृंखला एक-बिंदु ग्राउंडिंग को मिलाकर सुधार किया जाता है। समान्तर एक-बिंदु ग्राउंडिंग का अर्थ है कि कई मॉड्यूल ग्राउंड वायर को एक जगह पर जोड़ा जाता है, जहाँ प्रत्येक मॉड्यूल का ग्राउंड पोटेंशियल अपनी धारा और प्रतिरोध से संबंधित होता है। इसका फायदा है कि कोमन ग्राउंड वायर प्रतिरोध से कप्लिंग इंटरफ़ेयरेंस का अभाव होता है; दोष यह है कि ग्राउंड वायरिंग का अधिक उपयोग होता है।

श्रृंखला एक-बिंदु ग्राउंडिंग का अर्थ है कि कई मॉड्यूल एक ही ग्राउंड वायर सेगमेंट साझा करते हैं। ग्राउंड वायर के तुल्य प्रतिरोध से वोल्टेज ड्रॉप होता है, इसलिए विभिन्न मॉड्यूलों के कनेक्शन पॉइंट्स पृथ्वी के सापेक्ष विभिन्न पोटेंशियल होते हैं। किसी भी मॉड्यूल में धारा परिवर्तन प्रणाली के ग्राउंड पोटेंशियल को प्रभावित करता है, जिससे सर्किट आउटपुट में परिवर्तन होता है और कोमन ग्राउंड वायर प्रतिरोध से कप्लिंग इंटरफ़ेयरेंस बनता है। यह विधि सरल वायरिंग की विशेषता है। उच्च आवृत्ति प्रणालियों में बहु-बिंदु ग्राउंडिंग का उपयोग आमतौर पर किया जाता है, जहाँ प्रत्येक मॉड्यूल का ग्राउंड वायर ग्राउंड बसबार के साथ जितना संभव हो उतना निकट जुड़ा होता है। इसके फायदे शॉर्ट ग्राउंड वायर, कम प्रतिरोध और कोमन ग्राउंड वायर प्रतिरोध से इंटरफ़ेयरेंस शोर को दूर करना है।

3. विद्युत मीटरों के लिए अलगाव डिजाइन

अलगाव डिजाइन का एक प्रमुख लक्ष्य शोर स्रोतों को संवेदनशील सर्किट से अलग करना है। अलगाव डिजाइन की विशेषता यह है कि विद्युत मीटर अपने संचालन पर्यावरण के साथ सिग्नल संचार बनाए रखता है, बिना निर्देशित विद्युत के संचार के। मुख्य लागू करने की विधियाँ ट्रांसफॉर्मर अलगाव, ऑप्टो-अलगाव, रिले अलगाव, अलगाव एंप्लीफायर और लेआउट अलगाव शामिल हैं। 

• ट्रांसफॉर्मर अलगाव कम टर्न, छोटे वितरित क्षमता (केवल कुछ पिकोफ़ाराड), और प्राथमिक/द्वितीयक वाइंडिंग को कोर के विपरीत ओर लपेटा गया होता है, जो पल्स सिग्नल के लिए अलगाव घटक के रूप में कार्य कर सकता है, डिजिटल सिग्नल अलगाव प्राप्त करने के लिए।

• ऑप्टो-अलगाव ऑप्टोकूपलर जोड़ने से स्पाइक पल्स और विभिन्न शोर इंटरफ़ेयरेंस को दबाया जा सकता है। ऑप्टो-अलगाव का उपयोग करने से मेन कंप्यूटर प्रणाली और विद्युत मीटर के संचार पोर्ट के बीच कोई विद्युत संचार नहीं होता, जिससे प्रणाली की इंटरफ़ेयरेंस विरोधी क्षमता में सुधार होता है। ऑप्टोकूपलर डिजिटल सिग्नलों को अलग कर सकते हैं, लेकिन एनालॉग सिग्नलों के लिए उपयुक्त नहीं हैं। एनालॉग सिग्नलों को अलग करने की सामान्य विधियाँ शामिल हैं: A. वोल्टेज-की फ्रीक्वेंसी रूपांतरण, फिर ऑप्टो-अलगाव, जो जटिल सर्किट बनाता है; B. डिफ़्रेंशियल एंप्लीफायर, जो कम अलगाव वोल्टेज प्रदान करता है; C. अलगाव एंप्लीफायर, जो अच्छा प्रदर्शन करता है, लेकिन महंगा है। 

• रिले अलगाव क्योंकि रिले के कोइल और कंटैक्ट के बीच कोई विद्युत कनेक्शन नहीं होता, कोइल सिग्नल प्राप्त कर सकता है जबकि कंटैक्ट उन्हें प्रसारित कर सकते हैं, जिससे मजबूत और कमजोर विद्युत सिग्नलों के बीच की इंटरक्शन की समस्या का समाधान होता है और इंटरफ़ेयरेंस अलगाव प्राप्त होता है।

• लेआउट अलगाव PCB लेआउट के माध्यम से अलगाव प्राप्त करना, मुख्य रूप से मजबूत और कमजोर विद्युत सर्किट को अलग करना।

4. विद्युत मीटरों के लिए प्रिंटेड सर्किट बोर्ड (PCB) इंटरफ़ेयरेंस विरोधी डिजाइन

प्रिंटेड सर्किट बोर्ड सर्किट के घटकों का वाहक होता है और उनके बीच विद्युत कनेक्शन प्रदान करता है। PCB डिजाइन की गुणवत्ता प्रणाली की इंटरफ़ेयरेंस विरोधी क्षमता पर प्रत्यक्ष रूप से प्रभाव डालती है। PCB डिजाइन में अनुसरण की जाने वाली सामान्य सिद्धांत शामिल हैं:

• क्रिस्टल ऑस्किलेटर को सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट (CPU) पिन के जितना संभव हो उतना निकट रखें। उनके धातु के केस को ग्राउंड करें और सुरक्षित करें, फिर घड़ी क्षेत्र को ग्राउंड वायर के साथ अलग करें—यह विधि कई कठिन समस्याओं से बचाती है;

• CPU के लिए निम्न आवृत्ति के क्रिस्टल का उपयोग करें और डिजिटल सर्किट को जितना संभव हो उतना धीमा रखें, जबकि प्रणाली की प्रदर्शन आवश्यकताएँ पूरी हों;

• CPU के उपयोग नहीं होने वाले इनपुट/आउटपुट पोर्ट्स को फ्लोटिंग नहीं छोड़ें; उन्हें प्रणाली विद्युत या ग्राउंड से जोड़ा जाना चाहिए, और इसी तरह अन्य चिप्स के लिए भी;

• उच्च आवृत्ति घटकों के बीच की ट्रेस की लंबाई को कम करें। इनपुट और आउटपुट कार्यात्मक घटकों को दूर रखें, और इंटरफ़ेयरेंस-प्रवन घटकों को बहुत निकट न रखें;

• निम्न आवृत्ति और कमजोर सिग्नल सर्किट में करंट लूप से बचें। अगर अपरिहार्य हो, तो लूप क्षेत्र को कम करें ताकि प्रेरित शोर को कम किया जा सके;

• प्रणाली वायरिंग में 90-डिग्री का मोड़ से बचें ताकि उच्च आवृत्ति शोर का उत्सर्जन रोका जा सके;

• प्रणाली में इनपुट और आउटपुट लाइनों को समानांतर न रखें। दो चालकों के बीच एक ग्राउंड लाइन जोड़ें ताकि रिएक्टिव कप्लिंग को प्रभावी रूप से रोका जा सके।

5. सॉफ्टवेयर विश्वसनीयता डिजाइन

5.1 विद्युत मीटरों के लिए डिजिटल फिल्टरिंग डिजाइन 

वर्तमान में, विद्युत मीटरों में विभिन्न मापन ICs का व्यापक रूप से उपयोग किया जा रहा है। केंद्रीय प्रोसेसर इन मापन चिप्स के साथ सीरियल पेरिफेरल इंटरफ़ेस (SPI) या यूनिवर्सल एसिंक्रोनस रिसीवर/ट्रांसमिटर (UART) के माध्यम से संचार करता है ताकि विद्युत प्रणाली के पैरामीटर प्राप्त किए जा सकें। अगर बस में इंटरफ़ेयरेंस होता है या मापन चिप असामान्य रूप से संचालित होता है, तो केंद्रीय प्रोसेसर गलत डेटा प्राप्त करेगा।

इसलिए, सॉफ्टवेयर फिल्टरिंग को शामिल करना अत्यंत महत्वपूर्ण है। सामान्य विद्युत पैरामीटरों के लिए, औसतन विधि का उपयोग किया जा सकता है: पांच से छह डेटा पॉइंट्स एकत्र करें, अधिकतम और न्यूनतम मान हटाएं, फिर औसत निकालें। ऊर्जा डेटा के लिए, इकाई समय के भीतर डाइनामिक रेंज का अनुमान लगाएं, जिसके आधार पर मीटर का निर्धारित संचालन वातावरण होता है; अगर असामान्य ऊर्जा डेटा दिखाई देता है, तो सॉफ्टवेयर उस डेटा सेट को छोड़ सकता है। अन्य विधियाँ मेडियन फिल्टरिंग, अंकगणितीय औसत, और प्रथम-क्रम लो-पास फिल्टरिंग शामिल हैं। अनुभव ने सिद्ध किया है कि सॉफ्टवेयर फिल्टरिंग का उपयोग पैरामीटर रीडिंग्स