簡介
一百多年來，能源輸送在技術方面變化很小，但近年來，配電網絡發生了巨大變化。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、電力線上的噪聲等，這些可能導致電網穩定性問題。為了保證向最終客戶提供持續和優質的服務，配電公司開始採用智慧電錶，以便能對電網進行實時診斷並即時檢測故障。這項技術為電力公司和最終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
智慧電錶是配電網絡的基本組成部分。除了監測能耗外，智慧電錶還能收集有關供電質量的數據。例如，它能測量無功電能、總諧波失真、諧波成分、電壓突波和瞬變是否存在以及頻率的變化，所有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繫統和三相繫統電錶的主要組成部分。
圖1. 單相和三相智慧電錶框圖
在智慧電錶中，基本電力質量是從電壓和電流測量獲得的。這些測量結果由一個特殊的模擬前端(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程傳輸。完整結構還包括一個電源管理單元。
測量電壓和電流的傳感器
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，從幾毫安到數百安，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傳感器。這些傳感器各有其優缺點。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，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，要測量的電流流過環路。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。電流互感器的一個重大限制是其鐵磁芯，如果飽和，智慧電錶的運行會受到嚴重影響。飽和可能由交流中的直流偏置、高電流峰值或外部磁場（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傳感器一樣，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。磁耦合通過空氣芯發生，因此不會引入鐵磁材料常見的飽和問題。羅氏線圈的特點是傳感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檢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，最終用戶可以藉此操縱功率測量。
為下一代智慧電錶引入m Sure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）準確執行其功能。良好的設計和矽電子裝置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境事件會永久性地改變傳感器的性能。如果沒有先進的診斷系統，則很難檢測到這種影響。m Sure ®是ADI公司開發的一種新型電錶診斷技術，可以實時檢查測量鏈的狀態，防止傳感器受到環境影響。m Sure技術不受環境影響，可以通過診斷檢測有無人為操縱。
m Sure技術的工作原理如圖2所示。標準電錶在沒有反饋路徑的情況下以開環方式工作。電流和電壓由傳感器轉換，有一個處理鏈會增加增益，最後是模數轉換，以便直接在數字域中提取數據。每個裝置都對總誤差有貢獻；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。
圖2. 採用m Sure技術的開環系統和閉環系統的比較
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，但這種方法成本很高。與標準電錶相比，採用m Sure技術的電錶可以在現場通過更複雜的閉環系統實時驗證精度，如圖2所示。閉環系統包括添加一個基準電壓模塊，其生成一個穩定且非常精確的訊號以注入傳感器。該訊號穿過整個測量鏈，由檢測模塊拾取。整個訊號鏈受到實時監控，任何誤差（如增益、漂移等）都會被捕獲，支持連續校準以調整這些誤差。此外，m Sure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，因此與開環系統不同，m Sure能夠立即檢測到這種變化。
m Sure是非侵入式的，可以在電錶運行時激活。為確保讀數準確，一個適當的模塊會檢測並扣除m Sure裝置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塊的精度。根據定義，基準電壓模塊的精度優於系統所用傳感器的精度。
自動校準功能可以隨時激活。校準數據由電流和電壓測量鏈的增益組成。m Sure技術可以高精度地提取這些數據，而無需求助於昂貴的校準工作台。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m Sure技術的智慧電錶安裝到現場，您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，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更改標準電錶的校準數據。借助m Sure技術，電力公司將能在需要時及時進行干預；如果乾預時間較長，對電能差異將有一個準確估計。
ADE9153B 和ADE9322B 是內嵌m Sure ®的電能計量IC，具有傳感器監控和自校準功能，適用於ADI公司的下一代智慧電錶。
Energy Analytics Studio
m Sure產品組合包括Energy Analytics Studio (EAS)。EAS是一種支持m Sure技術的雲分析服務，可驗證每隻電錶的健康狀況（健康監測），最終保護電力公司的收入。m Sure Manager軟件在系統微控制器上運行，可報告與電錶參數相關的數據。報告頻率可由運營商確定。m Sure Manager允許您檢查單只電錶的狀態，某個地理區域的所有電錶（例如，那些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。
圖3. 適用於電力公司的邊緣到雲解決方案
結論
創新的m Sure技術支持對現場電錶進行實時診斷。結合Energy Analytics Studio，它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。這給電力公司帶來的好處是優化電錶管理，減少損失，節省成本，同時延長電錶的平均使用壽命。
作者
Cosimo Carriero
Cosimo Carriero於2006年加入ADI公司，擔任現場應用工程師，為戰略和關鍵客戶提供技術支持。他擁有意大利米蘭Università degli Studi的物理學碩士學位。他過去的經歷包括：在意大利核物理研究所(INFN)定義和開發核物理實驗儀器，與小公司合作開發工廠自動化傳感器和系統，以及在Thales Alenia Space擔任衛星電源管理系統高級設計工程師。
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