Kako izboljšati zanesljivost sistema za merjenje električne energije

S hitrostjo razvoja elektronske industrije so različni instrumenti in merilniki široko uporabljeni v industrijski kontroli in vseh vidikih družbenega življenja. Hkrati so zahteve po zanesljivosti instrumentov vse strožje, in to velja tudi za merilnike energije. Zahteve po zanesljivosti merilnikov energije so določene v tehničnih standardih pametnih merilnikov.

Ti standardi določajo, da mora povprečna življenjska doba merilnikov energije biti vsaj deset let, kar čini zanesljivostni načrtovanje med razvojnim procesom zlasti pomembno. Verjetnost izvedbe zahtevanih funkcij pod določenimi pogoji in v določenem času se imenuje Povprečno Čas Do Napake (MTBF), tudi povprečni interval do napake. MTBF je pogosto uporabljena metrika za merjenje zanesljivosti. Cilj zanesljivostnega načrtovanja merilnikov energije je povečati MTBF produkta in zagotoviti normalno delovanje.

1. Načrtovanje zanesljive programske opreme

Načrtovanje zadrževanja motenj napajalnih sistemov merilnikov energije

Po analizi inženirskih statističnih podatkov pride skozi napajalni sistem v merilnik energije 70 % vseh motenj. Zato je izboljšanje kakovosti napajanja zelo pomembno za zanesljivo delovanje celotnega sistema. Ker je sistem običajno napajan iz omrežne struje, se anti-motninsko načrtovanje napajanja osredotoča predvsem na filtriranje na vhodnem priključku in zadrževanje prehodnih motenj.

2. Načrtovanje zemljanja merilnikov energije

Načrtovanje sistema zemljanja neposredno vpliva na celotno zmogljivost produkta za odpiranje motenj. Dobro načrtovanje lahko blokira zunanje okoljske motnje in učinkovito zadrži notranje sklopne šumove. Spremljanje naslednjih dveh vidikov lahko izboljša zanesljivost sistema: 

Digitalno zemljanje in analogno zemljanje zaradi ostrih robov digitalnih signalov tok v digitalnih vezjih kaže pulzirajoče spremembe. Zato bi v sistemih merilnikov energije bilo smiselno ločeno načrtovati analogno in digitalno zemljanje, ki bi bila povezana samo v eni točki. Analogna in digitalna vezja na platni bi morala biti povezana s svojimi "zemljanji." To učinkovito prepreči, da bi pulzirajoči tok zemljanja digitalnega vezja skozi skupno zemljano impedanco sklopil v analogno vezje, kar bi ustvarilo prehodne motnje. Ko v sistemu obstajajo visokofrekvenčni močni signali, ta motnja postane še bolj izrazita.

Enotočkovno in večtočkovno zemljanje V nizkofrekvenčnih sistemih se zemljanje običajno kombinira s paralelnim enotočkovnim zemljanjem in serijnim enotočkovnim zemljanjem za izboljšanje zmogljivosti. Paralelni enotočkovni zemlji pomeni, da se več modulov zemlja na eni lokaciji, kjer se potencial zemljanja vsakega modula nanaša na njegov tok in upornost. Prednost je v odsotnosti skupne zemljane upornosti, ki bi lahko povzročila sklopne motnje; slabost pa je prevelika uporaba zemljanih vezij.

Serijno enotočkovno zemljanje pomeni, da več modulov deli isti segment zemljane vezije. Ker ekvivalentna upornost zemljane vezije ustvari padec napetosti, imajo različni moduli različne potenciale glede na zemljo. Spremembe toka v kateremkoli modulu vplivajo na potencial zemljanja, kar spremeni izhod vezja in povzroči sklopne motnje skupne zemljane upornosti. Ta metoda ima preprosto vezavo. Večtočkovno zemljanje se običajno uporablja v visokofrekvenčnih sistemih, kjer se zemljana vezija vsakega modula čim bližje poveže s zemljano busbar. Prednosti vključujejo kratke zemljane vezije, nizko uporno in odstranitev motnega šuma, ki ga povzroča skupna zemljana upornost.

3. Izolacijsko načrtovanje merilnikov energije

Eden glavnih ciljev izolacijskega načrtovanja je ločiti virje šuma od občutljivih vezij. Karakteristika izolacijskega načrtovanja je, da merilnik energije ohranja komunikacijo signalov z operativnim okoljem brez neposrednega električnega interakcije. Glavne metode izvedbe vključujejo transformatorsko izolacijo, optično izolacijo, relejsko izolacijo, izolacijske posiljevalnike in izolacijo postavitve. 

• Transformatorska izolacija Impulzni transformatorji, ki imajo malo ovitev, majhno porazdeljeno kapacitancno (samo nekaj pikofaradov) in primarno/sekundarno ovitve na nasprotnih straneh ferrita, lahko služijo kot izolacijski komponenti za impulzne signale, kar doseže izolacijo digitalnih signalov.

• Optična izolacija Dodajanje optokoplerja lahko zadrži vrhunske impulze in razne motnje. Uporaba optične izolacije zagotavlja, da ni električne interakcije med glavnim računalniškim sistemom in komunikacijskim priključkom merilnika energije, kar izboljša zmogljivost sistema za odpiranje motenj. Optokopleri lahko izolirajo digitalne signale, a niso primernejši za analogne signale. Običajne metode za izolacijo analognih signalov vključujejo: A. Pretvorbo napetosti v frekvenco, sledi optična izolacija, kar prinaša zapletene vezije; B. Diferencialne posiljevalnike, ki ponujajo manjšo izolacijsko napetost; C. Izolacijske posiljevalnike, ki delujejo dobro, a so dragi. 

• Relejska izolacija Ker ni električne povezave med bobninami in kontakti releja, lahko bobnine sprejemajo signale, dokler kontakti prenašajo, kar učinkovito reši problem interakcije močnih in šibkih električnih signalov in doseže izolacijo motenj.

• Izolacija postavitve Doseganje izolacije preko postavitve PCB, predvsem ločevanje močnih in šibkih električnih vezij.

4. Anti-motenjsko načrtovanje tiskanih veziv (PCB) za merilnike energije

Tiskano vezje služi kot nosilec vezijskih komponent in zagotavlja električne povezave med njimi. Kakovost načrtovanja PCB neposredno vpliva na zmogljivost sistema za odpiranje motenj. Splošni principi, ki jih sledimo pri načrtovanju PCB, vključujejo:

• Kvarcne oscilatorje postavite čim bližje pinom centralnega procesorskega enota (CPU). Zemljite in zaklenite njihove metalne okvirje, nato izolirajte področje ura z zemljano vezijo - ta metoda prepreči mnogo težav;

• Uporabite nižje frekvenčne kvarce za CPU in održite digitalne vezje čim počasnejše, če zahtevi za zmogljivostjo sistema to dovoljujejo;

• Neuporabljene vhodno/izhodne porte CPU ne smejo biti leteči; jih povežite z sistemsko napajanjem ali zemljanjem, enako velja za druge čipe;

• Zmanjšajte dolžino vezij med visokofrekvenčnimi komponentami. Ostanek vhodnih in izhodnih funkcionalnih komponent čim bolj oddaljeno, in ne postavljajte komponent, ki so občutljivi na motnje, preblizu drug drugemu;

• Izbegajte cikle toka v nizkofrekvenčnih in šibkih signalnih vezjih. Če je to neizbežno, zmanjšajte površino cikla, da zmanjšate inducirani šum;

• Izbegajte 90-stopinjske lokacije vezij v sistemu, da se prepreči emisija visokofrekvenčnega šuma;

• Vhodne in izhodne vezije v sistemu naj se izogibajo vzporednemu tekstu. Dodajte zemljano vezijo med dvema vodičema, da učinkovito preprečite reaktivno sklop.

5. Načrtovanje zanesljivosti programske opreme

5.1 Digitalno filtrovno načrtovanje merilnikov energije 

Trenutno so različni merilni čipi široko uporabljeni v merilnikih energije. Centralni procesorski enota komunicira s temi merilnimi čipi preko Serial Peripheral Interface (SPI) ali Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) za pridobivanje parametrov sistema energije. Če je bus moten ali če merilni čip deluje nenormalno, bo centralni procesorski enota prejel napačne podatke.

Zato je kritično pomembno vključiti programsko filtriranje. Za običajne parametre energije lahko uporabite metodo povprečenja: zbirajte pet do šest točk podatkov, odstranite največjo in najmanjšo vrednost, nato izračunate povprečje. Za podatke o energiji ocenite dinamični obseg v enoti časa na podlagi merilnika, ki je označen za delovanje; če se pojavijo nenormalni podatki o energiji, lahko programska oprema zavrže ta set podatkov. Druge metode vključujejo median filtre, aritmetično povprečenje in prvi redni nizkoprepustni filtri. Praksa je pokazala, da uporaba programskega filtriranja maksimalizira zanesljivost branja parametrov.

5.2 Načrtovanje redundance podatkov za merilnike energije

Za izboljšanje zanesljivosti sistema lahko za nastavitvene parametre in kalibracijske parametre sistema uporabite višjestopenjske varnostne kopije. Če je en set podatkov pokvarjen, lahko aktivirate drugo varnostno kopijo. Da bi zagotovili varnost podatkov in povečali verjetnost preživetja podatkov pri nepravilnih operacijah, bi morali biti shranjeni nekaj setov podatkov v različnih lokacijah.

5.3 Načrtovanje preverjanja podatkov in redundance operacij za merilnike energije

Ko centralni procesorski enota zapiše nastavitvene ali kalibracijske parametre v pomnilnik, lahko motnja povzroči, da se zapišejo napačni podatki, toda procesorski enota ne more določiti pravilnosti zapisanih podatkov. Da bi zagotovili pravilno zapisovanje podatkov, programska oprema izvaja "preverjanje kontrolne vsote" nad podatki, ki se zapisujejo, in shrani kontrolno vsoto skupaj s podatki. Po vsaki operaciji zapisovanja se izvede operacija branja, in kontrolna vsota prebranih podatkov se primerja z shranjeno kontrolno vsoto. Če se ne ujemata, se operacija zapisovanja ponovi, dokler se podatki pravilno ne zapišejo. Če je presegel limit ponovitve, se prikaže napaka zapisovanja.