电能表现场运行环境仿真装置研究

陈锦胜

摘  要：低压电网计量电能表运行在各类现场运行环境条件中，温度、湿度、酸碱度、负载、接线工艺等因素影响电能表的安全运行，该文提出建设一套在实验室内进行的运行仿真装置，考核衡量电能表的运行性能和寻找现场影响使用寿命的不利因素。为充分符合电能表的现场运行条件，并有别于电能表全性能试验，体现运行仿真试验的特点，遵循一致性、区别性和可操作性的原则来设计，装置能够最大程度地模拟电能表现场运行环境的运行仿真，试验装置可开展对电能表运行性能的评价。

关键词：电能表  运行仿真装置  电能表运行环境

中图分类号：TM933.4    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）02（a）-0025-03

随着居民对供电质量要求日益提高，对电能表的安全可靠运行也随之提高。电能表损坏时现在配网运维人员和计量运维人员的生产难题，电能表的损坏的因素有很多，其中有用电过负荷、接线点的安装方式等。因此，关于电能表的运行性能检测技术越来越受关注，该文针对电能表现场检测技术进行了探讨，提出在实验室内开展电能表运行环境仿真研究，探讨建设一套电能表运行环境仿真装置。通过装置可提前发现电能表运行时出现的烧表、计量偏差等影响因素，通过对比分析，提高电表运行可靠性和稳定性，评价的运行性能和核查使用环境的极限。

1  中央控制装置原理

1.1 硬件配置

采用的单片机为STM32F4系列，该单片机采用32位高性能ARM Cortex-M4处理器，频率可高达168MHz。该项目采用的具体版本为探索者STM32F407，该单片机共有144个引脚，其中有112个可用于操作的IO口，在PCB板上分别用PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG分为7组进行统一控制，每一组以PA0-PA15的编号进行表示。

1.2 工作原理

该装置涉及到需要控制6组外设，通过输出3.3V的电压，对外设的电源进行控制。考虑到STM32F4的IO分配，项目选择了PE2、PE3、PE4、PE5、PE6、PE7作为6个控制的IO输出口，原因是因为该6个IO口具有相同的特性，且都可作为独立IO使用。同时，为每一个IO配套了一个GND引脚配套使用。在实际应用中，需将每一个外设的电源正极，接到对应的IO引脚（如PE2）上，将外设的电源负极，接到PCB板上空闲可用的任意GND引脚。在实际程序操作中，通过拉高或拉低IO引脚的电平，即可控制外设的电源开关。

该部分具体的电路编程思路简述如下。

在程序启动后，完成初始工作后，进行以下操作。

（1）调用RCC_AHB1PeriphClockCmd设置为RCC_AHB1Periph_GPIOE时钟可用。

（2）建立GPIO_InitStructure对象，属性为：IO口选择为GPIO_Pin_2至GPIO_Pin_7;GPIO_Mode_OUT普通输出模式;GPIO_PuPd_UP上拉模式;速率为GPIO_Speed_50MHz，并对GPIOE分组，用GPIO_InitStructure对象进行初始化。即完成PE2～PE7等6个IO引脚的初始化。

（3）用GUI_CreateDialogBox创建对话框，并在对话框上面，创建相应的开关按钮与显示文本等控制。例如，控制6组开关的按钮的ID分别为ID_BUTTON_1至ID_BUTTON_6。

（4）通过GUI_CreateDialogBox时指定的回调函数，监听窗体中6组按钮的所有事件。在按钮的WM_NOTIFICATION_RELEASED事件中进行编码，对开关进行控制。

（5）根据每组对应的IO引脚的状态，分别用GPIO_SetBits或GPIO_ResetBits，对相应的引脚进行拉高电平或是拉低电平操作，即可控制外设的电源是接通或是断开。并用GPIO_ReadInputDataBit函数，读取相应引脚的实时状态，以确保操作有效或是无效。

另外，还涉及到需要接收温湿度传感器的数据作为输入，选择了DHT11传感器作为温度与湿度监测。该传感器包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件，经过封装后，共有3个IO引脚，分别是VCC、GND、DATA口。其中VCC为DHT11的正极，可与PCB板上的任一可用VCC口连接，GND为DHT11的负极，可与PCB板上的任一GND引腳进行连接，DATA为数据输出口，需与PCB板上的IO引脚进行连接。在该项目中，我们选择了PG9作为DATA引脚，用于接收温湿度传感器的实时数据。

该部分具体的电路编程思路简述如下。

在程序启动后，完成初始工作后，进行以下操作。

（1）调用RCC_AHB1PeriphClockCmd设置为RCC_AHB1Periph_GPIOG时钟可用。

（2）建立GPIO_InitStructure对象，属性为：IO口选择为GPIO_Pin_9;GPIO_Mode_OUT普通输出模式;GPIO_PuPd_UP上拉模式;速率为GPIO_Speed_50MHz，并对GPIOE分组，用GPIO_InitStructure对象进行初始化。即完成PG9这个IO引脚的初始化。

（3）用WM_SetCallback对WM_HBKWIN设置回调函数。

（4）用WM_CreateTimer对WM_HBKWIN设置定时器，每1000ms执行一次。

（5）在WM_SetCallback设置的回调函数中，监听程序顶级窗口的所有窗口消息，并捕获到用WM_CreateTimer创建的消息后，对DHT11的数据进行读取，并进行展示。

读取传感器数据并进行转化的编程思路为：由于DHT11每次返回的数据，一共由40个bit组成，共5个字节。因此程序分5次读取，每次读取一个字节;每读取一个字节时，分8次读取，每次读取一个返回0或1的bit位。

2  电能表现场运行环境仿真装置及试验方案设计

2.1 电能表现场运行环境仿真装置的设计

基于上述设计思路及原则，运行环境仿真试验装置主要有电源、试验电能表、负载控制装置、温度控制装置、湿度控制装置和中央控制装置。

图2中，电源是220V/380V交流电源;负载控制装置是实现固定功率值、时变功率值及极限功率因数的装置，用于模拟电能表现场条件下不同用电工况下的负载状态;温度控制装置实现固温度、时变温度及极限温度的环境变化，用于模拟温度因素的现场运行的电能表的影响，湿度控制装置实现固湿度、时变湿度及极限湿度的环境变化，用于模拟湿度因素对现场运行的电能表的影响。中央控制装置是对负载控制装置、温度控制装置和湿度控制装置进行控制，收集记录每次试验时的数据，并进行处理分析。

该运行仿真试验装置的各个控制装置相互独立，具有灵活的扩展能力，各控制装置既可独立工作，对某影响因素进行单独的模拟测试工作，也可以组合工作，模拟电能表的复合运行工况，针对一些特殊的现场工况，还可以通过外接设备满足模拟要求。

2.2 运行环境仿真试验方案设计

此次设计的仿真试验包括负载、温度和湿度3大类影响因素，负载设置范围：9～36kW、温度设置范围：0℃～60℃、湿度设置范围：30%～100%。试验项目可根据实际现场情况进行交替调整，以达到不同的试验目的。例如，负载影响类试验中的电压电流极限条件影响试验考核在电压或电流极大极小或两两组合时，电能表的性能和功能是否正常;温度影响试验项目中的高温变化影响试验不再在单一温度点进行测试，而是在温度剧烈变化，达到一定程度时考核电能表的性能和功能是否正常。试验可使用下列表格进行记录，为进一步分析提供参考，具体如表1、表2、表3所示。

3  结语

随着电能表的大范围推广应用，电能表的运行质量必将日益受到关注和重视。该文结合现场运行条件提出了运行仿真试验方案设计的一致性、区别性和可操作性三大原则，形成了运行仿真试验装置和运行仿真试验方法，建立了测试和评价电能表运行性能的有效途径和技术方法，有助于提升电能表质量水平、改进电能表的检修施工方案。

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