電能表現(xiàn)場運行環(huán)境仿真裝置研究

陳錦勝

摘? 要：低壓電網(wǎng)計量電能表運行在各類現(xiàn)場運行環(huán)境條件中，溫度、濕度、酸堿度、負載、接線工藝等因素影響電能表的安全運行，該文提出建設(shè)一套在實驗室內(nèi)進行的運行仿真裝置，考核衡量電能表的運行性能和尋找現(xiàn)場影響使用壽命的不利因素。為充分符合電能表的現(xiàn)場運行條件，并有別于電能表全性能試驗，體現(xiàn)運行仿真試驗的特點，遵循一致性、區(qū)別性和可操作性的原則來設(shè)計，裝置能夠最大程度地模擬電能表現(xiàn)場運行環(huán)境的運行仿真，試驗裝置可開展對電能表運行性能的評價。

關(guān)鍵詞：電能表? 運行仿真裝置? 電能表運行環(huán)境

中圖分類號：TM933.4 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）02（a）-0025-03

隨著居民對供電質(zhì)量要求日益提高，對電能表的安全可靠運行也隨之提高。電能表損壞時現(xiàn)在配網(wǎng)運維人員和計量運維人員的生產(chǎn)難題，電能表的損壞的因素有很多，其中有用電過負荷、接線點的安裝方式等。因此，關(guān)于電能表的運行性能檢測技術(shù)越來越受關(guān)注，該文針對電能表現(xiàn)場檢測技術(shù)進行了探討，提出在實驗室內(nèi)開展電能表運行環(huán)境仿真研究，探討建設(shè)一套電能表運行環(huán)境仿真裝置。通過裝置可提前發(fā)現(xiàn)電能表運行時出現(xiàn)的燒表、計量偏差等影響因素，通過對比分析，提高電表運行可靠性和穩(wěn)定性，評價的運行性能和核查使用環(huán)境的極限。

1? 中央控制裝置原理

1.1 硬件配置

采用的單片機為STM32F4系列，該單片機采用32位高性能ARM Cortex-M4處理器，頻率可高達168MHz。該項目采用的具體版本為探索者STM32F407，該單片機共有144個引腳，其中有112個可用于操作的IO口，在PCB板上分別用PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG分為7組進行統(tǒng)一控制，每一組以PA0-PA15的編號進行表示。

1.2 工作原理

該裝置涉及到需要控制6組外設(shè)，通過輸出3.3V的電壓，對外設(shè)的電源進行控制。考慮到STM32F4的IO分配，項目選擇了PE2、PE3、PE4、PE5、PE6、PE7作為6個控制的IO輸出口，原因是因為該6個IO口具有相同的特性，且都可作為獨立IO使用。同時，為每一個IO配套了一個GND引腳配套使用。在實際應(yīng)用中，需將每一個外設(shè)的電源正極，接到對應(yīng)的IO引腳（如PE2）上，將外設(shè)的電源負極，接到PCB板上空閑可用的任意GND引腳。在實際程序操作中，通過拉高或拉低IO引腳的電平，即可控制外設(shè)的電源開關(guān)。

該部分具體的電路編程思路簡述如下。

在程序啟動后，完成初始工作后，進行以下操作。

（1）調(diào)用RCC_AHB1PeriphClockCmd設(shè)置為RCC_AHB1Periph_GPIOE時鐘可用。

（2）建立GPIO_InitStructure對象，屬性為：IO口選擇為GPIO_Pin_2至GPIO_Pin_7;GPIO_Mode_OUT普通輸出模式;GPIO_PuPd_UP上拉模式;速率為GPIO_Speed_50MHz，并對GPIOE分組，用GPIO_InitStructure對象進行初始化。即完成PE2～PE7等6個IO引腳的初始化。

（3）用GUI_CreateDialogBox創(chuàng)建對話框，并在對話框上面，創(chuàng)建相應(yīng)的開關(guān)按鈕與顯示文本等控制。例如，控制6組開關(guān)的按鈕的ID分別為ID_BUTTON_1至ID_BUTTON_6。

（4）通過GUI_CreateDialogBox時指定的回調(diào)函數(shù)，監(jiān)聽窗體中6組按鈕的所有事件。在按鈕的WM_NOTIFICATION_RELEASED事件中進行編碼，對開關(guān)進行控制。

（5）根據(jù)每組對應(yīng)的IO引腳的狀態(tài)，分別用GPIO_SetBits或GPIO_ResetBits，對相應(yīng)的引腳進行拉高電平或是拉低電平操作，即可控制外設(shè)的電源是接通或是斷開。并用GPIO_ReadInputDataBit函數(shù)，讀取相應(yīng)引腳的實時狀態(tài)，以確保操作有效或是無效。

另外，還涉及到需要接收溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)作為輸入，選擇了DHT11傳感器作為溫度與濕度監(jiān)測。該傳感器包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件，經(jīng)過封裝后，共有3個IO引腳，分別是VCC、GND、DATA口。其中VCC為DHT11的正極，可與PCB板上的任一可用VCC口連接，GND為DHT11的負極，可與PCB板上的任一GND引腳進行連接，DATA為數(shù)據(jù)輸出口，需與PCB板上的IO引腳進行連接。在該項目中，我們選擇了PG9作為DATA引腳，用于接收溫濕度傳感器的實時數(shù)據(jù)。

該部分具體的電路編程思路簡述如下。

在程序啟動后，完成初始工作后，進行以下操作。

（1）調(diào)用RCC_AHB1PeriphClockCmd設(shè)置為RCC_AHB1Periph_GPIOG時鐘可用。

（2）建立GPIO_InitStructure對象，屬性為：IO口選擇為GPIO_Pin_9;GPIO_Mode_OUT普通輸出模式;GPIO_PuPd_UP上拉模式;速率為GPIO_Speed_50MHz，并對GPIOE分組，用GPIO_InitStructure對象進行初始化。即完成PG9這個IO引腳的初始化。

（3）用WM_SetCallback對WM_HBKWIN設(shè)置回調(diào)函數(shù)。

（4）用WM_CreateTimer對WM_HBKWIN設(shè)置定時器，每1000ms執(zhí)行一次。

（5）在WM_SetCallback設(shè)置的回調(diào)函數(shù)中，監(jiān)聽程序頂級窗口的所有窗口消息，并捕獲到用WM_CreateTimer創(chuàng)建的消息后，對DHT11的數(shù)據(jù)進行讀取，并進行展示。

讀取傳感器數(shù)據(jù)并進行轉(zhuǎn)化的編程思路為：由于DHT11每次返回的數(shù)據(jù)，一共由40個bit組成，共5個字節(jié)。因此程序分5次讀取，每次讀取一個字節(jié);每讀取一個字節(jié)時，分8次讀取，每次讀取一個返回0或1的bit位。

2? 電能表現(xiàn)場運行環(huán)境仿真裝置及試驗方案設(shè)計

2.1 電能表現(xiàn)場運行環(huán)境仿真裝置的設(shè)計

基于上述設(shè)計思路及原則，運行環(huán)境仿真試驗裝置主要有電源、試驗電能表、負載控制裝置、溫度控制裝置、濕度控制裝置和中央控制裝置。

圖2中，電源是220V/380V交流電源;負載控制裝置是實現(xiàn)固定功率值、時變功率值及極限功率因數(shù)的裝置，用于模擬電能表現(xiàn)場條件下不同用電工況下的負載狀態(tài);溫度控制裝置實現(xiàn)固溫度、時變溫度及極限溫度的環(huán)境變化，用于模擬溫度因素的現(xiàn)場運行的電能表的影響，濕度控制裝置實現(xiàn)固濕度、時變濕度及極限濕度的環(huán)境變化，用于模擬濕度因素對現(xiàn)場運行的電能表的影響。中央控制裝置是對負載控制裝置、溫度控制裝置和濕度控制裝置進行控制，收集記錄每次試驗時的數(shù)據(jù)，并進行處理分析。

該運行仿真試驗裝置的各個控制裝置相互獨立，具有靈活的擴展能力，各控制裝置既可獨立工作，對某影響因素進行單獨的模擬測試工作，也可以組合工作，模擬電能表的復(fù)合運行工況，針對一些特殊的現(xiàn)場工況，還可以通過外接設(shè)備滿足模擬要求。

2.2 運行環(huán)境仿真試驗方案設(shè)計

此次設(shè)計的仿真試驗包括負載、溫度和濕度3大類影響因素，負載設(shè)置范圍：9～36kW、溫度設(shè)置范圍：0℃～60℃、濕度設(shè)置范圍：30%～100%。試驗項目可根據(jù)實際現(xiàn)場情況進行交替調(diào)整，以達到不同的試驗?zāi)康摹＠纾撦d影響類試驗中的電壓電流極限條件影響試驗考核在電壓或電流極大極小或兩兩組合時，電能表的性能和功能是否正常;溫度影響試驗項目中的高溫變化影響試驗不再在單一溫度點進行測試，而是在溫度劇烈變化，達到一定程度時考核電能表的性能和功能是否正常。試驗可使用下列表格進行記錄，為進一步分析提供參考，具體如表1、表2、表3所示。

3? 結(jié)語

隨著電能表的大范圍推廣應(yīng)用，電能表的運行質(zhì)量必將日益受到關(guān)注和重視。該文結(jié)合現(xiàn)場運行條件提出了運行仿真試驗方案設(shè)計的一致性、區(qū)別性和可操作性三大原則，形成了運行仿真試驗裝置和運行仿真試驗方法，建立了測試和評價電能表運行性能的有效途徑和技術(shù)方法，有助于提升電能表質(zhì)量水平、改進電能表的檢修施工方案。

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