Bagaimana untuk Meningkatkan Kebolehpercayaan Sistem Meter Elektrik

Dengan perkembangan pesat industri elektronik, pelbagai instrumen dan meteran digunakan secara meluas dalam kawalan industri dan semua aspek kehidupan sosial. Pada masa yang sama, tuntutan terhadap kebolehpercayaan instrumen semakin meningkat, dan meteran kuasa tidak terkecuali. Tuntutan kebolehpercayaan bagi meteran kuasa dinyatakan dalam standard teknikal meter digital pintar.

Standard ini menetapkan bahawa tempoh hayat purata meteran kuasa mesti tidak kurang daripada sepuluh tahun, menjadikan reka bentuk kebolehpercayaan semasa proses pembangunan sangat penting. Kebarangkalian untuk melengkapkan fungsi yang diperlukan di bawah keadaan tertentu dan dalam masa yang ditetapkan dipanggil Masa Purata Antara Kerosakan (MTBF), juga dikenali sebagai masa purata antara kerosakan. MTBF adalah ukuran biasa untuk mengukur kebolehpercayaan. Tujuan reka bentuk kebolehpercayaan bagi meteran kuasa adalah untuk meningkatkan MTBF produk dan memastikan operasi normal.

1. Reka Bentuk Kebolehpercayaan Perkakasan

Reka Bentuk Penekanan Gangguan Bekalan Kuasa bagi Meteran Kuasa

Berdasarkan analisis data statistik kejuruteraan, 70% gangguan dalam sistem meteran kuasa masuk melalui bekalan kuasa. Oleh itu, peningkatan kualiti bekalan kuasa sangat penting untuk operasi yang boleh dipercayai keseluruhan sistem. Kerana kuasa sistem biasanya diperoleh dari bekalan elektrik utama, reka bentuk anti-gangguan untuk bekalan kuasa utamanya fokus pada penyaringan di port input dan penekanan gangguan sementara.

2. Reka Bentuk Pengenalan Arus bagi Meteran Kuasa

Reka bentuk sistem pengenalan arus secara langsung mempengaruhi keupayaan anti-gangguan produk keseluruhan. Reka bentuk yang baik dapat mencegah gangguan persekitaran luar dan menekan dengan berkesan bunyi yang terkait dalaman. Pertimbangan dua aspek berikut dapat meningkatkan kebolehpercayaan sistem: 

Tanah Digital dan Tanah Analog Dikarenakan tepi tajam isyarat digital, arus dalam litar digital menunjukkan perubahan pulsed. Oleh itu, tanah analog dan tanah digital harus direka secara berasingan dalam sistem meteran kuasa, hanya disambungkan pada satu titik. Litar analog dan litar digital pada papan litar harus disambungkan ke "tanah" masing-masing. Ini secara efektif mencegah arus tanah pulsed litar digital dari keterkaitan ke litar analog melalui rintangan tanah bersama, membentuk gangguan sementara. Apabila ada isyarat besar frekuensi tinggi dalam sistem, gangguan ini menjadi lebih signifikan.

Pengenalan Arus Satu Titik dan Banyak Titik Dalam sistem frekuensi rendah, pengenalan arus umumnya menggabungkan pengenalan arus satu titik paralel dengan pengenalan arus satu titik siri untuk meningkatkan prestasi. Pengenalan arus satu titik paralel merujuk kepada menyambung beberapa wayar tanah modul bersama-sama pada satu lokasi, di mana potensial tanah setiap modul berkaitan dengan arus dan rintangan sendiri. Kelebihannya adalah tidak ada gangguan keterkaitan dari rintangan wayar tanah bersama; kekurangannya adalah penggunaan wayar tanah yang berlebihan.

Pengenalan arus satu titik siri bermaksud beberapa modul berkongsi segmen wayar tanah yang sama. Karena rintangan setara wayar tanah menciptakan jatuh tegangan, titik sambungan modul yang berbeza memiliki potensial yang berbeda relatif terhadap bumi. Perubahan arus dalam modul manapun mempengaruhi potensial tanah, mengubah output litar, dan menyebabkan gangguan keterkaitan dari rintangan wayar tanah bersama. Metode ini memiliki pengkabelan yang sederhana. Pengenalan arus banyak titik umumnya digunakan dalam sistem frekuensi tinggi, di mana wayar tanah setiap modul disambungkan ke busbar tanah sejauh mungkin. Kelebihannya termasuk wayar tanah pendek, rintangan rendah, dan penghapusan bunyi gangguan yang disebabkan oleh rintangan wayar tanah bersama.

3. Reka Bentuk Isolasi bagi Meteran Kuasa

Tujuan utama reka bentuk isolasi adalah untuk memisahkan sumber bunyi dari litar sensitif. Ciri reka bentuk isolasi adalah meteran kuasa tetap mempertahankan komunikasi isyarat dengan lingkungan operasionalnya tanpa interaksi elektrik langsung. Metode implementasi utama termasuk isolasi transformer, opto-isolasi, isolasi relay, pembesar isolasi, dan isolasi susunan. 

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

• Opto-Isolasi Menambahkan optokoppler dapat menekan pulsa spike dan berbagai gangguan bunyi. Menggunakan opto-isolasi memastikan tidak ada interaksi elektrik antara sistem komputer utama dan port komunikasi meteran kuasa, meningkatkan prestasi anti-gangguan sistem. Optokoppler dapat mengisolasi isyarat digital tetapi tidak sesuai untuk isyarat analog. Metode umum untuk mengisolasi isyarat analog termasuk: A. Konversi voltase-ke-frekuensi diikuti oleh opto-isolasi, yang menghasilkan rangkaian yang kompleks; B. Pembesar diferensial, yang menawarkan tegangan isolasi yang lebih rendah; C. Pembesar isolasi, yang berkinerja baik tetapi mahal. 

• Isolasi Relay Karena tidak ada koneksi elektrik antara koil dan kontak relay, koil dapat menerima isyarat sementara kontak mentransmisikannya, secara efektif menyelesaikan masalah interaksi isyarat listrik kuat dan lemah serta mencapai isolasi gangguan.

• Isolasi Susunan Mencapai isolasi melalui susunan PCB, terutama memisahkan litar listrik kuat dan lemah.

4. Reka Bentuk Anti-Gangguan Papan Sirkuit Cetak (PCB) bagi Meteran Kuasa

Papan sirkuit cetak berfungsi sebagai pembawa komponen litar dan menyediakan koneksi elektrik antara mereka. Kualitas reka bentuk PCB secara langsung mempengaruhi keupayaan anti-gangguan sistem. Prinsip umum yang diikuti dalam reka bentuk PCB termasuk:

• Tempatkan osilator kristal sedekat mungkin dengan pin unit pemprosesan pusat (CPU). Tanahkan dan amankan kasus metal mereka, kemudian isolasi area jam dengan wayar tanah—metode ini mencegah banyak masalah yang sulit;

• Gunakan kristal frekuensi rendah untuk CPU dan pertahankan litar digital sebisa mungkin, selama persyaratan prestasi sistem terpenuhi;

• Port input/output CPU yang tidak digunakan sebaiknya tidak dibiarkan mengambang; mereka harus disambungkan ke 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 letakkan komponen yang rentan terhadap gangguan terlalu dekat;

• Hindari loop arus dalam litar frekuensi rendah dan sinyal lemah. Jika tidak dapat dihindari, minimalkan area loop untuk mengurangi bunyi yang terinduksi;

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

• Garis input dan output dalam sistem sebaiknya dihindari berjalan paralel. Tambahkan garis tanah antara dua konduktor untuk secara efektif mencegah keterkaitan reaktif.

5. Reka Bentuk Kebolehpercayaan Perisian

5.1 Reka Bentuk Penapisan Digital bagi Meteran Kuasa 

Saat ini, pelbagai IC pengukuran digunakan secara meluas dalam meteran kuasa. Prosesor pusat berkomunikasi dengan chip pengukuran ini melalui Interface Periferal Seri (SPI) atau Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) untuk mendapatkan parameter sistem kuasa. Jika bus mengalami gangguan atau chip pengukuran beroperasi tidak normal, prosesor pusat akan menerima data yang salah.

Oleh karena itu, sangat penting untuk mengintegrasikan penapisan perisian. Untuk parameter kuasa biasa, metode rata-rata dapat digunakan: kumpulkan lima hingga enam data, hilangkan nilai maksimum dan minimum, lalu hitung rata-ratanya. Untuk data energi, perkirakan jangkauan dinamis dalam waktu tertentu berdasarkan lingkungan operasional meteran yang ditetapkan; jika data energi abnormal muncul, perisian dapat membuang set data tersebut. Metode lain termasuk penapisan median, rata-rata aritmetik, dan penapisan low-pass orde pertama. Praktek telah membuktikan bahwa menggunakan penapisan perisian memaksimalkan keandalan pembacaan parameter.

5.2 Reka Bentuk Redundansi Data bagi Meteran Kuasa

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 Reka Bentuk Verifikasi Data dan Redundansi Operasi bagi Meteran Kuasa

Ketika prosesor pusat menulis parameter pengaturan atau kalibrasi ke dalam memori, gangguan mungkin menyebabkan data yang salah ditulis, tetapi prosesor tidak dapat menentukan kebenaran data yang ditulis. Untuk memastikan data ditulis dengan benar, desain perisian 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 hingga data ditulis dengan benar. Jika batas ulangan terlampaui, ditampilkan kesalahan penulisan.