智能電表現(xiàn)場(chǎng)診斷技術(shù)進(jìn)展

介紹

經(jīng)過一百多年的能源運(yùn)輸，技術(shù)變化很小，配電網(wǎng)絡(luò)最近發(fā)生了巨大的變化。在一個(gè)由技術(shù)發(fā)展主導(dǎo)的世界中，能源部門已經(jīng)發(fā)展到包括風(fēng)能和太陽能等可再生能源。我們面臨著新的挑戰(zhàn)，例如能源的雙向流動(dòng)，可再生能源發(fā)電的間歇性，電力分配以及電力線上的噪聲排放，從而導(dǎo)致潛在的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性問題。為了保證為最終客戶提供持續(xù)和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，能源分配公司正在整合智能電表，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)診斷和即時(shí)故障檢測(cè)。這項(xiàng)技術(shù)為公用事業(yè)公司和最終用戶提供了眾多好處。本文介紹了智能電表的基本原理和現(xiàn)場(chǎng)診斷的進(jìn)步。

智能電表

智能電表是能源分配網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分。除了監(jiān)控能耗外，智能電表還可以收集有關(guān)所供電質(zhì)量的數(shù)據(jù)。例如，它可以測(cè)量無功電能、總諧波失真、諧波含量、電壓浪涌和瞬變的存在以及頻率變化，所有這些都是網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的指標(biāo)。但是電表是如何工作的呢？

圖1顯示了單相系統(tǒng)和三相系統(tǒng)電表的主要組件框圖。

圖1.單相和三相智能電表框圖。

在智能電表中，基本電氣質(zhì)量來自電壓和電流測(cè)量。這些測(cè)量值由特殊的模擬前端（AFE）處理并提供給微控制器，微控制器顯示它們或使它們可用于通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。電源管理單元完成結(jié)構(gòu)。

用于測(cè)量電壓和電流的傳感器

電表的一個(gè)關(guān)鍵方面是電流測(cè)量。與電壓測(cè)量不同，電壓測(cè)量可能僅與標(biāo)稱值有很小的偏差，電流具有非常寬的動(dòng)態(tài)范圍，從幾毫安到數(shù)百安培，并且必須在整個(gè)范圍內(nèi)以最高的精度進(jìn)行測(cè)量。雖然使用簡(jiǎn)單的電阻分壓器（很少使用變壓器）進(jìn)行電壓測(cè)量，但用于讀取電流的傳感器可能會(huì)有所不同。通常使用以下四種類型的傳感器：分流器、電流互感器（CT）、羅氏線圈和霍爾效應(yīng)傳感器。這些傳感器中的每一個(gè)都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。例如，廣泛用于家用儀表的分流器具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和實(shí)用性。分流器的最大缺點(diǎn)是焦耳效應(yīng)加熱，這限制了其在大電流下的使用。

相比之下，電流互感器在最大電流方面超越了分流器的限制，并且本質(zhì)上是隔離的，這是非常有利的。CT以環(huán)形線圈的形式出現(xiàn)，其初級(jí)繞組由導(dǎo)體表示，您要測(cè)量的電流流過環(huán)。次級(jí)繞組纏繞在鐵磁材料上，匝數(shù)確定變壓器匝數(shù)比。與分流器相比，CT具有更高的成本和更大的占地面積。電流互感器的一個(gè)重要限制是其鐵磁芯，如果飽和，會(huì)嚴(yán)重影響智能電表的運(yùn)行。飽和可能是由交流電中的直流偏移、高電流峰值或外部磁場(chǎng)（例如永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)）引起的。由于此限制，使用電流互感器的系統(tǒng)必須提供屏蔽或其他保護(hù)機(jī)制以避免篡改。

霍爾效應(yīng)傳感器具有出色的頻率響應(yīng)，可以測(cè)量高強(qiáng)度電流。然而，高溫漂移減輕了這些優(yōu)勢(shì)，需要在多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)才能獲得所需的精度。

與電流互感器和霍爾效應(yīng)傳感器一樣，羅氏線圈本質(zhì)上是隔離的。羅氏線圈是一種與導(dǎo)體相互耦合的電感器，待測(cè)電流流經(jīng)導(dǎo)體。磁耦合通過空氣芯進(jìn)行，因此不會(huì)引入鐵磁材料的典型飽和問題。羅氏線圈的特點(diǎn)是傳感器產(chǎn)生的信號(hào)與電流的導(dǎo)數(shù)成正比，因此需要積分器來重建原始信號(hào)。

為了實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍和高線性度，以及測(cè)量非常高電流的能力，使用羅氏線圈進(jìn)行電流檢測(cè)需要使用穩(wěn)定的積分器。此外，Rogowsi線圈特別容易受到外部磁場(chǎng)的影響，這些外部磁場(chǎng)允許通過最終用戶操縱功率測(cè)量。

為下一代智能電表介紹 mSure 技術(shù)

智能電表必須能夠在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確執(zhí)行其功能，這可能超過 10 年。良好的設(shè)計(jì)和硅電子元件的穩(wěn)定性使其能夠多年保持高水平的精度。但是，雷電、電流尖峰或電壓瞬變等環(huán)境事件會(huì)永久改變傳感器的性能。如果沒有先進(jìn)的診斷系統(tǒng)，這種影響很難被發(fā)現(xiàn)，如果有的話。米當(dāng)然，ADI公司開發(fā)的新型儀表診斷技術(shù)可以實(shí)時(shí)檢查測(cè)量鏈的狀態(tài)，并防止傳感器受到環(huán)境影響。米當(dāng)然，技術(shù)不受環(huán)境影響，可以通過診斷來檢測(cè)操縱。?

mSure技術(shù)的工作原理如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)儀表在沒有反饋路徑的情況下在開環(huán)中工作。電流和電壓由傳感器轉(zhuǎn)換，有一個(gè)增加增益的處理鏈，最后，有一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換，直接在數(shù)字域中提取數(shù)據(jù)。每個(gè)組件都會(huì)增加總誤差;下線校準(zhǔn)用于補(bǔ)償初始誤差，并確保儀表保持在特定精度等級(jí)的規(guī)格范圍內(nèi)。

圖2.采用mSure技術(shù)的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)之間的比較。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)儀表，一旦安裝在現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)試其準(zhǔn)確性的唯一方法是將其物理移除以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。侵入性較小的替代方法是驗(yàn)證生產(chǎn)批次的性能，但這代價(jià)高昂。與標(biāo)準(zhǔn)儀表相比，配備mSure技術(shù)的儀表可以通過更復(fù)雜的閉環(huán)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)精度驗(yàn)證，如圖2所示。閉環(huán)系統(tǒng)包括增加一個(gè)參考?jí)K，該參考?jí)K可生成穩(wěn)定且非常精確的信號(hào)以注入傳感器。該信號(hào)穿過整個(gè)測(cè)量鏈，從檢測(cè)模塊中拾取。實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)信號(hào)鏈，捕獲任何誤差（如增益、漂移等），并允許連續(xù)校準(zhǔn)以調(diào)整這些誤差。此外，mSure技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)之一是檢測(cè)欺詐行為。由于大多數(shù)篡改包括改變測(cè)量鏈的增益，因此mSure可以立即檢測(cè)到這種變化，這與開環(huán)系統(tǒng)不同。

米Sure 是非侵入式的，可以在儀表運(yùn)行時(shí)激活。為了確保讀數(shù)準(zhǔn)確，適當(dāng)?shù)哪K會(huì)檢測(cè)并扣除mSure設(shè)備對(duì)最終能量測(cè)量的貢獻(xiàn)。因此，儀表的精度取決于參考?jí)K的精度。根據(jù)定義，與系統(tǒng)中使用的傳感器相比，基準(zhǔn)電壓源具有更好的精度。

可以隨時(shí)激活自動(dòng)校準(zhǔn)功能。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)由電流和電壓測(cè)量鏈的增益組成。米當(dāng)然，技術(shù)可以高精度地提取這些數(shù)據(jù)，而不必求助于昂貴的校準(zhǔn)臺(tái)。自校準(zhǔn)從將儀表連接到電壓源開始。負(fù)載的存在是可選的。

一旦智能電表配備mSure技術(shù)并安裝在現(xiàn)場(chǎng)，您就可以連續(xù)或按預(yù)定的時(shí)間間隔檢查電表的精度。如果儀表有精度漂移，則可以校正校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以使能量計(jì)數(shù)準(zhǔn)確。到目前為止，政府法規(guī)不允許在現(xiàn)場(chǎng)更改標(biāo)準(zhǔn)儀表的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。借助mSure技術(shù)，公用事業(yè)公司將能夠在需要時(shí)及時(shí)進(jìn)行干預(yù)，并且在擴(kuò)展干預(yù)的情況下，將準(zhǔn)確估計(jì)能源差異。

ADE9153B和ADE9322B均為支持Sure的電能計(jì)量IC，具有傳感器監(jiān)控和自校準(zhǔn)功能，適用于ADI公司的下一代智能電表。?

能源分析工作室

mSure產(chǎn)品組合附帶Energy Analytics Studio（EAS）。EAS 是支持 mSure 技術(shù)的云分析服務(wù)，可驗(yàn)證每個(gè)儀表的運(yùn)行狀況（運(yùn)行狀況監(jiān)控），并最終保護(hù)收入。在系統(tǒng)微控制器上運(yùn)行的 mSure Manager 軟件報(bào)告與儀表參數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)。報(bào)告頻率可以由操作員確定。米Sure Manager 允許您檢查單個(gè)計(jì)量表的狀態(tài)、屬于特定地理區(qū)域的所有計(jì)量表（例如，受到某些特殊天氣事件的計(jì)量表）或?qū)儆谀硞€(gè)生產(chǎn)批次的所有計(jì)量表的狀態(tài)。

圖3.面向電力公司的邊緣到云解決方案。

結(jié)論

創(chuàng)新的mSure技術(shù)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)電表的實(shí)時(shí)診斷。結(jié)合能源分析工作室，它可以監(jiān)控儀表的健康狀況，無需對(duì)實(shí)際故障情況進(jìn)行干預(yù)，并防止欺詐。其結(jié)果是通過優(yōu)化儀表管理來限制損失，同時(shí)最終延長(zhǎng)儀表的平均使用壽命，從而為公用事業(yè)公司節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。

審核編輯：郭婷