電力儀表可靠性設計研究

     隨著(zhù)電子工業(yè)的飛速發(fā)展，各種儀器儀表被廣泛應用于工業(yè)控制和社會(huì )生活的各個(gè)方面，其中電力儀表尤為突出。

     電力儀表的可靠性要求是智能電表技術(shù)標準中的一項。標準對電力儀表的可靠性提出了平均壽命不低于10a的要求，因此電力儀表設計開(kāi)發(fā)過(guò)程中的可靠性設計顯得尤為重要。在規定的條件下、規定的時(shí)間內完成規定功能的概率稱(chēng)為平均*工作時(shí)間，也稱(chēng)平均故障間隔時(shí)間。平均*工作時(shí)間是衡量可靠性的常見(jiàn)指標。電力儀表的可靠性設計就是為了提高產(chǎn)品的平均*工作時(shí)間，保證產(chǎn)品的正常運行。

1 硬件可靠性設計

1.1 電源的抗干擾設計

     據工程統計數據分析，電力儀表系統70%的干擾都是通過(guò)電源耦合進(jìn)入系統的。因此，電源供電質(zhì)量的提高對整個(gè)系統的可靠運行有著(zhù)十分重要的意義。由于系統的電源一般都是由市電轉換得到，所以電源部分的抗干擾設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(gè)典型設計，其中，RV1為熱敏電阻，V1為壓敏電阻，LA1為共模扼流圈。該電路可以抑制浪涌和群脈沖干擾。

圖1 電源抗干擾設計電路

     此外，分模塊供電是電源設計的另外一個(gè)準則。這樣設計的優(yōu)點(diǎn)是：可以避免強電設備工作時(shí)對系統內其他模塊造成干擾，提高整個(gè)系統的可靠性。

1.2 接地設計

     接地系統的設計直接關(guān)系到整個(gè)產(chǎn)品的抗干擾能力，好的設計可以阻斷外部環(huán)境的干擾，對內部的耦合噪聲進(jìn)行抑制。以下兩個(gè)方面的考慮，可以提高系統的可靠性：

     (1) 數字地和模擬地。由于數字信號具有陡峭的邊緣，造成數字電路的地電流表現出脈沖式變化，因此在電力儀表系統中模擬地和數字地應分別設計，兩者僅在一點(diǎn)連接，并將電路板上的模擬電路與數字電路分別連接在對應的“地"上。這樣可以的避免數字電路地電流的脈沖信號通過(guò)公共地阻抗耦合進(jìn)入模擬電路，形成瞬態(tài)干擾。當系統中存在高頻的大信號時(shí)，這種干擾影響會(huì )越大。

     (2) 單點(diǎn)和多點(diǎn)接地。在低頻系統中，接地一般采用并聯(lián)單點(diǎn)接地與串聯(lián)單點(diǎn)接地結合的方式，以提高系統的性能。其中并聯(lián)單點(diǎn)接地是指多個(gè)模塊的地線(xiàn)匯合到一處，每個(gè)模塊的地點(diǎn)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(méi)有公共地線(xiàn)電阻的耦合干擾，劣勢是地線(xiàn)使用太多。串聯(lián)單點(diǎn)接地是指多個(gè)模塊使用同一段地線(xiàn)。因為電流在地線(xiàn)上的等效電阻會(huì )產(chǎn)生壓降，所以模塊和地線(xiàn)的連接點(diǎn)對大地的電位有所不同，所有模塊的電流變化都會(huì )對接地點(diǎn)的電位產(chǎn)生影響，使電路的輸出改變，終導致公共地線(xiàn)電阻耦合干擾。該方法具有布線(xiàn)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。多點(diǎn)接地常被用于高頻系統中，其原則是各模塊的地線(xiàn)就近連接到地線(xiàn)匯流排上，優(yōu)勢是接地線(xiàn)短、阻抗小、無(wú)公共地線(xiàn)阻抗造成的干擾噪聲。

1.3 隔離設計

     將噪聲源與敏感的電路隔離開(kāi)來(lái)是隔離設計的主要目的之一。隔離設計的特點(diǎn)是電力儀表與工作環(huán)境既保持信號的，又不發(fā)生電的交互。隔離設計主要的實(shí)現手段有變壓器隔離、光電隔離、繼電器隔離、隔離放大器，以及布線(xiàn)隔離等。

     (1) 變壓器隔離。脈沖變壓器具有匝數少、繞組分布電容?。▋H幾皮法）、一二次繞組分別纏繞于磁芯的兩側等特點(diǎn)，可作為脈沖信號的隔離器件，實(shí)現數字信號的隔離。

     (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系統與電力儀表的通信口之間沒(méi)有電的交互，提高系統的抗干擾性能。光電耦合器可對數字信號進(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：①轉換光電隔離電路，此電路復雜；②差分放大器，所隔離的電壓較低；③隔離放大器，性能雖好但是價(jià)格貴。

     (3) 繼電器隔離。由于繼電器的線(xiàn)圈與觸點(diǎn)之間無(wú)電氣關(guān)聯(lián)，因此可以利用線(xiàn)圈接收信號，再通過(guò)其觸點(diǎn)傳送信號，這樣可以解決強電與弱電信號彼此接觸的問(wèn)題，完成干擾隔離。

     (4) 布線(xiàn)隔離。通過(guò)電路板的布局，實(shí)現隔離，主要是強電與弱電之間的隔離。

1.4 印制電路板抗干擾設計

     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。印制電路板設計的好壞將直接影響到系統的抗干擾能力。在進(jìn)行印制電路板設計時(shí)，一般遵循以下原則：

     (1) 晶振布線(xiàn)時(shí)，盡量與*處理器的引腳靠近，其外殼接地并固定，后用地線(xiàn)把時(shí)鐘區隔離，此方法可以避免很多的疑難問(wèn)題；

     (2) 滿(mǎn)足系統性能要求的條件下，*處理器盡量采用低頻率的晶振，數字電路盡可能低速；

     (3) 對于*處理器未使用的輸入、輸出口資源，不能懸空不處理，應使其連接系統電源或接地，其他芯片同樣如此；

     (4) 高頻元器件之間的連線(xiàn)盡量縮短，具有輸入、輸出功能的元器件盡量遠離，容易受干擾的元器件不能靠太近；

     (5) 電流環(huán)路不能出現在低頻以及弱信號電路中，若確實(shí)無(wú)法規避，則盡可能的使環(huán)路變小，降低感應噪聲；

     (6) 系統布線(xiàn)時(shí)應杜絕90°折線(xiàn)，以防高頻噪聲發(fā)射；

     (7) 系統中的輸入、輸出線(xiàn)盡量不要平行，并在兩條導線(xiàn)之間添加地線(xiàn)，這樣可以防止反饋耦合的發(fā)生。

2 軟件可靠性設計

2.1 數字濾波設計

     目前，電力儀表已廣泛的應用了各種計量芯片，*處理器與計量芯片之間通過(guò)串行外設借口或通用異步收發(fā)傳送器方式通訊，以獲得電力系統運行的參數。若在通訊的過(guò)程中，總線(xiàn)受到干擾，或者計量芯片處于非正常狀態(tài)， *處理器將得到錯誤數據。因此，在軟件程序中加入濾波處理，顯得非常重要。對普通的電力參數可以采用均值法，在計算值時(shí)候，采集五到六個(gè)個(gè)數據，去除大值和小然后做平均值；對于電能數據，可以根據儀表的額定運行環(huán)境，估計出單位時(shí)間內電能的動(dòng)態(tài)范圍，若出現電能數據異常，軟件可以將此次數據丟棄。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(shí)踐證明，軟件濾波的使用，可以大化的保證每次讀取參數的可靠性。

2.2 數據冗余設計

     為了提高系統的可靠性，對系統的設置參數以及校表參數可以采用多備份設計，當一組數據出現紊亂后，可以啟用另一組備份數據。為了保證數據的安全性，提高數據在錯誤的操作生存的概率，應當將幾組數據分散存儲。

2.3 數據校驗及操作的冗余設計

    *處理器在向存儲空間中寫(xiě)入設置參數或校表參數的時(shí)候，可能會(huì )受到干擾，導致錯誤數據寫(xiě)入存儲空間中，但此時(shí)*處理器是無(wú)法判斷寫(xiě)入的數據正確與否的。為了確保數據的正常寫(xiě)入，在設計軟件程序時(shí)，把要寫(xiě)入的數據做“校驗和"處理，并將“校驗和"也一并寫(xiě)入儲存空間中，當每次寫(xiě)操作完成后，再進(jìn)行一次讀操作，將讀出的數據做“校驗和"，與寫(xiě)入“校驗和"做比較判斷。若兩次數據不一致則重新進(jìn)行寫(xiě)操作，直到數據被正確寫(xiě)入為止，若超出設定的重寫(xiě)次數，則進(jìn)行寫(xiě)操作錯誤顯示。

2.4 軟件陷阱設計

     軟件陷阱是指令冗余的一種應用形式，用于程序“跑飛"的捕捉。當噪聲信號的干擾，系統程序會(huì )脫離正常運行的軌道，為了使“跑飛"的程序穩定下來(lái)，設計人員在程序中設計了陷阱。所謂的軟件陷阱，是通過(guò)一條引導指令，強行將捕獲的程序引向一個(gè)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，多字節指令是危險的，原因是錯誤的指針可以“跑飛"到多個(gè)字節指令之間，從而運行更深度不可知的指令。相對于多字節指令，單字節指令可以使紊亂中指針理順，讓其按照正常的順序運行，紊亂的現象可以得到的抑制。根據以上原理，軟件陷阱可以形成一個(gè)程序，通常為了提高對“彈飛"程序的捕獲率，可以在引導指令前添加兩個(gè)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、程序區的“斷裂處"以及表格的頭尾處等四處使用軟件陷阱，效果佳。

2.5 軟件看門(mén)狗設計

     “看門(mén)狗"是采用軟硬結合的方式防止程序發(fā)生死循環(huán)?！翱撮T(mén)狗"的硬件基礎是一個(gè)獨立運行、定時(shí)周期為T(mén)的計數器。*處理器的復位引腳與計數器的定時(shí)輸出腳相連，且*處理器控制計數器清零。系統正常運行過(guò)程中，“看門(mén)狗"在小于T的時(shí)間間隔內將被清零，定時(shí)器從而不會(huì )產(chǎn)生溢出。但是當系統紊亂，處于不正常的工作狀態(tài)下，*處理器的時(shí)序邏輯被打亂，不能在周期T內將計數器清零，終導致計數器溢出，“看門(mén)狗"產(chǎn)生一個(gè)復位信號，傳送到*處理器，使其復位。這種設計可以使系統擺脫一時(shí)干擾，增強系統的可靠性。

3 其他注意事項

3.1 元器件的選擇及控制

     元器件是組成電力儀表的基本單元。電力儀表的可靠性水平首先依賴(lài)于元器件的可靠性水平。主要元器件包括：*處理器、計量芯片、數碼管、液晶屏、電解電容、壓敏電阻、電流互感器、電壓互感器、晶振、貼片電容、貼片電阻、光耦、電池等。安科瑞對元器件的選擇有著(zhù)嚴格的要求：選用的元器件要有可靠性指標，元器件采購需定型號規格、定采購廠(chǎng)家、定采購渠道，采購的元器件進(jìn)行入廠(chǎng)檢驗、入庫檢驗、使用前檢驗。

3.2 裕量設計

     裕量設計使元器件在工作時(shí)承受的工作應力適當低于元器件的額定值，從而達到降低基本故障率、提高元器件使用的可靠性的目的。

3.3 冗余設計

     冗余設計是用一個(gè)或多個(gè)相同單元構成并聯(lián)形式，當其中一個(gè)發(fā)生故障時(shí)，其他單元仍能使系統正常工作。主要的信號線(xiàn)、電纜要選用高可靠連接。必要時(shí)對開(kāi)關(guān)、接插件等可采用冗余技術(shù)，如采取并聯(lián)或多余觸點(diǎn)全部利用等。

3.4 可靠的生產(chǎn)工藝

     可靠的生產(chǎn)工藝指靜電防護和防潮。在生產(chǎn)環(huán)境中引入靜電防護系統，可以避免對金屬氧化物半導體場(chǎng)效晶體管及集成電路芯片造成的損傷。當環(huán)境的濕度較大時(shí)，水分子可以滲入材料內部，導體之間形成漏電通路，降低元件絕緣電阻及隔離耐壓能力。同時(shí)，過(guò)度的干燥環(huán)境也能造成材料變脆，產(chǎn)生靜電等不利影響。安科瑞已在生產(chǎn)環(huán)境中引入一系列調控措施，諸如采用抽濕系統、空調系統等，盡可能使儀表生產(chǎn)環(huán)境處于一個(gè)穩定的水平，避免不利的外力因素影響。此外，部分產(chǎn)品電路板在出廠(chǎng)前做噴漆處理，進(jìn)一步防止受潮，提高電力儀表的可靠性。

3.5 高溫老化處理

     電力儀表中元件焊接、裝配過(guò)程中存在的隱患及性能的缺陷可以通過(guò)高溫老化的方式讓其提前顯露。經(jīng)過(guò)處理過(guò)后的產(chǎn)品，再進(jìn)行正常的電氣參數的測試，篩選并除去變值及失效的元件，把潛在的問(wèn)題消除在產(chǎn)品銷(xiāo)售之前，從而保證出廠(chǎng)的產(chǎn)品能經(jīng)得起時(shí)間的考驗。

3.6 維修

     以方便后期維修為原則，元器件設計布局應考慮到后期的維修工作。軟件設計的時(shí)候要充分考慮到系統可能出現的錯誤，并將所有可能的錯誤羅列出來(lái)，當系統提示錯誤出現時(shí)，設計及維修人員可以捕捉錯誤，解決問(wèn)題，提高系統運行的可靠性。

4 可靠性測試方法

4.1 硬件的可靠性測試

     根據系統硬件的抗干擾設計，硬件主要的測試內容有：靜電放電抗擾度、射頻電磁場(chǎng)抗擾度、快速瞬變脈沖群、射頻場(chǎng)感應的傳導騷擾抗擾度、浪涌抗擾度、衰減震蕩波抗擾度、無(wú)線(xiàn)電干擾抑制等。

     此外，安科瑞還引進(jìn)了高加速壽命測試與高加速應力篩選設備，通過(guò)運用高于環(huán)境中存在的應力來(lái)加速發(fā)現問(wèn)題，改進(jìn)電力儀表的設計和制造流程。

4.2 軟件的可靠性測試

     一般采用黑盒測試技術(shù)進(jìn)行嵌入式軟件可靠性測試。進(jìn)行軟件可靠性測試的一般流程是：明確可靠性目標，編制測試計劃，進(jìn)行開(kāi)發(fā)操作，進(jìn)入測試準備階段，執行可靠性測試，分析評估并根據測試數據給出可靠性測試報告。

5 結束語(yǔ)

     本文結合安科瑞多年生產(chǎn)電力儀表的經(jīng)驗，說(shuō)明了電力儀表設計中可靠性的重要性，分析了儀表使用過(guò)程中干擾源的種類(lèi)以及產(chǎn)生的原因，闡述了針對干擾所采取的硬件與軟件的解決措施，后，介紹了產(chǎn)品設計結束后，所需要經(jīng)過(guò)的一系列驗證實(shí)驗，證明儀表的設計方案的切實(shí)可行，確保產(chǎn)品高度的可靠性。

文章來(lái)源：《電世界》2015年第6期

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