電能表現場運行環境仿真裝置研究

陳錦勝

摘? 要：低壓電網計量電能表運行在各類現場運行環境條件中，溫度、濕度、酸堿度、負載、接線工藝等因素影響電能表的安全運行，該文提出建設一套在實驗室內進行的運行仿真裝置，考核衡量電能表的運行性能和尋找現場影響使用壽命的不利因素。為充分符合電能表的現場運行條件，并有別于電能表全性能試驗，體現運行仿真試驗的特點，遵循一致性、區別性和可操作性的原則來設計，裝置能夠最大程度地模擬電能表現場運行環境的運行仿真，試驗裝置可開展對電能表運行性能的評價。

關鍵詞：電能表? 運行仿真裝置? 電能表運行環境

中圖分類號：TM933.4 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）02（a）-0025-03

隨著居民對供電質量要求日益提高，對電能表的安全可靠運行也隨之提高。電能表損壞時現在配網運維人員和計量運維人員的生產難題，電能表的損壞的因素有很多，其中有用電過負荷、接線點的安裝方式等。因此，關于電能表的運行性能檢測技術越來越受關注，該文針對電能表現場檢測技術進行了探討，提出在實驗室內開展電能表運行環境仿真研究，探討建設一套電能表運行環境仿真裝置。通過裝置可提前發現電能表運行時出現的燒表、計量偏差等影響因素，通過對比分析，提高電表運行可靠性和穩定性，評價的運行性能和核查使用環境的極限。

1? 中央控制裝置原理

1.1 硬件配置

采用的單片機為STM32F4系列，該單片機采用32位高性能ARM Cortex-M4處理器，頻率可高達168MHz。該項目采用的具體版本為探索者STM32F407，該單片機共有144個引腳，其中有112個可用于操作的IO口，在PCB板上分別用PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG分為7組進行統一控制，每一組以PA0-PA15的編號進行表示。

1.2 工作原理

該裝置涉及到需要控制6組外設，通過輸出3.3V的電壓，對外設的電源進行控制。考慮到STM32F4的IO分配，項目選擇了PE2、PE3、PE4、PE5、PE6、PE7作為6個控制的IO輸出口，原因是因為該6個IO口具有相同的特性，且都可作為獨立IO使用。同時，為每一個IO配套了一個GND引腳配套使用。在實際應用中，需將每一個外設的電源正極，接到對應的IO引腳（如PE2）上，將外設的電源負極，接到PCB板上空閑可用的任意GND引腳。在實際程序操作中，通過拉高或拉低IO引腳的電平，即可控制外設的電源開關。

該部分具體的電路編程思路簡述如下。

在程序啟動后，完成初始工作后，進行以下操作。

（1）調用RCC_AHB1PeriphClockCmd設置為RCC_AHB1Periph_GPIOE時鐘可用。

（2）建立GPIO_InitStructure對象，屬性為：IO口選擇為GPIO_Pin_2至GPIO_Pin_7;GPIO_Mode_OUT普通輸出模式;GPIO_PuPd_UP上拉模式;速率為GPIO_Speed_50MHz，并對GPIOE分組，用GPIO_InitStructure對象進行初始化。即完成PE2～PE7等6個IO引腳的初始化。

（3）用GUI_CreateDialogBox創建對話框，并在對話框上面，創建相應的開關按鈕與顯示文本等控制。例如，控制6組開關的按鈕的ID分別為ID_BUTTON_1至ID_BUTTON_6。

（4）通過GUI_CreateDialogBox時指定的回調函數，監聽窗體中6組按鈕的所有事件。在按鈕的WM_NOTIFICATION_RELEASED事件中進行編碼，對開關進行控制。

（5）根據每組對應的IO引腳的狀態，分別用GPIO_SetBits或GPIO_ResetBits，對相應的引腳進行拉高電平或是拉低電平操作，即可控制外設的電源是接通或是斷開。并用GPIO_ReadInputDataBit函數，讀取相應引腳的實時狀態，以確保操作有效或是無效。

另外，還涉及到需要接收溫濕度傳感器的數據作為輸入，選擇了DHT11傳感器作為溫度與濕度監測。該傳感器包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件，經過封裝后，共有3個IO引腳，分別是VCC、GND、DATA口。其中VCC為DHT11的正極，可與PCB板上的任一可用VCC口連接，GND為DHT11的負極，可與PCB板上的任一GND引腳進行連接，DATA為數據輸出口，需與PCB板上的IO引腳進行連接。在該項目中，我們選擇了PG9作為DATA引腳，用于接收溫濕度傳感器的實時數據。

該部分具體的電路編程思路簡述如下。

在程序啟動后，完成初始工作后，進行以下操作。

（1）調用RCC_AHB1PeriphClockCmd設置為RCC_AHB1Periph_GPIOG時鐘可用。

（2）建立GPIO_InitStructure對象，屬性為：IO口選擇為GPIO_Pin_9;GPIO_Mode_OUT普通輸出模式;GPIO_PuPd_UP上拉模式;速率為GPIO_Speed_50MHz，并對GPIOE分組，用GPIO_InitStructure對象進行初始化。即完成PG9這個IO引腳的初始化。

（3）用WM_SetCallback對WM_HBKWIN設置回調函數。

（4）用WM_CreateTimer對WM_HBKWIN設置定時器，每1000ms執行一次。

（5）在WM_SetCallback設置的回調函數中，監聽程序頂級窗口的所有窗口消息，并捕獲到用WM_CreateTimer創建的消息后，對DHT11的數據進行讀取，并進行展示。

讀取傳感器數據并進行轉化的編程思路為：由于DHT11每次返回的數據，一共由40個bit組成，共5個字節。因此程序分5次讀取，每次讀取一個字節;每讀取一個字節時，分8次讀取，每次讀取一個返回0或1的bit位。

2? 電能表現場運行環境仿真裝置及試驗方案設計

2.1 電能表現場運行環境仿真裝置的設計

基于上述設計思路及原則，運行環境仿真試驗裝置主要有電源、試驗電能表、負載控制裝置、溫度控制裝置、濕度控制裝置和中央控制裝置。

圖2中，電源是220V/380V交流電源;負載控制裝置是實現固定功率值、時變功率值及極限功率因數的裝置，用于模擬電能表現場條件下不同用電工況下的負載狀態;溫度控制裝置實現固溫度、時變溫度及極限溫度的環境變化，用于模擬溫度因素的現場運行的電能表的影響，濕度控制裝置實現固濕度、時變濕度及極限濕度的環境變化，用于模擬濕度因素對現場運行的電能表的影響。中央控制裝置是對負載控制裝置、溫度控制裝置和濕度控制裝置進行控制，收集記錄每次試驗時的數據，并進行處理分析。

該運行仿真試驗裝置的各個控制裝置相互獨立，具有靈活的擴展能力，各控制裝置既可獨立工作，對某影響因素進行單獨的模擬測試工作，也可以組合工作，模擬電能表的復合運行工況，針對一些特殊的現場工況，還可以通過外接設備滿足模擬要求。

2.2 運行環境仿真試驗方案設計

此次設計的仿真試驗包括負載、溫度和濕度3大類影響因素，負載設置范圍：9～36kW、溫度設置范圍：0℃～60℃、濕度設置范圍：30%～100%。試驗項目可根據實際現場情況進行交替調整，以達到不同的試驗目的。例如，負載影響類試驗中的電壓電流極限條件影響試驗考核在電壓或電流極大極小或兩兩組合時，電能表的性能和功能是否正常;溫度影響試驗項目中的高溫變化影響試驗不再在單一溫度點進行測試，而是在溫度劇烈變化，達到一定程度時考核電能表的性能和功能是否正常。試驗可使用下列表格進行記錄，為進一步分析提供參考，具體如表1、表2、表3所示。

3? 結語

隨著電能表的大范圍推廣應用，電能表的運行質量必將日益受到關注和重視。該文結合現場運行條件提出了運行仿真試驗方案設計的一致性、區別性和可操作性三大原則，形成了運行仿真試驗裝置和運行仿真試驗方法，建立了測試和評價電能表運行性能的有效途徑和技術方法，有助于提升電能表質量水平、改進電能表的檢修施工方案。

參考文獻

[1] 張松，李亦非.智能電能表數據安全防護技術探討[J].電力需求側管理，2010，12（2）：74-76.

[2] 李俊.對智能電能表抗干擾措施的探究[J].科技創業月刊，2011（6）：187-188.

[3] 李明，朱中文，李春章，等.電能表射頻電磁場輻射抗擾度試驗技術研究[J].電測與儀表，2010，47（2）：48-51.

[4] 錢曉耀，胡獻華，鄭薦中.電能表嵌入式軟件半仿真測試系統設計[J].中國計量學院學報，2014，25（1）：28-33.

[5] 楊軍麗，張曉輝，章慧雅.星載設備嵌入式軟件可靠性仿真測試系統設計[J].計算機仿真，2008，25（3）：63-65，69.

[6] 朱中文，周韶園.智能電能表的概念、標準化和檢測方法初探[J].電測與儀表，2011（6）：48-53.

[7] 陸祖良.關于電能表現場檢定的討論[J].電測與儀表，2011（4）：1-5.

[8]鄭薦中，陸祖良，李敏.電能表動態特定實驗研究[J].電測與儀表，2011（8）：1-7.

[9] 陶鵬，張艷，曹惠敏.本地費控智能電能表的特點及參數設置分析[J].河北電力技術，2012（1）：8-9.