電力計システムの信頼性を高める方法
電子産業の急速な発展に伴い、各種計器やメーターは工業制御や社会生活のあらゆる分野で広く使用されるようになりました。同時に、計器の信頼性に対する要求もますます高まっています。電力メーターも例外ではありません。電力メーターの信頼性要件はスマートメータ技術標準内に規定されています。
これらの標準では、電力メーターの平均寿命が10年以上であることが求められており、開発過程における信頼性設計が特に重要となります。指定された条件と時間内で必要な機能を完了する確率を故障間平均時間（MTBF）または平均故障間隔時間と呼びます。MTBFは信頼性を測定する一般的な指標です。電力メーターの信頼性設計の目的は、製品のMTBFを増加させ、正常な動作を確保することです。
1.ハードウェア信頼性設計
電力メーターの電源干渉抑制設計
エンジニアリング統計データ分析によれば、電力メーターシステムの70%の干渉は電源経由で侵入します。したがって、電源品質の向上はシステム全体の信頼性運転にとって非常に重要です。システム電源は通常商用電源から得られるため、電源のノイズ対策は主に入力ポートでのフィルタリングと一時的な干渉の抑制に焦点を当てています。
2. 電力メーターの接地設計
接地システムの設計は、製品全体のノイズ耐性に直接影響します。良い設計は外部環境からの干渉をブロックし、内部結合ノイズを効果的に抑制することができます。以下の2つの側面を考慮することで、システムの信頼性を向上させることができます：
デジタル地とアナログ地 デジタル信号の鋭いエッジにより、デジタル回路の電流はパルス状に変化します。そのため、電力メーターシステムではアナログ地とデジタル地を別々に設計し、一点のみで接続します。基板上のアナログ回路とデジタル回路はそれぞれの「地」に接続されます。これにより、デジタル回路のパルス状の地電流が共有地インピーダンスを通じてアナログ回路に結合して瞬間的な干渉を形成するのを効果的に防ぎます。システムに高周波大信号が存在する場合、この干渉はより顕著になります。
単点接地と多点接地 低周波システムでは、接地は並列単点接地と直列単点接地を組み合わせることで性能を改善します。並列単点接地とは、複数のモジュールの地線を一つの場所で一緒に接続することを指し、各モジュールの地電位はそのモジュールの電流と抵抗に関連しています。その利点は共通地線抵抗による結合干渉がないことです。欠点は地線の使用量が多いことです。
直列単点接地とは、複数のモジュールが同じ地線セグメントを共有することを意味します。地線の等価抵抗により電圧降下が生じるので、異なるモジュールの接続点は地球に対する電位が異なります。任意のモジュールの電流変動が地電位に影響を与え、回路出力を変更し、共通地線抵抗による結合干渉を引き起こします。この方法は配線が簡単です。多点接地は高周波システムで一般的に使用され、各モジュールの地線は可能な限り接地バスバーに接続されます。その利点は地線が短く、インピーダンスが低く、共通地線インピーダンスによる干渉ノイズが排除されることです。
3. 電力メーターの絶縁設計
絶縁設計の主要な目標の一つは、ノイズ源を敏感な回路から分離することです。絶縁設計の特徴は、電力メーターが操作環境との信号通信を維持しながら直接的な電気的相互作用を持たないことです。主な実装方法にはトランスフォーマー絶縁、光絶縁、リレー絶縁、絶縁アンプ、レイアウト絶縁があります。
トランスフォーマー絶縁 パルストランスフォーマーは巻数が少なく、分散容量が小さい（わずか数ピコファラド）ため、一次巻線と二次巻線がコアの反対側に巻かれているパルス信号の絶縁部品として機能し、デジタル信号の絶縁を達成します。
光絶縁 光結合器を追加することで、スパイクパルスや様々なノイズ干渉を抑制できます。光絶縁を使用することで、ホストコンピューターシステムと電力メーターの通信ポート間に電気的相互作用がなくなり、システムのノイズ耐性が向上します。光結合器はデジタル信号を絶縁できますが、アナログ信号には適していません。アナログ信号の絶縁の一般的な方法には：A. 周波数変換後に光絶縁を行う（回路が複雑）、B. 差動アンプ（絶縁電圧が低い）、C. 絶縁アンプ（性能は良好だが高価）があります。
リレー絶縁 リレーのコイルと接点間に電気的接続がないため、コイルが信号を受け取りながら接点が信号を伝送し、強弱電気信号の相互作用の問題を効果的に解決し、干渉絶縁を達成します。
レイアウト絶縁 PCBレイアウトを通じて絶縁を達成し、主に強弱電気回路を分離します。
4. 電力メーターのプリント基板（PCB）ノイズ対策設計
プリント基板は回路部品のキャリアであり、それらの間の電気接続を提供します。PCB設計の品質は、システムのノイズ耐性に直接影響します。PCB設計で一般的に遵守される原則には以下があります：
クリスタルオシレータを中央処理装置（CPU）ピンにできるだけ近づけ、金属ケースを接地および固定し、クロック領域を地線で隔離する—この方法は多くの難題を防ぎます；
CPU用に低周波クリスタルを使用し、システム性能要件を満たす範囲でデジタル回路をできるだけ遅くします；
未使用のCPU入出力ポートはフローティングにせず、システム電源または地線に接続します。他のチップについても同様です；
高周波部品間のトレース長を最小限に抑え、入出力機能部品を遠ざけ、干渉しやすい部品を近くに配置しないようにします；
低周波および微弱信号回路では電流ループを避ける。避けられない場合は、ループ面積を最小限に抑えて誘導ノイズを減らします；
システム配線では90度の曲げを避けて高周波ノイズ放射を防ぎます；
システム内の入出力線は並行走行を避ける。2つの導体間に地線を追加してリアクティブ結合を効果的に防止します。
5. ソフトウェア信頼性設計
5.1 電力メーターのデジタルフィルタ設計
現在、電力メーターでは様々な測定ICが広く使用されています。中央処理装置はSPIまたはUARTを介してこれらの測定チップと通信し、電力システムのパラメータを得ます。バスが干渉を受けたり、測定チップが異常動作をしたりすると、中央処理装置は誤ったデータを受け取ります。
したがって、ソフトウェアフィルタリングを組み込むことは極めて重要です。一般的な電力パラメータに対しては平均値法を採用できます：5〜6個のデータポイントを収集し、最大値と最小値を取り除き、平均を計算します。エネルギーデータについては、メーターの定格動作環境に基づいて単位時間あたりの動的範囲を推定し、異常なエネルギーデータが現れた場合、ソフトウェアはそのデータセットを破棄できます。その他の方法にはメディアンフィルタリング、算術平均、一次ローパスフィルタリングがあります。実践によって、ソフトウェアフィルタリングがパラメータ読み取りの信頼性を最大化することが証明されています。
5.2 電力メーターのデータ冗長設計
システムの信頼性を向上させるために、システム設定パラメータと校正パラメータには多重バックアップ設計を採用することができます。あるデータセットが壊れた場合、別のバックアップセットを起動することができます。データの安全性を確保し、誤操作時のデータ生存確率を高めるために、いくつかのデータセットを分散して保存する必要があります。
5.3 電力メーターのデータ検証と操作冗長設計
中央処理装置が設定または校正パラメータをメモリに書き込む際、干渉により誤ったデータが書き込まれることがありますが、プロセッサは書き込まれたデータの正確性を判断できません。正しいデータ書き込みを確保するため、ソフトウェア設計では書き込むデータのチェックサムを計算し、データとともにチェックサムを保存します。各書き込み操作の後、読み出し操作を行い、読み出したデータのチェックサムを保存されたチェックサムと比較します。一致しない場合、書き込み操作を繰り返し、データが正しく書き込まれるまで続けます。リトライ回数が上限を超えた場合、書き込みエラーを表示します。
