全隔離式電器分析設備的設計與研究

李泊霖，馬梓恒，賈騰飛，馬樹杰，王柳藤

（石家莊鐵道大學，河北 石家莊 050043）

0 引 言

隨著生活中電器數量的增多、電器功率的增大，再加上不規(guī)范的用電行為，由用電器而引發(fā)的安全事故屢見不鮮。目前，為了解決這一安全隱患，相關部門雖然加強了防范力度，向大眾普及安全用電知識，卻始終不能對用電場所進行實時的監(jiān)測[1]。在大數據技術以及智能電網飛快發(fā)展的背景下，用電器的分析與識別對于監(jiān)測用電安全、預測供電需求、實現電力供應的智能化具有重要的意義[2]。

眾所周知，電氣設備工作狀態(tài)下的各項特征參數如有效電壓、有效電流、有功功率、功率因數等可以反映該電器設備當前的工作情況，通過負載瞬態(tài)特征和歐式距離可以識別用電器類型[3]。傳統用電器分析識別裝置只能對已嵌入的特有電器進行識別，識別電器的種類具有局限性。因此，對于不同電器工作參數的學習，測試并存儲用于識別的各項電器參數就顯得尤為必要，這樣可以大大拓展電器分析設備的應用場合[4]。

1 功能設計

本文設計的全隔離式電器分析設備是一個根據電源線電流的電參量信息分析在用電器類別的設備，具有學習和分析識別兩種工作模式。在學習模式下，測試并存儲用于識別各用電器的特征參數；在分析識別模式下，實時顯示用電器的類別和工作狀態(tài)。

該設備在隨機增減用電器的過程中就可以更新顯示用電器是否處于工作狀態(tài)以及電源線上電流的特征參量，且響應時間不大于2 s，切實達到了實時監(jiān)測的效果，將用電器引起的安全隱患降到最低。本文設計的電器分析設備還具有一個突出的性能，那就是學習功能，能通過按鍵控制清除電器分析設備之前存儲的所有特征參量，讓設備重新測試需要學習的用電器并存儲指定用電器的特征參量，且一種電器的學習時間不超過1min，擁有快速高效的學習性能。

該設備還具有高精度的識別能力，讀取當前用電器的電流等特征參量后，通過與學習儲存的各用電器特征參量數據集中比較和匹配，精準地判斷指定位置用電器的類型以及工作的狀態(tài)。即使多個用電器同時工作時，也能準確地分辨出不同位置的不同用電器，避免因設備判斷錯誤而導致安全事故發(fā)生。該設備還具有精準識別小電流的能力，不會因為某個用電器用電量較少而遺漏、誤判。全隔離式電器分析設備示意如圖1所示。

圖1 全隔離式電器分析設備示意圖

2 方案選擇

2.1 各部分方案的選擇

2.1.1 控制器方案的選擇與論證

（1）采用STM32F103VET6單片機作為控制核心。該系列單片機運算速度是51單片機的幾十倍，具有功能強大、效率高的指令系統和豐富的外圍模塊資源，開發(fā)環(huán)境容易搭建，集成度較高，使編程更加簡便，且具有較低的功耗和較強的實時性。

（2）采用STC15F2K60S2單片機作為控制核心。該單片機是STC生產的新一代增強型8051單片機，內部集成高精度的R/C時鐘，常溫下溫漂更小，但是相較于STM32單片機內部集成資源較少。

綜合上述方案的優(yōu)缺點，由于本文設計的全隔離式電器分析設備需要具備較高的效率、精確度和較強的實時性，所以采用STM32F103VET6單片機作為控制器的核心器件。

2.1.2 數據采集模塊的選擇

（1）采用電流互感器和STM32F103VET6單片機內置的ADC模塊。電流互感器可將數值較大的一次電流轉換為數值較小的二次電流，而電壓互感器可將數值較大的一次電壓轉換為數值較小的二次電壓，將輸出量通過采集電路，利用STM32F103VET6內部的ADC模塊進行采集并轉換分析。

（2）采用CS5463計量芯片。CS5463內部的兩個可編程放大器可采集電壓和電流數據，△-∑調制器對模擬量采樣處理，通過高速數字低通或可選的高通濾波器濾取可用電壓電流數字信號，功率計算引擎計算各類型的功率、電壓、電流，并將計算的值通過串行接口對外輸出，接到STM32F103VET6單片機進行數據分析。增加了系統的穩(wěn)定性，轉換精度更高。

綜合上述方案的優(yōu)缺點，由于本文設計的全隔離式電器分析設備需要較高的穩(wěn)定性和轉換精度，所以采用CS463計量芯片作為數據采集模塊。

2.2 總體方案的選擇

本設計系統分為3個單元，分別為數據采集單元、控制單元、人機交互單元。數據采集單元對電流進行檢測，將采集到的模擬信號進行分析計算，得到電壓、電流、功率、相位差、諧波等電特性參數；控制單元包括單片機及其外圍電路，將數據信息傳遞給控制單元進行存儲、分析、計算；人機交互模塊由按鍵、顯示屏、無線模塊組成，按鍵用于選擇工作狀態(tài)，顯示屏顯示交互數據，無線模塊使系統同其他設備實現無線交互。系統的整體框架如圖2所示。

圖2 系統總體框架

3 軟件設計及相似性判斷

除必要的硬件驅動程序以外，對于各不同用電器的識別主要依靠歐式距離相似性算法剔除某些用電器的誤差數據，進而完成識別的精確化處理。

n維度下的歐氏距離公式為：

在用電器識別和分析過程中，選取Vrms、Irms、有功功率、無功功率這4個維度建立幾何模型。在設備學習的過程中對各用電器進行多次測量以取得足夠多的歷史數據，然后把這些在測量中得到的歷史數據作為用電器識別的特征參量數據集儲存起來，根據數據集中各歷史數據的輸入特性，建立四維幾何模型。根據各歷史數據的每個軸的數據長度，進而求取所有數據在該軸上的平均值，得到圓心的位置。再根據歐式距離公式，計算出各個點之間的距離，然后按照由小到大的排列規(guī)則排序后，取其中能夠大于1/2處的數據作為半徑，從而完成建模過程。

在用電器類型識別的過程中，求該數據與模型的圓心之間的距離，判斷這個數據值是位于圓內還是圓外。如果落在圓的內部，即可認為其是與模型對應的用電器；如果落到圓的外部，則將該數據認定為風險數據，然后與其他模型的數據進行對比，進而判斷出該數據對應的用電器模型。如果該數據被數據集中儲存的所有用電器判斷為風險數據，則選取風險系數最小的模型作為該數據對應的用電器模型。

4 硬件設計及工作原理

4.1 用電器信息采集外部電路

采樣電路由電壓互感器和電流互感器共同構成，取樣以后分別將樣本數據轉化為電壓信號，通過排線把采樣模擬信號送入CS5463芯片中進行處理，進而得到電流、電壓、有功功率、無功功率等特征參量的數據。

電壓的數值是通過采樣電路中TA1419系列臥式穿芯小型精密交流電流互感器進行電壓取樣所得到的，它將220 V左右的電壓轉換為120 mV左右的電壓信號傳給CS5463芯片的電壓采樣通道。采樣電路通過30 A/10 mA的電流互感器接50 Ω的0.1%的精密電阻得到小于250 mV的電壓信號，進而傳給CS5463芯片的電流采樣通道得到電流的數值。采樣電路電壓采集模塊原理如圖3所示。

電流采集模塊由TA17-05穿孔式精密電流互感器和采樣電阻組成，根據TA17-05互感器的數據資料，選取采樣電阻的阻值為50 Ω。互感器輸出端與CS5463電能計量模塊電流的輸入端相連接。電流采集電路如圖4所示。

圖4 電流采集電路

4.2 CS5463電能計量模塊外部電路設計

該模塊通過將采樣模塊電流互感器取得的小電流信號送入電流通道內經過增益可編程放大器處理，進行四階△-∑調制，獲取電流數字信號。CS5463將電壓互感器取得的小電壓信號送入電壓通道中經過十倍增益放大器進行二階△-∑調制，進而得到電壓數字信號，和電流信號一起送入功率計算引擎，計算出瞬時電壓、電流、Vrms、Irm、有功功率、無功功率等特征參量的數值，并且該過程的總功耗小于12 mW。CS5463模塊原理如圖5所示。

圖5 CS5463模塊原理

5 結 論

本文通過對全隔離式電器分析設備的設計與研究，深入地探究了用電器識別分析裝置的各部分組成及其工作原理，并且通過對各部分方案的綜合比較和在硬件設計過程中進行的進一步優(yōu)化改良，在很大程度上提高了電器分析設備的工作效率、實時性、準確性以及穩(wěn)定性。最終本文確定了由數據采集單元、控制單元、人機交互單元協同工作的總體方案，使設計的全隔離式電器分析設備不只停留在理論層面，而是切實、精準地實現對各用電器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測，消除了由用電器造成的安全隱患。但是，本文設計的全隔離式電器分析設備在實際應用中的布局結構還有待改進，以實現在實時監(jiān)測各用電器工作狀態(tài)的基礎上變得更加便捷、實用。同時，該設備的用電器辨識能力和學習能力也需要進一步的優(yōu)化和提高。