電能計(jì)量培訓(xùn)裝置簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)

　　Power measurement training device simplifies hardware circuit design

　　賈宏偉 1，2 ，林子翔 3 ，梁永昌 4

　?。◤V東省電力工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 廣州 510000；廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司培訓(xùn)與評(píng)價(jià)中心 廣東 廣州 510000；廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東廣州 510000；廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000）

　　摘要：本文設(shè)計(jì)了針對(duì)目前電網(wǎng)公司的裝表接電和錯(cuò)誤接線培訓(xùn)的簡(jiǎn)化的硬件電路。主要包括了控制和外部標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)電路及信號(hào)比較電路。外部標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相當(dāng)于定位每個(gè)裝表接電的正確接線回路的必經(jīng)點(diǎn)（培訓(xùn)中相應(yīng)接線回路的起始點(diǎn)）。信號(hào)比較電路用于確定接入電能表端子的點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的哪個(gè)點(diǎn)連通?？刂破鞯闹饕δ苁峭ㄟ^(guò)控制信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)的通斷，來(lái)持續(xù)尋找匹配或相同的信號(hào)，來(lái)確定相應(yīng)接線的起止點(diǎn)，以此來(lái)確定外部電能計(jì)量裝置接線是否正確，及當(dāng)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)初步判斷錯(cuò)誤類(lèi)型。本控制器的仿真信號(hào)采用的都是5 V左右的直流電壓信號(hào)，均在安全電壓范圍之內(nèi)，使學(xué)員可以在安全的環(huán)境下更直觀的進(jìn)行裝表接電和錯(cuò)誤接線的學(xué)習(xí)。

　　關(guān)鍵詞：裝表接電；錯(cuò)誤接線；培訓(xùn)；安全電壓；硬件電路

　　0 引言

　　目前電網(wǎng)公司所使用的裝表接電和錯(cuò)誤接線培訓(xùn)裝置多數(shù)都是在不通電或比較高的電壓（220 V或100 V）環(huán)境中進(jìn)行的。學(xué)員在學(xué)習(xí)和練習(xí)的時(shí)候必須要有培訓(xùn)師在場(chǎng)講解和防止安全事故的發(fā)生。本文設(shè)計(jì)的培訓(xùn)裝置控制器采用電子信息技術(shù)，在外部接線環(huán)境的配合下，學(xué)員可以自主安全的完成電能計(jì)量的學(xué)習(xí)和練習(xí)。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　完整的培訓(xùn)裝置包括控制器及外部電能表接線設(shè)備。外部裝表接電裝置包括電能表、接線盒及互感器等部分。控制器的主要電路組成包括微控制器、顯示器、人機(jī)交互、比較電路、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)等部分。其中微控制器是整個(gè)控制器的核心部分，負(fù)責(zé)根據(jù)比較電路的比較結(jié)果來(lái)判斷外部接線的結(jié)果是否正確，及當(dāng)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)的錯(cuò)誤類(lèi)型，并通過(guò)顯示器顯示出相應(yīng)的結(jié)果及六角圖等信息。人機(jī)交互可以是按鍵也可以采用觸摸屏的方式。微控制器與顯示器及人機(jī)交互的部分已有很多成熟的技術(shù)方案。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是用來(lái)定位每個(gè)接線回路的，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和比較信號(hào)電路來(lái)確定信號(hào)是否流經(jīng)了正確的路徑，以及當(dāng)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)能通過(guò)信號(hào)的比較來(lái)確定對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)所流經(jīng)的路徑，以此來(lái)判斷相應(yīng)的錯(cuò)誤類(lèi)型。

例如低壓三相四線裝表接電培訓(xùn)設(shè)備上，可以把標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接在互感器端子上。當(dāng)接線正確的時(shí)候，互感器的二次端子會(huì)經(jīng)互感器接到相應(yīng)的電能表接線端子上。通過(guò)比較測(cè)量電能表相應(yīng)端子的電壓就可以知道電能表的每個(gè)端子是接在了哪個(gè)互感器的哪個(gè)端子。當(dāng)然，如果測(cè)量結(jié)果為無(wú)電壓信號(hào)，則是相應(yīng)接線是有斷路的部分了。

　　2 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)電路

　　標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)電路是用來(lái)區(qū)分不同的電壓電流信號(hào)，定位在每個(gè)正確的路徑的必經(jīng)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)是定位在互感器的端子等。如圖2所示，共4組信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)CC4051芯片,其中第1、2個(gè)CC4051連接電能表的01到10個(gè)端子，第3、4個(gè)CC4051芯片連接到各互感器及電壓零線等位置。電路右邊是11個(gè)電阻和一個(gè)12 V電源串聯(lián)，然后取出10個(gè)電壓值作為彼此區(qū)分的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。將這些信號(hào)定位在相應(yīng)的互感器端子及零線等位置。

　　單個(gè)CC4051是由A0~A2三位地址控制的八選一信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)，輸入信號(hào)由I0~I7輸入，由O（OUT）輸出。兩組4051芯片之間的片選功能腳（INH）用一個(gè)非門(mén)連接就組成了4位地址的16選一信號(hào)選擇電路。為了方便說(shuō)明，我們把連接電表端的記作第一組，連接標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的為第二組。如此，就有了如圖所示的兩組16選一信號(hào)選擇電路。其中MCU發(fā)出的D0~D3是控制4051（3、4）芯片的第二組十六選一電路，D4~D7是控制第一組信號(hào)選擇電路的輸出。我們通過(guò)比較這兩組電路的相應(yīng)信號(hào)來(lái)確定相應(yīng)的接線起止點(diǎn)，進(jìn)一步判斷接線是否正確，及錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)的錯(cuò)誤類(lèi)型。

　　3 信號(hào)比較電路

　　信號(hào)比較電路如圖3所示，共由兩級(jí)集成運(yùn)放組成，第一級(jí)集成運(yùn)入的同相和反相輸入端各連接了兩個(gè)4051芯片組成16選一的信號(hào)輸出端，由MCU控制的地址使得任意時(shí)刻只有一個(gè)信號(hào)輸出到集成運(yùn)放的同相（反相）輸入端。由此，在第一級(jí)運(yùn)放處形成了一個(gè)電壓減法電路，輸出值為1。由于中間基本都是導(dǎo)線，所以在正確接線的情況下電壓降都很小，接近是零。但為避免運(yùn)行中的干擾因素導(dǎo)致誤判，所以采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)。第一級(jí)減法電路，第二級(jí)調(diào)試一個(gè)合適的閥值參考電壓，以此增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。閥值電壓的設(shè)定應(yīng)是兩級(jí)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)電壓的二分之一左右，可以根據(jù)情況，適當(dāng)取值小些。如以圖中所示即為0.5 V左右。當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤接線的時(shí)候，第一級(jí)的減法電路的輸出信號(hào)（應(yīng)大于等于1 V）應(yīng)明顯大于參考電壓，此時(shí)由MCU控制通信地址，尋找匹配的電壓信號(hào)。當(dāng)尋找到匹配的信號(hào)時(shí)，即找到導(dǎo)線接線的起止點(diǎn)，即判斷出相應(yīng)的錯(cuò)誤類(lèi)型。當(dāng)發(fā)生斷相的時(shí)候，即有第一組信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)輸出為零。

　　4 運(yùn)行舉例

　　在學(xué)員接線完結(jié)時(shí)，控制器發(fā)出00000000到D0~D7,此時(shí)第一組信號(hào)選擇電路的輸出等于I0(4051.1)。而第二組信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)的輸出為I0(4051.3)。兩者再輸入到信號(hào)比較電路進(jìn)行比較。在正確接線的時(shí)候，兩者由一根導(dǎo)線分別連接到電能表的A相電流流入端和A相互感器的二次k1端。由于導(dǎo)線上的消耗很小，導(dǎo)線兩端的電壓差接近為0，小于參考電壓。所以第一級(jí)減法電路的輸出接近0，再到第二級(jí)電壓比較器，同相輸入端的電壓Vref大于反相輸入端0V，所以電壓比較器的輸出為VDD。設(shè)置合適的VDD使其處于MCU的邏輯信號(hào)1的電壓范圍之內(nèi)。即MCU得到反饋結(jié)果為邏輯1，證明信號(hào)匹配成功?？梢赃M(jìn)行下一步的匹配，發(fā)出地址信號(hào)00010001，即第一組信號(hào)選擇電路的輸出等于I1(4051.1)，而第二組信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)的輸出為I1(4051.3)，進(jìn)行下一輪的信號(hào)匹配。

　　如果在信號(hào)匹配的過(guò)程中，MCU接收到的反饋信號(hào)出現(xiàn)了0，即證明信號(hào)比較電路的兩個(gè)信號(hào)不匹配。例如，當(dāng)MCU發(fā)出地址信號(hào)00100010，而得到的反饋信號(hào)是0，即代表發(fā)生錯(cuò)誤。地址信號(hào)00100010代表的意思是即第一組信號(hào)選擇電路的輸出等于I2(4051.1)，而第二組信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)的輸出為I2(4051.3)。在正確接線的時(shí)候，應(yīng)該由一根導(dǎo)線連接到A相電流互感器的二次k2端和電能表A相的電流出線?，F(xiàn)反饋信號(hào)為0即證明兩者不連通。接下來(lái)MCU進(jìn)行掃描式的信號(hào)匹配過(guò)程，后四位地址信號(hào)不變，前四位每加1進(jìn)行一次信號(hào)匹配。

　　如下一步地址信號(hào)應(yīng)為00110010，再接下來(lái)為01110010，直到找到匹配的信號(hào)為止。地址碼的最大位為10011001.

　　5 結(jié)語(yǔ)與展望

　　本文所設(shè)計(jì)的控制器需要配合外部裝表接電培訓(xùn)的電能表、臺(tái)架、互感器等一起使用。主要作用是通過(guò)信號(hào)的匹配來(lái)判斷接線是否正確，及錯(cuò)誤類(lèi)型。在選擇外部配合的裝置的時(shí)候可以根據(jù)需要進(jìn)行多種選擇，更像是一個(gè)核心功能模塊，或培訓(xùn)裝置的大腦。在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的選擇和處理上還有非常多可以改進(jìn)和發(fā)揮的空間，這也是本方案下一步改進(jìn)的重點(diǎn)方向。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第5期第53頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處