【導(dǎo)讀】一百多年來，能源輸送在技術(shù)方面變化很小，但近年來，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(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)，例如電能的雙向流動、可再生能源發(fā)電的間歇性、電力分配、電力線上的噪聲等，這些可能導(dǎo)致電網(wǎng)穩(wěn)定性問題。
為了保證向最終客戶提供持續(xù)和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，配電公司開始采用智能電表，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(xiàng)技術(shù)為電力公司和最終用戶帶來了諸多好處。本文介紹智能電表的基礎(chǔ)知識和現(xiàn)場診斷方面的進(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(jiān)測能耗外，智能電表還能收集有關(guān)供電質(zhì)量的數(shù)據(jù)。例如，它能測量無功電能、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(biāo)。但是，電表如何工作呢？
圖1中的框圖顯示了單相系統(tǒng)和三相系統(tǒng)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(jié)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(jié)果或?qū)⑵涮峁┙o通信節(jié)點(diǎn)以進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。完整結(jié)構(gòu)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(jié)果與標(biāo)稱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態(tài)范圍，從幾毫安到數(shù)百安，整個(gè)范圍內(nèi)都必須以盡可能高的精度進(jìn)行測量。使用簡單的電阻分壓器（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。一般使用以下四種傳感器：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(jì)優(yōu)勢和實(shí)用性。分流器的最大缺點(diǎn)是焦耳熱效應(yīng)，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(dǎo)體表示，要測量的電流流過環(huán)路。次級繞組纏繞在鐵磁材料上，匝數(shù)決定互感器匝數(shù)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(yùn)行會受到嚴(yán)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（例如永磁體產(chǎn)生的磁場）引起。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)制以避免被篡改。
霍爾效應(yīng)傳感器具有出色的頻率響應(yīng)，可以測量高強(qiáng)度電流。然而，這些優(yōu)勢會因高溫漂移而減弱；為了獲得所需的精度，必須在多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。
與電流互感器和霍爾效應(yīng)傳感器一樣，羅氏線圈本質(zhì)上是也隔離的。羅氏線圈是一個(gè)與導(dǎo)體互耦的電感器，待測電流流經(jīng)該導(dǎo)體。磁耦合通過空氣芯發(fā)生，因此不會引入鐵磁材料常見的飽和問題。羅氏線圈的特點(diǎn)是傳感器產(chǎn)生的信號與電流的導(dǎo)數(shù)成正比，因此需要積分器來重建原始信號。
為了實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍和高線性度，以及能夠測量非常高的電流，使用羅氏線圈進(jìn)行電流檢測需要使用穩(wěn)定的積分器。此外，羅氏線圈特別容易受到外部場的影響，最終用戶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的時(shí)間內(nèi)（可能超過10年）準(zhǔn)確執(zhí)行其功能。良好的設(shè)計(jì)和硅電子器件的穩(wěn)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)境事件會永久性地改變傳感器的性能。如果沒有先進(jìn)的診斷系統(tǒng)，則很難檢測到這種影響。mSure?是ADI公司開發(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，可以通過診斷檢測有無人為操縱。
mSure技術(shù)的工作原理如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)電表在沒有反饋路徑的情況下以開環(huán)方式工作。電流和電壓由傳感器轉(zhuǎn)換，有一個(gè)處理鏈會增加增益，最后是模數(shù)轉(zhuǎn)換，以便直接在數(shù)字域中提取數(shù)據(jù)。每個(gè)器件都對總誤差有貢獻(xiàn)；下線校準(zhǔn)用于補(bǔ)償初始誤差，并確保電表精度保持在特定等級的規(guī)格范圍內(nèi)。
圖2. 采用mSure技術(shù)的開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的比較
標(biāo)準(zhǔn)電表一旦安裝到現(xiàn)場，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(yàn)室測試。一種侵入性較小的替代方法是驗(yàn)證生產(chǎn)批次的性能，但這種方法成本很高。與標(biāo)準(zhǔn)電表相比，采用mSure技術(shù)的電表可以在現(xiàn)場通過更復(fù)雜的閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)時(shí)驗(yàn)證精度，如圖2所示。閉環(huán)系統(tǒng)包括添加一個(gè)基準(zhǔn)電壓模塊，其生成一個(gè)穩(wěn)定且非常精確的信號以注入傳感器。該信號穿過整個(gè)測量鏈，由檢測模塊拾取。整個(gè)信號鏈?zhǔn)艿綄?shí)時(shí)監(jiān)控，任何誤差（如增益、漂移等）都會被捕獲，支持連續(xù)校準(zhǔn)以調(diào)整這些誤差。此外，mSure技術(shù)的最大優(yōu)勢之一是欺詐檢測。大多數(shù)篡改都涉及到改變測量鏈的增益，因此與開環(huán)系統(tǒng)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(yùn)行時(shí)激活。為確保讀數(shù)準(zhǔn)確，一個(gè)適當(dāng)?shù)哪K會檢測并扣除mSure器件對最終電能測量的貢獻(xiàn)。因此，電表的精度取決于基準(zhǔn)電壓模塊的精度。根據(jù)定義，基準(zhǔn)電壓模塊的精度優(yōu)于系統(tǒng)所用傳感器的精度。
自動校準(zhǔn)功能可以隨時(shí)激活。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，而無需求助于昂貴的校準(zhǔn)工作臺。要執(zhí)行自校準(zhǔn)，首先應(yīng)將電表連接到一個(gè)電壓源。是否加負(fù)載是可選的。
一旦將具備mSure技術(shù)的智能電表安裝到現(xiàn)場，您就可以連續(xù)或以預(yù)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(zhǔn)數(shù)據(jù)，使電能計(jì)數(shù)準(zhǔn)確。迄今為止，政府法規(guī)不允許在現(xiàn)場更改標(biāo)準(zhǔn)電表的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。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(yù)；如果干預(yù)時(shí)間較長，對電能差異將有一個(gè)準(zhǔn)確估計(jì)。
ADE9153B 和 ADE9322B 是內(nèi)嵌mSure?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。
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(yàn)證每只電表的健康狀況（健康監(jiān)測），最終保護(hù)電力公司的收入。mSure Manager軟件在系統(tǒng)微控制器上運(yùn)行，可報(bào)告與電表參數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)。報(bào)告頻率可由運(yùn)營商確定。mSure Manager允許您檢查單只電表的狀態(tài)，某個(gè)地理區(qū)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(jié)論
創(chuàng)新的mSure技術(shù)支持對現(xiàn)場電表進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。結(jié)合Energy Analytics Studio，它能監(jiān)控電表健康狀況，發(fā)生實(shí)際故障時(shí)也無需干預(yù)，并能防止欺詐。這給電力公司帶來的好處是優(yōu)化電表管理，減少損失，節(jié)省成本，同時(shí)延長電表的平均使用壽命。
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