CN101776740A - 电能计量自动化仿真实验室 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于实验、研究、生产电能计量表计或对现有电能表计进行运行能力评价的电能计量自动化仿真实验室，采用仿真真实用电环境的方式，用干扰信号源、雷击浪涌信号源、三相独立阻抗模拟和用电器真实接入等方式再现实际用电现场环境，通过实时频谱和波形记录***记录用电网络的干扰噪声，同时观察、记录、统计电能计量装置、远程集抄***在各种用电环境下的运行状况，对得到的大量数据进行分析、总结电能计量装置和电能数据远程采集***的相关性能参数，以便得出具体的定量的数据，为建立相关标准提供数据支撑。

Description

电能计量自动化仿真实验室

技术领域

本发明为电力行业用于实验、研究、生产电能计量表计或对现有电能表计进行运行能力评价的电能计量自动化仿真实验室。

背景技术

在国家电网公司和南方电网公司全面推进以信息化、数字化、自动化和互动化为特征的坚强智能电网建设的大背景下，电能计量成为整个电网数据采集的基础单元，成为建设智能电网成败的关键环节；随着通信技术的发展，多种通信技术成为电能计量装置的重要通信手段甚至成为标准部件，这些通信功能部件的加入，将或多或少的影响到电能计量的性能。

目前，城市居民和农村家庭使用的电能表，数量巨大，约有1.5亿只，两大电网公司都有在未来几年内进行用电信息采集***建设的计划，但是大量的用户电能表出于成本和数量的考虑，将会主要使用电力线载波和短距离无线作为通信手段，而载波电能表的通信信号在供电电源线上一同传输，随用电环境和线路上的用电电器的不同，对载波通信信号产生严重影响，导致通信信能差异性很大，受干扰的机率和强度难以确定，供电部门在载波表采购和电能采集***建设之前，很难对电表的运行环境有预先的了解，往往是先用厂家的载波电能表和电能信息采集***进行试点运行，进行长时间运行后对结果进行评估再做推广，但仍然缺乏对具体的环境干扰信号的测定数据，以及在何种环境下设备能够正常工作，何种用电工况下设备部分或完全不能工作的性能评定标准。在有多家供货商提供电能表计和电能信息采集***时，无法确定产品和***的性能，即使经过试点运行认为较为满意的厂家的设备和***，对将来用电环境恶化以后设备和***能否可以运行仍然不能确定。如何从用电运行环境出发，采集并评定各种供电线路中的电磁干扰信号的频谱和强度，并对现在已经建成和拟选用的电能表计和电能信息采集***进行抗干扰能力的测定，仍然是一大难题。

发明内容

本发明提出一种用于实验、研究、生产电能计量表计或对现有电能表计进行运行能力评价的电能计量自动化仿真实验室，它能克服上述现有技术存在的困难，满足实际工作的需要。

本发明通过如下技术方案实现：

一种电能计量自动化仿真实验室，包括数据库服务器、用电运行工况仿真工作站、电能采集***仿真工作站、虚拟电能表工作站、电源分配模块、电能表测试主屏、电能表测试移动分屏、电流源发生器和三相净化电源等部分，被测试电能表计、采集器和集中器安装在电能表测试主屏或电能表测试移动分屏上，用电运行工况仿真工作站模拟产生各种接近实际运行工况的电气环境，通过电能采集***仿真工作站来测试并评估电能表测试主屏和电能表测试移动分屏上安装的被测试电能表计在该电气环境下的工作情况；通过虚拟电能表工作站测试集中器在接有2040只电能表满负荷状况下的工作能力和采集电能数据的能力；数据库服务器收集该电气环境下电能表计产生的各种电磁干扰环境信息以及电能采集***仿真工作站运行的结果数据，储存并且制造各种电磁干扰信号，为整个实验室提供数据和保存新产生的数据；通过对现在已经建成和拟选用的电能表计和市场上运行成熟的电能信息采集***进行抗干扰能力的测定并作为参照，在大量采集和测定数据的基础上，总结出被测试电能表计、采集器和集中器对干扰信号的普遍耐受能力和对应的电磁工况数据，将这些数据固化为载波电能表和电能信息采集***的通信技术标准和规范，作为电力部门建设电能信息采集***订货、建设和***入网检测的技术依据和技术标准。

用电运行工况仿真工作站产生的载波信号耦合至电源网络对电能表测试主屏上的被测试电能表计进行测试；用电运行工况仿真工作站产生的载波信号耦合至实验室外电路，配合电能表测试移动分屏在不同区域对带有无线信道的被测试电能表计进行远距离载波测试，测试电能表计的远距离通信性能。

本发明的技术方案还通过如下部分实现：

数据库服务器

用于管理仿真实验室的数据，协调其有序运行。在运行的初期，数据库服务器收集各种电磁干扰环境信息，并且人为制造各种电磁干扰信号，以仿真实际的电磁环境，同时采集在该电磁环境下电能表计、电能采集***仿真工作站运行的结果数据形成***数据库。分析在电磁干扰频域、强度和时域分布等不同用电环境下，采集被试电能表计和集抄***运行的数据，总结归纳得到定量的实验数据，为电能计量表计及集抄***应用提供可靠的数据，以此数据库作为支撑，制定出相应的***入网检测评定技术标准。

用电运行工况仿真工作站

用于管理、控制电能计量自动化仿真实验室的所有相关设备。由实验室管理工程师下载编制好的测试方案，运行该测试方案，工作站在测试方案的支持下，有序的协调控制实验室的各设备，对被测试电能表计和电能集抄***施加各种干扰信号，干扰信号包含雷击浪涌信号、干扰信号源产生的各种电磁干扰强度、可控电源产生的电源跌落和短时电源中断以及以上信号的各种时序组合。工作站还将采集记录电源线上的干扰频谱和波形数据，提供数据库服务器相应发送信号及仿真电网上的实际噪声信号。

电能采集***仿真工作站

在上述用电运行工况仿真工作站产生的用电环境下，搭建运行电能信息采集***，在电能采集***仿真工作站运行采集***软件，工作站的运行结果将随着用电运行工况仿真工作站产生的干扰强度的变化而变化。比对用电运行工况仿真工作站产生的干扰强度和电能采集***仿真工作站运行数据的结果，得到定量评定结果。由于厂家***差异性很大，电能采集***仿真工作站提供一个能不断学***台。

虚拟电能表工作站

根据目前行业标准，电能集抄***的集中器应具有采集若干数量的电能表计的数据的能力，具体要求为：多达200只多功能电能表和2040只单相载波表或其他类型的电能表，但实际测试时不可能配置如此多的电能表。虚拟电能表工作站就是用软件和相应的硬件接口，模拟出以上数量的电能表计，并可以设定中继表、故障表和电能表走字速度。

电源分配模块

本发明所述的仿真实验室，有众多的设备和***参与运行，需要多种电源配置方案，各种方案的切换由用电运行工况仿真工作站协调控制，实现组合切换，为不同的测试方案提供相应的电源。

电能表测试主屏及控制模块

受实验室空间的限制，测试主屏设计成电控升降方式，在需要装配被试电能表计和采集设备时，通过控制台远动控制，将测试主屏沿轨道下降移动到前台，装配安置好设备后回到原位。

主屏控制模块具有程序控制功能，由用电运行工况仿真工作站控制，实现测试主屏组合升降，为不同的测试方案提供相应的测试区域和安置不同被试表计、采集器及集中器。

考虑到载波应用现场有相邻台区的存在，设置两个通道的载波展示屏，能模拟两个台区的抄表***，两个台区之间设置耦合/衰减器，以模拟集中器的冲突避让能力和跨台区抄表能力。

测试屏设置5面，分别为1号载波测试屏、2号载波测试屏、三相电能表测试屏、无线表计测试屏和RS485电能表测试屏。

电流源发生器

电流源发生器由带CAN接口的通信控制器，控制一台经过改装的电动调压器，调压器驱动电压-电流互感器，将交流电压变换成电流，通信控制器采集调压器输出的电流，经电压-电流互感器变比转换后测到输出电流作为控制反馈。由于电流测量使用高速交流采样，电流调节精度高、速度快。

电能表测试移动分屏

在底部安装有方便移动的小车轮，提供安置移动逆变电源、负载电流模拟装置和表计的安装位置，可安装3只三相表、6只单相表、1只采集器和一台集中器。移动分屏还具有方便接入电网的三相和单相接口，可以在实验现场供电网内适当的地点接入到低压台变的供电网络内。在进行无线测试时可以方便的装到车上，进行更广范围的测试，还要考虑车载电源供电的可能性。

三相净化电源

净化电源为被测试设备提供纯净的电源，使用磁饱和稳压电源，与电网隔离，同时为了能模拟变频空调、电磁炉等用电器，容量使用25kVA。

本发明综合计算机、载波通信、虚拟仪器、电能计量等多种先进技术构建的电能计量自动化仿真实验室，采用仿真真实用电环境的方式，用干扰信号源、雷击浪涌信号源、三相独立阻抗模拟和用电器真实接入等方式再现实际用电现场环境，通过实时频谱和波形记录***记录用电网络的干扰噪声，同时观察、记录、统计电能计量装置、远程集抄***在各种用电环境下的运行状况，对得到的大量数据进行分析、总结电能计量装置和电能数据远程采集***的相关性能参数，以便得出具体的定量的数据，为建立相关标准提供数据支撑。

本发明具有如下优点和积极效果：

本发明以量化方式模拟电能计量***的用电运行工况参数，以对各入网的电能计量产品及其***进行量化评估，最终评估得出各产品及***在不同模拟环境下的性能、可用性、可靠性等指标，可以避免必须安装到现场并运行方能得出部分结论的弊病，可以降低各厂家在电能计量及远程采集方面的研发投入，同时降低了电网公司在电能计量及远程采集***选择方面的风险。

附图说明：

图1是电能计量自动化仿真实验室总体框图。

图2是电能计量自动化仿真实验室用电现场仿真的设备配置框图。

图3是电能计量自动化仿真实验室设备连接控制端口分配图。

图4是电能计量自动化仿真实验室电能表测试主屏外形结构图。

图5是电能计量自动化仿真实验室电能表测试移动分屏示意图。

图6是电能计量自动化仿真实验室设备配置柜示意图。

图7-1是阻抗模拟控制器原理框图。

图7-2是可控衰减器控制器原理框图。

图8是真实用电器仿真测试实现原理图。

图9是测试***接口电路图，其中图9-1是波形发生器将输出信号耦合到220V电源线路的接口电路图；图9-2是频谱、波形采集模块用来采集220V电源回路中干扰电压信号的接口电路图；图9-3是频谱、波形采集模块用来采集220V电源回路中干扰电流信号的接口电路图。

图10是电流源发生器原理图。

具体实施方式

本发明主要由数据库服务器、用电运行工况仿真工作站、电能采集***仿真工作站、虚拟电能表工作站、电源分配模块、电能表测试主屏、电能表测试移动分屏、电流源发生器和三相净化电源等部分组成。

数据库服务器收集各种电磁干扰环境信息，并且储存产生制造各种电磁干扰信号的数据，为整个实验室提供数据和保存新产生的数据。

用电运行工况仿真工作站接受数据库服务器的数据，按预先设定的测试方案，控制电源分配模块和主屏控制模块进入测试相适应的状态，电源分配模块和主屏控制模块用CAN网络与用电运行工况仿真工作站相联，接受工作站的数字控制信号，见图1。

用电运行工况仿真工作站还通过CAN网络和RS232通信线路与可控衰减器、可控电源、干扰信号源、雷击浪涌信号源和阻抗模拟器相连接，通过程序控制这些相连的设备产生需要的电磁环境和用电工况，使用载波通道实现用电器模拟装置的投入和切断；使用USB接口接入频谱采集模块和波形采集模块；电能采集***仿真工作站通过集中其余可控衰减器与主屏的载波表电源相连，采集电能表内的电能数据及电表的信息，虚拟电能表工作站为测试***模拟出足够多的电能表，提供电能采集***仿真工作站用来测试集中器的性能，见图2。

用电运行工况仿真工作站配置一块波形发生器电路板，型号是DYLAI-300，图3中PCI-1，用于产生干扰信号源，配置一块8串口卡，图3中的PCI-2，用于提供COM2-COM9的通信口，加上工作站自带的COM0-COM1共有10个串口。使用两台CAN-RS232转换器将工作站RS232接口转换到CAN网络，供COM5-COM8使用。COM0-COM4和COM9使用RS232接口，不用进行转换。

频谱采集和波形采集模块使用DSO-2904A虚拟仪器模块，通过USB接口接入用电运行工况仿真工作站，用于采集被测试***电源网络中的干扰信号波形和频谱，DSO-2904A虚拟仪器模块的4个通道分别采集三相电源的A、B、C三相的干扰电压信号和N零线的干扰电流信号。

被测试的表计和设备安置在测试主屏或测试移动分屏上，主屏设置5面测试屏，上方的三面屏可通过电控的方式向前移动到轨道后从轨道下降到工作台面上方，便于更换电能表计和其他测试设备。设备安置好后通过电控回到原位。下方的两面屏是固定测试屏，靠近工作台面，接线方便不用移动。工作台面下方是安置控制设备的机架，机架设计成安置标准机箱的结构，控制设备集成到相应的机箱后安置在机架上。剩余其他设备安置到另外的机柜里。测试主屏结构见图4。

测试移动分屏用于测试载波电能表或无线电能表，测试载波通信时，测试移动分屏要在变压器供电覆盖的方圆数百米区域内移动，以测试通信的性能，测试移动分屏安装有便于移动的小车轮；在测试无线通信时，要在更远的范围内进行测试，测试移动分屏需要自带电源，并且能提供交流电源供设备运行，同时提供电流源供电能表走字。测试移动分屏提供安置单相电能表、三相电能表和集中器的位置，还设有便于操作电脑的工作台面，见图5。

不能放置到测试主屏的大件设备放置在设备配置柜4面标准机柜内，电缆和线路布置在机柜的背面和下方，正面有操作的工作站和按钮，见图6。

阻抗模拟器用于模拟电源线路的交流阻抗，使用CAN接口的阻抗模拟控制器，控制8只继电器，通过并联组合的方式，将R1-R8接入电网，通过C1，C2的偶合作用，程控组合实现预设的256个阻抗值，使被测试的电源具有设定的交流阻抗值，对载波信号起到不同程度的吸收，用来评价电能表计的通信性能，见图7-1。

可控衰减器用于衰减两个电源网络之间的信号，使之达到可控制信号强度的目的，用来评价载波信号的垮台区通信能力和集中器的冲突避让能力，见图7-2，可控衰减器控制器控制继电器K0，K0断开时电源1与电源2之间完全断开，继电器K0接通后，由继电器K1-K8组合接通衰减电阻R1-R8，实现256个不同的衰减量。

用电器模拟装置测试模块使用经过测试合格的载波电能表通过连接或断开真实用电器的方式实现，用电运行工况仿真工作站可以方便的通过载波表接通或断开用电器，测试用电器对电源的干扰情况，用电器产生的干扰信号，通过频谱、波形采集模块采集并存储到数据库中，作为波形数据保存，见图8，真实用电器选用电视机、变频空调、电磁炉等家用电器或工业电器。

图9-1是干扰信号源经过功率放大后的信号接入220V电源的接口电路。PA_OUT和PA_GND连接放大器的输出端，C3是隔直电容，T1是高频耦合变压器。C1、C2是高压耦合电容，RV1是压敏电阻，用来吸收雷击浪涌测试信号。

图9-2是频谱、波形采集模块用来采集220V电源回路中干扰电压信号的接口电路，TEST_V和T_GND是采集模块的输入端，R1是阻抗匹配电阻，T2是高频耦合变压器，C4、C5是高压耦合电容，RV2是压敏电阻，用来吸收雷击浪涌测试信号。

图9-3是频谱、波形采集模块用来采集220V电源回路中干扰电流信号的接口电路，TEST_I和T_GND采集模块的输入端，R2是阻抗匹配电阻，T3是高频耦合电流互感器，接线时要把被测线路穿过T3互感器率。

图10是电流源发生器的原理框图，CAN接口送来的调节电流的指令经过电流源控制器控制MT电机，将输出电流调节到给定值，CT2反馈的电流作为比对值进行恒流控制。S1、S2是用来限制调压器越限的纤维开关，K1继电器用来完全断开输出电流。CT1是升流变流，用来把高电压转换成大电流，当高压侧达到6A时输出端将有120A的电流输出。

Claims (9)

1.一种电能计量自动化仿真实验室，包括数据库服务器、用电运行工况仿真工作站、电能采集***仿真工作站、虚拟电能表工作站、电源分配模块、电能表测试主屏、电能表测试移动分屏、电流源发生器和三相净化电源部分，其特征在于：被测试电能表计、采集器和集中器安装在电能表测试主屏或电能表测试移动分屏上，用电运行工况仿真工作站模拟产生各种接近实际运行工况的电气环境，通过电能采集***仿真工作站来测试并评估电能表测试主屏和电能表测试移动分屏上安装的被测试电能表计、采集器和集中器在该电气环境下的工作情况；通过虚拟电能表工作站测试集中器在接有2040只电能表满负荷状况下的工作能力和采集电能数据的能力；通过数据库服务器进行实验室的电网数据采集和对现场仪器的控制，收集该电气环境下电能表计产生的各种电磁干扰环境信息以及电能采集***仿真工作站运行的结果数据，储存并且制造各种电磁干扰信号，为整个实验室提供数据和保存新产生的数据；实验室对现在已经建成和拟选用的电能表计与市场上运行成熟的电能信息采集***进行抗干扰能力的测定对照，在大量采集和测定数据的基础上，总结出被测试电能表计、采集器和集中器对干扰信号的普遍耐受能力和对应的电磁工况数据，将这些数据固化为载波电能表和电能信息采集***的通信技术标准和规范，作为电力部门建设电能信息采集***订货、建设和***入网检测的技术依据和技术标准。

2.根据权利要求1所述的电能计量自动化仿真实验室，其特征在于：用电运行工况仿真工作站产生的载波信号耦合至电源网络对电能表测试主屏上的被测试电能表计进行测试；用电运行工况仿真工作站产生的载波信号耦合至实验室外电路，配合电能表测试移动分屏在不同区域对带有无线信道的被测试电能表计进行远距离载波测试，测试电能表计的远距离通信性能。

3.根据权利要求1所述的电能计量自动化仿真实验室，其特征在于：电能表测试主屏有5面测试屏，上方的三面测试屏是便于更换电能表计和其它测试设备的电控式升降屏，通过电控的方式向前移动到轨道后从轨道下降到工作台面上方，设备安置好后通过电控回到原位；下方的两面屏是固定测试屏。

4.根据权利要求1所述的电能计量自动化仿真实验室，其特征在于：所说的用电运行仿真工作站接受数据库服务器的数据，按编制好的测试方案管理、控制实验室的所有相关设备；对被测试电能表计、采集器和集中器施加各种干扰信号，所说的干扰信号包含雷击浪涌信号、干扰信号源产生的各种电磁干扰强度、可控电源产生的电源跌落和短时电源中断以及以上信号的各种时序组合；用电运行仿真工作站还通过CAN网络和RS232通信线路与可控衰减器、可控电源、干扰信号源、雷击浪涌信号源和阻抗模拟器相连接，控制这些相连的设备产生需要的电磁环境和用电工况；用电运行仿真工作站还通过CAN网络和RS232通信线路与用电器模拟装置相连接，通过载波通道实现用电器模拟装置的投入和切断；用电运行仿真工作站还通过USB接口接入频谱采集模块和波形采集模块，采集记录电源线上的干扰频谱和波形数据，提供数据库服务器相应发送信号及仿真电网上的实际噪声信号。

5.根据权利要求4所述的电能计量自动化仿真实验室，其特征在于：频谱采集和波形采集模块使用DSO-2904A虚拟仪器模块，用于采集被测试设备在电源网络中的干扰信号波形和频谱，DSO-2904A虚拟仪器模块的4个通道分别采集三相电源的A、B、C三相的干扰电压信号和N零线的干扰电流信号；用电运行工况仿真工作站还配置一块型号是DYLAI-300的波形发生器电路板，用于产生干扰信号源。

6.根据权利要求1所述的电能计量自动化仿真实验室，其特征在于：所说的电能采集***仿真工作站，在上述用电运行工况仿真工作站产生的用电环境下，搭建运行电能集抄***，在电能采集***仿真工作站运行集抄***软件，工作站的运行结果将随着用电运行工况仿真工作站产生的干扰强度的变化而变化，比对用电运行工况仿真工作站产生的干扰强度和电能采集***仿真工作站运行数据的结果，得到定量评定结果；由于各厂家***差异性很大，电能采集***仿真工作站提供一个能不断学***台。

7.根据权利要求1所述的电能计量自动化仿真实验室，其特征在于所说的虚拟电能表工作站能虚拟出多达200只多功能电能表和2040只单相载波表或其他类型的电能表，并能设定中继表、故障表和电能表走字速度。

8.根据权利要求1所述的电能计量自动化仿真实验室，其特征在于：所说的电能表测试移动分屏用于测试载波电能表或无线电能表，底座安装有便于移动的小车轮，并有安置移动逆变电源、负载电流模拟装置和6只单相电能表、3只三相电能表、1只采集器和一台集中器的安装位置；移动分屏还带有接入供电电网的三相和单相接口。

9.根据权利要求1所述的电能计量自动化仿真实验室，其特征在于：所说的电流源发生器是带CAN接口的电流源控制器，控制一台电动调压器，电动调压器的输出驱动电压-电流互感器，将交流电压变换成电流，控制器采集调压器输出的电流，经电压-电流互感器变比转换后测到输出电流作为控制反馈，以控制输出电流的恒定。

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