三相四線電能計量錯誤接線培訓軟件設計

賈宏偉，楊伊璇，韓啟銀

（廣東電網有限責任公司培訓與評價中心，廣東 廣州 510520）

隨著社會和經濟的發展，電能成為現代社會生產和生活的必需品，用電客戶對電能的需求量也在不斷增大。一些不法分子為獲取超額收益，常利用非法手段竊取電能，并且科技發展的同時，高科技的竊電手法層出不窮，竊電手段也愈加隱蔽。這些因素大大增加了竊電查處行為的難度，同時也對用電檢查人員防竊電的專業能力提出了更高要求。為此設計了三相四線電能計量錯誤接線培訓軟件，以提高電能計量人員的專業技能水平。

1 系統設計

低壓三相四線式電能表經電流互感器的計量方式是電能計量和用電檢查培訓的重點內容。本文在參考現有電能計量培訓裝置及相關培訓和技能考評資料的基礎上，將三相四線接線類型進行分類。在軟件設計時，根據錯誤接線的分類對每種接線方式下的測試數據、相量圖、更正系數、接線圖等相關判斷信息進行逐一展示，清晰的接線結果顯示便于培訓教學和學員自學練習。三相四線式經互感器接電能表的常見接線類型包括電壓正、負相序六種，電流正、負相序六種，電流互感器二次端反極性等接線方式，各種錯誤接線類型組合共288種。本軟件界面包括參數設置和仿真測試分析（如圖1所示）。軟件左邊是參數的設置區域，也是故障類型的設置區域，主要設置電壓和電流的接法、大小和功率因數角。電力互感器的二次側電壓值為100V,電流為1A或5A，本文采用5A。軟件右側顯示在相應的接線方式情況下的測量數據及分析結果，包括相應測量點的電壓、電流、相位關系、相量圖、功率表達式、更正系數、接線原理圖等。

圖1 參數設置及測量數據顯示

2 參數設置

參數設置主要包括兩個部分：接線方式設置和幅值設置。接線方式包括上述描述的三部分，即電壓相序、電流相序及電流二次反極性。其中電壓電流相序分別有6種情況，對應后臺兩個case structure進行編程，兩個case structure奠定后續編程的基本方法和框架。每個case包括電壓和電流的初始相位角，電壓電流的初始相位關系是ABC三相分別相差120°，為后續計算方便，所有相位角均按逆時針方向設置成0°-359°，即電壓分別設置為90°、210°和330°，電流位置為同相電壓相位減去功率因數角。以電壓設置為例（見表1），電流二次反極性對應相應的電流相位角加180°。為使計算后的相位角仍在0°-359°之間，在編程時進行相應設置。例如，當通過相位的加或減后，若相位差大于360°，就將計算結果減去360；若出現負數就增加360。參數的幅值設置包括電壓、電流幅值大小以及功率因數角，其中，功率因數角大于0時表示負載性質為感性，小于0時負載性質為容性。

表1 電壓初相位設置原理

3 測量數據仿真

測量數據的界面設置參考相關競賽考試和實際工作場景模式。在實際工作中，如果接線正確則測試數據與圖1所示相似，即電壓U1、U2，U3基本相等，對應的電流也相等，相位關系如圖1所示；若測試結果不符合圖1所示的各電量間的關系，那么接線很可能存在錯誤。電壓電流數據顯示的編程很簡單，這里不再贅述。相位關系上的編程需要注意，因為數據記錄都是以U1為參考點，而U1在不同接法時對應的具體電壓相別是不同的，例如當電壓相序為abc時，U1為Ua；相序為bca時，U1=Ub。由于三個電壓相位相互相差120°，將圓周均分，在技能考試中，若沒有參考點來確定哪一相是電壓A相的話，就會出現只能判斷相序是正相序還是負相序而無法確定實際相序的情況，所以在實際考核中都會設置一個參考點，即參考A相，因此圖1會出現“U1=Ua”。

相量圖是軟件編程中比較核心的部分，占用較大內存空間，因此采用“VI Compass Plot”工具，輸入兩種方法即Vector Input和Complex Input。軟件編寫全過程需要多次調用相角，所以設計采用Vector Input方式，而且可以采用多級VI Compass，前一級的輸出可作為下一級輸入的一部分，并和新元素合并在一起。Labview中采用圖1所示的顏色區分，在電力系統中常用黃綠紅三色來區別ABC三相，如果此處仍用顏色來區別U1、U2、U3，會讓學員很難適應甚至混淆，因此此處要改進設計。圖1所示相量圖在教學中有時也被稱為六角圖，即將圓周分成6等分，電壓有6個固定位置，由于功率因數角通常設置在20°以內，再加上容性和感性，所以電流位置有12個。由上述分析可知，實際使用圖標的位置有18個，其顯示結果完全取決于設置區域的接線設置情況，即電壓電流相位、電流反極性和負載性質。因此，本文根據設置區域的條件決定18個區域的顯示內容，并調用屬性節點隱藏不必要的圖標。

4 功率表達式及更正系數

錯誤接線判斷結果包括第一和第二元件的電壓電流、負荷性質、功率計算結果等內容。當功率因數角大于0則負載性質為感性，否則為容性。功率計算部分的內容較多，包括正確接線情況下的功率計算和在設定錯誤接線情況下第一、二、三元件功率計算及其更正系數。三相四線的功率計算邏輯相對簡單，即P1=U1I1cos(∠U1I1)，P2和P3類似。在正確接線的情況下U1I1就是UaIa，∠U1I1是功率因數角。如果接線錯誤，在三相平衡的情況下，影響計算結果的變量是電壓電流相位差的余弦值。為了便于分析，先忽略功率因數的影響，在純電阻負載的情況下，電壓和電流間的角度只有0°、60°、120°、180°、240°、300°這6種情況，因此所有關于功率的計算都可分6種情況進行分析，并進行相應的程序編程。更正系數的計算公式如下，x，y，z的取值基于上面6種情況。

三相四線電能表是三元件計量，對應的功率分別為P1、P2、P3，每一元件的計算都按照Px=UxIxco（sx+φ）,假設三相的電壓、電流、功率因數均相等,在不考慮功率因數角的情況下，電壓電流之間的相位差只存在6種情況，即0°、60°、120°、180°、240°、300°。展開式對應的就是P=aUIcos(φ)+bUIsin(φ)，這樣就有6種計算結果，分別計算出相應的系數，對應的正弦和余弦值的系數分別是0、1、0.5、0.866以及相對應的負數。采用順序事件的方式，分別比對電壓電流的角度差，當角度差匹配時輸出正確的系數，否則輸出0，然后把比對后的系數相加，最后得到的數據就是正確的系數。將正弦函數和余弦函數的系數分解開，分別轉化為string再進行組合。接下來對正弦和余弦的系數情況進行分類，至少可分成兩個數都不為0、兩個數都為0、其中一個系數為0、系數為負數這四種情況。為了簡化設計，對所有系數采用絕對值處理，后期對正負值進行具體分析處理。當兩個系數都不為0時計算結束，無需對表達式進一步處理。當其中一個系數為0時，要進一步化簡，去掉系數為0的部分。另外經過分析可知，若兩個系數相等，就只有一種情況，即兩者都為0，可根據這一特點進行設計簡化；如果正弦的系數不小于0，那就是大于0，因為等于0的情況在上面已得到解決；如果大于0就直接轉換成STRING的系數，否則加負號進行處理，功率表達式及更正系數的計算編程原理如圖2所示，功率表達式及更正系數計算的效果展示如圖3所示。

5 接線原理圖

接線原理圖的編程采用調用屬性節點的方法，主要采用classic color box，調用其位置和長（寬）的屬節點使其在合適的地方顯示出來，同時用三種顏色進行相應區分。

圖2 功數表達式系數的計算編程原理

圖3 功率表達式及更正系數計算的效果展示

圖4 接線原理效果展示

采用Color Box繪制電能表接線圖，設置ABC三相母線的位置和間距，電能表表尾設置等間距，電壓二次連接線的起始位置無需修改，只需通過調用屬性節點來調整長度到相應的表尾方即可到達表尾的2、5、8腳處。表尾向下到連接線的高度只有三種情況，可根據不同接線方式直接設置，這就構成了表尾和母線的二次連接線。本文采用的長度差取120，在調整相應長度和高度時都加上或減去120或240即可。為了區分ABC的顏色，從母線出來的連接線不需更改顏色，表尾出發的豎線需要根據接線方式的不同進行調整。

6 應用情況

該軟件相比同類軟件，界面清晰、直觀性強、操作便捷，可根據學員培訓需要隨機切換變量條件進行試驗數據和接線圖比對，便于接線情況的規律研究。基于該軟件可開展錯誤接線分析案例庫編制、實訓教案編寫，增強培訓學習的系統性和教學資源的傳承轉化。該軟件立足于供電現場的實際需求，解決現場培訓方式單一、受限于實訓設備等問題，該軟件使用性強，為學員提供自學測試平臺，在供電局技能競賽和日常培訓中均得到了很好的推廣應用，培訓效果良好。

電能計量常見錯誤接線的培訓和考核方式都是利用數據測量進行分析和計算，考核方式雖然接近現場作業的情況，但形式單一，如果培訓學習不夠扎實會導致在實際應用中不夠靈活。本文設計的培訓學習軟件可使學員從多角度進行問題分析，提高培訓效果，進一步提高電能計量裝置的技術管理水平。