Экономичный дизайн с защитой от помех для цифровых электросчетчиков: прохождение тестов на 4 кВ EFT и 15 кВ ESD

I. Обзор​

Это решение разработано для решения серьезных проблем, с которыми сталкиваются традиционные цифровые электросчетчики в сложных промышленных электромагнитных условиях, особенно ключевой болевой точки недостаточной способности к противодействию помехам. Благодаря серии ключевых инновационных конструкций аппаратных схем, это решение значительно повышает способность счетчика выдерживать импульсные электрические переходы (EFT) и электростатические разряды (ESD). Одновременно оно оптимизирует системную архитектуру, достигая двойной цели улучшения надежности и оптимизации затрат, предоставляя стабильную и точную основу данных для мониторинга энергосистем.

​II. Предпосылки и цели​

​1. Анализ проблемы​

Традиционные счетчики имеют конструктивные недостатки. Соединительный интерфейс между их модулем отображения и основной платой управления часто не имеет эффективных мер защиты от электромагнитной совместимости (EMC). Это приводит к плохим результатам при испытаниях на устойчивость, сопротивление EFT значительно ниже требований промышленного применения, что серьезно влияет на стабильную работу в реальных условиях распределения.

​2. Основные цели​

• ​Улучшение производительности:​​ Значительно повысить EMC счетчика, обеспечив его прохождение строгих испытаний уровня 4 кВ по EFT и высокого уровня по ESD.
• ​Стабильная работа:​​ Гарантировать долгосрочную, безотказную работу счетчика в условиях энергообъектов, наполненных импульсными и электростатическими помехами, обеспечивая непрерывное сбор и передачу данных.
• ​Оптимизация структуры:​​ Упростить конструкцию схем, снизить количество внешних компонентов и контролировать/снижать стоимость аппаратных средств, одновременно повышая производительность.

​III. Общая системная архитектура​

Счетчик использует модульный дизайн, центрированный вокруг основного контроллера, с четкой структурой и ясным распределением обязанностей. Он включает следующие основные блоки:

• ​Основной блок управления:​​ "Мозг" системы, отвечающий за вычисления данных, логическое управление и планирование системы.
• ​Блок сбора сигналов:​​ Отвечает за сбор и предварительную обработку исходных трехфазных сигналов напряжения и тока от сети питания.
• ​Блок управления питанием:​​ Предоставляет стабильное, изолированное многоканальное рабочее питание для всех функциональных модулей.
• ​Блок человеко-машинного взаимодействия (HMI):​​ Включает модуль управления отображением для локального отображения параметров.
• ​Блок данных связи:​​ Предоставляет интерфейс RS485 для обмена данными с удаленными системами мониторинга.
• ​Блок хранения данных и часов:​​ Используется для хранения исторических данных и предоставления точного временного эталона.
• ​Ключевое новшество: специализированный модуль защиты от помех:​​ Центральный аспект этого решения, добавляющий защитные модули для критических путей сигналов.

​IV. Ключевые технологические прорывы​

​1. Дизайн фильтра EFT с использованием специализированных фильтров​

• ​Инновационный подход:​​ Точно определены линии связи между модулем управления отображением и основным контроллером как уязвимые точки для проникновения EFT. Соответственно, мы спроектировали независимые каналы фильтрации для каждой линии сигнала связи.
• ​Реализация:​​ Конденсатор определенной величины подключен параллельно от каждой линии связи к земле, образуя простую сеть низкочастотного фильтра. Этот конденсатор эффективно поглощает энергию высокочастотных импульсов, генерируемых EFT на сигнальных линиях, тем самым защищая интерфейс основного контроллера от помех.
• ​Результат:​​ Этот крайне недорогой дизайн повышает устойчивость счетчика к EFT до 4 кВ, решая недостаток традиционных счетчиков в этой области.

​2. Оптимизация системы защиты от помех для основного управления​

• ​Оптимизация цепи часов:​​ Отказались от использования традиционных высокочастотных кварцевых резонаторов, склонных к помехам, выбрав вместо них низкочастотный кварцевый резонатор в качестве основного источника тактовых сигналов. Низкочастотные сигналы часов по своей природе обладают более высокой устойчивостью к помехам, снижая вероятность воздействия на систему в целом.
• ​Упрощение системной интеграции:​​ Полностью использовали высокую степень интеграции современных основных контроллеров. Внутренняя интеграция аналогово-цифрового преобразователя (ADC) и конденсаторов компенсации осциллятора исключает необходимость во внешних дискретных компонентах.
• ​Общие преимущества:​​
• Оптимизированная цепь часов значительно повышает способность счетчика противостоять внешним электростатическим помехам, позволяя ему легко проходить самые высокие уровни испытаний на ESD.
• Высокоинтегрированный дизайн упрощает разводку печатной платы, сокращает количество компонентов, тем самым не только снижая затраты на материалы, но и повышая производственную эффективность и общую надежность.

​V. Преимущества и ценность решения​

​1. Исключительная надежность​

• Способен стабильно работать в условиях EFT-помех, превышающих 4 кВ, и ESD-помех, превышающих 15 кВ, соответствуя самым строгим промышленным стандартам.
• Оптимизированная аппаратная основа обеспечивает точность времени сбора данных и долгосрочную стабильность измерений.

​2. Значительная экономическая эффективность​

• Прямое снижение затрат на закупку материалов за счет сокращения количества внешних компонентов.
• Упрощенный дизайн повышает первый выход годных и снижает затраты на послепродажное обслуживание, предоставляя клиентам преимущество в жизненном цикле стоимости.

​3. Отличная технологичность производства​

• Применяемые меры защиты от помех используют стандартные, зрелые, универсальные компоненты. Дизайн прост и надежен, что делает его идеально подходящим для крупномасштабного массового производства, обеспечивая согласованность и высокое качество продукции.