Как улучшить надежность системы учета электроэнергии

С быстрым развитием электронной промышленности различные приборы и измерительные устройства широко используются в промышленном контроле и во всех аспектах общественной жизни. В то же время требования к надежности приборов становятся все выше, и счетчики электроэнергии не являются исключением. Требования к надежности счетчиков электроэнергии определены в технических стандартах для умных счетчиков.

Эти стандарты предписывают, что средний срок службы счетчиков электроэнергии должен быть не менее десяти лет, что делает проектирование надежности особенно важным в процессе разработки. Вероятность выполнения требуемых функций в заданных условиях и в течение заданного времени называется средним временем между отказами (MTBF), также известным как среднее время между сбоями. MTBF является общепринятой метрикой для измерения надежности. Целью проектирования надежности для счетчиков электроэнергии является увеличение MTBF продукта и обеспечение его нормальной работы.

1. Проектирование аппаратной надежности

Подавление помех питания для счетчиков электроэнергии

Согласно анализу инженерных статистических данных, 70% помех в системах счетчиков электроэнергии поступают через питание. Поэтому улучшение качества питания имеет большое значение для надежной работы всей системы. Поскольку система питания обычно получает энергию от сети, антиинтерференционное проектирование питания в основном сосредоточено на фильтрации на входе и подавлении переходных помех.

2. Проектирование заземления для счетчиков электроэнергии

Проектирование системы заземления напрямую влияет на общую способность продукта противостоять помехам. Хороший дизайн может блокировать внешние экологические помехи и эффективно подавлять внутренние связанные шумы. Учет следующих двух аспектов может улучшить надежность системы: 

Цифровое заземление и аналоговое заземление Из-за острых краев цифровых сигналов токи в цифровых цепях имеют импульсный характер. Поэтому в системах счетчиков электроэнергии аналоговое заземление и цифровое заземление должны проектироваться отдельно, соединяясь только в одной точке. Аналоговые и цифровые цепи на печатной плате должны быть подключены к своим соответствующим "землям". Это эффективно предотвращает импульсный ток земли цифровой цепи от связи с аналоговой цепью через общий импеданс земли, образуя переходные помехи. Когда в системе существуют высокочастотные большие сигналы, эта помеха становится более значительной.

Одноточечное и многоточечное заземление В низкочастотных системах заземление обычно сочетает параллельное одноточечное заземление с последовательным одноточечным заземлением для улучшения производительности. Параллельное одноточечное заземление означает соединение нескольких модульных проводников заземления в одной точке, где потенциал заземления каждого модуля связан с его собственным током и сопротивлением. Его преимущество заключается в отсутствии связанных помех от общего сопротивления провода заземления; недостатком является чрезмерное использование проводов заземления.

Последовательное одноточечное заземление означает, что несколько модулей используют один и тот же участок провода заземления. Поскольку эквивалентное сопротивление провода заземления создает падение напряжения, точки соединения различных модулей имеют различный потенциал относительно земли. Изменения тока в любом модуле влияют на потенциал заземления, изменяя выход цепи и вызывая связанные помехи от общего сопротивления провода заземления. Этот метод отличается простотой проводки. Многоточечное заземление часто используется в высокочастотных системах, где каждый модульный провод заземления подключается к шине заземления как можно ближе. Его преимущества включают короткие провода заземления, низкий импеданс и устранение шума помех, вызванного общим сопротивлением провода заземления.

3. Проектирование изоляции для счетчиков электроэнергии

Основная цель проектирования изоляции — отделить источники шума от чувствительных цепей. Характерной особенностью изоляционного проектирования является то, что счетчик электроэнергии поддерживает сигналы связи с окружающей средой без прямого электрического взаимодействия. Основные методы реализации включают трансформаторную изоляцию, оптическую изоляцию, релейную изоляцию, изолирующие усилители и планировочную изоляцию. 

• Трансформаторная изоляция Импульсные трансформаторы, имеющие мало витков, малую распределенную емкость (всего несколько пикофарад) и первичные/вторичные обмотки, намотанные на противоположных сторонах сердечника, могут служить компонентами изоляции для импульсных сигналов, обеспечивая изоляцию цифровых сигналов.

• Оптическая изоляция Добавление оптопары может подавлять импульсные помехи и различные шумы. Использование оптической изоляции обеспечивает отсутствие электрического взаимодействия между основной системой компьютера и портом связи счетчика электроэнергии, улучшая антиинтерференционные характеристики системы. Оптопары могут изолировать цифровые сигналы, но не подходят для аналоговых сигналов. Общие методы изоляции аналоговых сигналов включают: A. Преобразование напряжения в частоту, за которым следует оптическая изоляция, что приводит к сложным схемам; B. Дифференциальные усилители, которые предлагают меньшее изолирующее напряжение; C. Изолирующие усилители, которые работают хорошо, но дорогостоящи. 

• Релейная изоляция Поскольку между катушкой реле и контактами нет электрического соединения, катушка может принимать сигналы, в то время как контакты передают их, эффективно решая проблему взаимодействия сильных и слабых электрических сигналов и обеспечивая изоляцию помех.

• Планировочная изоляция Достижение изоляции через планировку печатной платы, в основном путем разделения сильных и слабых электрических цепей.

4. Проектирование защиты от помех для печатных плат счетчиков электроэнергии

Печатная плата служит носителем для компонентов цепей и обеспечивает электрические соединения между ними. Качество проектирования печатной платы напрямую влияет на антиинтерференционные характеристики системы. Общие принципы, используемые в проектировании печатных плат, включают:

• Располагайте кварцевые генераторы как можно ближе к выводам центрального процессора (CPU). Заземлите и закрепите их металлические корпуса, затем изолируйте область тактового генератора с помощью провода заземления — этот метод предотвращает многие трудные проблемы;

• Используйте кварцевые генераторы с меньшей частотой для CPU и держите цифровые цепи максимально медленными, при условии, что требования к производительности системы выполняются;

• Не оставляйте свободными входы/выходы CPU, они должны быть подключены к системному питанию или заземлению, то же самое относится и к другим микросхемам;

• Минимизируйте длину трасс между высокочастотными компонентами. Держите функциональные компоненты входа и выхода далеко друг от друга, и не размещайте компоненты, подверженные помехам, слишком близко друг к другу;

• Избегайте токовых петель в низкочастотных и слабосигнальных цепях. Если это невозможно, минимизируйте площадь петли, чтобы уменьшить индуцированный шум;

• Избегайте углов в 90 градусов в проводке системы, чтобы предотвратить излучение высокочастотного шума;

• Линии входа и выхода в системе должны избегать параллельного расположения. Добавьте провод заземления между двумя проводниками, чтобы эффективно предотвратить реактивное соединение.

5. Проектирование программной надежности

5.1 Проектирование цифровой фильтрации для счетчиков электроэнергии 

В настоящее время в счетчиках электроэнергии широко используются различные измерительные ИС. Центральный процессор общается с этими измерительными чипами через последовательный периферийный интерфейс (SPI) или универсальный асинхронный приемопередатчик (UART) для получения параметров системы питания. Если шина подвергается воздействию помех или измерительный чип работает ненормально, центральный процессор будет получать неверные данные.

Поэтому внедрение программной фильтрации крайне важно. Для обычных параметров мощности можно использовать метод усреднения: собрать пять-шесть точек данных, удалить максимальные и минимальные значения, а затем рассчитать среднее. Для энергетических данных можно оценить динамический диапазон в единицу времени на основе номинальных условий работы счетчика; если появляются аномальные энергетические данные, программа может отбросить этот набор данных. Другие методы включают медианную фильтрацию, арифметическое усреднение и фильтрацию первого порядка. Практика показала, что использование программной фильтрации максимизирует надежность чтения параметров.

5.2 Проектирование резервирования данных для счетчиков электроэнергии

Для повышения надежности системы параметры настройки системы и калибровочные параметры могут использовать многорезервное проектирование. Если один набор данных поврежден, можно активировать другой резервный набор. Чтобы обеспечить безопасность данных и повысить вероятность выживаемости данных при ошибочных операциях, несколько наборов данных следует хранить в разных местах.

5.3 Проектирование проверки данных и резервирования операций для счетчиков электроэнергии

Когда центральный процессор записывает параметры настройки или калибровки в память, помехи могут привести к записи неверных данных, но процессор не может определить правильность записанных данных. Чтобы обеспечить правильную запись данных, программное обеспечение выполняет контрольную сумму данных, подлежащих записи, и сохраняет контрольную сумму вместе с данными. После каждой операции записи выполняется операция чтения, и контрольная сумма прочитанных данных сравнивается с сохраненной контрольной суммой. Если они не совпадают, операция записи повторяется до тех пор, пока данные не будут правильно записаны. Если количество попыток превышает предел, отображается ошибка записи.