Kako unaprijediti pouzdanost sustava za mjerenje struje

S obzirom na brz razvoj elektroničke industrije, razne mjernice i instrumenti široko se koriste u industrijskom upravljanju i svim aspektima društvenog života. U isto vrijeme, zahtjevi za pouzdanosti instrumenta postaju sve stroži, a to se odnosi i na energetskim brojila. Zahtjevi za pouzdanost energetskih brojila navedeni su unutar tehničkih standarda pametnih brojila.

Ti standardi propisuju da prosječna vijek trajanja energetskih brojila mora biti najmanje deset godina, što čini dizajn pouzdanosti tijekom razvojnog procesa posebno važnim. Vjerojatnost izvršenja potrebnih funkcija pod određenim uvjetima i unutar određenog vremenskog perioda naziva se Srednje vrijeme između otkaza (MTBF), također poznato kao prosječno vrijeme između otkaza. MTBF je uobičajena mjera pouzdanosti. Cilj dizajna pouzdanosti energetskih brojila jest povećati MTBF proizvoda i osigurati normalnu operaciju.

1. Dizajn hardverske pouzdanosti

Dizajn supresije smetnji napajanja za energetska brojila

Prema analizi inženjerskih statističkih podataka, 70% smetnji u sustavima energetskih brojila dolazi putem napajanja. Stoga, poboljšanje kvalitete napajanja ima veliku važnost za pouzdano funkcioniranje cijelog sustava. Budući da se sistemski strujni pristup obično dobiva iz mreže, dizajn supresije smetnji napajanja fokusira se uglavnom na filtriranje na ulaznom priključku i smanjenje privremenih smetnji.

2. Dizajn zemljenja za energetska brojila

Dizajn sustava zemljenja direktno utječe na opću sposobnost protivanja smetnjama proizvoda. Dobar dizajn može blokirati vanjske okružne smetnje i učinkovito smanjiti unutarnje spojene šumove. Razmatranje sljedećih dvaju aspekata može poboljšati pouzdanost sustava: 

Digitalno zemljenje i analogni zemljište Zbog oštrih rubova digitalnih signala, struje u digitalnim krugovima pokazuju pulsnate promjene. Stoga, analogni i digitalni zemljišta trebaju biti posebno dizajnirani u sustavima energetskih brojila, spojeni samo na jednu točku. Analogni i digitalni krugovi na platnoj ploči trebaju biti spojeni s njihovim "zemljama". To učinkovito sprečava pulsnati strujni tok digitalnog kruga da se spoji sa analognim krugom preko zajedničkog impedansa zemljenja, stvarajući privremene smetnje. Kada u sustavu postoje visokofrekventni veliki signali, te smetnje postaju još značajnije.

Jednotočkovno i višetočkovno zemljenje U niskofrekventnim sustavima, zemljenje obično kombinira paralelno jednotočkovno zemljenje s serijalnim jednotočkovnim zemljenjem kako bi se poboljšale performanse. Paralelno jednotočkovno zemljenje znači spajanje više modula zemljenja na jednoj lokaciji, gdje se potencijal zemljenja svakog modula odnosi na njegovu struju i otpor. Prednost je odsustvo spojene interferencije od zajedničkog otpora zemljisnog voda; nedostatak je prekomjerna upotreba zemljisnih voda.

Serijalno jednotočkovno zemljenje znači da više modula dijeli isti segment zemljisnog voda. Budući da ekvivalentni otpor zemljisnog voda stvara pad napona, točke spoja različitih modula imaju različite potencijale u odnosu na zemlju. Promjene struje u bilo kojem modulu utječu na potencijal zemljenja, mijenjajući izlaz kruga i uzrokujući spojenu interferenciju od zajedničkog otpora zemljisnog voda. Ova metoda ima jednostavan vod. Višetočkovno zemljenje često se koristi u visokofrekventnim sustavima, gdje se svaki modul zemljenja povezuje sa busbarom zemljenja što najbliže moguće. Prednosti uključuju kratke zemljisne vode, niske impedancije i eliminaciju šuma interferencije uzrokovanog zajedničkim impedansima zemljisnog voda.

3. Dizajn izolacije za energetska brojila

Glavni cilj dizajna izolacije jest odvojiti izvore šuma od osjetljivih krugova. Karakteristika dizajna izolacije jest da energetsko brojilo održava komunikaciju signala s radnim okruženjem bez direktnog električnog interakcije. Glavne metode implementacije uključuju transformatorsku izolaciju, optičku izolaciju, relesnu izolaciju, izolacijske pojačala i izolaciju rasporeda. 

• Transformatorska izolacija Pulsnim transformatorima, koji imaju malo zavojnica, male distribuirane kapacitance (samo nekoliko pikofarada) i primarni/sekundarni zavojnice ovijene na suprotitim stranama jezgra, mogu poslužiti kao izolacijski komponenti za pulsne signale, ostvarujući izolaciju digitalnih signala.

• Optička izolacija Dodavanje optokupljača može smanjiti impulzne impulse i razne šume interferencije. Upotrebom optičke izolacije osigurava se da ne bude električne interakcije između glavnog računalnog sustava i komunikacijskog priključka energetskog brojila, poboljšavajući performanse sustava u borbi protiv interferencija. Optokupljači mogu izolirati digitalne signale, ali nisu prikladni za analogni signale. Uobičajene metode za izolaciju analognih signala uključuju: A. Pretvorbu napona u frekvenciju, nakon čega slijedi optička izolacija, što rezultira složenim krugovima; B. Diferencijalna pojačala, koja nude niže izolacijske napone; C. Izolacijska pojačala, koja dobro rade, ali su skupa. 

• Relesna izolacija Budući da ne postoji električna veza između bobine releja i kontakata, bobina može primati signale dok kontakti prenose signale, efektivno rješavajući problem interakcije jakih i slabihih električnih signala i ostvarujući izolaciju interferencija.

• Izolacija rasporeda Ostvarivanje izolacije kroz PCB raspored, uglavnom odvajajući jake i slabe električne krugove.

4. Anti-interferencijski dizajn ispisele (PCB) za energetska brojila

Ispisel služi kao nosač komponenata kruga i pruža električne veze između njih. Kvaliteta dizajna ispisele direktno utječe na sposobnost sustava protiv smetnji. Opća pravila koja se slijede u dizajnu ispisele uključuju:

• Postavite kristalne oscilatore što bliže pinovima centralne obradne jedinice (CPU). Zemljenje i zakripljenje njihovih metalnih kućišta, zatim izolacija područja satnice zemljisnim vodom – ova metoda sprečava mnoge teške probleme;

• Koristite kristale niže frekvencije za CPU i držite digitalne krugove što sporiji, s obzirom na zahtjeve performansi sustava;

• Nepouživana ulazna/izlazna porta CPU-a ne bi trebale biti slobodne; trebale bi biti spojene s napajanjem sustava ili zemljeno, a isto vrijedi i za druge čipove;

• Minimizirajte duljinu tragova između visokofrekventnih komponenti. Držite komponente s funkcijama ulaza i izlaza daleko jedne od druge, i ne stavljajte komponente koje su podložne smetnjama previše blizu;

• Izbjegavajte strujne petlje u niskofrekventnim i slabo signalih krugovima. Ako je to neizbježno, minimizirajte površinu petlje kako bi se smanjio inducirani šum;

• Izbjegavajte 90-stepene savijanje voda u sustavu kako bi se sprečila emisija visokofrekventnog šuma;

• Ulazni i izlazni vodi u sustavu trebaju izbjegavati paralelni hod. Dodajte zemljisni vod između dva voda kako bi se učinkovito sprečilo reaktivno spajanje.

5. Dizajn softverske pouzdanosti

5.1 Dizajn digitalnog filtera za energetska brojila 

Trenutno, različiti mjerni integrirani čipovi (IC) široko se koriste u energetskim brojilima. Centralna obradna jedinica komunicira s tim mjernim čipovima putem Serial Peripheral Interface (SPI) ili Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) kako bi dobila parametre energijskog sustava. Ako je bus smetnut ili ako mjerni čip ne radi ispravno, centralna obradna jedinica će primati netočne podatke.

Stoga je kritično važno uključiti softverski filter. Za obične parametre snage, može se koristiti metoda usrednjavanja: sakupite pet do šest točaka podataka, uklonite maksimalne i minimalne vrijednosti, zatim izračunajte prosjek. Za podatke o energiji, procijenite dinamički raspon unutar jedinice vremena temeljen na nominiranim radnim uvjetima brojila; ako se pojave anormalni podaci o energiji, softver može odbaciti tu skupinu podataka. Ostale metode uključuju medijanski filter, aritmetičko usrednjavanje i prvoredni niskopropusni filter. Praksa je pokazala da uporaba softverskog filtra maksimalno maksimizira pouzdanost čitanja parametara.

5.2 Dizajn redundantnosti podataka za energetska brojila

Da bi se poboljšala pouzdanost sustava, postavni parametri sustava i kalibracijski parametri mogu koristiti multi-rezervne dizajne. Ako se jedan set podataka oštetiti, može se aktivirati drugi rezervni set. Da bi se osigurala sigurnost podataka i povećala vjerojatnost preživljavanja podataka kod pogrešnih radnji, nekoliko setova podataka trebalo bi se pohraniti na disperzne lokacije.

5.3 Dizajn provjere podataka i redundantnosti operacija za energetska brojila

Kada centralna obradna jedinica piše postavne ili kalibracijske parametre u memoriju, smetnje mogu uzrokovati netočno zapisivanje podataka, ali procesor ne može utvrditi točnost zapisanih podataka. Da bi se osiguralo točno zapisivanje podataka, softverski dizajn izvodi "provjeru kontrolne sume" nad podacima koji se zapisuju i pohranjuje kontrolnu sumu zajedno s podacima. Nakon svakog zapisivanja, vrši se operacija čitanja, a kontrolna suma pročitanih podataka uspoređuje se s pohranjenom kontrolnom sumom. Ako se one ne podudaraju, operacija zapisivanja se ponavlja dok se podaci ne zapišu ispravno. Ako se prekorači granica pokušaja, prikazuje se greška zapisivanja.