三相四线电能计量错误接线培训软件设计

贾宏伟，杨伊璇，韩启银

（广东电网有限责任公司培训与评价中心，广东 广州 510520）

随着社会和经济的发展，电能成为现代社会生产和生活的必需品，用电客户对电能的需求量也在不断增大。一些不法分子为获取超额收益，常利用非法手段窃取电能，并且科技发展的同时，高科技的窃电手法层出不穷，窃电手段也愈加隐蔽。这些因素大大增加了窃电查处行为的难度，同时也对用电检查人员防窃电的专业能力提出了更高要求。为此设计了三相四线电能计量错误接线培训软件，以提高电能计量人员的专业技能水平。

1 系统设计

低压三相四线式电能表经电流互感器的计量方式是电能计量和用电检查培训的重点内容。本文在参考现有电能计量培训装置及相关培训和技能考评资料的基础上，将三相四线接线类型进行分类。在软件设计时，根据错误接线的分类对每种接线方式下的测试数据、相量图、更正系数、接线图等相关判断信息进行逐一展示，清晰的接线结果显示便于培训教学和学员自学练习。三相四线式经互感器接电能表的常见接线类型包括电压正、负相序六种，电流正、负相序六种，电流互感器二次端反极性等接线方式，各种错误接线类型组合共288种。本软件界面包括参数设置和仿真测试分析（如图1所示）。软件左边是参数的设置区域，也是故障类型的设置区域，主要设置电压和电流的接法、大小和功率因数角。电力互感器的二次侧电压值为100V,电流为1A或5A，本文采用5A。软件右侧显示在相应的接线方式情况下的测量数据及分析结果，包括相应测量点的电压、电流、相位关系、相量图、功率表达式、更正系数、接线原理图等。

图1 参数设置及测量数据显示

2 参数设置

参数设置主要包括两个部分：接线方式设置和幅值设置。接线方式包括上述描述的三部分，即电压相序、电流相序及电流二次反极性。其中电压电流相序分别有6种情况，对应后台两个case structure进行编程，两个case structure奠定后续编程的基本方法和框架。每个case包括电压和电流的初始相位角，电压电流的初始相位关系是ABC三相分别相差120°，为后续计算方便，所有相位角均按逆时针方向设置成0°-359°，即电压分别设置为90°、210°和330°，电流位置为同相电压相位减去功率因数角。以电压设置为例（见表1），电流二次反极性对应相应的电流相位角加180°。为使计算后的相位角仍在0°-359°之间，在编程时进行相应设置。例如，当通过相位的加或减后，若相位差大于360°，就将计算结果减去360；若出现负数就增加360。参数的幅值设置包括电压、电流幅值大小以及功率因数角，其中，功率因数角大于0时表示负载性质为感性，小于0时负载性质为容性。

表1 电压初相位设置原理

3 测量数据仿真

测量数据的界面设置参考相关竞赛考试和实际工作场景模式。在实际工作中，如果接线正确则测试数据与图1所示相似，即电压U1、U2，U3基本相等，对应的电流也相等，相位关系如图1所示；若测试结果不符合图1所示的各电量间的关系，那么接线很可能存在错误。电压电流数据显示的编程很简单，这里不再赘述。相位关系上的编程需要注意，因为数据记录都是以U1为参考点，而U1在不同接法时对应的具体电压相别是不同的，例如当电压相序为abc时，U1为Ua；相序为bca时，U1=Ub。由于三个电压相位相互相差120°，将圆周均分，在技能考试中，若没有参考点来确定哪一相是电压A相的话，就会出现只能判断相序是正相序还是负相序而无法确定实际相序的情况，所以在实际考核中都会设置一个参考点，即参考A相，因此图1会出现“U1=Ua”。

相量图是软件编程中比较核心的部分，占用较大内存空间，因此采用“VI Compass Plot”工具，输入两种方法即Vector Input和Complex Input。软件编写全过程需要多次调用相角，所以设计采用Vector Input方式，而且可以采用多级VI Compass，前一级的输出可作为下一级输入的一部分，并和新元素合并在一起。Labview中采用图1所示的颜色区分，在电力系统中常用黄绿红三色来区别ABC三相，如果此处仍用颜色来区别U1、U2、U3，会让学员很难适应甚至混淆，因此此处要改进设计。图1所示相量图在教学中有时也被称为六角图，即将圆周分成6等分，电压有6个固定位置，由于功率因数角通常设置在20°以内，再加上容性和感性，所以电流位置有12个。由上述分析可知，实际使用图标的位置有18个，其显示结果完全取决于设置区域的接线设置情况，即电压电流相位、电流反极性和负载性质。因此，本文根据设置区域的条件决定18个区域的显示内容，并调用属性节点隐藏不必要的图标。

4 功率表达式及更正系数

错误接线判断结果包括第一和第二元件的电压电流、负荷性质、功率计算结果等内容。当功率因数角大于0则负载性质为感性，否则为容性。功率计算部分的内容较多，包括正确接线情况下的功率计算和在设定错误接线情况下第一、二、三元件功率计算及其更正系数。三相四线的功率计算逻辑相对简单，即P1=U1I1cos(∠U1I1)，P2和P3类似。在正确接线的情况下U1I1就是UaIa，∠U1I1是功率因数角。如果接线错误，在三相平衡的情况下，影响计算结果的变量是电压电流相位差的余弦值。为了便于分析，先忽略功率因数的影响，在纯电阻负载的情况下，电压和电流间的角度只有0°、60°、120°、180°、240°、300°这6种情况，因此所有关于功率的计算都可分6种情况进行分析，并进行相应的程序编程。更正系数的计算公式如下，x，y，z的取值基于上面6种情况。

三相四线电能表是三元件计量，对应的功率分别为P1、P2、P3，每一元件的计算都按照Px=UxIxco（sx+φ）,假设三相的电压、电流、功率因数均相等,在不考虑功率因数角的情况下，电压电流之间的相位差只存在6种情况，即0°、60°、120°、180°、240°、300°。展开式对应的就是P=aUIcos(φ)+bUIsin(φ)，这样就有6种计算结果，分别计算出相应的系数，对应的正弦和余弦值的系数分别是0、1、0.5、0.866以及相对应的负数。采用顺序事件的方式，分别比对电压电流的角度差，当角度差匹配时输出正确的系数，否则输出0，然后把比对后的系数相加，最后得到的数据就是正确的系数。将正弦函数和余弦函数的系数分解开，分别转化为string再进行组合。接下来对正弦和余弦的系数情况进行分类，至少可分成两个数都不为0、两个数都为0、其中一个系数为0、系数为负数这四种情况。为了简化设计，对所有系数采用绝对值处理，后期对正负值进行具体分析处理。当两个系数都不为0时计算结束，无需对表达式进一步处理。当其中一个系数为0时，要进一步化简，去掉系数为0的部分。另外经过分析可知，若两个系数相等，就只有一种情况，即两者都为0，可根据这一特点进行设计简化；如果正弦的系数不小于0，那就是大于0，因为等于0的情况在上面已得到解决；如果大于0就直接转换成STRING的系数，否则加负号进行处理，功率表达式及更正系数的计算编程原理如图2所示，功率表达式及更正系数计算的效果展示如图3所示。

5 接线原理图

接线原理图的编程采用调用属性节点的方法，主要采用classic color box，调用其位置和长（宽）的属节点使其在合适的地方显示出来，同时用三种颜色进行相应区分。

图2 功数表达式系数的计算编程原理

图3 功率表达式及更正系数计算的效果展示

图4 接线原理效果展示

采用Color Box绘制电能表接线图，设置ABC三相母线的位置和间距，电能表表尾设置等间距，电压二次连接线的起始位置无需修改，只需通过调用属性节点来调整长度到相应的表尾方即可到达表尾的2、5、8脚处。表尾向下到连接线的高度只有三种情况，可根据不同接线方式直接设置，这就构成了表尾和母线的二次连接线。本文采用的长度差取120，在调整相应长度和高度时都加上或减去120或240即可。为了区分ABC的颜色，从母线出来的连接线不需更改颜色，表尾出发的竖线需要根据接线方式的不同进行调整。

6 应用情况

该软件相比同类软件，界面清晰、直观性强、操作便捷，可根据学员培训需要随机切换变量条件进行试验数据和接线图比对，便于接线情况的规律研究。基于该软件可开展错误接线分析案例库编制、实训教案编写，增强培训学习的系统性和教学资源的传承转化。该软件立足于供电现场的实际需求，解决现场培训方式单一、受限于实训设备等问题，该软件使用性强，为学员提供自学测试平台，在供电局技能竞赛和日常培训中均得到了很好的推广应用，培训效果良好。

电能计量常见错误接线的培训和考核方式都是利用数据测量进行分析和计算，考核方式虽然接近现场作业的情况，但形式单一，如果培训学习不够扎实会导致在实际应用中不够灵活。本文设计的培训学习软件可使学员从多角度进行问题分析，提高培训效果，进一步提高电能计量装置的技术管理水平。