電力儀表可靠性設(shè)計(jì)研究

徐希華1 鄭月節(jié)2  徐金鋒2

（1.中國(guó)聯(lián)合工程公司上海分公司，200011上海 ；

2.江蘇安科瑞電器制造有限公司， 214405江蘇無(wú)錫）

    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(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(biāo)準(zhǔn)中的一項(xiàng)。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的可靠性設(shè)計(jì)顯得尤為重要。在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率稱為平均*工作時(shí)間，也稱平均故障間隔時(shí)間。平均*工作時(shí)間是衡量可靠性的常見(jiàn)指標(biāo)。電力儀表的可靠性設(shè)計(jì)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(yùn)行。

1 硬件可靠性設(shè)計(jì)

1.1 電源的抗干擾設(shè)計(jì)

    據(jù)工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，電力儀表系統(tǒng)70%的干擾都是通過(guò)電源耦合進(jìn)入系統(tǒng)的。因此，電源供電質(zhì)量的提高對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)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(jì)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(shè)計(jì)，其中，RV1為熱敏電阻，VZ1為壓敏電阻，LA1為共模扼流圈。該電路可以抑制浪涌和群脈沖干擾。

圖1 電源抗干擾設(shè)計(jì)電路

    此外，分模塊供電是電源設(shè)計(jì)的另外一個(gè)準(zhǔn)則。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：可以避免強(qiáng)電設(shè)備工作時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)其他模塊造成干擾，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

1.2 接地設(shè)計(jì)

    接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整個(gè)產(chǎn)品的抗干擾能力，好的設(shè)計(jì)可以阻斷外部環(huán)境的干擾，對(duì)內(nèi)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(tǒng)的可靠性：

    (1) 數(shù)字地和模擬地。由于數(shù)字信號(hào)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(jì)，兩者僅在一點(diǎn)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(duì)應(yīng)的“地"上。這樣可以的避免數(shù)字電路地電流的脈沖信號(hào)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(dāng)系統(tǒng)中存在高頻的大信號(hào)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(tǒng)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(jié)合的方式，以提高系統(tǒng)的性能。其中并聯(lián)單點(diǎn)接地是指多個(gè)模塊的地線匯合到一處，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(shì)是沒(méi)有公共地線電阻的耦合干擾，劣勢(shì)是地線使用太多。串聯(lián)單點(diǎn)接地是指多個(gè)模塊使用同一段地線。因?yàn)殡娏髟诘鼐€上的等效電阻會(huì)產(chǎn)生壓降，所以模塊和地線的連接點(diǎn)對(duì)大地的電位有所不同，所有模塊的電流變化都會(huì)對(duì)接地點(diǎn)的電位產(chǎn)生影響，使電路的輸出改變，zui終導(dǎo)致公共地線電阻耦合干擾。該方法具有布線簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。多點(diǎn)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(shì)是接地線短、阻抗小、無(wú)公共地線阻抗造成的干擾噪聲。

1.3 隔離設(shè)計(jì)

    將噪聲源與敏感的電路隔離開(kāi)來(lái)是隔離設(shè)計(jì)的主要目的之一。隔離設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是電力儀表與工作環(huán)境既保持信號(hào)的，又不發(fā)生電的交互。隔離設(shè)計(jì)主要的實(shí)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(diǎn)，可作為脈沖信號(hào)的隔離器件，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)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(méi)有電的交互，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。光電耦合器可對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離，但是對(duì)模擬信號(hào)不適用。對(duì)模擬信號(hào)隔離的常用方法包括：①轉(zhuǎn)換光電隔離電路，此電路復(fù)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。由于繼電器的線圈與觸點(diǎn)之間無(wú)電氣關(guān)聯(lián)，因此可以利用線圈接收信號(hào)，再通過(guò)其觸點(diǎn)傳送信號(hào)，這樣可以解決強(qiáng)電與弱電信號(hào)彼此接觸的問(wèn)題，完成干擾隔離。

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

1.4 印制電路板抗干擾設(shè)計(jì)

    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(jì)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(jì)時(shí)，一般遵循以下原則：

    (1) 晶振布線時(shí)，盡量與中央處理器的引腳靠近，其外殼接地并固定，zui后用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離，此方法可以避免很多的疑難問(wèn)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(duì)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(hào)電路中，若確實(shí)無(wú)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(shí)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，這樣可以防止反饋耦合的發(fā)生。

2 軟件可靠性設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字濾波設(shè)計(jì)

    目前，電力儀表已廣泛的應(yīng)用了各種計(jì)量芯片，中央處理器與計(jì)量芯片之間通過(guò)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(yùn)行的參數(shù)。若在通訊的過(guò)程中，總線受到干擾，或者計(jì)量芯片處于非正常狀態(tài)， 中央處理器將得到錯(cuò)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(duì)普通的電力參數(shù)可以采用均值法，在計(jì)算值時(shí)候，采集五到六個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)，去除zui大值和zui小然后做平均值；對(duì)于電能數(shù)據(jù)，可以根據(jù)儀表的額定運(yùn)行環(huán)境，估計(jì)出單位時(shí)間內(nèi)電能的動(dòng)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(shí)踐證明，軟件濾波的使用，可以zui大化的保證每次讀取參數(shù)的可靠性。

2.2 數(shù)據(jù)冗余設(shè)計(jì)

    為了提高系統(tǒng)的可靠性，對(duì)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(jì)，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(cuò)誤的操作生存的概率，應(yīng)當(dāng)將幾組數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)。

2.3 數(shù)據(jù)校驗(yàn)及操作的冗余設(shè)計(jì)

    中央處理器在向存儲(chǔ)空間中寫(xiě)入設(shè)置參數(shù)或校表參數(shù)的時(shí)候，可能會(huì)受到干擾，導(dǎo)致錯(cuò)誤數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)空間中，但此時(shí)中央處理器是無(wú)法判斷寫(xiě)入的數(shù)據(jù)正確與否的。為了確保數(shù)據(jù)的正常寫(xiě)入，在設(shè)計(jì)軟件程序時(shí)，把要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)做“校驗(yàn)和"處理，并將“校驗(yàn)和"也一并寫(xiě)入儲(chǔ)存空間中，當(dāng)每次寫(xiě)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(yàn)和"，與寫(xiě)入“校驗(yàn)和"做比較判斷。若兩次數(shù)據(jù)不一致則重新進(jìn)行寫(xiě)操作，直到數(shù)據(jù)被正確寫(xiě)入為止，若超出設(shè)定的重寫(xiě)次數(shù)，則進(jìn)行寫(xiě)操作錯(cuò)誤顯示。

2.4 軟件陷阱設(shè)計(jì)

    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(hào)的干擾，系統(tǒng)程序會(huì)脫離正常運(yùn)行的軌道，為了使“跑飛"的程序穩(wěn)定下來(lái)，設(shè)計(jì)人員在程序中設(shè)計(jì)了陷阱。所謂的軟件陷阱，是通過(guò)一條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個(gè)特定的地址，并對(duì)紊亂的程序進(jìn)行出錯(cuò)處理。對(duì)于受干擾而混亂的程序，多字節(jié)指令是zui危險(xiǎn)的，原因是錯(cuò)誤的指針可以“跑飛"到多個(gè)字節(jié)指令之間，從而運(yùn)行更深度不可知的指令。相對(duì)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(yùn)行，紊亂的現(xiàn)象可以得到的抑制。根據(jù)以上原理，軟件陷阱可以形成一個(gè)程序，通常為了提高對(duì)“彈飛"程序的捕獲率，可以在引導(dǎo)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(zhuǎn)移到出錯(cuò)處理程序中。在程序中未使用的大片只讀存儲(chǔ)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*。

2.5 軟件看門狗設(shè)計(jì)

    “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)?！翱撮T狗"的硬件基礎(chǔ)是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行、定時(shí)周期為T的計(jì)數(shù)器。中央處理器的復(fù)位引腳與計(jì)數(shù)器的定時(shí)輸出腳相連，且中央處理器控制計(jì)數(shù)器清零。系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中，“看門狗"在小于T的時(shí)間間隔內(nèi)將被清零，定時(shí)器從而不會(huì)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(shí)序邏輯被打亂，不能在周期T內(nèi)將計(jì)數(shù)器清零，zui終導(dǎo)致計(jì)數(shù)器溢出，“看門狗"產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)，傳送到中央處理器，使其復(fù)位。這種設(shè)計(jì)可以使系統(tǒng)擺脫一時(shí)干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。

3 其他注意事項(xiàng)

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于元器件的可靠性水平。主要元器件包括：中央處理器、計(jì)量芯片、數(shù)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(duì)元器件的選擇有著嚴(yán)格的要求：選用的元器件要有可靠性指標(biāo)，元器件采購(gòu)需定型號(hào)規(guī)格、定采購(gòu)廠家、定采購(gòu)渠道，采購(gòu)的元器件進(jìn)行入廠檢驗(yàn)、入庫(kù)檢驗(yàn)、使用前檢驗(yàn)。

3.2 裕量設(shè)計(jì)

    裕量設(shè)計(jì)使元器件在工作時(shí)承受的工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谠骷念~定值，從而達(dá)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(shè)計(jì)

    冗余設(shè)計(jì)是用一個(gè)或多個(gè)相同單元構(gòu)成并聯(lián)形式，當(dāng)其中一個(gè)發(fā)生故障時(shí)，其他單元仍能使系統(tǒng)正常工作。主要的信號(hào)線、電纜要選用高可靠連接。必要時(shí)對(duì)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(hù)和防潮。在生產(chǎn)環(huán)境中引入靜電防護(hù)系統(tǒng)，可以避免對(duì)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管及集成電路芯片造成的損傷。當(dāng)環(huán)境的濕度較大時(shí)，水分子可以滲入材料內(nèi)部，導(dǎo)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(diào)控措施，諸如采用抽濕系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等，盡可能使儀表生產(chǎn)環(huán)境處于一個(gè)穩(wěn)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(shù)的測(cè)試，篩選并除去變值及失效的元件，把潛在的問(wèn)題在產(chǎn)品銷售之前，從而保證出廠的產(chǎn)品能經(jīng)得起時(shí)間的考驗(yàn)。

3.6 維修

    以方便后期維修為原則，元器件設(shè)計(jì)布局應(yīng)考慮到后期的維修工作。軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候要充分考慮到系統(tǒng)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，并將所有可能的錯(cuò)誤羅列出來(lái)，當(dāng)系統(tǒng)提示錯(cuò)誤出現(xiàn)時(shí)，設(shè)計(jì)及維修人員可以捕捉錯(cuò)誤，解決問(wèn)題，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

4 可靠性測(cè)試方法

4.1 硬件的可靠性測(cè)試

    根據(jù)系統(tǒng)硬件的抗干擾設(shè)計(jì)，硬件主要的測(cè)試內(nèi)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(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度、浪涌抗擾度、衰減震蕩波抗擾度、無(wú)線電干擾抑制等。

    此外，安科瑞還引進(jìn)了高加速壽命測(cè)試與高加速應(yīng)力篩選設(shè)備，通過(guò)運(yùn)用高于環(huán)境中存在的應(yīng)力來(lái)加速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，改進(jìn)電力儀表的設(shè)計(jì)和制造流程。

4.2 軟件的可靠性測(cè)試

    一般采用黑盒測(cè)試技術(shù)進(jìn)行嵌入式軟件可靠性測(cè)試。進(jìn)行軟件可靠性測(cè)試的一般流程是：明確可靠性目標(biāo)，編制測(cè)試計(jì)劃，進(jìn)行開(kāi)發(fā)操作，進(jìn)入測(cè)試準(zhǔn)備階段，執(zhí)行可靠性測(cè)試，分析評(píng)估并根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)給出可靠性測(cè)試報(bào)告。

5 結(jié)束語(yǔ)

    本文結(jié)合安科瑞多年生產(chǎn)電力儀表的經(jīng)驗(yàn)，說(shuō)明了電力儀表設(shè)計(jì)中可靠性的重要性，分析了儀表使用過(guò)程中干擾源的種類以及產(chǎn)生的原因，闡述了針對(duì)干擾所采取的硬件與軟件的解決措施，zui后，介紹了產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)束后，所需要經(jīng)過(guò)的一系列驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，證明儀表的設(shè)計(jì)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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