电子产品世界

　　Power measurement training device simplifies hardware circuit design

　　贾宏伟 1，2 ，林子翔 3 ，梁永昌 4

　　（广东省电力工业职业技术学校，广东 广州 510000；广东电网有限责任公司培训与评价中心 广东 广州 510000；广东电网有限责任公司，广东广州 510000；广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000）

　　摘要：本文设计了针对目前电网公司的装表接电和错误接线培训的简化的硬件电路。主要包括了控制和外部标准信号电路及信号比较电路。外部标准信号相当于定位每个装表接电的正确接线回路的必经点（培训中相应接线回路的起始点）。信号比较电路用于确定接入电能表端子的点与标准信号的哪个点连通。控制器的主要功能是通过控制信号选择开关的通断，来持续寻找匹配或相同的信号，来确定相应接线的起止点，以此来确定外部电能计量装置接线是否正确，及当错误发生时初步判断错误类型。本控制器的仿真信号采用的都是5 V左右的直流电压信号，均在安全电压范围之内，使学员可以在安全的环境下更直观的进行装表接电和错误接线的学习。

　　关键词：装表接电；错误接线；培训；安全电压；硬件电路

　　0 引言

　　目前电网公司所使用的装表接电和错误接线培训装置多数都是在不通电或比较高的电压（220 V或100 V）环境中进行的。学员在学习和练习的时候必须要有培训师在场讲解和防止安全事故的发生。本文设计的培训装置控制器采用电子信息技术，在外部接线环境的配合下，学员可以自主安全的完成电能计量的学习和练习。

　　1 系统结构

　　完整的培训装置包括控制器及外部电能表接线设备。外部装表接电装置包括电能表、接线盒及互感器等部分。控制器的主要电路组成包括微控制器、显示器、人机交互、比较电路、标准信号等部分。其中微控制器是整个控制器的核心部分，负责根据比较电路的比较结果来判断外部接线的结果是否正确，及当错误发生时的错误类型，并通过显示器显示出相应的结果及六角图等信息。人机交互可以是按键也可以采用触摸屏的方式。微控制器与显示器及人机交互的部分已有很多成熟的技术方案。标准信号是用来定位每个接线回路的，通过标准信号和比较信号电路来确定信号是否流经了正确的路径，以及当错误发生时能通过信号的比较来确定对应标准信号所流经的路径，以此来判断相应的错误类型。

例如低压三相四线装表接电培训设备上，可以把标准信号接在互感器端子上。当接线正确的时候，互感器的二次端子会经互感器接到相应的电能表接线端子上。通过比较测量电能表相应端子的电压就可以知道电能表的每个端子是接在了哪个互感器的哪个端子。当然，如果测量结果为无电压信号，则是相应接线是有断路的部分了。

　　2 标准信号电路

　　标准信号电路是用来区分不同的电压电流信号，定位在每个正确的路径的必经点，本设计是定位在互感器的端子等。如图2所示，共4组信号选择开关CC4051芯片,其中第1、2个CC4051连接电能表的01到10个端子，第3、4个CC4051芯片连接到各互感器及电压零线等位置。电路右边是11个电阻和一个12 V电源串联，然后取出10个电压值作为彼此区分的标准信号。将这些信号定位在相应的互感器端子及零线等位置。

　　单个CC4051是由A0~A2三位地址控制的八选一信号选择开关，输入信号由I0~I7输入，由O（OUT）输出。两组4051芯片之间的片选功能脚（INH）用一个非门连接就组成了4位地址的16选一信号选择电路。为了方便说明，我们把连接电表端的记作第一组，连接标准信号的为第二组。如此，就有了如图所示的两组16选一信号选择电路。其中MCU发出的D0~D3是控制4051（3、4）芯片的第二组十六选一电路，D4~D7是控制第一组信号选择电路的输出。我们通过比较这两组电路的相应信号来确定相应的接线起止点，进一步判断接线是否正确，及错误发生时的错误类型。

　　3 信号比较电路

　　信号比较电路如图3所示，共由两级集成运放组成，第一级集成运入的同相和反相输入端各连接了两个4051芯片组成16选一的信号输出端，由MCU控制的地址使得任意时刻只有一个信号输出到集成运放的同相（反相）输入端。由此，在第一级运放处形成了一个电压减法电路，输出值为1。由于中间基本都是导线，所以在正确接线的情况下电压降都很小，接近是零。但为避免运行中的干扰因素导致误判，所以采用两级结构。第一级减法电路，第二级调试一个合适的阀值参考电压，以此增加系统的稳定性。阀值电压的设定应是两级标准信号电压的二分之一左右，可以根据情况，适当取值小些。如以图中所示即为0.5 V左右。当出现错误接线的时候，第一级的减法电路的输出信号（应大于等于1 V）应明显大于参考电压，此时由MCU控制通信地址，寻找匹配的电压信号。当寻找到匹配的信号时，即找到导线接线的起止点，即判断出相应的错误类型。当发生断相的时候，即有第一组信号选择开关输出为零。

　　4 运行举例

　　在学员接线完结时，控制器发出00000000到D0~D7,此时第一组信号选择电路的输出等于I0(4051.1)。而第二组信号选择开关的输出为I0(4051.3)。两者再输入到信号比较电路进行比较。在正确接线的时候，两者由一根导线分别连接到电能表的A相电流流入端和A相互感器的二次k1端。由于导线上的消耗很小，导线两端的电压差接近为0，小于参考电压。所以第一级减法电路的输出接近0，再到第二级电压比较器，同相输入端的电压Vref大于反相输入端0V，所以电压比较器的输出为VDD。设置合适的VDD使其处于MCU的逻辑信号1的电压范围之内。即MCU得到反馈结果为逻辑1，证明信号匹配成功。可以进行下一步的匹配，发出地址信号00010001，即第一组信号选择电路的输出等于I1(4051.1)，而第二组信号选择开关的输出为I1(4051.3)，进行下一轮的信号匹配。

　　如果在信号匹配的过程中，MCU接收到的反馈信号出现了0，即证明信号比较电路的两个信号不匹配。例如，当MCU发出地址信号00100010，而得到的反馈信号是0，即代表发生错误。地址信号00100010代表的意思是即第一组信号选择电路的输出等于I2(4051.1)，而第二组信号选择开关的输出为I2(4051.3)。在正确接线的时候，应该由一根导线连接到A相电流互感器的二次k2端和电能表A相的电流出线。现反馈信号为0即证明两者不连通。接下来MCU进行扫描式的信号匹配过程，后四位地址信号不变，前四位每加1进行一次信号匹配。

　　如下一步地址信号应为00110010，再接下来为01110010，直到找到匹配的信号为止。地址码的最大位为10011001.

　　5 结语与展望

　　本文所设计的控制器需要配合外部装表接电培训的电能表、台架、互感器等一起使用。主要作用是通过信号的匹配来判断接线是否正确，及错误类型。在选择外部配合的装置的时候可以根据需要进行多种选择，更像是一个核心功能模块，或培训装置的大脑。在标准信号的选择和处理上还有非常多可以改进和发挥的空间，这也是本方案下一步改进的重点方向。

　　参考文献：

　　[1] 梁永昌 贾宏伟 安全电压环境下电能计量培训装置系统设计[J].电子产品世界 2018 12

　　[2] 乔新国，张涛，宋佳音 . 电能计量装置全真错误接线检测培训考核系统的实现 [J]. 电气自动化，2012，34（6）：56-57.

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　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第5期第53页，欢迎您写论文时引用，并注明出处

关键词： 201905 装表接电 错误接线 培训 安全电压 硬件电路