分布式电能计量互感器检测仿真平台设计

蒋波，景彪，赵悦蓉

（云南电网玉溪供电局，云南玉溪，653101）

0 引言

电能计量互感器是评估用户用电信息的关键设备，关系到电力公司和电力用户的根本利益，因此其精度非常重要重要。国内外制定有关电能计量互感器的标准中通常涉及定检方法和要求，然而电能计量互感器原理复杂，操作风险大，对检测人员要求高。为此，提高检定人员素质是保证电能计量互感器计量性能的关键。

近年来，通信技术、传感器技术的快速发展为电能计量互感器的仿真培训提供了技术基础。国内企业和学者也在该领域开展大量的研究和应用工作。文献[1]开展了数字化电能计量系统实验室检测技术及检测装置研究，从数字化电能表与传统电能表组成差异及通信链路误差影响因素两个方面分析了数字化电能计量系统与传统计量系统的本质区别;研究了点积和算法下丢包误差及补偿方法。其次,针对现有的数字化电能计量设备实验室检测项目及检测方法单一的问题,在参照现有标准的基础上,提出了包含整体性能检测、模拟实负荷检测及通讯性能检测的数字化电能计量装置多功能试验平台整体方案。文献[2]对解决方案进行了整合,研制了数字化电能计量设备仿真综合检测平台。该平台分为单间隔与多间隔两个部分。单间隔部分可进行合并单元与数字化电能表单体与整体性能检测,多间隔部分引入实际工况,可进行多间隔计量中互感器、合并单元、数字化电能表的整体性能检测。多间隔部分是采用内桥接线的仿真硬件平台,由可编程逻辑控制器PLC和配套WINCC监控软件实现工况模式的控制。针对仿真平台控制操作的实时性要求,研究了避WINCC软件脚本排队异常导致的操作反应延时的方案。最终采用PLC的Modbus通信轮询时间优化与WINCC的脚本类型和数据显示优化,以软硬件结合的方式从根本上解决脚本排队异常的现象发生。最后对数字化电能计量设备仿真综合检测平台进行了功能测试,测试结果显示平台能够完成整体性能检测,并能进行数字化电能计量设备检测技术的研究。文献[3]介绍了一种基于全景仿真技术的计量互感器检测仿真培训系统,该系统可实现培训及考核全过程安全可控和工况多样性,可有效解决现有培训方式的缺点,极大地提高了培训效率和培训效果。文献4利用GPS技术、谐波测量理论、注入式谐波的异频测试方法、低校高等效电路法等测量相关技术,结合电力线载波技术、GPRS/PSTN通信技术,完成了基于GPS技术的电能表时钟校准和电压互感器二次压降测量、基于加窗插值FFT的谐波电能测量、基于标准表比较法的电能表误差在线监测与远程校准、基于电压互感器二次负荷基准值的二次负荷测试、基于注入式高频谐波的电流互感器二次导纳的异频法测试、基于等效阻抗测量的电压／电流互感器低校高校验方法并在此基础上提出了电压／电流互感器（TV/TA）的现场实时校准方法。

本文在借鉴已有成果的基础上，设计了一种分布式仿真电能计量互感器检测仿真平台，该平台可支持多学员同时教学。

1 分布式仿真系统设计原理

1.1 基本结构

每台分布式仿真系统由控制台PC、电能计量互感器检测仿真平台组成，其中电能分布式仿真系统组成部分如图1所示。每台分布式仿真系统通过控制器采集各模拟器的接线端子信号，传送至各自的计算机。同时与系统主计算机联网组成一个完整的操作培训和考评系统，当上位机控制系统设置被试互感器变比、极性、误差、负载等参数完毕后，分布式仿真系统计算机通过网络协议接收这些参数，开始进行信号处理与分析，并进行电能计量互感器检测仿真培训，将实际试验接线情况在显示界面上实时显示出来。分布式仿真系统是具备现场仿真现场的互感器模拟检定装置，每套装置在设备外观、功能完全仿真现场实际的条件下，使用电流互感器、电压互感器、互感器校验仪等模拟器，实现在30V低电压下进行电流、电压互感器实验室检定操作培训。

图1 分布式仿真系统框图

虚拟现实仿真系统后台软件主要为教员提供人机交互的主界面，可以让教员选择相应的培训和考核项目。上位机控制系统系统主界面有教员互感器知识讲解、测试电流互感器、测试电压互感器、培训电流互感器、培训电压互感器、考试电流互感器、考试电压互感器等7个设备。

1.2 控制机设计

如图2所示，用于分布式仿真系统的控制机，在嵌入软件的管理下，能实现全电子化，快速判断32根接线，可扩展到64根的相互连接关系，并不断地、实时地将结果上传给上位PC机作对错判断等进一步处理。由头接线端驱动输出模块、尾接线端采集输入模块、极性与信号判别模块、RS232收发器、MCU模块以及供电单元模块组成，MCU模块与头接线端驱动输出模块、尾接线端采集输入模块、极性与信号判别模块单向连接，与RS232收发器双向连接。头接线端驱动输出模块采用74HC374或8位锁存器集成电路；尾接线端采集输入模块采用75HC244或8位3态门集成电路；极性与信号判别模块通过跨导放大器将信号充分放大，然后经过过零检测电路将正弦波模拟信号变为数字信号， MCU模块得到这些信号后，按照一定的算法，则可判断出极性的正与反。RS232收发器采用SP3232收发器或类似的集成模块，通过RS232标准的通信接口将采集的数据连续实时传输至上位机或将上位机的控制指令信息传输至相应的模拟器设备。MCU模块采用的是PQFP44封装的MPC82G 516A单片机芯片。MCU模块按照单片机装载的扫描程序通过不断扫描采集接线端尾采集输入模块的逻辑电平信号，判定各个导线接线端子的通断关系，同时MCU模块还负责控制接线端头驱动输出模块具体驱动哪根接线端头。供电单元模块提供各模块所需的工作电源。控制机接线判断的具体方法和步骤如下：

图2 控制机原理框图

（1）程序扫描结构初始化后，MCU模块发出驱动控制信号，通过头接线端驱动模块产生逻辑低电平驱动某一根导线的线头端，给识别的线头端馈以低电平，而其他线头端均馈以高电平；

（2）MCU模块采用程序扫描的方式，扫描周期小于100ms，通过尾接线端采集输入模块，逐一查询其他导线线尾端的电平状态，若尾接线端采集输入模块对应的接线端尾端上测到的电平为低电平，说明该点与线头连通，若测到的电平为高电平，说明该点与线头断开， MCU模块将尾接线端采集输入模块接线端尾电平状态全部采集一遍，这样判断出被驱动导线与其他导线的通断连结关系；

（3）按此过程循环，头接线端驱动模块扫描式的快速进行驱动其余模拟导线的接线头端，当全部线的头端逐一被驱动完成后，MCU模块就能实时地采集到全部导线的通断状况，得到全部导线之间的连接关系；

（4）MCU模块完成全部导线的通断状况的采集后按照通信协议通过RS232收发器将导线通断连接关系的结果上传给上位机，上位机再根据标准的通断关系与RS232收发器送来的实际连结关系比较，进行接线关系对错的判断。至此，整个接线判断过程结果。从采集到发送数据完成的整个周期，不大于100ms，实时采集了全部导线相互的连接关系。

2 平台关键设备

2.1 标准电流互感器模拟器

通过采样此电流互感器二次电流电压，从而计算其穿过的一次线的极性的正反，得出学员一次接线的对错。

标准电流互感器模拟器原理图如图3所示，模拟器一次线输入端子标志为L1、L2、L3；二次线输入端子标志为K1、K2、K3，工作电源经过外界电源和隔离变后接入至K1、K2，其外围连接部分有计算机、控制机、隔离变组成。根据需要，控制机可识别L1、L2、L3、 K1、K2、K3；这六根接线的相互连接状态。6根接线的头端分别为：1a,2a,……….5a,6a。6根接线的尾端分别为：1b,2b………5b,6b。也就是，计算机要及时准确地识别出每一个端号与其他5-1个端号的的关系（导通或断开）。识别的方法采用扫描式。

图3 标准电流互感器模拟器原理图

2.2 被测电流互感器模拟器

被测电流互感器模拟器原理、特点、设计重点与标准电流互感器模拟器一样，只是输入端子有一点差异，一次线输入端子标志为L1、L2；二次线输入端子标志为K1、K2。被测电流互感器模拟器原理框图如图4所示。

图4 被测电流互感器模拟器原理框图

2.3 标准电压互感器模拟器

标准电压互感器模拟器的结构较为简单，如图5所示，由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以及构架、壳体、接线端子等组成。其工作原理与变压器基本相同，电压互感器是一个带铁心的变压器。它主要由一、二次线圈、铁心和绝缘组成。当在一次绕组上施加一个电压U1时，在铁心中就产生一个磁通φ，根据电磁感应定律，则在二次绕组中就产生一个二次电压U2。改变一次或二次绕组的匝数，可以产生不同的一次电压与二次电压比，这就可组成不同比的电压互感器。电压互感器将高电压按比例转换成低电压，即100V。

图5 标准电压互感器模拟器原理框图

模拟器接线：标准电压互感器模拟器其外围连接部分有计算机、控制机组成，一次线输入端子标志为A、X地；二次线输入端子标志为35KV/100V、10KV/100V、x；根据需要，计算机可识别A、X地、35KV/100V、10KV/100V、x；这5根接线的相互连接状态。5根接线的头端分别为：1a,2a,……4a,5a。5根接线的尾端分别为：1b,2b……4b,5b。也就是，计算机要及时准确地识别出每一个端号与其他5-1个端号的的关系（导通或断开）。识别的方法采用控制机MCU集成的扫描式算法。

2.4 被测电压互感器模拟器

被测电压互感器模拟器原理、特点、设计重点与标准电流互感器模拟器一样，只是输入端子有一点差异，一次线输入端子标志为A、X；二次线输入端子标志为100V、x。

2.5 升流器模拟器

升流器模拟器的原理如图6所示，输入端子标志为220V、±；输出端子标志为0、5V/100A、5V/100A；其外围连接部分有计算机、控制机、隔离变、电源组成。根据需要，计算机可识别220V、±、0、5V/100A、5V/100A；这5根接线的相互连接状态。5根接线的头端分别为：1a,2a,……….4a,5a。5根接线的尾端分别为：1b,2b………4b,5b。也就是，计算机要及时准确地识别出每一个端号与其他5-1个端号的的关系（导通或断开）。识别的方法采用控制机MCU集成的扫描式算法。

图6 升流器模拟器原理框图

2.6 升压器模拟器

升压器模拟器原理框图如图7所示，其外围连接部分有计算机、控制机组成。一次线输入端子标志为50KV、X地；二次线输入端子标志为220V、±；根据需要，计算机可识别50KV、X地、220V、±；这四根接线的相互连接状态。4根接线的头端分别为：1a,2a,……….3a,4a。4根接线的尾端分别为：1b,2b………3b,4b。也就是，计算机要及时准确地识别出每一个端号与其他4-1个端号的的关系（导通或断开）。识别的方法采用控制机MCU集成的扫描式算法。

图7 升压器模拟器原理框图

3 结束语

电能计量互感器是衡量电力企业和用户的用电信息的关键设备，为了提高检定人员素质，本文设计了分布式仿真培训系统，并描述了关键设备的相关原理。