Hoe de betrouwbaarheid van het energiemetersysteem te verhogen

Met de snelle ontwikkeling van de elektronische industrie worden verschillende instrumenten en meters breed toegepast in industriële controle en alle aspecten van het sociale leven. Tegelijkertijd worden de eisen aan de betrouwbaarheid van instrumenten steeds hoger, en stroommeters vormen daarop geen uitzondering. De eisen aan de betrouwbaarheid van stroommeters zijn opgenomen in de technische normen voor slimme meters.

Deze normen stipuleren dat de gemiddelde levensduur van stroommeters niet minder dan tien jaar mag zijn, waardoor betrouwbaarheidsontwerp tijdens het ontwikkelingsproces bijzonder belangrijk is. De kans om vereiste functies onder gespecificeerde omstandigheden en binnen een gespecificeerde tijd uit te voeren, wordt Mean Time Between Failures (MTBF) genoemd, ook bekend als de gemiddelde tussenfautijd. MTBF is een algemene maatstaf voor betrouwbaarheid. Het doel van het betrouwbaarheidsontwerp voor stroommeters is om de MTBF van het product te verhogen en normale werking te waarborgen.

1. Hardware Betrouwbaarheidsontwerp

Stoorsuppressieontwerp voor de voeding van stroommeters

Volgens analyse van ingenieursstatistische gegevens treedt 70% van de storingen in stroommeter systemen via de voeding binnen. Daarom is het verbeteren van de kwaliteit van de voeding van groot belang voor de betrouwbare werking van het hele systeem. Aangezien de systeemvoeding meestal afkomstig is van het net, richt het anti-stoorontwerp voor de voeding zich voornamelijk op filteren aan de ingang en het onderdrukken van tijdelijke storingen.

2. Aardingontwerp voor stroommeters

Het ontwerp van het aardingsysteem beïnvloedt direct de anti-stoorvermogens van het hele product. Een goed ontwerp kan externe omgevingsstooringen blokkeren en interne gekoppelde ruis effectief onderdrukken. Door rekening te houden met de volgende twee aspecten kan de systeembetrouwbaarheid worden verbeterd: 

Digitale aarde en analoge aarde Omdat digitale signalen scherpe randen hebben, vertonen de stromen in digitale circuits pulserende veranderingen. Daarom moeten in stroommeter systemen de analoge aarde en de digitale aarde apart worden ontworpen, met slechts één punt van verbinding. Analogische en digitale circuits op het printplaatje moeten worden verbonden met hun respectieve "aarden". Dit voorkomt effectief dat de pulserende grondstroom van het digitale circuit via de gedeelde aardimpedantie wordt gekoppeld aan het analoge circuit, wat tijdelijke storingen veroorzaakt. Wanneer er hoge-frequentie grote signalen in het systeem bestaan, wordt deze storing nog significanter.

Eén-punts- en multi-puntsaarding In lage-frequentiesystemen wordt aarding over het algemeen gecombineerd met parallelle één-puntsaarding en serie-één-puntsaarding om de prestaties te verbeteren. Parallelle één-puntsaarding verwijst naar het samenbrengen van meerdere module-aarddraden op één locatie, waarbij het aardpotentiaal van elke module verband houdt met zijn eigen stroom en weerstand. Het voordeel hiervan is het ontbreken van koppelinterferentie door gemeenschappelijke aarddraadweerstand; het nadeel is het overmatige gebruik van aarddraden.

Serie-één-puntsaarding betekent dat meerdere modules hetzelfde aarddraadsegment delen. Omdat de equivalente weerstand van het aarddraad spanningsvalt veroorzaakt, hebben de aansluitpunten van verschillende modules verschillende potentiaalverschillen ten opzichte van de aarde. Stromeveranderingen in elk module beïnvloeden het aardpotentiaal, waardoor de schakelingsoptput wordt veranderd en koppelinterferentie ontstaat door gemeenschappelijke aarddraadweerstand. Deze methode heeft eenvoudige bedrading. Multi-puntsaarding wordt vaak gebruikt in hoge-frequentiesystemen, waarbij het aarddraad van elke module zo dicht mogelijk verbonden is met een aardbus. De voordelen hiervan zijn korte aarddraden, lage impedantie en het elimineren van stoorgeluid veroorzaakt door gemeenschappelijke aarddraadimpedantie.

3. Isolatieontwerp voor stroommeters

Een belangrijk doel van isolatieontwerp is om geluidbronnen te scheiden van gevoelige schakelingen. Het kenmerk van isolatieontwerp is dat de stroommeter signaalcommunicatie behoudt met zijn werkomgeving zonder directe elektrische interactie. Belangrijke implementatiemethoden zijn transformatorisolatie, optocouplers, relaisisolatie, isolatieversterkers en layoutisolatie. 

• Transformatorisolatie Pulstransformatoren, die weinig windingen hebben, kleine verdeelde capaciteit (slechts enkele picofarads), en primaire/secundaire windingen die aan tegenovergestelde zijden van het kernstuk zijn gewikkeld, kunnen dienen als isolatiecomponenten voor pulssignalen, waarmee digitale signaalisolatie wordt bereikt.

• Optocouplers Het toevoegen van een optocoupler kan spikes en diverse soorten stoorgeluid onderdrukken. Met optocouplers wordt er geen elektrische interactie tussen het host computersysteem en de communicatiepoort van de stroommeter, waardoor de systeemanti-interferentieprestaties worden verbeterd. Optocouplers kunnen digitale signalen isoleren, maar zijn niet geschikt voor analoge signalen. Algemene methoden voor het isoleren van analoge signalen zijn: A. Spanning-naar-frequentie conversie gevolgd door optocoupling, wat complexe schakelingen oplevert; B. Differentiële versterkers, die een lagere isolatiespanning bieden; C. Isolatieversterkers, die goed presteren maar duur zijn. 

• Relaisisolatie Aangezien er geen elektrische verbinding is tussen de spoel en de contacten van een relais, kan de spoel signalen ontvangen terwijl de contacten ze doorgeven, waardoor het probleem van sterke en zwakke elektrische signalen die elkaar beïnvloeden effectief wordt opgelost en stoorscheiding wordt bereikt.

• Layoutisolatie Isolatie bereiken door middel van PCB-layout, voornamelijk door sterke en zwakke elektrische schakelingen te scheiden.

4. Anti-interferentieontwerp van de gedrukte schakelborden (PCB) voor stroommeters

Het gedrukte schakelbord fungeert als dragend element voor schakelingonderdelen en zorgt voor elektrische verbindingen tussen hen. De kwaliteit van het PCB-ontwerp beïnvloedt direct de anti-interferentiecapaciteit van het systeem. Algemene principes die in het PCB-ontwerp worden nagevolgd, zijn:

• Plaats kristalkristallen zo dicht mogelijk bij de pinnen van de centrale verwerkingseenheid (CPU). Aarde en beveilig de metalen behuizingen, en isoleer de klokgebieden met een aarddraad—deze methode voorkomt veel moeilijke problemen;

• Gebruik lagerfrequente kristallen voor de CPU en houd digitale schakelingen zo langzaam mogelijk, mits de systeemprestatie-eisen worden voldaan;

• Ongebruikte invoer/uitvoerpoorten van de CPU moeten niet zwevend worden gelaten; ze moeten verbonden zijn met het systeemvoeding of aarde, en hetzelfde geldt voor andere chips;

• Minimaliseer de lengte van sporen tussen hoogfrequente componenten. Houd invoer- en uitvoerfunctiecomponenten ver uit elkaar, en plaats storende componenten niet te dicht bij elkaar;

• Voorkom stroomlusjes in lage-frequentie en zwaksignaalcircuits. Indien onvermijdelijk, minimaliseer de lusoppervlakte om geïnduceerde ruis te verminderen;

• Vermijd 90-graadshoeken in systeembedrading om het uitstralen van hoogfrequente ruis te voorkomen;

• Invoer- en uitvoerlijnen in het systeem moeten niet parallel lopen. Voeg een aardlijn toe tussen twee geleiders om reactieve koppeling effectief te voorkomen.

5. Software Betrouwbaarheidsontwerp

5.1 Digitale filterontwerp voor stroommeters 

Momenteel worden verschillende meet-IC's breed toegepast in stroommeters. De centrale processor communiceert met deze meetchips via Serial Peripheral Interface (SPI) of Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) om parameters van het stroomsysteem te verkrijgen. Als de bus gestoord wordt of de meetchip abnormaal functioneert, ontvangt de centrale processor foute gegevens.

Daarom is het integreren van softwarefilters cruciaal. Voor gewone stroomparameters kan de gemiddelde methode worden toegepast: verzamel vijf tot zes datapunten, verwijder de maximale en minimale waarden, en bereken vervolgens het gemiddelde. Voor energiegegevens, schat het dynamische bereik binnen een eenheid van tijd op basis van de nominale werkingsomgeving van de meter; als abnormale energiegegevens verschijnen, kan de software dat dataset weggooien. Andere methoden zijn mediaanfiltering, rekenkundig gemiddelde en eerste-orde laagdoorlaatfiltering. De praktijk heeft bewezen dat het gebruik van softwarefilters de betrouwbaarheid van parameterwaarden maximaal verhoogt.

5.2 Dataverdundingsontwerp voor stroommeters

Om de systeembetrouwbaarheid te verbeteren, kunnen systeeminstellingen en kalibratieparameters gebruikmaken van meerdere back-upontwerpen. Als een set gegevens corrupt raakt, kan een andere back-upset worden geactiveerd. Om gegevensbeveiliging te waarborgen en de overlevingskans van gegevens bij foutieve operaties te vergroten, moeten verschillende datasets verspreid worden opgeslagen.

5.3 Gegevenscontrole en operatiereductieontwerp voor stroommeters

Wanneer de centrale processor instellingen of kalibratieparameters in het geheugen schrijft, kan interferentie ervoor zorgen dat foute gegevens worden geschreven, maar de processor kan de juistheid van de geschreven gegevens niet bepalen. Om correcte gegevensschrijfoperaties te waarborgen, voert het softwareontwerp een "checksum" uit op de te schrijven gegevens en slaat de checksum samen met de gegevens op. Na elke schrijfoperatie wordt een leesoperatie uitgevoerd, en wordt de checksum van de gelezen gegevens vergeleken met de opgeslagen checksum. Als ze niet overeenkomen, wordt de schrijfoperatie herhaald totdat de gegevens correct zijn geschreven. Als het aantal herhaalpogingen het limiet overschrijdt, wordt een schrijffout weergegeven.