行
业
产
品
功
能
北极星电力网技术频道 作者:佚名 2008/3/21 16:28:37
| 引言 近年来我国电子工电能表系列产品得到了迅猛的发展，由于产品的电子化派生出众多电参数量和众多功能，使得产品的系列品种迅速增加.我国电子式电能表的产量已跃居全球第一.但我国整体的电子式电能表的技术含量、可靠性水平与国际上的知名品牌相比还有相当大的差距，下面根据我们从事电子式电能表研发十多年的经验，就电子式电能表可靠性设计作一些探讨和交流.希望能对电能表研发人员有所帮助. 1可靠性的重要性 电能表作为计量产品是“电”这种特殊商品的结算依据，需要每天24小时不间断工作，电子式电能表与感应式电能表相比虽然在许多方面的技术参数优越得多，但使电能表不计量的影响因素却比感应式电能表多得多.换句话说，环境因素的变化易使感应电能电表计量不准、误差变大.但电能表还在运行，而电子式电能表却有相当多的元器件，一旦失效就会导致电能表不运行.这就对电子式电能表的可靠性提出了更高的要求. 2外部环境对电子式电能表的影响 研制一台在实验校台上满足误差要求和功能要求的电子式电能表并不难.但要在恶劣的环境条件和电气条件下，使电能表正确工作，准确计量.就需要对电能表的许多相关技术作深入的研究.国标gb17215提出电子式电能表的统一标准.其中许多条件都根据实际的电能表外部环境提出的. 由于电子式电能表大多采用单片机进行处理，所以电子式电能表可靠性体现两方面.其一是软件可靠性；其二是硬件可靠性.外部环境对软件的影响以传导干扰和幅射干扰两种方式表现，频繁的上下电、雷击感应的浪涌电压、电网大负荷的冲击、非线性负载的干扰、谐波影响等等.往往出现这样的情况：安装在现场的电能表出现乱码、数据丢失、不计电量等现象.但当该表拿出试验室重新上电测试一切均正常.硬件可靠性主要体现在外部环境（比如温度、湿度、电压等）及长期带电运行而元器件均正常驻有效地工作而不失效.下面就将我们的一些可靠性措施作一介绍： 3软件可靠性措施 由于外部对单片机正常工作的影响是暂时的，随机的、多种因素组合形成的，所以抗干扰措施也是以多种组合方式设计的.没有哪位设计工程师敢说采用一种或二咱抗干扰措施就能百分之百地抵御各种干扰使电能表正常工作的.软件抗干扰措施就像战场的排兵布阵一样，要层层把关、层层防守.用最小的成本达到最佳的抗干扰效果是设计工程师追求的最高境界.有些设计人员出于降低成本的考虑，认为这个可以省，那个也可以省.现场的干扰情况是很难复现模拟的.所以设计人员在这方面还是保守一点为好. 3．1选用抗干扰能力强的单片机.市面的单片机五花八门，适用于各种不同的用途，其单片机内部结构、指令系统的抗干扰能力各不相同，请注意以下几点：一是选用国际知名品牌的单片机，其之所以知名，是其综合技术指标优于其他单片机；二是选用工业级产品；三是在运算能力已经足够的情况下，选用较低的工作频率；四是在前几项保证的情况下，选用单字节指令的单片机.当然并不是其他单片机不能用，比如说51系列单片机，有许多厂家选用，因为它最普及，设计人员最熟悉，但提醒注意使用此类型单片机要在软硬件方面更关注其抗干扰能力. 3．2采用共轭波波器的抑制传导干扰是十分有效的初级手段.共轭线圈是火线与地线同时绕在一铁氧体环上.匝数绕得越多，其电感量越大.由于三相共轭滤波器将a、b、c相电流线和中线穿过铁氧体环内，其体积较大，又要考虑绝缘，pcb布板时难以设计.所以设计水平较高的厂家往往用其他抗干扰措施替代此方法. 3．3信号线地线处理 单片机有许多i/o口，对于输入口要给予更多的关注，如果设计不好，极易从输入口感应出错误的输入信号，使单片机错误工作，输入信号线可能短。高频、低频信号在空间要有一定距离，spi口通讯的信号线如果通讯波特率较高。周围应有地线，两信号线并行布线时，中间应夹有一条地线。 pcb板的大面积铺地是必须的，此项工作的优劣直接影响到整表的抗干扰能力和小信号计量的准确度，如何铺地才是最佳，需要具体情况分析，由于电子式电能表大多要用到a/d变换电路，而a/d变换电路既有模拟部分又有数字部分，所以a/d变换电路往往给出模拟地和数字地两个地。传统的单点接地、模拟信号与数字信号分开等传统设计准则并不完全适用。设计人员最恐惧的是a/d变换电路由于外界的干扰面产生：“闸锁”效应，使电路迅速发热，产生高温导致失效。 3．4硬件抗干扰措施 压敏电阻、高低压吸收电容、磁珠、电流检测电路、看门狗电路等都是为提高软件抗干扰能力而设计的硬件电路，着重说明一点，现在几乎所有单片机电路都内附有看门狗电路，但其构成是不同的，可以分为两类：一类是完全独立的于单片机的，它相当于将外部看门狗内置于单片机内部；另一类的看门狗电路是和单片机有联系的，在上电时单片机需给看门狗电路赋一个初始值。如果在上电时有一干扰信号使单片机不能赋值给看门狗。就会使看门狗不起作用，所以带有此类看门狗电路的单片机应用在电能表中，为了可靠起见，往往外部还要加装硬件看门狗电路。 3．5读写e2rom的抗干措施 在非计度器方式的电子式电能表中，读写e2rom的操作是频繁发生的。读写的准确性就显得万其重要。e2rom读写的速度不一样，写的速度要几个ms时间。在读/写的过程出现干扰信号就有可能出错误，我们的预防措施有以下几种：一是e2rom电路加电源控制电路，不读写e2rom时，不加5v电源，使之处于“休眠”状态，不理会外部的干扰；二是读/写操作必须跟校验码。写入之后还要读出进行比对验证检查是否写的正确。三是写多个地址，数据错误后，还有备用数据。四是选铁电存贮器。铁电存贮器读/写速度相同，均是us级的，写时间缩短，减少受干扰的可能性。 3．6485接口的抗干扰能力 在电子式电能表的端子上，除了电压、电流、中线端子外，还有测试端子、远动通讯端子和485通讯端子，前两种由于是无源输出，光耦隔离技术处理较为容易。485通讯接口则不相同，我们的设计是485电源必须与单片机隔离，485通讯口与单片机通讯口光耦隔离，pcb必须留足够的空间距离。在电压信号采用电阻分压时，必须使用特制的电流变压器，否则很难通过标准规定的各项耐压试验。 由于485通读是组网通讯，最多有几十块的485口并联在一起，在现场环境极易受到雷击感应的浪涌电压的冲击，所以其a、b口必须加保护电路，德州的75hc184电路，a、b口具有保护电路，但它只是抗静电电压，无法抵御浪涌电压。我们的设计方案如下图：  500)this.style.width=500;" onmousewheel="returnbbimg(this)">此电路既抑制共模干扰又抑制差模干扰，完全符合国家标准。 4硬件可靠性措施 4．1元器件采用国际国内各牌产品 元器件可靠性的高低直接决定着整表可靠性的高低，它是电能表质量的基础。应选用具有可靠性指标的元器件。名牌产品的质量一致性、长期稳定性较有保证。现在市场竞争压力的增大，使生产厂家不得不千方面计降低成本，但降低成本一定不能以牺牲产品质量可靠性为代价，如果这样，如同饮鸠止渴，必会对公司的长远利造成损害。 4．2稳定的生产工艺 近年来各省的电力部门不断提出新的要求和新功能的电子式电能表。有相当多的地方在技术条件提出一两个月后就要求批量供货。这是典型的重功能轻可靠性的作法，但作为电表生产厂家无法改变和引导市场，就只能适应市场。在此短的研发生产周期中，要想使我们的产品没有缺陷几乎是不可能的，我们所要做的是让错误尽可能少。在关键数据上不出错误。除了研发人员的正确设计之处，稳定的生产工艺是其重要一环，这需要一支稳定的员工队伍和一批操作熟练的员工应付变换迅速的产品。基础的工艺文件、工艺要求必须落实到位。购置的自制的测试工装在线检查。这些都是我们应重视的。 4．3产品的老化措施 质量再好的元器件也会有失效。正常元器械件的失效概率统计遵循浴盆曲线。剔除早期失效的元器件是电能表生产必不可少的一个环节。老化的温度时间、国家、行业均没有明确的标准和规定，这也和产品的重要度、复杂度有一定关联。我们最高等级的老化时间是120小时，温度为60℃。 5结束语 以上仅是我们的一点心得，供电子式电能表的同行参考。同时也希望此篇短文能抛砖引玉，促进电子式电能表厂家之间的交流。共同促进电能表行业整体的进步。 |
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