고성능 디지털 전력계: 3상 시스템 모니터링을 위한 간섭 방지 솔루션

I. 개요

이 솔루션은 고성능 주 제어 칩과 다중 모듈 협업 아키텍처를 활용하여 3상 전력망 매개변수의 정확한 수집, 처리, 표시 및 원격 전송을 달성하여 전력 시스템의 실시간 모니터링 요구 사항을 충족합니다. 측정 정확도를 보장하면서 이 디지털 전력계는 여러 기술적 혁신을 통해 간섭 문제를 효과적으로 해결하고 생산 비용을 최적화합니다.

II. 전체 계측기 구조 및 기능

시스템 아키텍처

"주 제어 칩을 핵심으로, 다중 모듈 협업" 아키텍처 모델을 채택하여 데이터 수집, 처리, 표시 및 전송의 통합 기능을 실현합니다.

핵심 모듈 기능

1. 주 제어 칩 모듈
• 코어 장치: MSP430F5438A 칩
• 통합 기능: AD 변환 회로, 고주파 수정 진동 회로, 저주파 수정 진동 회로
• 주요 책임: 시스템 모듈 제어 및 데이터 신호 처리
• 특별 설계: 저주파 수정 진동 회로에는 내장 보상 커패시터가 있으며, 주 빈도 입력은 32768Hz 저주파 수정에만 연결됩니다.
2. 신호 수집 회로 모듈
• 전압 수집: 3상 그리드 전압 감소 분배 회로
• 전류 수집: 3상 전류 변환기
• 신호 조건: 오퍼레이션 앰프 회로(증폭 및 레벨 변환)
• 채널 구성: 전압 아날로그 샘플링 채널, 전류 아날로그 샘플링 채널
• 기능: 3상 전압 및 전류 신호의 정확한 수집을 달성합니다.
3. 보조 기능 모듈
• 실시간 시계 (RTC): 정확한 시간 기준을 제공하여 데이터 타임스탬프 정확성을 보장합니다.
• 내부 정보 메모리: 계측기 운영 매개변수 및 수집된 데이터 저장, 내용 수정 지원
• 표시 제어 모듈: 전력망 매개변수 표시, 간섭 보호 장치 장착
• 통신 인터페이스: RS485 인터페이스, 원격 모니터링 컴퓨터와의 실시간 데이터 업로드 지원
• 전원 공급 모듈: 다단계 전원 출력
  • 5V 출력: 신호 수집 회로 모듈용
  • 3.3V 출력: 주 제어 칩, RTC, 메모리, 표시 제어 모듈용
  • 격리 5V 출력: 통신 인터페이스용

III. 핵심 기술적 개선 및 장점

1. 중성선 간섭 해결 방안
• 전통적인 문제
• 중성선은 1.496MΩ의 총 저항을 가진 4개의 저항을 통과해야 합니다.
• 중성선 도체가 부유할 때 간섭에 취약합니다.
• 전압이 적용되지 않을 때 3상 전압 표시가 비정상적입니다.
• 데이터가 불안정하여 샘플링 및 측정 정확도에 영향을 미칩니다.
• 개선된 설계
• 전압 아날로그 샘플링 채널의 중성선은 시스템 접지에 직접 연결됩니다.
• 기술적 장점
• 중성선 간섭 문제를 완전히 해결합니다.
• 4개의 중성선 저항을 제거하여 회로 설계를 단순화합니다.
• 생산 난이도와 비용을 줄입니다.
2. 반-EFT 간섭 설계
• 설계 솔루션
• 표시 제어 모듈과 주 제어 칩 사이에 반-EFT 모듈을 배치합니다.
• 모듈은 4개의 커패시터(C1-C4)로 구성되며, 각각의 통신 신호선과 일대일 대응합니다.
• 커패시터 사양: C1, C3, C4는 10000pF; C2는 3300pF입니다.
• 커패시터의 한쪽 끝은 신호선에 연결되고, 다른 끝은 접지됩니다.
• 기술적 장점
• 각 통신 신호선에 대한 효과적인 보호를 제공합니다.
• 4kV EFT 내성 테스트를 통과합니다.
• 강력한 반-EFT 능력을 갖춥니다.
3. 정전기 방전 및 클럭 안정성 최적화
• 크리스탈 진동기 구성
• 주 제어 칩의 주 빈도 입력은 32768Hz 저주파 수정에만 연결됩니다.
• 칩의 내부 저주파 진동기 회로에는 내장 보상 커패시터가 있습니다.
• 세 가지 장점
• ESD 성능: 15kV 공기 방전 ESD 테스트를 통과하며, 안정적으로 작동합니다.
• 클럭 정확도: 주파수 분할을 통해 초 클럭을 생성하여 ADC 샘플링 클럭의 안정성을 보장합니다.
• 회로 단순화: 외부 AD 변환 회로와 2개의 크리스탈 진동기 보상 커패시터를 제거합니다.

IV. 전체적인 기술적 효과

• 기능 실현
• 3상 그리드 전압 및 전류 신호의 수집 및 처리를 안정적으로 완료합니다.
• 실시간 데이터 표시 기능.
• RS485 인터페이스를 통해 모니터링 컴퓨터로 실시간 데이터 업로드.
• 전력 부문의 실시간 모니터링 요구 사항을 충족합니다.
• 성능 개선
• 중성선 간섭, 정전기 간섭, EFT 간섭 등 세 가지 핵심 문제를 효과적으로 해결합니다.
• 데이터 수집 및 측정 정확도를 크게 향상시킵니다.
• 장비 운용 안정성을 크게 향상시킵니다.
• 비용 최적화
• 여러 저항, 커패시터, 외부 AD 변환 회로를 제거합니다.
• 생산 공정을 단순화하여 생산 난이도를 줄입니다.
• 제조 비용을 줄이고, 높은 공학적 응용 가치를 갖춥니다.

V. 응용 가치

이 디지털 전력계 솔루션은 혁신적인 회로 설계와 간섭 방지 기술을 통해 고성능, 고신뢰성 전력 매개변수 모니터링을 달성합니다. 동시에 제품 비용 구조를 최적화하여 전력 시스템 모니터링 분야에서 경쟁력 있는 기술 제품을 제공하며, 다양한 산업 전력 모니터링 시나리오에 적합합니다.