三相四線電能計(jì)量錯(cuò)誤接線培訓(xùn)軟件設(shè)計(jì)

賈宏偉，楊伊璇，韓啟銀

（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 510520）

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電能成為現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)和生活的必需品，用電客戶對(duì)電能的需求量也在不斷增大。一些不法分子為獲取超額收益，常利用非法手段竊取電能，并且科技發(fā)展的同時(shí)，高科技的竊電手法層出不窮，竊電手段也愈加隱蔽。這些因素大大增加了竊電查處行為的難度，同時(shí)也對(duì)用電檢查人員防竊電的專業(yè)能力提出了更高要求。為此設(shè)計(jì)了三相四線電能計(jì)量錯(cuò)誤接線培訓(xùn)軟件，以提高電能計(jì)量人員的專業(yè)技能水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

低壓三相四線式電能表經(jīng)電流互感器的計(jì)量方式是電能計(jì)量和用電檢查培訓(xùn)的重點(diǎn)內(nèi)容。本文在參考現(xiàn)有電能計(jì)量培訓(xùn)裝置及相關(guān)培訓(xùn)和技能考評(píng)資料的基礎(chǔ)上，將三相四線接線類型進(jìn)行分類。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)錯(cuò)誤接線的分類對(duì)每種接線方式下的測(cè)試數(shù)據(jù)、相量圖、更正系數(shù)、接線圖等相關(guān)判斷信息進(jìn)行逐一展示，清晰的接線結(jié)果顯示便于培訓(xùn)教學(xué)和學(xué)員自學(xué)練習(xí)。三相四線式經(jīng)互感器接電能表的常見接線類型包括電壓正、負(fù)相序六種，電流正、負(fù)相序六種，電流互感器二次端反極性等接線方式，各種錯(cuò)誤接線類型組合共288種。本軟件界面包括參數(shù)設(shè)置和仿真測(cè)試分析（如圖1所示）。軟件左邊是參數(shù)的設(shè)置區(qū)域，也是故障類型的設(shè)置區(qū)域，主要設(shè)置電壓和電流的接法、大小和功率因數(shù)角。電力互感器的二次側(cè)電壓值為100V,電流為1A或5A，本文采用5A。軟件右側(cè)顯示在相應(yīng)的接線方式情況下的測(cè)量數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，包括相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的電壓、電流、相位關(guān)系、相量圖、功率表達(dá)式、更正系數(shù)、接線原理圖等。

圖1 參數(shù)設(shè)置及測(cè)量數(shù)據(jù)顯示

2 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置主要包括兩個(gè)部分：接線方式設(shè)置和幅值設(shè)置。接線方式包括上述描述的三部分，即電壓相序、電流相序及電流二次反極性。其中電壓電流相序分別有6種情況，對(duì)應(yīng)后臺(tái)兩個(gè)case structure進(jìn)行編程，兩個(gè)case structure奠定后續(xù)編程的基本方法和框架。每個(gè)case包括電壓和電流的初始相位角，電壓電流的初始相位關(guān)系是ABC三相分別相差120°，為后續(xù)計(jì)算方便，所有相位角均按逆時(shí)針方向設(shè)置成0°-359°，即電壓分別設(shè)置為90°、210°和330°，電流位置為同相電壓相位減去功率因數(shù)角。以電壓設(shè)置為例（見表1），電流二次反極性對(duì)應(yīng)相應(yīng)的電流相位角加180°。為使計(jì)算后的相位角仍在0°-359°之間，在編程時(shí)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。例如，當(dāng)通過相位的加或減后，若相位差大于360°，就將計(jì)算結(jié)果減去360；若出現(xiàn)負(fù)數(shù)就增加360。參數(shù)的幅值設(shè)置包括電壓、電流幅值大小以及功率因數(shù)角，其中，功率因數(shù)角大于0時(shí)表示負(fù)載性質(zhì)為感性，小于0時(shí)負(fù)載性質(zhì)為容性。

表1 電壓初相位設(shè)置原理

3 測(cè)量數(shù)據(jù)仿真

測(cè)量數(shù)據(jù)的界面設(shè)置參考相關(guān)競(jìng)賽考試和實(shí)際工作場(chǎng)景模式。在實(shí)際工作中，如果接線正確則測(cè)試數(shù)據(jù)與圖1所示相似，即電壓U1、U2，U3基本相等，對(duì)應(yīng)的電流也相等，相位關(guān)系如圖1所示；若測(cè)試結(jié)果不符合圖1所示的各電量間的關(guān)系，那么接線很可能存在錯(cuò)誤。電壓電流數(shù)據(jù)顯示的編程很簡(jiǎn)單，這里不再贅述。相位關(guān)系上的編程需要注意，因?yàn)閿?shù)據(jù)記錄都是以U1為參考點(diǎn)，而U1在不同接法時(shí)對(duì)應(yīng)的具體電壓相別是不同的，例如當(dāng)電壓相序?yàn)閍bc時(shí)，U1為Ua；相序?yàn)閎ca時(shí)，U1=Ub。由于三個(gè)電壓相位相互相差120°，將圓周均分，在技能考試中，若沒有參考點(diǎn)來確定哪一相是電壓A相的話，就會(huì)出現(xiàn)只能判斷相序是正相序還是負(fù)相序而無法確定實(shí)際相序的情況，所以在實(shí)際考核中都會(huì)設(shè)置一個(gè)參考點(diǎn)，即參考A相，因此圖1會(huì)出現(xiàn)“U1=Ua”。

相量圖是軟件編程中比較核心的部分，占用較大內(nèi)存空間，因此采用“VI Compass Plot”工具，輸入兩種方法即Vector Input和Complex Input。軟件編寫全過程需要多次調(diào)用相角，所以設(shè)計(jì)采用Vector Input方式，而且可以采用多級(jí)VI Compass，前一級(jí)的輸出可作為下一級(jí)輸入的一部分，并和新元素合并在一起。Labview中采用圖1所示的顏色區(qū)分，在電力系統(tǒng)中常用黃綠紅三色來區(qū)別ABC三相，如果此處仍用顏色來區(qū)別U1、U2、U3，會(huì)讓學(xué)員很難適應(yīng)甚至混淆，因此此處要改進(jìn)設(shè)計(jì)。圖1所示相量圖在教學(xué)中有時(shí)也被稱為六角圖，即將圓周分成6等分，電壓有6個(gè)固定位置，由于功率因數(shù)角通常設(shè)置在20°以內(nèi)，再加上容性和感性，所以電流位置有12個(gè)。由上述分析可知，實(shí)際使用圖標(biāo)的位置有18個(gè)，其顯示結(jié)果完全取決于設(shè)置區(qū)域的接線設(shè)置情況，即電壓電流相位、電流反極性和負(fù)載性質(zhì)。因此，本文根據(jù)設(shè)置區(qū)域的條件決定18個(gè)區(qū)域的顯示內(nèi)容，并調(diào)用屬性節(jié)點(diǎn)隱藏不必要的圖標(biāo)。

4 功率表達(dá)式及更正系數(shù)

錯(cuò)誤接線判斷結(jié)果包括第一和第二元件的電壓電流、負(fù)荷性質(zhì)、功率計(jì)算結(jié)果等內(nèi)容。當(dāng)功率因數(shù)角大于0則負(fù)載性質(zhì)為感性，否則為容性。功率計(jì)算部分的內(nèi)容較多，包括正確接線情況下的功率計(jì)算和在設(shè)定錯(cuò)誤接線情況下第一、二、三元件功率計(jì)算及其更正系數(shù)。三相四線的功率計(jì)算邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單，即P1=U1I1cos(∠U1I1)，P2和P3類似。在正確接線的情況下U1I1就是UaIa，∠U1I1是功率因數(shù)角。如果接線錯(cuò)誤，在三相平衡的情況下，影響計(jì)算結(jié)果的變量是電壓電流相位差的余弦值。為了便于分析，先忽略功率因數(shù)的影響，在純電阻負(fù)載的情況下，電壓和電流間的角度只有0°、60°、120°、180°、240°、300°這6種情況，因此所有關(guān)于功率的計(jì)算都可分6種情況進(jìn)行分析，并進(jìn)行相應(yīng)的程序編程。更正系數(shù)的計(jì)算公式如下，x，y，z的取值基于上面6種情況。

三相四線電能表是三元件計(jì)量，對(duì)應(yīng)的功率分別為P1、P2、P3，每一元件的計(jì)算都按照Px=UxIxco（sx+φ）,假設(shè)三相的電壓、電流、功率因數(shù)均相等,在不考慮功率因數(shù)角的情況下，電壓電流之間的相位差只存在6種情況，即0°、60°、120°、180°、240°、300°。展開式對(duì)應(yīng)的就是P=aUIcos(φ)+bUIsin(φ)，這樣就有6種計(jì)算結(jié)果，分別計(jì)算出相應(yīng)的系數(shù)，對(duì)應(yīng)的正弦和余弦值的系數(shù)分別是0、1、0.5、0.866以及相對(duì)應(yīng)的負(fù)數(shù)。采用順序事件的方式，分別比對(duì)電壓電流的角度差，當(dāng)角度差匹配時(shí)輸出正確的系數(shù)，否則輸出0，然后把比對(duì)后的系數(shù)相加，最后得到的數(shù)據(jù)就是正確的系數(shù)。將正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的系數(shù)分解開，分別轉(zhuǎn)化為string再進(jìn)行組合。接下來對(duì)正弦和余弦的系數(shù)情況進(jìn)行分類，至少可分成兩個(gè)數(shù)都不為0、兩個(gè)數(shù)都為0、其中一個(gè)系數(shù)為0、系數(shù)為負(fù)數(shù)這四種情況。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，對(duì)所有系數(shù)采用絕對(duì)值處理，后期對(duì)正負(fù)值進(jìn)行具體分析處理。當(dāng)兩個(gè)系數(shù)都不為0時(shí)計(jì)算結(jié)束，無需對(duì)表達(dá)式進(jìn)一步處理。當(dāng)其中一個(gè)系數(shù)為0時(shí)，要進(jìn)一步化簡(jiǎn)，去掉系數(shù)為0的部分。另外經(jīng)過分析可知，若兩個(gè)系數(shù)相等，就只有一種情況，即兩者都為0，可根據(jù)這一特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化；如果正弦的系數(shù)不小于0，那就是大于0，因?yàn)榈扔?的情況在上面已得到解決；如果大于0就直接轉(zhuǎn)換成STRING的系數(shù)，否則加負(fù)號(hào)進(jìn)行處理，功率表達(dá)式及更正系數(shù)的計(jì)算編程原理如圖2所示，功率表達(dá)式及更正系數(shù)計(jì)算的效果展示如圖3所示。

5 接線原理圖

接線原理圖的編程采用調(diào)用屬性節(jié)點(diǎn)的方法，主要采用classic color box，調(diào)用其位置和長(zhǎng)（寬）的屬節(jié)點(diǎn)使其在合適的地方顯示出來，同時(shí)用三種顏色進(jìn)行相應(yīng)區(qū)分。

圖2 功數(shù)表達(dá)式系數(shù)的計(jì)算編程原理

圖3 功率表達(dá)式及更正系數(shù)計(jì)算的效果展示

圖4 接線原理效果展示

采用Color Box繪制電能表接線圖，設(shè)置ABC三相母線的位置和間距，電能表表尾設(shè)置等間距，電壓二次連接線的起始位置無需修改，只需通過調(diào)用屬性節(jié)點(diǎn)來調(diào)整長(zhǎng)度到相應(yīng)的表尾方即可到達(dá)表尾的2、5、8腳處。表尾向下到連接線的高度只有三種情況，可根據(jù)不同接線方式直接設(shè)置，這就構(gòu)成了表尾和母線的二次連接線。本文采用的長(zhǎng)度差取120，在調(diào)整相應(yīng)長(zhǎng)度和高度時(shí)都加上或減去120或240即可。為了區(qū)分ABC的顏色，從母線出來的連接線不需更改顏色，表尾出發(fā)的豎線需要根據(jù)接線方式的不同進(jìn)行調(diào)整。

6 應(yīng)用情況

該軟件相比同類軟件，界面清晰、直觀性強(qiáng)、操作便捷，可根據(jù)學(xué)員培訓(xùn)需要隨機(jī)切換變量條件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)和接線圖比對(duì)，便于接線情況的規(guī)律研究?；谠撥浖砷_展錯(cuò)誤接線分析案例庫(kù)編制、實(shí)訓(xùn)教案編寫，增強(qiáng)培訓(xùn)學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性和教學(xué)資源的傳承轉(zhuǎn)化。該軟件立足于供電現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，解決現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)方式單一、受限于實(shí)訓(xùn)設(shè)備等問題，該軟件使用性強(qiáng)，為學(xué)員提供自學(xué)測(cè)試平臺(tái)，在供電局技能競(jìng)賽和日常培訓(xùn)中均得到了很好的推廣應(yīng)用，培訓(xùn)效果良好。

電能計(jì)量常見錯(cuò)誤接線的培訓(xùn)和考核方式都是利用數(shù)據(jù)測(cè)量進(jìn)行分析和計(jì)算，考核方式雖然接近現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的情況，但形式單一，如果培訓(xùn)學(xué)習(xí)不夠扎實(shí)會(huì)導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中不夠靈活。本文設(shè)計(jì)的培訓(xùn)學(xué)習(xí)軟件可使學(xué)員從多角度進(jìn)行問題分析，提高培訓(xùn)效果，進(jìn)一步提高電能計(jì)量裝置的技術(shù)管理水平。