Jinsi ya Kuimarisha Uaminifu wa Mfumo wa Kipaka Cha Umeme

Kwa maendeleo yasiyofikiwa ya sekta ya umeme, vifaa na mifano mengi yanatumika kwa uraibu katika uongozi wa kiuchumi na maeneo yote ya maisha ya jamii. Pia, matarajio ya uwepo wa vifaa vilivyotumika vimekuwa vinavyokataa zaidi, na power meters hawawezi kuwa na undenge. Matarajio ya uwepo wa power meters yameorodheshwa ndani ya viwango vya teknolojia vya smart meter.

Viwango hivi vyavyoamriwa ni kwamba muda wa kutumika wa wastani wa power meters lazima usiwe chache kuliko miaka minne, kufanya ufumbuzi wa uwepo katika mchakato wa kujenga ukawa muhimu sana. Uwezo wa kukamilisha nyanja zinazotakikana kwa masharti uliyomachukulia na muda uliyotakikana unatafsiriwa kama Mean Time Between Failures (MTBF), au muda wa wastani wa kupungua kwa akili. MTBF ni mstari wa wastani wa kutathmini uwepo. Mataraji ya ufumbuzi wa uwepo wa power meters ni kuongeza MTBF ya bidhaa na kuaminisha utaratibu sahihi.

1.Ufumbuzi wa Uwepo wa Hardware

Ufundishaji wa Kuondokana na Ongezeko la Umeme kwa Power Meters

Kulingana na tathmini ya data ya uhandisi, asilimia 70 ya ongezeko linalopanda kwenye mfumo wa power meter linapanda kupitia umeme. Kwa hiyo, kuboresha ubora wa umeme ni muhimu sana kwa kutuma kazi bila kusikitika ya mfumo wote. Tangu umeme wa mfumo anapopatikana kutoka kwa umeme wa jumla, ufundishaji wa kuondokana na ongezeko unaonekana zaidi katika kuondokana na ongezeko kwenye mlango wa kuingiza na kuzuia ongezeko la muda mfupi.

2. Ufundishaji wa Grounding kwa Power Meters

Ufundishaji wa mfumo wa grounding unadhibiti uwepo wa bidhaa nzima. Ufundishaji mzuri unaweza kuzuia ongezeko la mazingira yenye nje na kuzuia magumu yanayolipana ndani. Kutambua sehemu mbili ifuatayo inaweza kuboresha uwepo wa mfumo: 

Digital Ground na Analog Ground Kwa sababu ya mikono ya digital signals, mapinduzi ya current za digital circuits yanaweza kuwa na ongezeko la muda mfupi. Kwa hiyo, analog ground na digital ground yanapaswa kufundishwa tofauti katika mfumo wa power meter, kununganishwa tu moja kwenye sehemu moja. Circuits ya analog na digital za PCB zinapaswa kunitumiana kwenye "grounds" zao masingine. Hii inaweza kuzuia current ya ground ya digital circuit kutoka kwenye circuit ya analog kupitia impedance ya ground iliyoshiriki, kubuni ongezeko la muda mfupi. Waktu signali kali na mwingi zipo kwenye mfumo, ongezeko hili linakuwa zaidi.

Single-Point na Multi-Point Grounding Katika mfumo wa mzunguko wa chini, grounding huunganishwa na parallel single-point grounding na series single-point grounding ili kuboresha performance. Parallel single-point grounding inamaanisha kuunganisha wires za ground za modules mingi pamoja kwenye sehemu moja, ambapo potential ya ground ya module yoyote inasambulika kwa current na resistance zake mwenyewe. Faida yake ni hakuna interference kutokana na resistance ya wire ya ground iliyoshiriki; hasara yake ni umuhimu wa wires za ground zingine.

Series single-point grounding inamaanisha modules mingi kunashirikiana na wire segment moja ya ground. Kwa sababu ya voltage drops kutokana na equivalent resistance ya wire ya ground, points za connection za modules tofauti zina potential tofauti kwa earth. Mapinduzi ya current katika module yoyote yanaweza kubadilisha potential ya ground, kubadilisha output ya circuit na kusababisha interference kutokana na resistance ya wire ya ground iliyoshiriki. Njia hii ina wiring rahisi. Multi-point grounding inatumika sana katika mfumo wa mzunguko wa juu, ambapo wire ya ground ya kila module huanzishwa karibu na busbar ya ground. Faida zake ni wires za ground fupi, impedance chache, na uondokana na noise kutokana na resistance ya wire ya ground iliyoshiriki.

3. Ufundishaji wa Isolation kwa Power Meters

Lengo kuu la ufundishaji wa isolation ni kugawanya sources za noise kutoka kwa circuits zenye sensitivity. Sifa ya ufundishaji wa isolation ni kwamba power meter anaweza kudumu na mawasiliano ya signal na mazingira yake ya kutumika bila interaction ya umeme mtupu. Njia muhimu za kutatua ni transformer isolation, opto-isolation, relay isolation, isolation amplifiers, na layout isolation. 

• Transformer Isolation Pulse transformers, wenye turns chache, distributed capacitance chache (vile tu picofarads chache), na primary/secondary windings zinazozunguka upande wa core, zinaweza kutumika kama components za isolation kwa pulse signals, kufanyia digital signal isolation.

• Opto-Isolation Kuongeza optocoupler inaweza kuzuia spike pulses na aina mbalimbali za noise interference. Kutumia opto-isolation inahakikisha kuwa hakuna interaction ya umeme kati ya mfumo wa host computer na port ya communication ya power meter, kuboresha performance ya anti-interference ya mfumo. Optocouplers zinaweza kufanya digital signal isolation lakini si sawa na analog signals. Njia za kawaida za kutatua analog signal isolation ni: A. Voltage-to-frequency conversion followed by opto-isolation, ambayo inaweza kuunda circuits ngumu; B. Differential amplifiers, ambazo zinaweza kuwa na isolation voltage chache; C. Isolation amplifiers, ambazo zinafanya vizuri lakini ni magumu kupata.

• Relay Isolation Kwa sababu hakuna connection ya umeme kati ya coil na contacts za relay, coil inaweza kupata signals wakati contacts zinatuma, kufanya kazi ya kutatua tatizo la signals za umeme ngumu na chache kukutana na kutatua interference.

• Layout Isolation Kutatua isolation kupitia PCB layout, kuuambia kwa kugawanya circuits za umeme ngumu na chache.

4. Ufundishaji wa Anti-Interference wa Printed Circuit Board (PCB) kwa Power Meters

Board ya printed circuit inaserve kama carrier ya components za circuit na hutumia connections za umeme kati yao. Ubora wa ufundishaji wa PCB unadhibiti uwepo wa anti-interference wa mfumo. Principles muhimu za kutumika katika ufundishaji wa PCB ni:

• Weka crystal oscillators karibu sana na pins za central processing unit (CPU). Ground na secure metal cases yao, basi isolate clock area kwa wire ya ground—njo hii inaweza kuzuia tatizo mengi;

• Tumia crystals za mzunguko wa chini kwa CPU na weka digital circuits wakati wote wa chini, ikiwa requirements za performance ya mfumo imetumaini;

• Input/output ports za CPU zisizotumika zinapaswa kutumika sana; zinapaswa kuunganishwa na system power au ground, na hivyo pia kwa chips nyingine;

• Punguza length ya traces kati ya components za mzunguko wa juu. Weka components za input na output mbali sana, na usitoe components zenye sensitivity karibu sana;

• Aidha loops za current katika circuits za mzunguko wa chini na weak-signal. Ikiwa haiwezekani, punguza loop area ili kupunguza noise iliyolipana;

• Aidha bends za 90-degrees katika wiring ya mfumo ili kupunguza noise ya mzunguko wa juu;

• Lines za input na output katika mfumo zinapaswa aidha kutembea parallel. Ongeza line ya ground kati ya conductors watano ili kupunguza reactive coupling.

5. Ufundishaji wa Software Reliability

5.1 Digital Filtering Design for Power Meters 

Sasa, ICs zenye measurements mengi yanatumika kwa wingi katika power meters. Central processor hunazungumzia na chips hizi za measurements kupitia Serial Peripheral Interface (SPI) au Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) ili kupata parameters za system ya umeme. Ikiwa bus itapewa interference au chip ya measurements itafanya kazi isiyosafi, central processor itapokea data isiyosafi.

Kwa hiyo, kutumia software filtering ni muhimu sana. Kwa parameters za umeme wanaweza kutumia njia ya averaging: kusanyika data points tano hadi sita, oda max na min values, basi calculate average. Kwa data ya energy, estimate dynamic range katika muda wa moja kwa moja kulingana na rated operating environment ya meter; ikiwa data ya energy isiyosafi itapatelekea, software inaweza kuondokana na set hiyo ya data. Njia nyingine ni median filtering, arithmetic averaging, na first-order low-pass filtering. Matokeo yameonyesha kuwa kutumia software filtering inaweza kuboresha reliability ya parameter readings.

5.2 Data Redundancy Design for Power Meters

Ili kuboresha reliability ya mfumo, system setting parameters na calibration parameters zinaweza kutumia designs za multi-backup. Ikiwa set moja ya data itapotea, set nyingine ya backup inaweza kutumika. Ili kuhakikisha security ya data na kuboresha probability ya data survival kwenye operations isiyosafi, vituo vigumu vya data vinapaswa kutumika.

5.3 Data Verification and Operation Redundancy Design for Power Meters

Wakati central processor anandai setting au calibration parameters kwenye memory, interference inaweza kusababisha data isiyosafi kutengenezwa, lakini processor hawezi kujua ukweli wa data iliyotengenezwa. Ili kuhakikisha data sahihi inatengenezwa, design ya software inafanya "checksum" kwa data inayotengenezwa na kutumia checksum hii pamoja na data. Baada ya kila operation ya writing, operation ya reading inafanyika, na checksum ya data iliyosoma inahesabiwa na kutambuliwa na checksum iliyohifadhiwa. Ikiwa hayawahusiana, operation ya writing inajarudi mpaka data inaweza kutengenezwa sahihi. Ikiwa limit ya jaribio itapita, error ya writing inaonyeshwa.