智能电表现场诊断技术进展

介绍

经过一百多年的能源运输，技术变化很小，配电网络最近发生了巨大的变化。在一个由技术发展主导的世界中，能源部门已经发展到包括风能和太阳能等可再生能源。我们面临着新的挑战，例如能源的双向流动，可再生能源发电的间歇性，电力分配以及电力线上的噪声排放，从而导致潜在的网络稳定性问题。为了保证为最终客户提供持续和优质的服务，能源分配公司正在整合智能电表，以实现实时网络诊断和即时故障检测。这项技术为公用事业公司和最终用户提供了众多好处。本文介绍了智能电表的基本原理和现场诊断的进步。

智能电表

智能电表是能源分配网络的基本组成部分。除了监控能耗外，智能电表还可以收集有关所供电质量的数据。例如，它可以测量无功电能、总谐波失真、谐波含量、电压浪涌和瞬变的存在以及频率变化，所有这些都是网络状态的指标。但是电表是如何工作的呢？

图1显示了单相系统和三相系统电表的主要组件框图。

图1.单相和三相智能电表框图。

在智能电表中，基本电气质量来自电压和电流测量。这些测量值由特殊的模拟前端（AFE）处理并提供给微控制器，微控制器显示它们或使它们可用于通信节点进行远程传输。电源管理单元完成结构。

用于测量电压和电流的传感器

电表的一个关键方面是电流测量。与电压测量不同，电压测量可能仅与标称值有很小的偏差，电流具有非常宽的动态范围，从几毫安到数百安培，并且必须在整个范围内以最高的精度进行测量。虽然使用简单的电阻分压器（很少使用变压器）进行电压测量，但用于读取电流的传感器可能会有所不同。通常使用以下四种类型的传感器：分流器、电流互感器（CT）、罗氏线圈和霍尔效应传感器。这些传感器中的每一个都有优点和缺点。例如，广泛用于家用仪表的分流器具有经济优势和实用性。分流器的最大缺点是焦耳效应加热，这限制了其在大电流下的使用。

相比之下，电流互感器在最大电流方面超越了分流器的限制，并且本质上是隔离的，这是非常有利的。CT以环形线圈的形式出现，其初级绕组由导体表示，您要测量的电流流过环。次级绕组缠绕在铁磁材料上，匝数确定变压器匝数比。与分流器相比，CT具有更高的成本和更大的占地面积。电流互感器的一个重要限制是其铁磁芯，如果饱和，会严重影响智能电表的运行。饱和可能是由交流电中的直流偏移、高电流峰值或外部磁场（例如永磁体产生的磁场）引起的。由于此限制，使用电流互感器的系统必须提供屏蔽或其他保护机制以避免篡改。

霍尔效应传感器具有出色的频率响应，可以测量高强度电流。然而，高温漂移减轻了这些优势，需要在多个点进行系统校准才能获得所需的精度。

与电流互感器和霍尔效应传感器一样，罗氏线圈本质上是隔离的。罗氏线圈是一种与导体相互耦合的电感器，待测电流流经导体。磁耦合通过空气芯进行，因此不会引入铁磁材料的典型饱和问题。罗氏线圈的特点是传感器产生的信号与电流的导数成正比，因此需要积分器来重建原始信号。

为了实现宽动态范围和高线性度，以及测量非常高电流的能力，使用罗氏线圈进行电流检测需要使用稳定的积分器。此外，Rogowsi线圈特别容易受到外部磁场的影响，这些外部磁场允许通过最终用户操纵功率测量。

为下一代智能电表介绍 mSure 技术

智能电表必须能够在相对较长的时间内准确执行其功能，这可能超过 10 年。良好的设计和硅电子元件的稳定性使其能够多年保持高水平的精度。但是，雷电、电流尖峰或电压瞬变等环境事件会永久改变传感器的性能。如果没有先进的诊断系统，这种影响很难被发现，如果有的话。米当然，ADI公司开发的新型仪表诊断技术可以实时检查测量链的状态，并防止传感器受到环境影响。米当然，技术不受环境影响，可以通过诊断来检测操纵。®

mSure技术的工作原理如图2所示。标准仪表在没有反馈路径的情况下在开环中工作。电流和电压由传感器转换，有一个增加增益的处理链，最后，有一个模数转换，直接在数字域中提取数据。每个组件都会增加总误差;下线校准用于补偿初始误差，并确保仪表保持在特定精度等级的规格范围内。

图2.采用mSure技术的开环和闭环系统之间的比较。

对于标准仪表，一旦安装在现场，测试其准确性的唯一方法是将其物理移除以进行实验室测试。侵入性较小的替代方法是验证生产批次的性能，但这代价高昂。与标准仪表相比，配备mSure技术的仪表可以通过更复杂的闭环系统在现场进行实时精度验证，如图2所示。闭环系统包括增加一个参考块，该参考块可生成稳定且非常精确的信号以注入传感器。该信号穿过整个测量链，从检测模块中拾取。实时监控整个信号链，捕获任何误差（如增益、漂移等），并允许连续校准以调整这些误差。此外，mSure技术的最大优势之一是检测欺诈行为。由于大多数篡改包括改变测量链的增益，因此mSure可以立即检测到这种变化，这与开环系统不同。

米Sure 是非侵入式的，可以在仪表运行时激活。为了确保读数准确，适当的模块会检测并扣除mSure设备对最终能量测量的贡献。因此，仪表的精度取决于参考块的精度。根据定义，与系统中使用的传感器相比，基准电压源具有更好的精度。

可以随时激活自动校准功能。校准数据由电流和电压测量链的增益组成。米当然，技术可以高精度地提取这些数据，而不必求助于昂贵的校准台。自校准从将仪表连接到电压源开始。负载的存在是可选的。

一旦智能电表配备mSure技术并安装在现场，您就可以连续或按预定的时间间隔检查电表的精度。如果仪表有精度漂移，则可以校正校准数据，以使能量计数准确。到目前为止，政府法规不允许在现场更改标准仪表的校准数据。借助mSure技术，公用事业公司将能够在需要时及时进行干预，并且在扩展干预的情况下，将准确估计能源差异。

ADE9153B和ADE9322B均为支持Sure的电能计量IC，具有传感器监控和自校准功能，适用于ADI公司的下一代智能电表。®

能源分析工作室

mSure产品组合附带Energy Analytics Studio（EAS）。EAS 是支持 mSure 技术的云分析服务，可验证每个仪表的运行状况（运行状况监控），并最终保护收入。在系统微控制器上运行的 mSure Manager 软件报告与仪表参数相关的数据。报告频率可以由操作员确定。米Sure Manager 允许您检查单个计量表的状态、属于特定地理区域的所有计量表（例如，受到某些特殊天气事件的计量表）或属于某个生产批次的所有计量表的状态。

图3.面向电力公司的边缘到云解决方案。

结论

创新的mSure技术可实现现场电表的实时诊断。结合能源分析工作室，它可以监控仪表的健康状况，无需对实际故障情况进行干预，并防止欺诈。其结果是通过优化仪表管理来限制损失，同时最终延长仪表的平均使用寿命，从而为公用事业公司节省经济成本。

审核编辑：郭婷