摘要：针对现有计量装置回路核对中存在的问题，研制了运行工况模拟与测试装置，该项成果可显著提升计量装置校验效率，保障计量装置的可靠性。
关键词：电能计量装置；运行工况模拟；运行工况测量；测试装置；研制
引言
电能计量关系到电能贸易的公平性和准确性，是电力企业生产经营活动中非常重要的工作。电能计量装置是电能表、互感器和二次接线构成的总体。装表接电是电能计量装置验收中的关键环节，错误的接线会带来严重后果，不仅给电力企业带来经济损失、影响国民生活水平，而且威胁人们的生命财产安全[1]。例如互感器二次开路，会在开路两端产生数千伏甚至上万伏的峰值电压[2]。不带电检测计量装置接线是否正确，目前只能解开部分二次线端子，用万用表简单测试一下，这种方法既不方便也不准确，很容易发生人为错误[3]。所以，要可靠地检测计量装置接线的正确性仍需送电后检测，一般是通过测试电流电压和六角图参数等方式来判断，但在实际工作中从装表到送电往往需要比较长的时间，漫长的等待使工作节奏被打破，工作效率降低。即使送电后检测，也可能因为用户轻载运行导致电流很小，对于计量装置采集的电流不平衡现象，很难判断是用户负荷不平衡引起还是计量装置异常造成。当然，未送电情况下检测计量装置是否能正常运行的办法还是有的，需要接入带特征量的试验电源[4]，例如接入三相程控功率源或三相标准功率源作为模拟信号输入源。然而三相程控功率源或三相标准功率源一来价格较高，不方便大量配置；二来功能冗余，体积大，笨重，精贵，不适合长期汽车运输，如果经常用于现场工作，可靠性又难以保障。因此，亟需研制一种轻巧、便于携带能模拟计量装置运行工况及测试的装置。
1 电能计量装置运行工况模拟与测试原理
本项研究通过对电能计量装置现场校验业务的深入分析，认为需要研制运行工况模拟装置、运行工况测量装置和电流低推高装置。运行工况模拟是指通过施加特定的模拟信号源模拟送电前计量装置的运行状态，目的是为利用六角图判断计量装置运行是否正常提供依据。运行工况测量装置用于测量电压、电流、有功功率、无功功率、相位、频率和功率因数，并显示矢量图和查线结果，因为运行工况模拟装置产生的信号是否符合预期要求需通过测量来明确，被检测计量装置在模拟送电后的信号特征也需要测量分析。电流低推高装置实际上就是将高压小电流转换成低压大电流的装置，该装置可用于测量基波电压、电流、有功功率、无功功率、相位、频率和功率因数，并显示矢量图；通过通讯同步显示主分机的基波电工参数。下面介绍这3个装置的工作原理。
1.1 运行工况模拟装置
图1是运行工况模拟装置工作原理图。可见，该装置输入电源为220V单相交流电源，经三相输出工频变频器转换为三相三线220V工频交流电，再经三相变压器（或3个单相变压器）将三相三线220V工频交流电转化为三相四线36V工频交流电，最后经过滤波器得到36V三相四线电压。采用3个模拟电流互感器并联在36V三相四线输出端，产生3组5A的模拟电流IA、IB、IC。将220V电压降至36V（最高输出电压为40V），是避免测试过程中电能表走数（电能表最低启动电压为44V），滤波是为滤去杂波（谐波）干扰。
图2 运行工况测量原理图
1.3 电流低推高装置
图3是电流低推高装置工作原理图。可见，在高压端设置了1台主机，可以测量高压侧电流、电压数据或电能数据；在低压端设置1台分机，用于测量低压侧电流、电压数据或基波电能数据。主机、分机结构上是完全一样的，通过设定主机或分机，实现不同的功能。主、分机之间可选择有线通信（RS-485串行总线通信方式）或无线通信（433MHz通信方式）。通信时，由主机发起，分机将低压侧基波电能数据传输到主机上，主机通过比较高、低压侧同步数据，确定变压器铜损与铁损对计量的影响，并折算为高压侧一次电流、二次电流与电流推送后的误差，分析主、分机之间电流不平衡率。图示为1台主机拖动1台分机的情况，简称为一拖一检，如果1台主机拖动2台分机就成为一拖二检。
图3 电流低推高装置原理图
2 电能计量装置运行工况模拟与测试装置的研制
2.1 运行工况模拟装置的设计
运行工况模拟装置设计原理如图4所示。该装置采用三角插座接入220V交流电压，并在L线上装有保险丝。合上开关，变频器通电。大约经过5～10s，变频器输出三相三线220V电压。又经过3个串联的降压变压器，输出36V三相四线电压。每条相线上都串有1个PTC热敏电阻，用于过流保护。经过三级LC滤波，输出外部电压端子和模拟电流互感器。
图5 运行工况模拟装置样机
2.2 运行工况测量装置的研制
运行工况测量装置底板设计原理如图6所示。经电阻分压的三路电压信号，再经3个OP07C运算放大器处理，进入模数转换器AD7656的采集通道U1、U2、U3。来自侧板的三路5A电流钳信号经过IV转换为电压信号，进入3个OP07C运算放大器处理，信号放大32倍后进入模数转换器AD7656的采集通道U4、U5、U6。
图6 运行工况测量装置底板设计原理图
运行工况测量装置核心板设计原理如图7所示。经过AD7656处理的数字电压信号和数字电流信号进入TMS320F2808芯片进行处理，结果显示在4.3寸TFT LCD显示器上。本装置可以显示电压、电流、相角、六角图等数据。
图8 运行工况测量装置样机
2.3电流低推高装置的研制
电流低推高装置底板设计原理如图9所示。该装置工业级的工控板进行界面处理和功能操作。因为工控板尺寸较大，所以用作底板。为了满足电力系统安全操作的要求，不同类信号之间必须相互隔离。例如电压信号与电流信号之间，电流信号与主控之间，主控与电压信号之间，均应相互隔离。
图9 电流推高装置底板设计原理图
电流低推高装置数据采集板设计原理如图10所示。来自底板上的电压分压信号，经放大器ADA4077-2处理，接入AD7656转化为数字信号，通过高电压隔离器件，再将信号发送给主控MCU综合处理。来自底板上的电流信号，放大后经IV转换为电压信号，通过2级8倍放大后接入AD7656转化为数字信号，通过高电压隔离器件，再将信号发送给主控MCU综合处理。
图11 电流推高装置显示处理板设计原理图
电流低推高装置设计参数如下：（1）工作电源：双电源工作方式，①内置锂电池；②交流电80～264V。（2）电流测量范围：高压端主机5A钳为1mA～10A，低压端主机500A钳为50mA～1000A，低压端主机1000A钳为100mA～2000A。（3）电压测量范围：高压端主机为40～480V，低压端分机为100～480V。（4）其他可供测量参数：有功功率、无功功率、相位、频率、功率因数，并可显示矢量图。成果样机如图12所示。
图11 电流推高装置样机
3 结语
本文介绍了计量装置运行工况模拟和测试装置的工作原理和设计要点，通过利用现代电力电子技术、数据处理技术，实现了计量装置运行工况模拟与测试的智能化、精准化、高效化，对于改进计量现场校验工作具有重要的意义。
参考文献：
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[3] 陶军，杨世海，金在东. 新型现场计量装置接线检查方法的研究[J]. 江苏电机工程，2013，32（6）：66-68.
[4] 何兆磊，朱梦梦. 异频法的计量装置二次回路错误接线识别方法[J]. 云南电力技术，2018，46（4）：38-40，45.
基金项目：本论文受南方电网公司科技项目《计量工况模拟及测试装置的研制》（项目编号080036KK52170013）资助。
论文作者:温盛科,程禹智,王彬彬,王承刚,刘浩
论文发表刊物:《云南电业》2019年1期
论文发表时间:2019/8/26
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