【導讀】一百多年來(lái)，能源輸送在技術(shù)方面變化很小，但近年來(lái)，配電網(wǎng)絡(luò )發(fā)生了巨大變化。在一個(gè)由技術(shù)演進(jìn)主導的世界中，能源部門(mén)已經(jīng)發(fā)展到包括風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源。我們面臨著(zhù)新的挑戰，例如電能的雙向流動(dòng)、可再生能源發(fā)電的間歇性、電力分配、電力線(xiàn)上的噪聲等，這些可能導致電網(wǎng)穩定性問(wèn)題。
為了保證向最終客戶(hù)提供持續和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，配電公司開(kāi)始采用智能電表，以便能對電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷并即時(shí)檢測故障。這項技術(shù)為電力公司和最終用戶(hù)帶來(lái)了諸多好處。本文介紹智能電表的基礎知識和現場(chǎng)診斷方面的進(jìn)展。
智能電表
智能電表是配電網(wǎng)絡(luò )的基本組成部分。除了監測能耗外，智能電表還能收集有關(guān)供電質(zhì)量的數據。例如，它能測量無(wú)功電能、總諧波失真、諧波成分、電壓浪涌和瞬變是否存在以及頻率的變化，所有這些都是電網(wǎng)狀態(tài)的指標。但是，電表如何工作呢？
圖1中的框圖顯示了單相系統和三相系統電表的主要組成部分。
圖1. 單相和三相智能電表框圖
在智能電表中，基本電力質(zhì)量是從電壓和電流測量獲得的。這些測量結果由一個(gè)特殊的模擬前端(AFE)處理并提供給微控制器，微控制器顯示結果或將其提供給通信節點(diǎn)以進(jìn)行遠程傳輸。完整結構還包括一個(gè)電源管理單元。
測量電壓和電流的傳感器
電表的一個(gè)關(guān)鍵方面是電流測量。在電壓測量中，測量結果與標稱(chēng)值可能只有很小的偏差，但電流測量不同，電流具有非常寬的動(dòng)態(tài)范圍，從幾毫安到數百安，整個(gè)范圍內都必須以盡可能高的精度進(jìn)行測量。使用簡(jiǎn)單的電阻分壓器（較少情況下使用變壓器）就可以進(jìn)行電壓測量，但用于讀取電流的傳感器則有很多種類(lèi)。一般使用以下四種傳感器：分流器、電流互感器(CT)、羅氏線(xiàn)圈和霍爾效應傳感器。這些傳感器各有其優(yōu)缺點(diǎn)。例如，分流器廣泛用于家用電表，具有經(jīng)濟優(yōu)勢和實(shí)用性。分流器的最大缺點(diǎn)是焦耳熱效應，這限制了它在大電流下的使用。
相比之下，電流互感器在最大電流方面消除了分流器的限制，并且其本質(zhì)上是隔離的，這非常有利。CT以環(huán)形形式提供，其初級繞組由導體表示，要測量的電流流過(guò)環(huán)路。次級繞組纏繞在鐵磁材料上，匝數決定互感器匝數比。與分流器相比，CT成本更高，尺寸更大。電流互感器的一個(gè)重大限制是其鐵磁芯，如果飽和，智能電表的運行會(huì )受到嚴重影響。飽和可能由交流中的直流偏置、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。由于此限制，使用電流互感器的系統必須提供屏蔽或其他保護機制以避免被篡改。
霍爾效應傳感器具有出色的頻率響應，可以測量高強度電流。然而，這些優(yōu)勢會(huì )因高溫漂移而減弱；為了獲得所需的精度，必須在多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行系統校準。
與電流互感器和霍爾效應傳感器一樣，羅氏線(xiàn)圈本質(zhì)上是也隔離的。羅氏線(xiàn)圈是一個(gè)與導體互耦的電感器，待測電流流經(jīng)該導體。磁耦合通過(guò)空氣芯發(fā)生，因此不會(huì )引入鐵磁材料常見(jiàn)的飽和問(wèn)題。羅氏線(xiàn)圈的特點(diǎn)是傳感器產(chǎn)生的信號與電流的導數成正比，因此需要積分器來(lái)重建原始信號。
為了實(shí)現寬動(dòng)態(tài)范圍和高線(xiàn)性度，以及能夠測量非常高的電流，使用羅氏線(xiàn)圈進(jìn)行電流檢測需要使用穩定的積分器。此外，羅氏線(xiàn)圈特別容易受到外部場(chǎng)的影響，最終用戶(hù)可以藉此操縱功率測量。
為下一代智能電表引入mSure技術(shù)
智能電表必須能夠在相對較長(cháng)的時(shí)間內（可能超過(guò)10年）準確執行其功能。良好的設計和硅電子器件的穩定性使其可以多年保持高精度水平。然而，閃電、電流尖峰或電壓瞬變等環(huán)境事件會(huì )永久性地改變傳感器的性能。如果沒(méi)有先進(jìn)的診斷系統，則很難檢測到這種影響。mSure?是ADI公司開(kāi)發(fā)的一種新型電表診斷技術(shù)，可以實(shí)時(shí)檢查測量鏈的狀態(tài)，防止傳感器受到環(huán)境影響。mSure技術(shù)不受環(huán)境影響，可以通過(guò)診斷檢測有無(wú)人為操縱。
mSure技術(shù)的工作原理如圖2所示。標準電表在沒(méi)有反饋路徑的情況下以開(kāi)環(huán)方式工作。電流和電壓由傳感器轉換，有一個(gè)處理鏈會(huì )增加增益，最后是模數轉換，以便直接在數字域中提取數據。每個(gè)器件都對總誤差有貢獻；下線(xiàn)校準用于補償初始誤差，并確保電表精度保持在特定等級的規格范圍內。
圖2. 采用mSure技術(shù)的開(kāi)環(huán)系統和閉環(huán)系統的比較
標準電表一旦安裝到現場(chǎng)，要測試其精度就只剩下一種辦法，那就是將其物理移除并送到實(shí)驗室測試。一種侵入性較小的替代方法是驗證生產(chǎn)批次的性能，但這種方法成本很高。與標準電表相比，采用mSure技術(shù)的電表可以在現場(chǎng)通過(guò)更復雜的閉環(huán)系統實(shí)時(shí)驗證精度，如圖2所示。閉環(huán)系統包括添加一個(gè)基準電壓模塊，其生成一個(gè)穩定且非常精確的信號以注入傳感器。該信號穿過(guò)整個(gè)測量鏈，由檢測模塊拾取。整個(gè)信號鏈受到實(shí)時(shí)監控，任何誤差（如增益、漂移等）都會(huì )被捕獲，支持連續校準以調整這些誤差。此外，mSure技術(shù)的最大優(yōu)勢之一是欺詐檢測。大多數篡改都涉及到改變測量鏈的增益，因此與開(kāi)環(huán)系統不同，mSure能夠立即檢測到這種變化。
mSure是非侵入式的，可以在電表運行時(shí)激活。為確保讀數準確，一個(gè)適當的模塊會(huì )檢測并扣除mSure器件對最終電能測量的貢獻。因此，電表的精度取決于基準電壓模塊的精度。根據定義，基準電壓模塊的精度優(yōu)于系統所用傳感器的精度。
自動(dòng)校準功能可以隨時(shí)激活。校準數據由電流和電壓測量鏈的增益組成。mSure技術(shù)可以高精度地提取這些數據，而無(wú)需求助于昂貴的校準工作臺。要執行自校準，首先應將電表連接到一個(gè)電壓源。是否加負載是可選的。
一旦將具備mSure技術(shù)的智能電表安裝到現場(chǎng)，您就可以連續或以預定時(shí)間間隔檢查電表的精度。如果電表存在精度漂移，可以校正校準數據，使電能計數準確。迄今為止，政府法規不允許在現場(chǎng)更改標準電表的校準數據。借助mSure技術(shù)，電力公司將能在需要時(shí)及時(shí)進(jìn)行干預；如果干預時(shí)間較長(cháng)，對電能差異將有一個(gè)準確估計。
ADE9153B 和 ADE9322B 是內嵌mSure?的電能計量IC，具有傳感器監控和自校準功能，適用于A(yíng)DI公司的下一代智能電表。
Energy Analytics Studio
mSure產(chǎn)品組合包括Energy Analytics Studio (EAS)。EAS是一種支持mSure技術(shù)的云分析服務(wù)，可驗證每只電表的健康狀況（健康監測），最終保護電力公司的收入。mSure Manager軟件在系統微控制器上運行，可報告與電表參數相關(guān)的數據。報告頻率可由運營(yíng)商確定。mSure Manager允許您檢查單只電表的狀態(tài)，某個(gè)地理區域的所有電表（例如，那些受到某些異常天氣事件影響的電表）的狀態(tài)，或者某個(gè)生產(chǎn)批次的所有電表的狀態(tài)。
圖3. 適用于電力公司的邊緣到云解決方案
結論
創(chuàng )新的mSure技術(shù)支持對現場(chǎng)電表進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。結合Energy Analytics Studio，它能監控電表健康狀況，發(fā)生實(shí)際故障時(shí)也無(wú)需干預，并能防止欺詐。這給電力公司帶來(lái)的好處是優(yōu)化電表管理，減少損失，節省成本，同時(shí)延長(cháng)電表的平均使用壽命。
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