Як підвищити надійність системи електроенергетичних лічильників

З поширенням електронної промисловості різноманітні прилади та лічильники широко використовуються в промисловому контролі та усіх аспектах суспільного життя. Одночасно вимоги до надійності приладів стають все більш високими, і лічильники електроенергії не є винятком. Вимоги до надійності лічильників електроенергії визначаються в технічних стандартах для інтелектуальних лічильників.

Ці стандарти встановлюють, що середній термін служби лічильників електроенергії повинен бути не менше десяти років, що робить проектування надійності особливо важливим під час процесу розробки. Ймовірність виконання необхідних функцій за заданих умов та протягом заданого періоду називається середнім міжнародним часом на відмову (MTBF), також відомий як середній інтервал між відмовами. MTBF є загальним показником для вимірювання надійності. Метою проектування надійності лічильників електроенергії є збільшення MTBF продукту та забезпечення нормальної роботи.

1. Проектування надійності апаратної частини

Дизайн підавлення завад живлення для лічильників електроенергії

Згідно з аналізом інженерних статистичних даних, 70% завад у системах лічильників електроенергії входять через живлення. Тому покращення якості живлення має велике значення для надійної роботи всієї системи. Оскільки система живлення зазвичай отримує електроенергію з мережі, дизайн підавлення завад для живлення головним чином зосереджується на фільтрації на вхідному порті та підавленні трансієнтних завад.

2. Дизайн заземлення для лічильників електроенергії

Дизайн системи заземлення безпосередньо впливає на здатність всього продукту до підавлення завад. Хороший дизайн може блокувати зовнішні завади та ефективно підавляти внутрішні наведені шуми. Розгляд двох аспектів може поліпшити надійність системи: 

Цифрове заземлення та аналогове заземлення З огляду на гострі краї цифрових сигналів, струми в цифрових схемах проявляються імпульсними змінами. Тому аналогове заземлення та цифрове заземлення повинні бути розроблені окремо в системах лічильників електроенергії, з'єднані лише в одній точці. Аналогові та цифрові схеми на платі повинні бути з'єднані зі своїми відповідними "заземленнями". Це ефективно запобігає наведенню імпульсних струмів цифрової схеми в аналогову схему через спільну опір заземлення, формуючи трансієнтні завади. Коли в системі існують високочастотні великі сигнали, ця завада стає більш значущою.

Одноточкове та багатоточкове заземлення У низькочастотних системах, заземлення зазвичай поєднує паралельне одноточкове заземлення з послідовним одноточковим заземленням для покращення продуктивності. Паралельне одноточкове заземлення означає з'єднання кількох модульних проводів заземлення разом в одному місці, де потенціал заземлення кожного модуля пов'язаний з його власним струмом та опором. Перевага полягає у відсутності наведення завад від спільного опору проводу заземлення; недолік - надмірне використання проводів заземлення.

Послідовне одноточкове заземлення означає, що кілька модулів діляться одним відрізком проводу заземлення. Через еквівалентний опір проводу заземлення створюються напругові спади, тому точки з'єднання різних модулів мають різні потенціали відносно землі. Зміни струму в будь-якому модулі впливають на потенціал заземлення, змінюючи вихід схеми та викликаючи наведення завад від спільного опору проводу заземлення. Цей метод має просте кабелювання. Багатоточкове заземлення часто використовується в високочастотних системах, де провод заземлення кожного модуля з'єднується з автобусом заземлення максимально близько. Переваги включають короткі провода заземлення, низький імпеданс та виключення завадних шумів, викликаних спільним опором проводу заземлення.

3. Дизайн ізоляції для лічильників електроенергії

Основна мета дизайну ізоляції - відокремити джерела шуму від чутливих схем. Особливістю дизайну ізоляції є те, що лічильник електроенергії підтримує зв'язок сигналів зі своїм оточенням без безпосереднього електричного взаємодії. Основні методи реалізації включають трансформаторну ізоляцію, оптоізоляцію, реле-ізоляцію, ізоляційні підсилювачі та ізоляцію компонування. 

• Трансформаторна ізоляція Пульсові трансформатори, які мають мало витків, малу розподілену ємність (тільки кілька пікофарад) та первинні/вторинні обмотки, намотані з протилежних сторін сердечника, можуть служити як ізоляційні компоненти для пульсових сигналів, досягаючи ізоляції цифрових сигналів.

• Оптоізоляція Додавання оптокуплера може підавити імпульсні стриби та різні завади. Використання оптоізоляції забезпечує відсутність електричного взаємодії між системою головного комп'ютера та комунікаційним портом лічильника електроенергії, покращуючи антизавадні характеристики системи. Оптокуплери можуть ізольювати цифрові сигнали, але не підходять для аналогових сигналів. Звичайні методи ізоляції аналогових сигналів включають: A. Перетворення напруги на частоту, за яким слідує оптоізоляція, що призводить до складних схем; B. Диференціальні підсилювачі, які мають нижчу ізоляційну напругу; C. Ізоляційні підсилювачі, які добре працюють, але дорогі. 

• Реле-ізоляція Оскільки немає електричного з'єднання між катушкою та контактами реле, катушка може отримувати сигнали, а контакти передавати їх, ефективно вирішуючи проблему взаємодії сильних та слабких електричних сигналів та досягаючи ізоляції завад.

• Ізоляція компонування Досягнення ізоляції через компонування печатної плати, головним чином відокремлення сильних та слабких електричних схем.

4. Антизавадний дизайн печатної плати (PCB) для лічильників електроенергії

Печатна плата служить носієм для компонентів схеми та забезпечує електричні з'єднання між ними. Якість дизайну печатної плати безпосередньо впливає на антизавадні характеристики системи. Загальні принципи, які використовуються в дизайну печатної плати, включають:

• Розміщуйте кварцеві генератори якомога ближче до пінів центрального процесора (CPU). Заземліть та закріпіть їх металеві корпуси, а потім ізольуйте область годинника заземлюючим проводом - цей метод допомагає уникнути багатьох складних проблем;

• Використовуйте кварці з нижчою частотою для CPU та тримайте цифрові схеми якомога повільнішими, якщо це не суперечить вимогам до продуктивності системи;

• Не залишайте невикористаними вхідні/вихідні порти CPU плаваючими; вони повинні бути з'єднані з системним живленням або заземленням, і той самий принцип застосовується до інших чипів;

• Мінімізуйте довжину проводів між високочастотними компонентами. Тримайте функціональні компоненти вводу/виводу далеко один від одного, і не розміщуйте завадоємні компоненти занадто близько одне до одного;

• Уникайте замкнених контурів струму в низькочастотних та слабкосигнальних схемах. Якщо це неминуче, зменшіть площу контура, щоб знизити наведений шум;

• Уникайте 90-градусних кутів в проводінні системи, щоб запобігти випромінюванню високочастотних завад;

• Лінії вводу/виводу в системі не повинні бути паралельними. Додайте провід заземлення між двома провідниками, щоб ефективно запобігти реактивному з'єднанню.

5. Проектування надійності програмного забезпечення

5.1 Дизайн цифрового фільтрування для лічильників електроенергії 

Наразі різноманітні вимірювальні інтегральні схеми широко використовуються в лічильниках електроенергії. Центральний процесор зв'язується з цими вимірювальними чипами через серійний периферійний інтерфейс (SPI) або універсальний асинхронний приймач/передавач (UART) для отримання параметрів енергетичної системи. Якщо шина заваджена або вимірювальний чип працює неправильно, центральний процесор отримає неправильні дані.

Тому включення програмного фільтрування є критично важливим. Для звичайних параметрів електроенергії можна використовувати метод усереднення: зібрати п'ять-шість точок даних, видалити максимальне та мінімальне значення, а потім обчислити середнє. Для даних енергії, оцініть динамічний діапазон за одиницю часу на основі номінального режиму роботи лічильника; якщо з'являються аномальні дані енергії, програмне забезпечення може відкинути цей набір даних. Інші методи включають медіанне фільтрування, арифметичне усереднення та фільтрування нижніми частотами першого порядку. Практика довела, що використання програмного фільтрування максимізує надійність читання параметрів.

5.2 Дизайн надлишковості даних для лічильників електроенергії

Для покращення надійності системи, параметри налаштування системи та калібрувальні параметри можуть використовувати багатозапасні дизайн. Якщо один набір даних пошкоджено, можна активувати інший резервний набір. Для забезпечення безпеки даних та збільшення ймовірності виживання даних при помилкових операціях, кілька наборів даних повинні бути збережені в розкиданих місцях.

5.3 Дизайн перевірки даних та надлишковості операцій для лічильників електроенергії

Коли центральний процесор записує параметри налаштування або калібрування в пам'ять, завади можуть призвести до запису неправильних даних, але процесор не може визначити правильність записаних даних. Для забезпечення правильного запису даних, дизайн програмного забезпечення виконує "перевірку суми контролю" даних, які будуть записані, та зберігає цю суму контролю разом з даними. Після кожного запису виконується операція читання, і сума контролю прочитаних даних порівнюється з збереженою сумою контролю. Якщо вони не збігаються, операція запису повторюється, поки дані не будуть правильно записані. Якщо межа повторних спроб перевищена, відображається помилка запису.