智慧電錶現場診斷的進展

作者：ADI現場應用工程師Cosimo Carriero

簡介

一百多年來，能源輸送在技術方面變化很小，但近年來，配電網路產生了巨大變化。在一個由技術演進主導的世界中，能源部門已經發展到包括風能和太陽能等可再生能源。我們面臨著新的挑戰，例如電能的雙向流動、可再生能源發電的間歇性、電力分配、電力線上的雜訊等，這些可能導致電網穩定性問題。為了保證向終端客戶提供持續和優質的服務，配電公司開始採用智慧電錶，以便能對電網進行即時診斷並即時檢測故障。這項技術為電力公司和終端用戶帶來了諸多好處。本文介紹智慧電錶的基礎知識和現場診斷方面的進展。

智慧電錶

智慧電錶是配電網路的基本組成部分。除了監測能耗外，智慧電錶還能收集有關供電品質的資料。例如，其能測量無功電能、總諧波失真、諧波成分、電壓湧浪和瞬變是否存在以及頻率的變化，這些都是電網狀態的指標。但是，電錶如何工作呢？

圖1中的框圖顯示了單相系統和三相系統電錶的主要組成部分。

在智慧電錶中，基本電力品質是從電壓和電流測量獲得的。這些測量結果由一個特殊的類比前端(AFE)處理並提供給微控制器，微控制器顯示結果或將其提供給通訊節點以進行遠端傳輸。完整結構還包括一個電源管理單元。

測量電壓和電流的感測器

電錶的一個關鍵方面是電流測量。在電壓測量中，測量結果與標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範圍，從幾毫安培到數百安培，整個範圍內都必須以盡可能高的精度進行測量。使用簡單的電阻分壓器（較少情況下使用變壓器）就可以進行電壓測量，但用於讀取電流的感測器則有很多種類。一般使用以下四種感測器：分流器、電流互感器(CT)、羅氏線圈和霍爾效應感測器。這些感測器各有其優缺點。例如，分流器廣泛用於家用電錶，具有經濟優勢和實用性。分流器的最大缺點是焦耳熱效應，這限制了其在大電流下的使用。

相較之下，電流互感器在最大電流方面消除了分流器的限制，並且其本質上是隔離的，這非常有利。CT以環形形式提供，其初級繞組由導體表示，要測量的電流流過迴路。次級繞組纏繞在鐵磁材料上，匝數決定互感器匝數比。相較於分流器，CT成本更高，尺寸更大。電流互感器的一個重大限制是其鐵磁芯，如果達到飽和，智慧電錶的運行會受到嚴重的影響。飽和可能由交流中的直流偏置、高電流峰值或外部磁場（例如永磁體產生的磁場）引起。由於此限制，使用電流互感器的系統必須提供遮罩或其他保護機制以避免被篡改。

霍爾效應感測器具有卓越的頻率響應，可以測量高強度電流。然而，這些優勢會因高溫漂移而減弱；為了獲得所需的精度，必須在多個點進行系統校準。

與電流互感器和霍爾效應感測器一樣，羅氏線圈本質上是也隔離的。羅氏線圈是一個與導體互耦的電感器，待測電流流經該導體。磁耦合透過空氣芯發生，因此不會產生鐵磁材料常見的飽和問題。羅氏線圈的特點是感測器產生的訊號與電流的導數成正比，因此需要積分器來重建原始訊號。

為了實現寬動態範圍和高線性度，以及能夠測量非常高的電流，使用羅氏線圈進行電流感測需要使用穩定的積分器。此外，羅氏線圈特別容易受到外部場的影響，終端用戶可以藉此操縱功率測量。

為下一代智慧電錶引入 mSure 技術

智慧電錶必須能夠在相對較長的時間內（可能超過10年）精準執行其功能。良好的設計和矽電子元件的穩定性使其可以多年保持高精度水準。然而，閃電、電流尖峰或電壓瞬變等環境事件會永久性地改變感測器的性能。如果沒有先進的診斷系統，則很難檢測到這種影響。 mSure^®是ADI開發的一種新型電錶診斷技術，可即時檢查測量鏈的狀態，防止感測器受到環境影響。mSure技術不受環境影響，可透過診斷檢測有無人為操縱。

mSure 技術的工作原理如圖2所示。標準電錶在沒有回饋路徑的情況下以開迴路方式工作。電流和電壓由感測器轉換，有一個處理鏈會增加增益，最後是類比數位轉換，以便直接在數位域中擷取資料。每個元件都對總誤差有貢獻；下線校準用於補償初始誤差，並確保電錶精度保持在特定等級的規格範圍內。

標準電錶一旦安裝到現場，要測試其精度就只剩下一種辦法，那就是將其物理移除並送到實驗室測試。一種侵入性較小的替代方法是驗證生產批次的性能，但此種方法成本很高。相較於標準電錶，採用 mSure技術的電錶可以在現場透過更複雜的閉迴路系統即時驗證精度，如圖2所示。閉迴路系統包括增加一個基準電壓模組，其生成一個穩定且非常精準的訊號以注入感測器。該訊號穿過整個測量鏈，由檢測模組拾取。整個訊號鏈受到即時監控，任何誤差（如增益、漂移等）都會被捕獲，支援連續校準以調整這些誤差。此外， mSure技術的最大優勢之一是欺詐檢測。大多數篡改都涉及到改變測量鏈的增益，因此與開迴路系統不同，mSure能夠立即檢測到此種變化。

mSure是非侵入式的，可以在電錶運行時啟動。為確保讀數精準，一個適當的模組會檢測並扣除 mSure元件對最終電能測量的貢獻。因此，電錶的精度取決於基準電壓模組的精度。根據定義，基準電壓模組的精度優於系統所用感測器的精度。

自動校準功能可以隨時啟動。校準資料由電流和電壓測量鏈的增益組成。 mSure技術可以高精度地擷取這些資料，而無需求助於昂貴的校準工作臺。要執行自校準，首先應將電錶連接到一個電壓源。是否加負載是可選的。

一旦將具備 mSure技術的智慧電錶安裝到現場，使用者就可以連續或以預定時間間隔檢查電錶的精度。如果電錶存在精度漂移，則可以校正校準資料使電能計數精準。迄今為止，政府法規不允許在現場更改標準電錶的校準資料。借助 mSure技術，電力公司將能在需要時及時進行干預；如果干預時間較長，對電能差異將有一個精準估計。

ADE9153B 和 ADE9322B 是內嵌 mSure^®的電能計量IC，具有感測器監控和自校準功能，適用於ADI的下一代智慧電錶。

Energy Analytics Studio

mSure產品組合包括Energy Analytics Studio (EAS)。EAS是一種支援mSure技術的雲端分析服務，可驗證每只電錶的健康狀況（健康監測），最終保護電力公司的收入。mSure Manager軟體在系統微控制器上運行，可報告與電錶參數相關的資料。報告頻率可由營運業者確定。mSure Manager允許使用者檢查單只電錶的狀態，某個地理區域的所有電錶（例如，受到某些異常天氣事件影響的電錶）的狀態，或者某個生產批次的所有電錶的狀態。

結論

創新的mSure技術支援對現場電錶進行即時診斷。結合Energy Analytics Studio，其能監控電錶健康狀況，發生實際故障時也無需干預，並能防止欺詐。如此可為電力公司帶來的好處，包括了優化電錶管理，減少損失，節省成本，同時還能延長電錶的平均使用壽命。