전력계 측정 시스템 신뢰성 향상 방법
전자 산업의 급속한 발전에 따라 다양한 계측기와 계량기는 산업 제어 및 사회 생활의 모든 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 동시에 계측기의 신뢰성 요구 사항이 점점 높아지고 있으며 전력계도 예외는 아닙니다. 전력계의 신뢰성 요구 사항은 스마트 미터 기술 표준 내에서 명시되어 있습니다.
이러한 표준은 전력계의 평균 수명이 최소 10년 이상이어야 함을 규정하고 있어 개발 과정에서의 신뢰성 설계가 특히 중요합니다. 지정된 조건과 시간 내에서 요구되는 기능을 완료할 확률을 평균 고장 간격(MTBF)이라고 합니다. MTBF는 신뢰성을 측정하는 일반적인 지표입니다. 전력계의 신뢰성 설계 목적은 제품의 MTBF를 증가시키고 정상 작동을 보장하는 것입니다.
1. 하드웨어 신뢰성 설계
전력계의 전원 공급 간섭 억제 설계
공학적 통계 데이터 분석에 따르면 전력계 시스템에서 발생하는 간섭의 70%가 전원 공급을 통해 들어옵니다. 따라서 전체 시스템의 신뢰성 있는 작동을 위해서는 전원 공급 품질 개선이 매우 중요합니다. 시스템 전원은 일반적으로 상업용 전기를 기반으로 하므로 전원 공급의 간섭 저감 설계는 주로 입력 포트에서의 필터링과 일시적 간섭 억제에 초점을 맞춥니다.
2. 전력계의 접지 설계
접지 시스템 설계는 전체 제품의 간섭 저항 능력에 직접적인 영향을 미칩니다. 좋은 설계는 외부 환경 간섭을 차단하고 내부 결합 노이즈를 효과적으로 억제할 수 있습니다. 다음 두 가지 측면을 고려하면 시스템 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다:
디지털 접지와 아날로그 접지 디지털 신호의 날카로운 모서리로 인해 디지털 회로의 전류는 펄스 형태로 변화합니다. 따라서 전력계 시스템에서는 아날로그 접지와 디지털 접지를 별도로 설계해야 하며, 단 한 점에서만 연결되어야 합니다. 회로판 위의 아날로그 및 디지털 회로는 각각 자신의 "접지"에 연결되어야 합니다. 이렇게 하면 디지털 회로의 펄스형 접지 전류가 공유 접지 임피던스를 통해 아날로그 회로에 결합되는 것을 효과적으로 방지하여 일시적 간섭을 형성합니다. 시스템에 고주파 대신호가 존재할 때 이러한 간섭은 더욱 크게 나타납니다.
단일점 및 다중점 접지 저주파 시스템에서는 일반적으로 병렬 단일점 접지와 직렬 단일점 접지를 결합하여 성능을 향상시킵니다. 병렬 단일점 접지는 여러 모듈의 접지 선을 하나의 위치에서 함께 연결하는 것을 의미하며, 각 모듈의 접지 전위는 해당 모듈의 전류와 저항에 따라 달라집니다. 이 방법의 장점은 공통 접지 선 저항에서의 결합 간섭이 없으며, 단점은 접지 선 사용량이 많다는 것입니다.
직렬 단일점 접지는 여러 모듈이 같은 접지 선 세그먼트를 공유하는 것을 의미합니다. 접지 선의 등가 저항으로 인해 서로 다른 모듈의 접지 점들은 지구에 대한 전위가 다릅니다. 어떤 모듈에서도 전류 변화가 접지 전위를 변경하여 회로 출력을 바꾸고 공통 접지 선 저항에서의 결합 간섭을 유발합니다. 이 방법은 배선이 단순하다는 장점이 있습니다. 고주파 시스템에서는 각 모듈의 접지 선을 가능한 한 가까이 접지 버스바에 연결하는 다중점 접지를 일반적으로 사용합니다. 이 방법의 장점은 짧은 접지 선, 낮은 임피던스, 그리고 공통 접지 선 임피던스에서의 간섭 노이즈 제거입니다.
3. 전력계의 격리 설계
격리 설계의 주요 목표 중 하나는 노이즈 소스와 민감한 회로를 분리하는 것입니다. 격리 설계의 특징은 전력계가 운영 환경과 신호 통신을 유지하면서 직접적인 전기적 상호작용 없이 작동하는 것입니다. 주요 구현 방법에는 변압기 격리, 광격리, 릴레이 격리, 격리 앰프, 그리고 레이아웃 격리가 포함됩니다.
변압기 격리 펄스 변압기는 몇 개의 턴수, 작은 분산 커패시턴스(몇 피코파르드 만), 그리고 코어의 반대쪽에 감긴 프라이머리/세컨더리 와인딩을 특징으로 하며, 펄스 신호의 격리 구성 요소로 사용되어 디지털 신호 격리를 달성할 수 있습니다.
광격리 광커플러를 추가하면 스파이크 펄스와 다양한 노이즈 간섭을 억제할 수 있습니다. 광격리를 사용하면 호스트 컴퓨터 시스템과 전력계의 통신 포트 사이에 전기적 상호작용이 없으므로 시스템의 간섭 저항 성능이 향상됩니다. 광커플러는 디지털 신호를 격리할 수 있지만 아날로그 신호에는 적합하지 않습니다. 아날로그 신호 격리의 일반적인 방법에는 다음과 같은 것들이 있습니다: A. 주파수 변환 후 광격리, 이는 복잡한 회로를 필요로 합니다; B. 차동 증폭기, 이는 낮은 격리 전압을 제공합니다; C. 격리 증폭기, 이는 성능이 우수하지만 비싸습니다.
릴레이 격리 릴레이의 코일과 접점 사이에는 전기적 연결이 없으므로, 코일이 신호를 받으면 접점이 이를 전송하여 강한 전기 신호와 약한 전기 신호의 상호작용 문제를 효과적으로 해결하고 간섭 격리를 달성할 수 있습니다.
레이아웃 격리 PCB 레이아웃을 통해 격리를 달성하며, 주로 강한 전기 회로와 약한 전기 회로를 분리합니다.
4. 전력계의 인쇄 회로 기판(PCB) 간섭 저항 설계
인쇄 회로 기판은 회로 구성 요소의 운반체이며 그들 사이의 전기적 연결을 제공합니다. PCB 설계의 품질은 시스템의 간섭 저항 능력에 직접적인 영향을 미칩니다. PCB 설계에서 준수하는 일반 원칙은 다음과 같습니다:
결정진동자를 가능한 한 중앙 처리 장치(CPU) 핀에 가깝게 배치하고, 그들의 금속 케이스를 접지 및 고정한 후, 클럭 영역을 접지선으로 격리합니다. 이 방법은 많은 어려운 문제를 예방합니다;
CPU에 대해 더 낮은 주파수 결정진동자를 사용하고, 시스템 성능 요구 사항을 충족하는 한 디지털 회로를 가능한 한 느리게 유지합니다;
사용되지 않는 CPU 입출력 포트는 부유 상태로 두지 않고, 시스템 전원 또는 접지에 연결해야 하며, 다른 칩에도 동일하게 적용됩니다;
고주파 구성 요소 사이의 트레이스 길이는 최소화해야 하며, 입력 및 출력 기능 구성 요소는 멀리 떨어져 배치하고, 간섭에 취약한 구성 요소는 너무 가까이 배치하지 않아야 합니다;
저주파 및 약한 신호 회로에서 전류 루프를 피해야 합니다. 피할 수 없다면 루프 면적을 최소화하여 유도 노이즈를 줄여야 합니다;
시스템 배선에서 90도 굴곡을 피하여 고주파 노이즈 방출을 방지해야 합니다;
시스템의 입력 및 출력 라인은 평행으로 배치하지 않아야 하며, 두 도체 사이에 접지선을 추가하여 반응 결합을 효과적으로 방지해야 합니다.
5. 소프트웨어 신뢰성 설계
5.1 전력계의 디지털 필터링 설계
현재 전력계에서는 다양한 측정 IC가 널리 사용되고 있습니다. 중앙 처리 장치는 SPI(Serial Peripheral Interface) 또는 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)를 통해 이러한 측정 칩과 통신하여 전력 시스템의 매개변수를 얻습니다. 만약 버스가 간섭을 받거나 측정 칩이 비정상적으로 작동하면 중앙 처리 장치는 잘못된 데이터를 받게 됩니다.
따라서 소프트웨어 필터링을 통합하는 것이 매우 중요합니다. 일반적인 전력 매개변수의 경우 평균화 방법을 채택할 수 있습니다: 5~6개의 데이터 포인트를 수집하고, 최대값과 최소값을 제거한 후 평균을 계산합니다. 에너지 데이터의 경우, 미터의 정격 작동 환경을 기반으로 단위 시간 내의 동적 범위를 추정하고, 비정상적인 에너지 데이터가 나타나면 소프트웨어가 해당 데이터 세트를 폐기할 수 있습니다. 다른 방법으로는 중앙값 필터링, 산술 평균, 1차 저역 통과 필터링 등이 있습니다. 실제 경험에 따르면 소프트웨어 필터링을 사용하면 매개변수 읽기의 신뢰성이 최대화됩니다.
5.2 전력계의 데이터 중복 설계
시스템 신뢰성을 향상시키기 위해 시스템 설정 매개변수와 교정 매개변수는 다중 백업 설계를 사용할 수 있습니다. 한 세트의 데이터가 손상되면 다른 백업 세트를 활성화할 수 있습니다. 데이터 보안을 보장하고 오작동 시 데이터 생존 확률을 높이기 위해 여러 데이터 세트를 분산된 위치에 저장해야 합니다.
5.3 전력계의 데이터 검증 및 작업 중복 설계
중앙 처리 장치가 메모리에 설정 또는 교정 매개변수를 작성할 때 간섭으로 인해 잘못된 데이터가 작성될 수 있지만, 처리 장치는 작성된 데이터의 정확성을 판단할 수 없습니다. 데이터를 올바르게 작성하기 위해 소프트웨어 설계는 작성할 데이터에 대한 "체크섬"을 수행하고, 체크섬과 함께 데이터를 저장합니다. 각 작성 작업 후에는 읽기 작업을 수행하고, 읽은 데이터의 체크섬을 저장된 체크섬과 비교합니다. 일치하지 않으면 작성 작업을 반복하여 데이터가 올바르게 작성될 때까지 계속합니다. 재시도 횟수가 초과되면 작성 오류가 표시됩니다.
