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電力儀表可靠性設(shè)計

隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，各種儀器儀表被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和社會生活的各個方面，同時對儀表可靠性要求越來越高，電力儀表也不例外。電力儀表的可靠性要求是智能電表技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的一項。標(biāo)準(zhǔn)對電力儀表的可靠性提出了平均壽命不低于十年的要求，因此電力儀表設(shè)計開發(fā)過程中的可靠性設(shè)計顯得尤為重要。在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率稱為平均無故障工作時間，也稱平均故障間隔時間。平均無故障工作時間是衡量可靠性的常見指標(biāo)。電力儀表的可靠性設(shè)計就是為了提高產(chǎn)品的平均無故障工作時間，保證產(chǎn)品的正常運行。
1、硬件可靠性設(shè)計
1.電力儀表電源的抗干擾設(shè)計
據(jù)工程統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，電力儀表系統(tǒng)70%的干擾都是通過電源耦合進(jìn)入系統(tǒng)的。因此，電源供電質(zhì)量的提高對整個系統(tǒng)的可靠運行有著十分重要的意義。由于系統(tǒng)的電源一般都是由市電轉(zhuǎn)換得到，所以電源部分的抗干擾設(shè)計主要集中在電源輸入端口的濾波和瞬態(tài)干擾的抑制方面。
圖1是電源抗干擾的一個典型設(shè)計，其中，RV1為熱敏電阻，VZ1為壓敏電阻，LA1為共模扼流圈。該電路可以有效抑制浪涌和群脈沖干擾。


圖1 電力儀表電源抗干擾設(shè)計電路
此外，分模塊供電是電源設(shè)計的另外一個準(zhǔn)則。這樣設(shè)計的優(yōu)點是：可以有效避免強(qiáng)電設(shè)備工作時對系統(tǒng)內(nèi)其他模塊造成干擾，提高整個系統(tǒng)的可靠性。
2.電力儀表接地設(shè)計
接地系統(tǒng)的設(shè)計直接關(guān)系到整個產(chǎn)品的抗干擾能力，好的設(shè)計可以阻斷外部環(huán)境的干擾，對內(nèi)部的耦合噪聲進(jìn)行有效抑制。以下兩個方面的考慮，可以提高系統(tǒng)的可靠性：
①數(shù)字地和模擬地
由于數(shù)字信號具有陡峭的邊緣，造成數(shù)字電路的地電流表現(xiàn)出脈沖式變化，因此在電力儀表系統(tǒng)中模擬地和數(shù)字地應(yīng)分別設(shè)計，兩者僅在一點連接，并將電路板上的模擬電路與數(shù)字電路分別連接在對應(yīng)的“地”上。這樣可以有效的避免數(shù)字電路地電流的脈沖信號通過公共地阻抗耦合進(jìn)入模擬電路，形成瞬態(tài)干擾。當(dāng)系統(tǒng)中存在高頻的大信號時，這種干擾影響會越大。
②單點和多點接地
在低頻系統(tǒng)中，接地一般采用并聯(lián)單點接地與串聯(lián)單點接地結(jié)合的方式，以提高系統(tǒng)的性能。其中并聯(lián)單點接地是指多個模塊的地線匯合到一處，每個模塊的地點位置與自身的電流和電阻有關(guān)。這種接地方式的優(yōu)勢是沒有公共地線電阻的耦合干擾，劣勢是地線使用太多。串聯(lián)單點接地是指多個模塊使用同一段地線。因為電流在地線上的等效電阻會產(chǎn)生壓降，所以模塊和地線的連接點對大地的電位有所不同，所有模塊的電流變化都會對接地點的電位產(chǎn)生影響，使電路的輸出改變，Z終導(dǎo)致公共地線電阻耦合干擾。該方法具有布線簡單等特點。多點接地常被用于高頻系統(tǒng)中，其原則是各模塊的地線就近連接到地線匯流排上，優(yōu)勢是接地線短、阻抗小、無公共地線阻抗造成的干擾噪聲。
3.電力儀表隔離設(shè)計
將噪聲源與敏感的電路隔離開來是隔離設(shè)計的主要目的之一。隔離設(shè)計的特點是電力儀表與工作環(huán)境既保持信號的聯(lián)系，又不發(fā)生電的交互。隔離設(shè)計主要的實現(xiàn)手段有變壓器隔離、光電隔離、繼電器隔離、隔離放大器，以及布線隔離等。
①變壓器隔離
脈沖變壓器具有匝數(shù)少、繞組分布電容小（僅幾皮法）、一二次繞組分別纏繞于磁芯的兩側(cè)等特點，可作為脈沖信號的隔離器件，實現(xiàn)數(shù)字信號的隔離。
②光電隔離
加光電耦合器可以抑制尖峰脈沖及各種噪聲的干擾。采用光電隔離可以使上位機(jī)系統(tǒng)與電力儀表的通信口之間沒有電的交互，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。光電耦合器可對數(shù)字信號進(jìn)行隔離，但是對模擬信號不適用。對模擬信號隔離的常用方法包括：
A、轉(zhuǎn)換光電隔離電路，此電路復(fù)雜；
B、差分放大器，所隔離的電壓較低；
C、隔離放大器，性能雖好但是價格貴。
③繼電器隔離
由于繼電器的線圈與觸點之間無電氣關(guān)聯(lián)，因此可以利用線圈接收信號，再通過其觸點傳送信號，這樣可以有效解決強(qiáng)電與弱電信號彼此接觸的問題，完成干擾隔離。
④布線隔離
通過電路板的布局，實現(xiàn)隔離，主要是強(qiáng)電與弱電之間的隔離。
4.電力儀表印制電路板抗干擾設(shè)計
印制電路板是電路元器件的載體，提供元器件之間的電氣連接。印制電路板設(shè)計的好壞將直接影響到系統(tǒng)的抗干擾能力。在進(jìn)行印制電路板設(shè)計時，一般遵循以下原則：
①晶振布線時，盡量與中央處理器的引腳靠近，其外殼接地并固定，Z后用地線把時鐘區(qū)隔離，此方法可以避免很多的疑難問題；
②滿足系統(tǒng)性能要求的條件下，中央處理器盡量采用低頻率的晶振，數(shù)字電路盡可能低速；
③對于中央處理器未使用的輸入、輸出口資源，不能懸空不處理，應(yīng)使其連接系統(tǒng)電源或接地，其他芯片同樣如此；
④高頻元器件之間的連線盡量縮短，具有輸入、輸出功能的元器件盡量遠(yuǎn)離，容易受干擾的元器件不能靠太近；
⑤電流環(huán)路不能出現(xiàn)在低頻以及弱信號電路中，若確實無法規(guī)避，則盡可能的使環(huán)路變小，降低感應(yīng)噪聲；
⑥系統(tǒng)布線時應(yīng)杜絕90°折線，以防高頻噪聲發(fā)射；
⑦系統(tǒng)中的輸入、輸出線盡量不要平行，并在兩條導(dǎo)線之間添加地線，這樣可以有效防止反饋耦合的發(fā)生。
2、軟件可靠性設(shè)計
1.電力儀表數(shù)字濾波設(shè)計
目前，電力儀表已廣泛的應(yīng)用了各種計量芯片，中央處理器與計量芯片之間通過串行外設(shè)借口或通用異步收發(fā)傳送器方式通訊，以獲得電力系統(tǒng)運行的參數(shù)。若在通訊的過程中，總線受到干擾，或者計量芯片處于非正常狀態(tài)， 中央處理器將得到錯誤數(shù)據(jù)。因此，在軟件程序中加入濾波處理，顯得非常重要。對普通的電力參數(shù)可以采用均值法，在計算有效值時候，采集五到六個個數(shù)據(jù)，去除Z大值和Z小然后做平均值；對于電能數(shù)據(jù)，可以根據(jù)儀表的額定運行環(huán)境，估計出單位時間內(nèi)電能的動態(tài)范圍，若出現(xiàn)電能數(shù)據(jù)異常，軟件可以將此次數(shù)據(jù)丟棄。除此以外，還有中值法、算術(shù)平均值法、一階低通濾波器法等。實踐證明，軟件濾波的使用，可以Z大化的保證每次讀取參數(shù)的可靠性。
2.電力儀表數(shù)據(jù)冗余設(shè)計
為了提高系統(tǒng)的可靠性，對系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)以及校表參數(shù)可以采用多備份設(shè)計，當(dāng)一組數(shù)據(jù)出現(xiàn)紊亂后，可以啟用另一組備份數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)的安全性，提高數(shù)據(jù)在錯誤的操作生存的概率，應(yīng)當(dāng)將幾組數(shù)據(jù)分散存儲。
3.電力儀表數(shù)據(jù)校驗及操作的冗余設(shè)計
中央處理器在向存儲空間中寫入設(shè)置參數(shù)或校表參數(shù)的時候，可能會受到干擾，導(dǎo)致錯誤數(shù)據(jù)寫入存儲空間中，但此時中央處理器是無法判斷寫入的數(shù)據(jù)正確與否的。為了確保數(shù)據(jù)的正常寫入，在設(shè)計軟件程序時，把要寫入的數(shù)據(jù)做“校驗和”處理，并將“校驗和”也一并寫入儲存空間中，當(dāng)每次寫操作完成后，再進(jìn)行一次讀操作，將讀出的數(shù)據(jù)做“校驗和”，與寫入“校驗和”做比較判斷。若兩次數(shù)據(jù)不一致則重新進(jìn)行寫操作，直到數(shù)據(jù)被正確寫入為止，若超出設(shè)定的重寫次數(shù)，則進(jìn)行寫操作錯誤顯示。
4.電力儀表軟件陷阱設(shè)計
軟件陷阱是指令冗余的一種應(yīng)用形式，用于程序“跑飛”的捕捉。當(dāng)噪聲信號的干擾，系統(tǒng)程序會脫離正常運行的軌道，為了使“跑飛”的程序穩(wěn)定下來，設(shè)計人員在程序中設(shè)計了陷阱。所謂的軟件陷阱，是通過一條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個特定的地址，并對紊亂的程序進(jìn)行出錯處理。對于受干擾而混亂的程序，多字節(jié)指令是Z危險的，原因是錯誤的指針可以“跑飛”到多個字節(jié)指令之間，從而運行更深度不可知的指令。相對于多字節(jié)指令，單字節(jié)指令可以使紊亂中指針理順，讓其按照正常的順序運行，紊亂的現(xiàn)象可以得到有效的抑制。根據(jù)以上原理，軟件陷阱可以形成一個程序，通常為了提高對“彈飛”程序的捕獲率，可以在引導(dǎo)指令前添加兩個空操作指令，具體形式為：--NOP--  --NOP--  JUMP ERROR。程序中JUMP ERROR就是將“彈飛”的程序轉(zhuǎn)移到出錯處理程序中。在程序中未使用的大片只讀存儲器空間、未使用的中斷向量區(qū)、程序區(qū)的“斷裂處”以及表格的頭尾處等四處使用軟件陷阱，效果Z佳。
5.電力儀表軟件看門狗設(shè)計
“看門狗”是采用軟硬結(jié)合的方式防止程序發(fā)生死循環(huán)。“看門狗”的硬件基礎(chǔ)是一個獨立運行、定時周期為T的計數(shù)器。中央處理器的復(fù)位引腳與計數(shù)器的定時輸出腳相連，且中央處理器控制計數(shù)器清零。系統(tǒng)正常運行過程中，“看門狗”在小于T的時間間隔內(nèi)將被清零，定時器從而不會產(chǎn)生溢出。但是當(dāng)系統(tǒng)紊亂，處于不正常的工作狀態(tài)下，中央處理器的時序邏輯被打亂，不能在周期T內(nèi)將計數(shù)器清零，Z終導(dǎo)致計數(shù)器溢出，“看門狗”產(chǎn)生一個復(fù)位信號，傳送到中央處理器，使其復(fù)位。這種設(shè)計可以使系統(tǒng)擺脫一時干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。

首頁 > 電氣儀表 > 日期：2022-6-25 來源：www.anarchyalive.com 作者：呆呆 瀏覽量：