Cara Meningkatkan Keandalan Sistem Pengukur Daya

Dengan perkembangan cepat industri elektronik, berbagai alat dan meteran digunakan secara luas dalam kontrol industri dan segala aspek kehidupan sosial. Pada saat yang sama, persyaratan terhadap keandalan alat semakin tinggi, dan meteran daya tidak terkecuali. Persyaratan keandalan untuk meteran daya ditentukan dalam standar teknis meteran pintar.

Standar-standar tersebut menetapkan bahwa umur rata-rata layanan meteran daya harus tidak kurang dari sepuluh tahun, sehingga desain keandalan selama proses pengembangan menjadi sangat penting. Probabilitas menyelesaikan fungsi yang diperlukan dalam kondisi tertentu dan dalam waktu tertentu disebut Mean Time Between Failures (MTBF), juga dikenal sebagai interval rata-rata antara kegagalan. MTBF adalah metrik umum untuk mengukur keandalan. Tujuan desain keandalan untuk meteran daya adalah untuk meningkatkan MTBF produk dan memastikan operasi normal.

1. Desain Keandalan Perangkat Keras

Desain Penghambatan Interferensi Sumber Daya untuk Meteran Daya

Berdasarkan analisis data statistik teknik, 70% interferensi dalam sistem meteran daya masuk melalui sumber daya. Oleh karena itu, peningkatan kualitas sumber daya memiliki arti penting bagi operasi yang andal dari seluruh sistem. Karena sumber daya sistem biasanya berasal dari listrik jaringan, desain anti-interferensi untuk sumber daya utamanya fokus pada penyaringan di port input dan penghambatan interferensi sementara.

2. Desain Penyambungan Bumi untuk Meteran Daya

Desain sistem penyambungan bumi secara langsung mempengaruhi kemampuan anti-interferensi seluruh produk. Desain yang baik dapat mencegah gangguan lingkungan eksternal dan efektif menekan noise yang terkopling internal. Pertimbangan dua aspek berikut dapat meningkatkan keandalan sistem: 

Tanah Digital dan Tanah Analog Karena tepian tajam sinyal digital, arus dalam sirkuit digital menunjukkan perubahan pulsa. Oleh karena itu, tanah analog dan tanah digital harus dirancang secara terpisah dalam sistem meteran daya, hanya terhubung pada satu titik. Sirkuit analog dan digital pada papan sirkuit harus terhubung ke "tanah" masing-masing. Ini secara efektif mencegah arus tanah pulsa sirkuit digital mengganggu sirkuit analog melalui impedansi tanah bersama, membentuk interferensi sementara. Ketika sinyal besar frekuensi tinggi ada dalam sistem, interferensi ini menjadi lebih signifikan.

Penyambungan Bumi Tunggal dan Banyak Titik Dalam sistem frekuensi rendah, penyambungan bumi biasanya menggabungkan penyambungan bumi tunggal paralel dengan penyambungan bumi tunggal seri untuk meningkatkan kinerja. Penyambungan bumi tunggal paralel merujuk pada menghubungkan beberapa kabel tanah modul bersama-sama di satu lokasi, di mana potensial tanah setiap modul berkaitan dengan arus dan hambatannya sendiri. Kelebihannya adalah tidak ada gangguan interferensi dari hambatan kawat tanah bersama; kekurangannya adalah penggunaan kabel tanah yang berlebihan.

Penyambungan bumi tunggal seri berarti beberapa modul berbagi segmen kabel tanah yang sama. Karena hambatan setara kabel tanah menciptakan penurunan tegangan, titik-titik sambungan modul yang berbeda memiliki potensial yang berbeda relatif terhadap tanah. Perubahan arus dalam modul apa pun mempengaruhi potensial tanah, mengubah output sirkuit, dan menyebabkan interferensi penggabungan dari hambatan kabel tanah bersama. Metode ini memiliki kabel yang sederhana. Penyambungan bumi banyak titik umumnya digunakan dalam sistem frekuensi tinggi, di mana kabel tanah setiap modul terhubung ke busbar tanah sejauh mungkin. Kelebihannya termasuk kabel tanah pendek, impedansi rendah, dan eliminasi noise gangguan yang disebabkan oleh hambatan kabel tanah bersama.

3. Desain Isolasi untuk Meteran Daya

Tujuan utama desain isolasi adalah untuk memisahkan sumber noise dari rangkaian sensitif. Karakteristik desain isolasi adalah meteran daya mempertahankan komunikasi sinyal dengan lingkungan operasinya tanpa interaksi listrik langsung. Metode implementasi utama termasuk isolasi transformator, isolasi optokupler, isolasi relay, amplifier isolasi, dan isolasi tata letak. 

• Isolasi Transformator Transformator pulsa, dengan sedikit putaran, kapasitansi terdistribusi kecil (hanya beberapa pikofarad), dan gulungan primer/sekunder yang dipilin di sisi berlawanan inti, dapat berfungsi sebagai komponen isolasi untuk sinyal pulsa, mencapai isolasi sinyal digital.

• Isolasi Optokupler Menambahkan optokupler dapat menekan spike pulsa dan berbagai gangguan noise. Menggunakan isolasi optokupler memastikan tidak ada interaksi listrik antara sistem komputer host dan port komunikasi meteran daya, meningkatkan kinerja anti-interferensi sistem. Optokupler dapat mengisolasi sinyal digital tetapi tidak cocok untuk sinyal analog. Metode umum untuk mengisolasi sinyal analog termasuk: A. Konversi tegangan-ke-frekuensi diikuti oleh isolasi optokupler, yang menghasilkan rangkaian yang rumit; B. Amplifier diferensial, yang menawarkan tegangan isolasi lebih rendah; C. Amplifier isolasi, yang berkinerja baik tetapi mahal. 

• Isolasi Relay Karena tidak ada hubungan listrik antara kumparan dan kontak relay, kumparan dapat menerima sinyal sementara kontak mengirimkannya, secara efektif menyelesaikan masalah interaksi sinyal listrik kuat dan lemah serta mencapai isolasi interferensi.

• Isolasi Tata Letak Mencapai isolasi melalui tata letak PCB, terutama memisahkan rangkaian listrik kuat dan lemah.

4. Desain Anti-Interferensi Papan Sirkuit Cetak (PCB) untuk Meteran Daya

Papan sirkuit cetak berfungsi sebagai pembawa komponen sirkuit dan menyediakan koneksi listrik antara mereka. Kualitas desain PCB secara langsung mempengaruhi kemampuan anti-interferensi sistem. Prinsip umum yang diikuti dalam desain PCB termasuk:

• Letakkan osilator kristal sebisa mungkin dekat dengan pin unit pemrosesan pusat (CPU). Tanahkan dan amankan kasus metalnya, lalu isolasi area jam dengan kabel tanah—metode ini mencegah banyak masalah yang sulit;

• Gunakan kristal frekuensi rendah untuk CPU dan pertahankan sirkuit digital secepat mungkin, dengan syarat persyaratan kinerja sistem terpenuhi;

• Port input/output CPU yang tidak digunakan tidak boleh dibiarkan mengambang; mereka harus dihubungkan ke sumber daya sistem atau tanah, dan hal yang sama berlaku untuk chip lainnya;

• Minimalkan panjang jejak antara komponen frekuensi tinggi. Jaga komponen fungsional input dan output jauh, dan jangan meletakkan komponen yang rentan terhadap gangguan terlalu dekat;

• Hindari loop arus dalam sirkuit frekuensi rendah dan sinyal lemah. Jika tidak dapat dihindari, minimalkan area loop untuk mengurangi noise yang diinduksi;

• Hindari belokan 90 derajat dalam kabel sistem untuk mencegah emisi noise frekuensi tinggi;

• Garis input dan output dalam sistem harus menghindari berjalan paralel. Tambahkan garis tanah antara dua konduktor untuk secara efektif mencegah penggabungan reaktif.

5. Desain Keandalan Perangkat Lunak

5.1 Desain Filter Digital untuk Meteran Daya 

Saat ini, berbagai IC pengukuran digunakan secara luas dalam meteran daya. Prosesor pusat berkomunikasi dengan chip pengukuran ini melalui Serial Peripheral Interface (SPI) atau Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) untuk mendapatkan parameter sistem daya. Jika bus terganggu atau chip pengukuran beroperasi abnormal, prosesor pusat akan menerima data yang salah.

Oleh karena itu, pengintegrasian filter perangkat lunak sangat penting. Untuk parameter daya biasa, metode rata-rata dapat diterapkan: kumpulkan lima hingga enam titik data, hilangkan nilai maksimum dan minimum, lalu hitung rata-ratanya. Untuk data energi, perkirakan rentang dinamis dalam satuan waktu berdasarkan lingkungan operasional meteran yang ditetapkan; jika data energi abnormal muncul, perangkat lunak dapat membuang set data tersebut. Metode lain termasuk filter median, rata-rata aritmetik, dan filter low-pass orde pertama. Praktek telah membuktikan bahwa menggunakan filter perangkat lunak memaksimalkan keandalan pembacaan parameter.

5.2 Desain Redundansi Data untuk Meteran Daya

Untuk meningkatkan keandalan sistem, parameter pengaturan sistem dan parameter kalibrasi dapat menggunakan desain multi-cadangan. Jika satu set data rusak, set cadangan lainnya dapat diaktifkan. Untuk memastikan keamanan data dan meningkatkan probabilitas kelangsungan hidup data dalam operasi yang salah, beberapa set data harus disimpan di lokasi yang tersebar.

5.3 Desain Verifikasi Data dan Redundansi Operasi untuk Meteran Daya

Ketika prosesor pusat menulis parameter pengaturan atau kalibrasi ke dalam memori, gangguan dapat menyebabkan data yang salah ditulis, tetapi prosesor tidak dapat menentukan kebenaran data yang ditulis. Untuk memastikan data ditulis dengan benar, desain perangkat lunak melakukan "checksum" pada data yang akan ditulis dan menyimpan checksum bersama dengan data. Setelah setiap operasi tulis, dilakukan operasi baca, dan checksum data yang dibaca dibandingkan dengan checksum yang disimpan. Jika tidak cocok, operasi tulis diulang sampai data ditulis dengan benar. Jika batas percobaan melebihi, ditampilkan kesalahan penulisan.