分布式電能計量互感器檢測仿真平臺設計

蔣波，景彪，趙悅蓉

（云南電網玉溪供電局，云南玉溪，653101）

0 引言

電能計量互感器是評估用戶用電信息的關鍵設備，關系到電力公司和電力用戶的根本利益，因此其精度非常重要重要。國內外制定有關電能計量互感器的標準中通常涉及定檢方法和要求，然而電能計量互感器原理復雜，操作風險大，對檢測人員要求高。為此，提高檢定人員素質是保證電能計量互感器計量性能的關鍵。

近年來，通信技術、傳感器技術的快速發展為電能計量互感器的仿真培訓提供了技術基礎。國內企業和學者也在該領域開展大量的研究和應用工作。文獻[1]開展了數字化電能計量系統實驗室檢測技術及檢測裝置研究，從數字化電能表與傳統電能表組成差異及通信鏈路誤差影響因素兩個方面分析了數字化電能計量系統與傳統計量系統的本質區別;研究了點積和算法下丟包誤差及補償方法。其次,針對現有的數字化電能計量設備實驗室檢測項目及檢測方法單一的問題,在參照現有標準的基礎上,提出了包含整體性能檢測、模擬實負荷檢測及通訊性能檢測的數字化電能計量裝置多功能試驗平臺整體方案。文獻[2]對解決方案進行了整合,研制了數字化電能計量設備仿真綜合檢測平臺。該平臺分為單間隔與多間隔兩個部分。單間隔部分可進行合并單元與數字化電能表單體與整體性能檢測,多間隔部分引入實際工況,可進行多間隔計量中互感器、合并單元、數字化電能表的整體性能檢測。多間隔部分是采用內橋接線的仿真硬件平臺,由可編程邏輯控制器PLC和配套WINCC監控軟件實現工況模式的控制。針對仿真平臺控制操作的實時性要求,研究了避WINCC軟件腳本排隊異常導致的操作反應延時的方案。最終采用PLC的Modbus通信輪詢時間優化與WINCC的腳本類型和數據顯示優化,以軟硬件結合的方式從根本上解決腳本排隊異常的現象發生。最后對數字化電能計量設備仿真綜合檢測平臺進行了功能測試,測試結果顯示平臺能夠完成整體性能檢測,并能進行數字化電能計量設備檢測技術的研究。文獻[3]介紹了一種基于全景仿真技術的計量互感器檢測仿真培訓系統,該系統可實現培訓及考核全過程安全可控和工況多樣性,可有效解決現有培訓方式的缺點,極大地提高了培訓效率和培訓效果。文獻4利用GPS技術、諧波測量理論、注入式諧波的異頻測試方法、低校高等效電路法等測量相關技術,結合電力線載波技術、GPRS/PSTN通信技術,完成了基于GPS技術的電能表時鐘校準和電壓互感器二次壓降測量、基于加窗插值FFT的諧波電能測量、基于標準表比較法的電能表誤差在線監測與遠程校準、基于電壓互感器二次負荷基準值的二次負荷測試、基于注入式高頻諧波的電流互感器二次導納的異頻法測試、基于等效阻抗測量的電壓／電流互感器低校高校驗方法并在此基礎上提出了電壓／電流互感器（TV/TA）的現場實時校準方法。

本文在借鑒已有成果的基礎上，設計了一種分布式仿真電能計量互感器檢測仿真平臺，該平臺可支持多學員同時教學。

1 分布式仿真系統設計原理

1.1 基本結構

每臺分布式仿真系統由控制臺PC、電能計量互感器檢測仿真平臺組成，其中電能分布式仿真系統組成部分如圖1所示。每臺分布式仿真系統通過控制器采集各模擬器的接線端子信號，傳送至各自的計算機。同時與系統主計算機聯網組成一個完整的操作培訓和考評系統，當上位機控制系統設置被試互感器變比、極性、誤差、負載等參數完畢后，分布式仿真系統計算機通過網絡協議接收這些參數，開始進行信號處理與分析，并進行電能計量互感器檢測仿真培訓，將實際試驗接線情況在顯示界面上實時顯示出來。分布式仿真系統是具備現場仿真現場的互感器模擬檢定裝置，每套裝置在設備外觀、功能完全仿真現場實際的條件下，使用電流互感器、電壓互感器、互感器校驗儀等模擬器，實現在30V低電壓下進行電流、電壓互感器實驗室檢定操作培訓。

圖1 分布式仿真系統框圖

虛擬現實仿真系統后臺軟件主要為教員提供人機交互的主界面，可以讓教員選擇相應的培訓和考核項目。上位機控制系統系統主界面有教員互感器知識講解、測試電流互感器、測試電壓互感器、培訓電流互感器、培訓電壓互感器、考試電流互感器、考試電壓互感器等7個設備。

1.2 控制機設計

如圖2所示，用于分布式仿真系統的控制機，在嵌入軟件的管理下，能實現全電子化，快速判斷32根接線，可擴展到64根的相互連接關系，并不斷地、實時地將結果上傳給上位PC機作對錯判斷等進一步處理。由頭接線端驅動輸出模塊、尾接線端采集輸入模塊、極性與信號判別模塊、RS232收發器、MCU模塊以及供電單元模塊組成，MCU模塊與頭接線端驅動輸出模塊、尾接線端采集輸入模塊、極性與信號判別模塊單向連接，與RS232收發器雙向連接。頭接線端驅動輸出模塊采用74HC374或8位鎖存器集成電路；尾接線端采集輸入模塊采用75HC244或8位3態門集成電路；極性與信號判別模塊通過跨導放大器將信號充分放大，然后經過過零檢測電路將正弦波模擬信號變為數字信號， MCU模塊得到這些信號后，按照一定的算法，則可判斷出極性的正與反。RS232收發器采用SP3232收發器或類似的集成模塊，通過RS232標準的通信接口將采集的數據連續實時傳輸至上位機或將上位機的控制指令信息傳輸至相應的模擬器設備。MCU模塊采用的是PQFP44封裝的MPC82G 516A單片機芯片。MCU模塊按照單片機裝載的掃描程序通過不斷掃描采集接線端尾采集輸入模塊的邏輯電平信號，判定各個導線接線端子的通斷關系，同時MCU模塊還負責控制接線端頭驅動輸出模塊具體驅動哪根接線端頭。供電單元模塊提供各模塊所需的工作電源。控制機接線判斷的具體方法和步驟如下：

圖2 控制機原理框圖

（1）程序掃描結構初始化后，MCU模塊發出驅動控制信號，通過頭接線端驅動模塊產生邏輯低電平驅動某一根導線的線頭端，給識別的線頭端饋以低電平，而其他線頭端均饋以高電平；

（2）MCU模塊采用程序掃描的方式，掃描周期小于100ms，通過尾接線端采集輸入模塊，逐一查詢其他導線線尾端的電平狀態，若尾接線端采集輸入模塊對應的接線端尾端上測到的電平為低電平，說明該點與線頭連通，若測到的電平為高電平，說明該點與線頭斷開， MCU模塊將尾接線端采集輸入模塊接線端尾電平狀態全部采集一遍，這樣判斷出被驅動導線與其他導線的通斷連結關系；

（3）按此過程循環，頭接線端驅動模塊掃描式的快速進行驅動其余模擬導線的接線頭端，當全部線的頭端逐一被驅動完成后，MCU模塊就能實時地采集到全部導線的通斷狀況，得到全部導線之間的連接關系；

（4）MCU模塊完成全部導線的通斷狀況的采集后按照通信協議通過RS232收發器將導線通斷連接關系的結果上傳給上位機，上位機再根據標準的通斷關系與RS232收發器送來的實際連結關系比較，進行接線關系對錯的判斷。至此，整個接線判斷過程結果。從采集到發送數據完成的整個周期，不大于100ms，實時采集了全部導線相互的連接關系。

2 平臺關鍵設備

2.1 標準電流互感器模擬器

通過采樣此電流互感器二次電流電壓，從而計算其穿過的一次線的極性的正反，得出學員一次接線的對錯。

標準電流互感器模擬器原理圖如圖3所示，模擬器一次線輸入端子標志為L1、L2、L3；二次線輸入端子標志為K1、K2、K3，工作電源經過外界電源和隔離變后接入至K1、K2，其外圍連接部分有計算機、控制機、隔離變組成。根據需要，控制機可識別L1、L2、L3、 K1、K2、K3；這六根接線的相互連接狀態。6根接線的頭端分別為：1a,2a,……….5a,6a。6根接線的尾端分別為：1b,2b………5b,6b。也就是，計算機要及時準確地識別出每一個端號與其他5-1個端號的的關系（導通或斷開）。識別的方法采用掃描式。

圖3 標準電流互感器模擬器原理圖

2.2 被測電流互感器模擬器

被測電流互感器模擬器原理、特點、設計重點與標準電流互感器模擬器一樣，只是輸入端子有一點差異，一次線輸入端子標志為L1、L2；二次線輸入端子標志為K1、K2。被測電流互感器模擬器原理框圖如圖4所示。

圖4 被測電流互感器模擬器原理框圖

2.3 標準電壓互感器模擬器

標準電壓互感器模擬器的結構較為簡單，如圖5所示，由相互絕緣的一次繞組、二次繞組、鐵心以及構架、殼體、接線端子等組成。其工作原理與變壓器基本相同，電壓互感器是一個帶鐵心的變壓器。它主要由一、二次線圈、鐵心和絕緣組成。當在一次繞組上施加一個電壓U1時，在鐵心中就產生一個磁通φ，根據電磁感應定律，則在二次繞組中就產生一個二次電壓U2。改變一次或二次繞組的匝數，可以產生不同的一次電壓與二次電壓比，這就可組成不同比的電壓互感器。電壓互感器將高電壓按比例轉換成低電壓，即100V。

圖5 標準電壓互感器模擬器原理框圖

模擬器接線：標準電壓互感器模擬器其外圍連接部分有計算機、控制機組成，一次線輸入端子標志為A、X地；二次線輸入端子標志為35KV/100V、10KV/100V、x；根據需要，計算機可識別A、X地、35KV/100V、10KV/100V、x；這5根接線的相互連接狀態。5根接線的頭端分別為：1a,2a,……4a,5a。5根接線的尾端分別為：1b,2b……4b,5b。也就是，計算機要及時準確地識別出每一個端號與其他5-1個端號的的關系（導通或斷開）。識別的方法采用控制機MCU集成的掃描式算法。

2.4 被測電壓互感器模擬器

被測電壓互感器模擬器原理、特點、設計重點與標準電流互感器模擬器一樣，只是輸入端子有一點差異，一次線輸入端子標志為A、X；二次線輸入端子標志為100V、x。

2.5 升流器模擬器

升流器模擬器的原理如圖6所示，輸入端子標志為220V、±；輸出端子標志為0、5V/100A、5V/100A；其外圍連接部分有計算機、控制機、隔離變、電源組成。根據需要，計算機可識別220V、±、0、5V/100A、5V/100A；這5根接線的相互連接狀態。5根接線的頭端分別為：1a,2a,……….4a,5a。5根接線的尾端分別為：1b,2b………4b,5b。也就是，計算機要及時準確地識別出每一個端號與其他5-1個端號的的關系（導通或斷開）。識別的方法采用控制機MCU集成的掃描式算法。

圖6 升流器模擬器原理框圖

2.6 升壓器模擬器

升壓器模擬器原理框圖如圖7所示，其外圍連接部分有計算機、控制機組成。一次線輸入端子標志為50KV、X地；二次線輸入端子標志為220V、±；根據需要，計算機可識別50KV、X地、220V、±；這四根接線的相互連接狀態。4根接線的頭端分別為：1a,2a,……….3a,4a。4根接線的尾端分別為：1b,2b………3b,4b。也就是，計算機要及時準確地識別出每一個端號與其他4-1個端號的的關系（導通或斷開）。識別的方法采用控制機MCU集成的掃描式算法。

圖7 升壓器模擬器原理框圖

3 結束語

電能計量互感器是衡量電力企業和用戶的用電信息的關鍵設備，為了提高檢定人員素質，本文設計了分布式仿真培訓系統，并描述了關鍵設備的相關原理。