专利名称：电能计量模拟操作试验方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电力系统仿真领域，涉及电力模拟计量，尤其涉及一种电能计量模拟操作试验方法及装置。
背景技术：
各劳动职业技能鉴定部门、供电系统基层单位、电力培训部门、大中专、技校、职校等设置电力系统学习课程的单位，需要经常安排学员进行实物操作。为保证安全，不妨碍电力系统的正常运行。这些单位一般采用模拟操作装置。比如“模拟现场电能计量试验装置及方法”(公开号CN101685147)公开了一种模拟现场电能计量试验装置及方法，分为实负荷和虚负荷两部分，实负荷部分由电流、电压互感器及其二次接线和电能表组成，为单母线双回路；虚负荷部分采用三相程控测试电源和电压、电流接线切换箱组成。该文献对如何确保操作人员安全没有详细的记载。另外，现有的模拟装置功能较为单一，只能解决部分操作需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种确保使用者安全的电能计量模拟操作试验方法，以及一种电能计量模拟操作试验装置。本发明的另一目的还在于提供一种能集合多种模拟操作试验的方法与装置。本发明的电能计量模拟操作试验方法，其步骤包括1、通过三相程控工频功率电源输出电压、电流；2、将上述电压并联接到三相多功能标准电能表和挂表区上的被测电能表上，将电流串联到三相多功能标准电能表和被测电能表上；3、将三相多功能标准电能表产生的标准电能脉冲、电能表产生的被测电能脉冲同时接入到误差计算器中；4、由误差计算器中的单片机对脉冲信号采样，计算出被测电能表的电能误差；其中，所述三相程控工频功率电源输出的电压、电流分别通过电压采样互感器 (PT)、电流采样互感器(CT)得到电压、电流的输出采样信号，将该输出采样信号与三相程控工频功率电源的三相信号源产生的电压、电流信号进行比较，当两者波形的频率、幅度、 相位出现不同时将三相信号源产生的信号复归零，使三相程控工频功率电源输出为零。所述三相程控工频功率电源包括控制器、三相电压和电流信号源、电压功率放大器和电流功率放大器；控制器通过键盘输入或通讯接口接收外部控制信号，实现对三相电压和电流信号源的控制；三相电压信号源所产生的电压信号经电压功率放大器放大后经升压器输出；三相电流信号源所产生的电流信号由电流功率放大器放大后经升流器输出；输出电压、电流经取样反馈电路分别返回相应功率放大器形成稳压和稳流闭环控制系统。所述功率放大器在其输出端与电源之间并接高速快恢复二极管；并采用限流电阻进行限流；且其输入与输出回路隔离。
所述控制器对分别经电压、电流功率放大器放大后的信号进行取样，并连接外部显示装置进行显示；当发生过载时，电压功率放大器向控制器发送报警信号。所述三相电压或电流信号源的晶体分频信号经锁相环与多路可编程分频器所组成的锁相环电路形成主频；CPLD根据要求的时序编制，与单片机配合设定所需时序网络， 供给DAC、波形存储器、基准电路。所述波形存储器采用双端口 RAM ；所述单片机按照设置的接线方式、相序及相位将基波正弦波形或基波正弦波+谐波正弦波的叠加波形写入到双端口 RAM相应的单元中。所述三相程控工频功率电源输出的电压、电流分别经过电压采样互感器、电流采样互感器连接到错误接线控制器，输出各种接线错误组合的电压电流到所述挂表区，由操作者通过测试工具操作者通过测试工具判断出错误接线的类型，并通过挂表区进行接线改正。通过一激励信号产生器向一环形电流线圈输出电流，产生磁场；激励信号产生器通过多路通讯板接收外部控制信号，调整磁场强度；计算在不同磁场强度下被测电能表的电能误差。所述误差计算器通过多路通讯板与计算机相连；并设有摘挂表键以摘挂所述被测电能表。在所述的电能误差计算结束后，进行电压跌落和/或电流跌落，然后计算电压和/ 或电流恢复后该被测电能表的电能误差。通过一时钟计时器限定指定操作的时间。本发明的电能计量模拟操作试验装置，包括一三相程控工频功率电源；一三相多功能标准电能表；和一挂表区，用以安设被测电能表，所述三相程控工频功率电源的输出电压并联接到三相多功能标准电能表和挂表区上的被测电能表上，所述输出电流串联到三相多功能标准电能表和挂表区上的被测电能表上；一误差计算器，接入三相多功能标准电能表产生的标准电能脉冲、被测电能表产生的被测电能脉冲，以计算被测电能表的电能误差；其中，所述三相程控工频功率电源输出的电压、电流分别通过一电压采样互感器和一电流采样互感器得到电压、电流的输出采样信号；在该输出采样信号与三相程控工频功率电源的三相信号源产生的电压、电流信号的波形的频率、幅度、相位出现不同时三相信号源产生的信号复归零。本发明的电能计量模拟操作试验装置，包括一柜体，分为上下两部分，下部依次放置三相程控工频功率电源、错误接线控制器、三相多功能标准电能表，激励信号产生器、电压互感器和电流互感器、多路通讯板；上部正反两面，均设置一套挂表区、环形电流线圈、时钟计时器、误差计算器、电压跌落控制器、三线/四线切换开关。本发明的电能计量模拟操作试验方法及装置集培训学习、理论验证、实际操作、考核考试于一体，通过三相程控工频功率电源确保使用者安全，最大的特点是使用安全和操作便捷，能够完成电能表计量、影响量测试、错误接线等功能。该装置适用于各劳动职业技能鉴定部门、供电系统基层单位，电力培训部门、大中专、技校、职校。本发明装置可置于机柜中，机柜采用高档材料，外形美观。底部可安装承重万向轮，方便装置移动。本发明装置元器件布局合理，操作方便，检测直观。
图1本发明试验装置结构框2三相程控工频功率电源结构框3三相数字信号源结构框4功率放大器电路5错误接线控制器工作示意6输入电源保护结构示意7机柜外观图
具体实施例方式如图1所示，本发明的试验装置由三相程控工频功率电源、错误接线控制器、三相多功能标准电能表，激励信号产生器、PT和CT、多路通讯板、挂表区、环形电流线圈、电压表、时钟计时、误差计算器、电压跌落控制器、三线/四线切换开关组成。一、电能表计量单元三相程控工频功率电源、三相多功能标准电能表、挂表区、误差计算器组成典型的电能表计量单元。能够计量三相三线/三相四线电能表。如图1所示三相程控工频功率电源能输出相位可调，幅度可调的电压电流(电压三相三线3 X 100V ；三相四线3X220V ；三相四线3 X 57. 7V ；电流3X10A)。电压并联接到三相多功能标准电能表和挂表区中的电能表上，电流串联到三相多功能标准电能表和挂表区中的电能表上。这时三相多功能标准电能表会产生标准电能脉冲、电能表产生被测电能脉冲，两个脉冲信号同时接入到误差计算器中，误差计算器中的单片机对脉冲信号采样， 计算出被测电能表的电能误差。一)三相程控工频功率电源三相程控工频功率电源是采用数字合成技术设计的高稳定度三相精密工频功率电源，输出电压100V、220V，输出电流10A，输出频率为标频可调，输出相位360°可调。三相程控工频功率电源本地、远地均可控制，通讯串口为标准485通讯口。三相程控工频功率电源输出形式可以实现三相四线有功/无功、三相三线有功/无功、正序/负序输出。在三相程控工频功率电源与电压采样互感器之间设置一三线/四线切换开关进行切换。三相程控工频功率电源输出方式可设置为基波输出或基波+谐波输出，谐波次数可设置为2-21次， 输出比例可设置为基波的0-30%。三相程控工频功率电源具有电流开路、电压短路、波形失真报警和软启停方式(在输出电压、电流启停过程中输出幅度将逐渐增大或减小，并在2秒左右达到稳定值)，提高了应用的安全性。三相程控工频功率电源具有输出实时采样功能， 上传计算机可以画出实时输出波形。三相程控工频功率电源，具备完善的电压、电流的保护措施，确保操作者的人身安全。对最终输出端的电压、电流通过电流采样互感器、电压采样互感器得到电压、电流的小信号(简称输出采样信号)，输出采样信号与三相数字信号源产生的电压、电流信号 (简称输入信号)通过相关的比较电路进行比较，当输出采样信号和输入信号两者波形的频率、幅度、相位出现不同时(例如输出电压短路、输出电流开路等)，比较电路产生报警信号。MCU(单片机)收到报警信号后，立即将输入信号复归零，从而使最终输出端输出为零。三相程控工频功率电源具有独立的按键、显示部件，可以单独使用，进行简单操作。按键部分可以设置输出方式、输出相位、输出频率、输出电压电流。利用单片机对输出信号实时采样，上传计算机可以画出实时输出波形。输出谐波等功能的设置由计算机控制。如图2所示，操作者通过键盘或通讯口通讯MCU，完成MCU对输出类型、数字信号 (即三相数字信号源)的控制，三相数字信号源所产生的电压信号经电压稳压功率放大器放大后，经电压变换器(升压器)输出；电流信号由电流稳流功率放大器放大后，经电流变换器(升流器)输出。输出电压、电流经取样反馈电路返回功放分别形成稳压和稳流闭环控制系统，以保证输出幅度稳定。同时利用单片机对输出信号进行采样并输出取样信号，经一定幅度调整后送至MCU再送显示，对输出三相电压和电流进行实时显示。若有过载情况发生，功放将向MCU发出过载信号，由MCU立即发出报警信号，并使整机回到准备状态。二)三相数字信号源图3所示为三相数字信号源框图。晶体分频信号经锁相环与多路可编程分频器所组成的锁相环电路形成主频。CPLD 根据各电路要求的时序编制，与单片机配合搭建成整个设备所需的时序网络，供给DAC、存储器、基准电路等器件。波形存储器采用新型的双端口 RAM。MCU按照设置的接线方式、相序及相位将基波正弦波形(或基波正弦波+谐波正弦波的叠加波形)写入到双端口 RAM相应的单元中。当这些量化的二进制数按一固定频率送入D/A变换器时，D/A的输出端即可得到阶梯正弦波 (或基波正弦波+谐波正弦波的叠加波形的阶梯波形)。该阶梯波形通过低通滤波后即可获得所需正弦波(或基波正弦波+谐波正弦波的叠加波形)。幅值由于与DAC的参考电压(Vref)成正比，Vref电压由基准电路(一个数模变换器(DAC))产生，该DAC直接受MCU和CPLD2控制，从而实现了输出幅值的程控。主频的改变完成了波形频率的改变。波形的幅度、相位、频率的均可程控改变，满足了应用要求，另外这样构成的系统可靠稳定，均可在线编程方便实用。三)功率放大器如图4所示，功率放大器是对前端的DAC转换电路输出的交流电压信号进行功率放大，以满足三相程控工频功率电源输出功率的要求。功率放大器选用BB公司生产的单片大功率集成运算放大器0PAM1，该放大器芯片的最大工作电源电压为士40V，最大输出电流10A。除了具有良好的功率输出特性外，还具有使用方便、电路调试简单等优点。使用该芯片进行电路设计时应注意
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(1)输出保护。当负载为感性时，由于电流的滞后会引起电压的反冲尖峰，该尖峰电压出现在功放管的输出端，极易击穿其输出级。为保证功放管安全，应在其输出端与电源之间并接高速快恢复二极管，其反向恢复时间小于100ns。(2)电流限制。为保证功放管工作在安全工作区内，应采用限流电阻进行限流，以防止电流过大，当电流超过设定的最大电流时，功放管就会自动保护，避免管子损坏。(3)消除耦合，抑制干扰。主要方法有外壳接地，对功放管进行屏蔽，防止外部干扰。输入与输出回路隔离，消除由于耦合电容引起的正反馈。四)三相多功能标准电能表三相多功能标准电能表采用BY2463M三相多功能标准电能表。BY2463M三相多功能标准电能表是采用高速数字采样技术、大规模集成电路以及现代数字信号处理技术(DSP)所构成的新型高精度多功能标准电能表。它使用RS-232串行接口通过多路通讯板与计算机相连进行通信及控制，可以十分方便地与其它仪器共同组成三相自动测量系统，BY2463M三相多功能标准电能表的各种参数和计算结果均可通过 RS-232串行接口读出。五)误差计算器本发明电能计量模拟操作试验装置采用标准表法(比较法)检验，即标准表与被校表在同一负荷同时工作，然后比较两表测量电能值，从而确定被校表误差。标准电能表测定的电能与被检电能表测定的电能信号接入到误差计算器，由误差计算器计算被校表误差并直接显示。采用RS485通讯方式通过多路通讯板与计算机相连，由计算机控制操作并上传误差值。误差计算器设有摘挂表键，可以摘挂被测电能表，方便使用。六)多路通讯板多路通讯板由单片机和RS232、RS485芯片组成，将一路连接计算机的RS485串口扩展成两路RS485串口及两路RS232串口。多路通讯板上具有单独地址，便于一台计算机同时控制多台装置运行。电能表计量操作时，先利用计算机完成挂表类型、参数等的设置、挂表区挂接相应的电能表、三线/四线切换开关打到相应位置、多出的电表线应放置到藏孔中。然后由计算机控制开始电能表计量。电能表计量操作时，三相程控工频功率电源电流输出为0-10A。电能表计量操作时，正反面可以同时测量类型、量程相同，脉冲常数不同的两块电
會邑^。电能表计量操作时，可以利用误差计算器上的摘挂表键摘挂电能表。误差计算器直观显示圈数、误差值。电能表计量操作时，挂表区正面(表位1)为主表区。当计量单块电能表时，电能表应挂接在正面(表位1)，反面(表位2)的接线盒出应短路电流，电压应断路(或电压断路由摘表完成)。挂接的被测电能表及电表类型、量程等应相符，以免烧坏电表。基本操作规范应正确，以免触电。被测电能表可为RS485，有独立串口，方便计算机读取电能表数据。二、错误接线程控模拟单元
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三相程控工频功率电源、PT和CT、错误接线控制器、挂表区组成典型的错误接线程控模拟单元。如图1所示三相程控工频功率电源能输出相位可调，幅度可调的电压电流(电压三相三线3X100V ；三相四线3X220V ；三相四线3X57. 7V ；电流3X10A)。该电压电流经过PT和CT连接到错误接线控制器。错误接线控制器的RS232接口通过多路通讯板与计算机相连，由计算机控制。错误接线控制器内安装了单片机和多个继电器，可使继电器以排列组合的方式接通与断开， 可以模拟多种错误接线方式。错误的电压电流连接到挂表区，操作者通过必要的测试工具进行测量，由此判断出错误接线的类型，并通过挂表区进行接线改正。如图5所示，错误接线控制器实时采样挂表区中表尾的电压电流，画出实时的向量图，这样可以看出操作者改正接线是否正确。三、磁场感应单元如图1所示，激励信号产生器、环形电流线圈组成磁感应强度场产生单元。磁感应强度任意可调，配合电能表计量单元完成磁场影响量测试。激励信号产生器通过晶体分频信号经锁相环与多路可编程分频器所组成的锁相环电路形成主频。利用单片机内部两个12位的电流模式数/模转换器(IDAC)输出两路电流信号，电流/电压变换后叠加输出正弦波信号。正弦波信号经功率放大器放大后输出同市电同频的幅度最大5A的交流电流信号。在挂表区外侧安装环形电流线圈，当线圈通过电流时在线圈内部产生磁场，磁场强度随电流信号的大小可以改变。当电能表输入端输入相同的电压电流时由于其挂在不同的磁场中其产生的被测电能表脉冲会不同，导致电能误差不同。磁场影响量测试就是测试电能误差在不同的磁场强度下会是多少。磁感应强度场产生单元产生可变磁场，电能表计量单元测出其相应电能误差。激励信号产生器采用RS485通讯方式通过多路通讯板与计算机相连，由计算机控制电流输出。激励信号产生器与环形电流线圈组成磁感应强度场产生单元。四、电压跌落、电流降落的测试电能表计量单元配合电压跌落控制器可以完成电压跌落、电流降落的测试功能。电压跌落、电流降落的测试是电能表性能的测试。当电能表电压跌落，电流降落恢复后，电能表的电能误差前后改变量应不超过电能表的检验标准。装置配套的软件设置电压跌落、电流降落参数，电能表计量单元先进行测量电能误差后由电压跌落控制器完成电压跌落、三相程控工频功率电源完成电流降落，恢复后电能表计量单元再进行测量电能误差。五、计时功能设备装有时钟计时器，考核时可设定时间，在规定的时间内要求学员完成实训项目。本发明的试验装置可按下述方式配置主要技术参数和技术指标为三相程控工频功率电源、错误接线控制器、三相多功能标准电能表供电的输入电源220V 士 10% 50Hz ；工作环境温度_10°C +40°C ；相对湿度< 85% (25 °C )海拔< 4000m。如图6所示，输入电源设定保护机制，当误操作造成短路时，则由漏电保护器，总空气开关和保险管等予以处理。三相程控工频功率电源电压三相三线3 X 100V ；三相四线3X220V ；三相四线 3X57. 7V ；输出功率每相20VA ；电流:3X10A输出功率每相20VA ；幅度调节0 100%; 输出频率45Hz 65Hz ；输出相位0 359. 9°调节细度0. 1° ；谐波输出2_21次谐波； 电压2-21次谐波输出最大30% Un ；电流2_21次谐波输出最大30% In三相多功能标准电能表0. 02级电压表0. 5级；外形尺寸700X700X 1900(单位謹)；装置功耗< 600VA ；重量< 200Kg如图7所示，本试验装置可放置于柜体内。柜体内部分为上下两部分，下部依次放置三相程控工频功率电源、错误接线控制器、三相多功能标准电能表，激励信号产生器、电压互感器和电流互感器、多路通讯板；上部正反两面，均设置一套挂表区、环形电流线圈、定时器、误差计算器、电压跌落控制器、三线/四线切换开关。
权利要求
1.一种电能计量模拟操作试验方法，其步骤包括1)通过三相程控工频功率电源输出电压、电流；2)将上述电压并联接到三相多功能标准电能表和挂表区上的被测电能表上，将电流串联到三相多功能标准电能表和被测电能表上；3)将三相多功能标准电能表产生的标准电能脉冲、电能表产生的被测电能脉冲同时接入到误差计算器中；4)由误差计算器中的单片机对脉冲信号采样，计算出被测电能表的电能误差；其特征在于，所述三相程控工频功率电源输出的电压、电流分别通过电压采样互感器、 电流采样互感器得到电压、电流的输出采样信号，将该输出采样信号与三相程控工频功率电源的三相信号源产生的电压、电流信号进行比较，当两者波形的频率、幅度、相位出现不同时将三相信号源产生的信号复归零，使三相程控工频功率电源输出为零。
2.如权利要求1所述的电能计量模拟操作试验方法，其特征在于，所述三相程控工频功率电源包括控制器、三相电压和电流信号源、电压功率放大器和电流功率放大器；控制器通过键盘输入或通讯接口接收外部控制信号，实现对三相电压和电流信号源的控制；三相电压信号源所产生的电压信号经电压功率放大器放大后经升压器输出；三相电流信号源所产生的电流信号由电流功率放大器放大后经升流器输出；输出电压、电流经取样反馈电路分别返回相应功放形成稳压和稳流闭环控制系统。
3.如权利要求2所述的电能计量模拟操作试验方法，其特征在于，控制器对分别经电压、电流功率放大器放大后的信号进行取样，并连接外部显示装置进行显示；当发生过载时，电压功率放大器向控制器发送报警信号。
4.如权利要求1所述的电能计量模拟操作试验方法，所述三相程控工频功率电源输出的电压、电流分别经过电压采样互感器、电流采样互感器连接到错误接线控制器，输出各种接线错误组合的电压电流到所述挂表区，由操作者通过测试工具操作者通过测试工具判断出错误接线的类型，并通过挂表区进行接线改正。
5.如权利要求1所述的电能计量模拟操作试验方法，其特征在于，通过一激励信号产生器向一环形电流线圈输出电流，产生磁场；激励信号产生器通过多路通讯板接收外部控制信号，调整磁场强度；计算在不同磁场强度下被测电能表的电能误差。
6.如权利要求1所述的电能计量模拟操作试验方法，其特征在于，在步骤4)所述的电能误差计算结束后，进行电压跌落和/或电流跌落，然后计算电压和/或电流恢复后该被测电能表的电能误差。
7.一种电能计量模拟操作试验装置，包括一三相程控工频功率电源；一三相多功能标准电能表；和一挂表区，用以安设被测电能表，所述三相程控工频功率电源的输出电压并联接到三相多功能标准电能表和挂表区上的被测电能表上，所述输出电流串联到三相多功能标准电能表和挂表区上的被测电能表上；一误差计算器，接入三相多功能标准电能表产生的标准电能脉冲、被测电能表产生的被测电能脉冲，以计算被测电能表的电能误差；其特征在于，所述三相程控工频功率电源输出的电压、电流分别通过一电压采样互感器和一电流采样互感器得到电压、电流的输出采样信号；在该输出采样信号与三相程控工频功率电源的三相信号源产生的电压、电流信号的波形的频率、幅度、相位出现不同时三相信号源产生的信号复归零。
8.如权利要求7所述的电能计量模拟操作试验装置，其特征在于，所述三相程控工频功率电源包括控制器、三相电压和电流信号源、电压功率放大器和电流功率放大器；控制器通过键盘输入或多路通讯板接收外部控制信号，实现对三相电压和电流信号源的控制；三相电压信号源所产生的电压信号经电压功率放大器放大后经升压器输出；三相电流信号源所产生的电流信号由电流功率放大器放大后经升流器输出；输出电压、电流经取样反馈电路分别返回相应功率放大器形成稳压和稳流闭环控制系统。
9.如权利要求7所述的电能计量模拟操作试验装置，其特征在于，所述三相程控工频功率电源输出的电压、电流分别经过电压采样互感器、电流采样互感器连接到错误接线控制器，输出各种接线错误组合的电压电流到所述挂表区。
10.如权利要求7所述的电能计量模拟操作试验装置，其特征在于，还包括一激励信号产生器和一环形电流线圈，该激励信号产生器向一环形电流线圈输出电流；激励信号产生器通过多路通讯板接收外部控制信号。
11.如权利要求7所述的电能计量模拟操作试验装置，其特征在于，还包括一电压跌落控制器以实现电压跌落。
全文摘要
本发明涉及一种电能计量模拟操作试验方法及装置。通过三相程控工频功率电源输出电压、电流；将上述电压并联接到三相多功能标准电能表和挂表区上的被测电能表上，将电流串联到三相多功能标准电能表和被测电能表上；将三相多功能标准电能表产生的标准电能脉冲、电能表产生的被测电能脉冲同时接入到误差计算器中；由误差计算器中的单片机对脉冲信号采样，计算出被测电能表的电能误差；三相程控工频功率电源输出的电压、电流信号与三相信号源产生的电压、电流信号不同时将三相信号源产生的信号复归零，使三相程控工频功率电源输出为零。使用安全、操作便捷，适用于各劳动职业技能鉴定部门、供电系统基层单位，电力培训部门、大中专、技校、职校。
文档编号G01R35/04GK102353926SQ20111019512
公开日2012年2月15日 申请日期2011年7月13日 优先权日2011年7月13日
发明者吴炳可, 孙超一, 富杨, 汪新爱, 路畅 申请人:北京北研兴电力仪表有限责任公司