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)技術學校，廣東 廣州 510000；廣東電網(wǎng)有限責任公司培訓與評價中心 廣東 廣州 510000；廣東電網(wǎng)有限責任公司，廣東廣州 510000；廣東電網(wǎng)有限責任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000）

　　摘要：本文設計了針對目前電網(wǎng)公司的裝表接電和錯誤接線培訓的簡化的硬件電路。主要包括了控制和外部標準信號電路及信號比較電路。外部標準信號相當于定位每個裝表接電的正確接線回路的必經(jīng)點（培訓中相應接線回路的起始點）。信號比較電路用于確定接入電能表端子的點與標準信號的哪個點連通?？刂破鞯闹饕δ苁峭ㄟ^控制信號選擇開關的通斷，來持續(xù)尋找匹配或相同的信號，來確定相應接線的起止點，以此來確定外部電能計量裝置接線是否正確，及當錯誤發(fā)生時初步判斷錯誤類型。本控制器的仿真信號采用的都是5 V左右的直流電壓信號，均在安全電壓范圍之內(nèi)，使學員可以在安全的環(huán)境下更直觀的進行裝表接電和錯誤接線的學習。

　　關鍵詞：裝表接電；錯誤接線；培訓；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誤接線培訓裝置多數(shù)都是在不通電或比較高的電壓（220 V或100 V）環(huán)境中進行的。學員在學習和練習的時候必須要有培訓師在場講解和防止安全事故的發(fā)生。本文設計的培訓裝置控制器采用電子信息技術，在外部接線環(huán)境的配合下，學員可以自主安全的完成電能計量的學習和練習。

　　1 系統(tǒng)結構

　　完整的培訓裝置包括控制器及外部電能表接線設備。外部裝表接電裝置包括電能表、接線盒及互感器等部分?？刂破鞯闹饕娐方M成包括微控制器、顯示器、人機交互、比較電路、標準信號等部分。其中微控制器是整個控制器的核心部分，負責根據(jù)比較電路的比較結果來判斷外部接線的結果是否正確，及當錯誤發(fā)生時的錯誤類型，并通過顯示器顯示出相應的結果及六角圖等信息。人機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交互的部分已有很多成熟的技術方案。標準信號是用來定位每個接線回路的，通過標準信號和比較信號電路來確定信號是否流經(jīng)了正確的路徑，以及當錯誤發(fā)生時能通過信號的比較來確定對應標準信號所流經(jīng)的路徑，以此來判斷相應的錯誤類型。

例如低壓三相四線裝表接電培訓設備上，可以把標準信號接在互感器端子上。當接線正確的時候，互感器的二次端子會經(jīng)互感器接到相應的電能表接線端子上。通過比較測量電能表相應端子的電壓就可以知道電能表的每個端子是接在了哪個互感器的哪個端子。當然，如果測量結果為無電壓信號，則是相應接線是有斷路的部分了。

　　2 標準信號電路

　　標準信號電路是用來區(qū)分不同的電壓電流信號，定位在每個正確的路徑的必經(jīng)點，本設計是定位在互感器的端子等。如圖2所示，共4組信號選擇開關CC4051芯片,其中第1、2個CC4051連接電能表的01到10個端子，第3、4個CC4051芯片連接到各互感器及電壓零線等位置。電路右邊是11個電阻和一個12 V電源串聯(lián)，然后取出10個電壓值作為彼此區(qū)分的標準信號。將這些信號定位在相應的互感器端子及零線等位置。

　　單個CC4051是由A0~A2三位地址控制的八選一信號選擇開關，輸入信號由I0~I7輸入，由O（OUT）輸出。兩組4051芯片之間的片選功能腳（INH）用一個非門連接就組成了4位地址的16選一信號選擇電路。為了方便說明，我們把連接電表端的記作第一組，連接標準信號的為第二組。如此，就有了如圖所示的兩組16選一信號選擇電路。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是控制第一組信號選擇電路的輸出。我們通過比較這兩組電路的相應信號來確定相應的接線起止點，進一步判斷接線是否正確，及錯誤發(fā)生時的錯誤類型。

　　3 信號比較電路

　　信號比較電路如圖3所示，共由兩級集成運放組成，第一級集成運入的同相和反相輸入端各連接了兩個4051芯片組成16選一的信號輸出端，由MCU控制的地址使得任意時刻只有一個信號輸出到集成運放的同相（反相）輸入端。由此，在第一級運放處形成了一個電壓減法電路，輸出值為1。由于中間基本都是導線，所以在正確接線的情況下電壓降都很小，接近是零。但為避免運行中的干擾因素導致誤判，所以采用兩級結構。第一級減法電路，第二級調(diào)試一個合適的閥值參考電壓，以此增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。閥值電壓的設定應是兩級標準信號電壓的二分之一左右，可以根據(jù)情況，適當取值小些。如以圖中所示即為0.5 V左右。當出現(xiàn)錯誤接線的時候，第一級的減法電路的輸出信號（應大于等于1 V）應明顯大于參考電壓，此時由MCU控制通信地址，尋找匹配的電壓信號。當尋找到匹配的信號時，即找到導線接線的起止點，即判斷出相應的錯誤類型。當發(fā)生斷相的時候，即有第一組信號選擇開關輸出為零。

　　4 運行舉例

　　在學員接線完結時，控制器發(fā)出00000000到D0~D7,此時第一組信號選擇電路的輸出等于I0(4051.1)。而第二組信號選擇開關的輸出為I0(4051.3)。兩者再輸入到信號比較電路進行比較。在正確接線的時候，兩者由一根導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。由于導線上的消耗很小，導線兩端的電壓差接近為0，小于參考電壓。所以第一級減法電路的輸出接近0，再到第二級電壓比較器，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。設置合適的VDD使其處于MCU的邏輯信號1的電壓范圍之內(nèi)。即MCU得到反饋結果為邏輯1，證明信號匹配成功?？梢赃M行下一步的匹配，發(fā)出地址信號00010001，即第一組信號選擇電路的輸出等于I1(4051.1)，而第二組信號選擇開關的輸出為I1(4051.3)，進行下一輪的信號匹配。

　　如果在信號匹配的過程中，MCU接收到的反饋信號出現(xiàn)了0，即證明信號比較電路的兩個信號不匹配。例如，當MCU發(fā)出地址信號00100010，而得到的反饋信號是0，即代表發(fā)生錯誤。地址信號00100010代表的意思是即第一組信號選擇電路的輸出等于I2(4051.1)，而第二組信號選擇開關的輸出為I2(4051.3)。在正確接線的時候，應該由一根導線連接到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)反饋信號為0即證明兩者不連通。接下來MCU進行掃描式的信號匹配過程，后四位地址信號不變，前四位每加1進行一次信號匹配。

　　如下一步地址信號應為00110010，再接下來為01110010，直到找到匹配的信號為止。地址碼的最大位為10011001.

　　5 結語與展望

　　本文所設計的控制器需要配合外部裝表接電培訓的電能表、臺架、互感器等一起使用。主要作用是通過信號的匹配來判斷接線是否正確，及錯誤類型。在選擇外部配合的裝置的時候可以根據(jù)需要進行多種選擇，更像是一個核心功能模塊，或培訓裝置的大腦。在標準信號的選擇和處理上還有非常多可以改進和發(fā)揮的空間，這也是本方案下一步改進的重點方向。

　　參考文獻：

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