Come migliorare l'affidabilità del sistema di misurazione dell'energia elettrica
Con lo sviluppo rapido dell'industria elettronica, vari strumenti e contatori sono ampiamente utilizzati nel controllo industriale e in tutti gli aspetti della vita sociale. Allo stesso tempo, i requisiti di affidabilità per gli strumenti stanno diventando sempre più elevati, e i contatori di energia non fanno eccezione. I requisiti di affidabilità per i contatori di energia sono specificati all'interno degli standard tecnici dei contatori intelligenti.
Questi standard stabiliscono che la durata media del servizio dei contatori di energia deve essere non inferiore a dieci anni, rendendo particolarmente importante la progettazione di affidabilità durante il processo di sviluppo. La probabilità di completare le funzioni richieste in condizioni specificate e entro un tempo specificato è chiamata Tempo Medio Tra Guasti (MTBF), noto anche come intervallo medio tra guasti. L'MTBF è una metrica comune per misurare l'affidabilità. Lo scopo della progettazione di affidabilità per i contatori di energia è aumentare l'MTBF del prodotto e garantire il funzionamento normale.
1.Progettazione di Affidabilità Hardware
Progettazione di Suppressione delle Interferenze sul Fornitura Elettrica per Contatori di Energia
Secondo l'analisi statistica dei dati ingegneristici, il 70% delle interferenze nei sistemi dei contatori di energia entra attraverso il fornitura elettrica. Pertanto, migliorare la qualità della fornitura elettrica è di grande importanza per il funzionamento affidabile dell'intero sistema. Poiché la fornitura del sistema è tipicamente derivata dalla rete elettrica, la progettazione anti-interferenza per la fornitura elettrica si concentra principalmente sulla filtrazione alla porta di ingresso e sulla soppressione delle interferenze transitorie.
2. Progettazione di Terra per Contatori di Energia
La progettazione del sistema di terra influenza direttamente la capacità anti-interferenza dell'intero prodotto. Una buona progettazione può bloccare le interferenze ambientali esterne ed effettivamente sopprimere il rumore accoppiato internamente. Considerando i seguenti due aspetti, è possibile migliorare l'affidabilità del sistema:
Terra Digitale e Terra Analogica A causa degli spigoli netti dei segnali digitali, le correnti nei circuiti digitali presentano variazioni impulsive. Pertanto, nella progettazione dei contatori di energia, la terra analogica e la terra digitale dovrebbero essere separate, connesse solo in un singolo punto. I circuiti analogici e digitali sulla scheda di circuito dovrebbero essere collegati alle rispettive "terre". Questo previene efficacemente la corrente impulsiva di terra del circuito digitale dall'accoppiarsi al circuito analogico tramite l'impedenza comune della terra, formando interferenze transitorie. Quando esistono segnali ad alta frequenza e ad alto livello nel sistema, questa interferenza diventa ancora più significativa.
Terra a Punto Singolo e Terra a Punti Multipli Nei sistemi a bassa frequenza, la terra generalmente combina la terra a punto singolo parallela con la terra a punto singolo in serie per migliorare le prestazioni. La terra a punto singolo parallela si riferisce alla connessione insieme di più cavi di terra dei moduli in un'unica posizione, dove il potenziale di terra di ogni modulo dipende dalla propria corrente e resistenza. Il suo vantaggio è l'assenza di interferenze da accoppiamento causate dalla resistenza comune del cavo di terra; il suo svantaggio è l'eccessivo uso di cavi di terra.
La terra a punto singolo in serie significa che più moduli condividono lo stesso segmento di cavo di terra. Poiché la resistenza equivalente del cavo di terra crea cadute di tensione, i punti di connessione di diversi moduli hanno potenziali differenti rispetto a terra. Le variazioni di corrente in qualsiasi modulo influenzano il potenziale di terra, alterando l'uscita del circuito e causando interferenze da accoppiamento dovute alla resistenza comune del cavo di terra. Questo metodo presenta un cablaggio semplice. La terra a punti multipli è comunemente utilizzata nei sistemi ad alta frequenza, dove il cavo di terra di ogni modulo si connette il più vicino possibile a una barra di terra. I suoi vantaggi includono cavi di terra corti, impedenza bassa e eliminazione del rumore d'interferenza causato dalla resistenza comune del cavo di terra.
3. Progettazione di Isolamento per Contatori di Energia
Uno degli obiettivi principali della progettazione di isolamento è separare le sorgenti di rumore dai circuiti sensibili. La caratteristica della progettazione di isolamento è che il contatore di energia mantiene la comunicazione dei segnali con il suo ambiente operativo senza interazione elettrica diretta. I principali metodi di implementazione includono l'isolamento tramite trasformatori, ottocoppie, relè, amplificatori isolati e isolamento di layout.
Isolamento Tramite Trasformatori I trasformatori a impulsi, con poche spire, piccola capacità distribuita (solo pochi picofarad) e avvolgimenti primario e secondario avvolti su lati opposti del nucleo, possono fungere da componenti di isolamento per segnali a impulsi, realizzando l'isolamento di segnali digitali.
Ottocoppie Aggiungere un ottocupla può sopprimere gli impulsi a punta e varie interferenze di rumore. Utilizzando l'ottocoppia, si assicura che non ci sia interazione elettrica tra il sistema dell'host e la porta di comunicazione del contatore di energia, migliorando le prestazioni anti-interferenza del sistema. Gli ottocupla possono isolare segnali digitali ma non sono adatti per segnali analogici. Metodi comuni per isolare segnali analogici includono: A. Conversione tensione-frequenza seguita da ottocoppia, che comporta circuiti complessi; B. Amplificatori differenziali, che offrono una tensione di isolamento inferiore; C. Amplificatori isolati, che si comportano bene ma sono costosi.
Isolamento Tramite Relè Poiché non c'è connessione elettrica tra la bobina e i contatti di un relè, la bobina può ricevere segnali mentre i contatti li trasmettono, risolvendo efficacemente il problema dell'interazione tra segnali elettrici forti e deboli e realizzando l'isolamento dalle interferenze.
Isolamento di Layout Realizzare l'isolamento attraverso il layout della PCB, separando principalmente i circuiti elettrici forti e deboli.
4. Progettazione Anti-Interferenza della Scheda a Circuito Stampato (PCB) per Contatori di Energia
La scheda a circuito stampato serve da supporto per i componenti del circuito e fornisce connessioni elettriche tra di essi. La qualità della progettazione della PCB influisce direttamente sulla capacità anti-interferenza del sistema. I principi generali seguiti nella progettazione della PCB includono:
Posizionare i cristalli oscillatori il più vicino possibile ai pin della unità centrale di elaborazione (CPU). Terra e fissare i loro involucri metallici, quindi isolare l'area dell'orologio con un filo di terra—questo metodo prevenisce molti problemi difficili;
Utilizzare cristalli a frequenza inferiore per la CPU e mantenere i circuiti digitali il più lenti possibile, a patto che siano soddisfatti i requisiti di prestazioni del sistema;
Le porte di input/output della CPU non utilizzate non devono essere lasciate galleggianti; devono essere connesse alla alimentazione del sistema o a massa, e lo stesso vale per altri chip;
Minimizzare la lunghezza dei tracciati tra i componenti ad alta frequenza. Mantenere lontani i componenti di input e output funzionali, e non posizionare troppo vicini i componenti soggetti a interferenze;
Evitare anelli di corrente nei circuiti a bassa frequenza e segnali deboli. Se inevitabili, minimizzare l'area dell'anello per ridurre il rumore indotto;
Evitare piegature a 90 gradi nel cablaggio del sistema per prevenire l'emissione di rumore ad alta frequenza;
Le linee di input e output nel sistema dovrebbero evitare di correre in parallelo. Aggiungere una linea di terra tra due conduttori per prevenire efficacemente il colpo di reazione.
5. Progettazione di Affidabilità Software
5.1 Progettazione di Filtri Digitali per Contatori di Energia
Attualmente, vari IC di misura sono ampiamente utilizzati nei contatori di energia. Il processore centrale comunica con questi chip di misura tramite Serial Peripheral Interface (SPI) o Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) per ottenere i parametri del sistema di energia. Se il bus viene interferito o se il chip di misura opera in modo anomalo, il processore centrale riceverà dati errati.
Pertanto, incorporare un filtro software è estremamente importante. Per i parametri di energia ordinari, può essere adottato il metodo della media: raccogliere cinque o sei punti dati, rimuovere i valori massimi e minimi, quindi calcolare la media. Per i dati di energia, stimare la gamma dinamica entro un'unità di tempo basata sull'ambiente operativo nominale del contatore; se appaiono dati di energia anomali, il software può scartare quel set di dati. Altri metodi includono il filtro mediano, la media aritmetica e il filtro passa-basso di primo ordine. La pratica ha dimostrato che l'uso di filtri software massimizza l'affidabilità della lettura dei parametri.
5.2 Progettazione di Ridondanza dei Dati per Contatori di Energia
Per migliorare l'affidabilità del sistema, i parametri di configurazione del sistema e i parametri di taratura possono utilizzare progettazioni multi-backup. Se un set di dati viene corrotto, può essere attivato un altro set di backup. Per garantire la sicurezza dei dati e aumentare la probabilità di sopravvivenza dei dati in caso di operazioni errate, diversi set di dati dovrebbero essere memorizzati in posizioni disperse.
5.3 Progettazione di Verifica dei Dati e Ridondanza Operativa per Contatori di Energia
Quando il processore centrale scrive i parametri di configurazione o di taratura nella memoria, l'interferenza potrebbe causare la scrittura di dati errati, ma il processore non può determinare la correttezza dei dati scritti. Per garantire la scrittura corretta dei dati, la progettazione software esegue un "checksum" sui dati da scrivere e memorizza il checksum insieme ai dati. Dopo ogni operazione di scrittura, viene eseguita un'operazione di lettura, e il checksum dei dati letti viene confrontato con il checksum memorizzato. Se non corrispondono, l'operazione di scrittura viene ripetuta fino a quando i dati vengono scritti correttamente. Se il limite di tentativi viene superato, viene visualizzato un errore di scrittura.
