便攜式電力示波器的研制

李超平

摘要：對(duì)于電費(fèi)抱怨類工單，廣泛存在于一線營(yíng)銷班組，在某些季節(jié)甚至占據(jù)日常工作的大頭，成為當(dāng)月班組主要工作。且在電費(fèi)解析工作過程中費(fèi)時(shí)費(fèi)力，特別是對(duì)毫無電工基礎(chǔ)的普通客戶，電費(fèi)解析工作難以開展，占用較長(zhǎng)工時(shí)。當(dāng)電費(fèi)解析過程不順利時(shí)，甚至可能有損企業(yè)形象。本文介紹研制一款便攜式電力示波器，協(xié)助一線營(yíng)銷班組更方便直觀地向普遍客戶解析電能消耗以及電費(fèi)產(chǎn)生，提高電費(fèi)解析工作效率，為企業(yè)塑造專業(yè)的電管家形象。

關(guān)鍵詞：電費(fèi)解析;電能質(zhì)量;電力示波

引言

隨著人民群眾水平提高，全社會(huì)居民生活用電量也逐年提升，特別是近年來大功率汽車充電樁走進(jìn)千家萬戶，居民電費(fèi)更是水漲船高，加之近年來居民階梯電價(jià)的實(shí)施、居民分時(shí)電價(jià)業(yè)務(wù)的開展及與家用汽車充電樁相關(guān)的大工業(yè)尖時(shí)段介入，普通家庭的電費(fèi)構(gòu)成變得比以往更加復(fù)雜。而普遍家庭的高額電費(fèi)則更容易釀成電費(fèi)抱怨類投訴，一線營(yíng)銷班組處理相關(guān)問題工作增多，工作時(shí)長(zhǎng)也有所增加。

在某些季節(jié)，處理電費(fèi)抱怨類工單甚至占據(jù)一線營(yíng)銷班組的主要工作時(shí)間，成為班組當(dāng)月主要工作任務(wù)，不但擠壓了其他任務(wù)工作時(shí)間，拖累班組運(yùn)轉(zhuǎn)效率，阻礙了班組的轉(zhuǎn)型和升級(jí)。對(duì)于毫無電工基礎(chǔ)的用戶，電費(fèi)解析類工作更是難以開展，難以向用戶引入抽象的電氣概念進(jìn)行高質(zhì)量的解析，容易誘發(fā)二次投訴或客服投訴，面對(duì)行為過激的用戶甚至造成企業(yè)形象損失。

另一方面，近年來客戶維權(quán)意識(shí)增強(qiáng)，對(duì)于電能質(zhì)量的抱怨也時(shí)有發(fā)生。對(duì)于電壓質(zhì)量比較容易測(cè)量，但頻率、畸波率則較難測(cè)量?，F(xiàn)今家用電氣種類繁多，各種非線性設(shè)備、諧波設(shè)備增多，公網(wǎng)中的各次諧波變得豐富，如何方便的監(jiān)測(cè)公網(wǎng)中的電能質(zhì)量也提上日程[1]。

1性能需求分析

傳統(tǒng)的電費(fèi)解析工作方式比較低效，難以通過解析讓用戶對(duì)電費(fèi)構(gòu)成有深刻的理解，并且缺乏專用的工作工具也難以樹立專業(yè)的電管家形象讓人放心。

傳統(tǒng)的電費(fèi)解析工作，經(jīng)過禮貌的溝通以后，主動(dòng)向用戶展示過去一年的電費(fèi)賬單及抄表紀(jì)錄，結(jié)合電價(jià)政策向用戶解析電費(fèi)構(gòu)成。而后再進(jìn)一步幫組用戶分析用電量增多的原因，包括家庭居住人口變化、天氣變化、設(shè)備老化、用電習(xí)慣、表后線路或設(shè)備是否漏電、是否被竊電，電表是否超差等等，均缺乏簡(jiǎn)單有力的佐證，難以在最短的時(shí)間內(nèi)讓用戶信服。

普遍現(xiàn)象是，用戶對(duì)電能消耗的基本物理模型并不理解;對(duì)一般家用設(shè)備在不同使用工況下電能消耗模型不理解，特別是電器最大功率、額定功率待機(jī)功率及電機(jī)類設(shè)備的啟動(dòng)瞬間等;對(duì)老化設(shè)備的漏電流不夠重視;對(duì)用電習(xí)慣記錄不準(zhǔn)確導(dǎo)致電費(fèi)誤判;還有一部分用戶對(duì)電能質(zhì)量的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的誤解。

基于用戶對(duì)一般家用電器工作狀態(tài)負(fù)荷模型的不理解，新設(shè)備需要有一位五孔插座用以接入電器，具備測(cè)量并記錄電器負(fù)荷曲線的電壓、電流原件、存儲(chǔ)器等，同時(shí)具備支持在線查閱的藍(lán)牙通訊功能。結(jié)合最新的分時(shí)電價(jià)政策，需有計(jì)時(shí)、斷電時(shí)間記憶，溫度探測(cè)等功能。

對(duì)于老化設(shè)備，則需要有漏電流監(jiān)測(cè)功能，對(duì)零、火線電流進(jìn)行向量和運(yùn)算。

基于電能質(zhì)量分析，則需要設(shè)備具有電壓峰谷值測(cè)量、電壓波動(dòng)與閃變頻次記錄、交流電壓頻率測(cè)量、基于FFT算法諧波分量運(yùn)算等功能，要求有高精度的模擬量采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。

最終將所有測(cè)量參數(shù)及運(yùn)算結(jié)果輸出到液晶顯示屏的交互界面，為方便日后升級(jí)維護(hù)，還需有可熱擦除flash存儲(chǔ)器及藍(lán)藥通訊套件。

2系統(tǒng)開發(fā)

由于設(shè)備要求具備電流、電壓進(jìn)行高速采樣模塊，數(shù)據(jù)采樣是后續(xù)算法的基礎(chǔ)，采樣方式的選擇是產(chǎn)品研發(fā)的關(guān)鍵一環(huán)。常見的工頻波形采集方案是使用專用的數(shù)據(jù)采集卡，配套高速芯片上的分析算法輸出響應(yīng)的工作指令。而專用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備價(jià)格高、體積大，與便攜的設(shè)計(jì)目標(biāo)相悖。但采用重新搭建數(shù)據(jù)采集模塊的方式波形數(shù)據(jù)采集質(zhì)量較差，無法保質(zhì)滿足設(shè)計(jì)精度要求。且同一芯片既做采樣也做數(shù)據(jù)分析及其他模塊組件的控制輸出，則對(duì)CPU硬件資源要求更高。

最終選定系統(tǒng)采用樂鑫信息科技的ESP-32型芯片作最小系統(tǒng)開發(fā)，驗(yàn)證方案可行性。ESP-32型芯片，內(nèi)置兩個(gè)低功耗Xtensa?32-bitLX6MCU，同時(shí)集成SPIflash4MB、PSRAM8MB，芯片硬件資源豐富。

芯片模組集成了傳統(tǒng)藍(lán)牙、低功耗藍(lán)牙和Wi-Fi，具有廣泛的用途：Wi-Fi支持極大范圍的通信連接，也支持通過路由器直接連接互聯(lián)網(wǎng);而藍(lán)牙可以讓用戶連接手機(jī)或者廣播BLEBeacon以便于信號(hào)檢測(cè)。ESP32芯片的睡眠電流小于5μA，使其適用于電池供電的可穿戴電子設(shè)備。模組支持的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)150Mbps，天線輸出功率達(dá)到20dBm，可實(shí)現(xiàn)最大范圍的無線通信。因此，這款模組具有行業(yè)領(lǐng)先的技術(shù)規(guī)格，在高集成度、無線傳輸距離、功耗以及網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通等方面性能極佳。

系統(tǒng)開發(fā)采用模塊化開發(fā)模式，基于不同功能模塊的需求，搭建最小系統(tǒng)，進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試與驗(yàn)證，各模塊開發(fā)完畢以后在進(jìn)行組合聯(lián)調(diào)。模塊化開發(fā)模式既滿足開發(fā)需求，也方便多組同時(shí)工作，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

采樣模塊，主要承擔(dān)工頻電流、電壓值隨時(shí)間變化的高速采樣。模塊通過隔離變壓器將220V交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)-2.5V～+2.5相位相反的交流二次信號(hào);在通過加法電路，將交流二次信號(hào)轉(zhuǎn)換0～5V直流信號(hào);再由I/O口通過芯片內(nèi)部高速模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)入存儲(chǔ)器中供算法運(yùn)算調(diào)用。整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換通道精度可達(dá)交流有效值0.1V，基本與市面上大多萬用儀表持平，滿足設(shè)計(jì)需求。

采樣數(shù)據(jù)進(jìn)入芯片的高速寄存器后，通過高速算法計(jì)算信號(hào)的交流電壓有效值、頻率;通過交流矢量算法計(jì)算功率因數(shù)、有功功率，并記錄負(fù)荷使用曲線，方便查閱。根據(jù)內(nèi)部存儲(chǔ)的電價(jià)政策邏輯，粗算設(shè)備使用期間所形成的電費(fèi)。為監(jiān)測(cè)公網(wǎng)中的諧波含量，還需通過快速傅里葉算法（FFT）計(jì)算3、5、7次諧波分量等。

液晶顯示模塊采用高分辨率液晶彩屏，除了顯示電流、電壓、頻率、功率、電度、電費(fèi)等靜態(tài)信息外，還可以通過交互界面來回切換實(shí)現(xiàn)50Hz交流電壓波形實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓質(zhì)量的實(shí)時(shí)跟蹤。在啟用大功率家用電器（如電吹風(fēng)、空調(diào)啟動(dòng)）時(shí)，驗(yàn)證系統(tǒng)可通過液晶顯示屏展示波形的實(shí)時(shí)變化，更直觀的感受電能質(zhì)量的變化。

為方便查閱信息及后期升級(jí)維護(hù)，加入藍(lán)牙通訊模塊。模塊實(shí)現(xiàn)了可讓用戶通過手機(jī)、電腦等查閱用戶用電數(shù)據(jù)、生成導(dǎo)出報(bào)表等，方便用戶進(jìn)行深度的用電行為分析。并且藍(lán)牙通訊模塊方便用戶在后期功能升級(jí)、電價(jià)政策調(diào)整等情況下進(jìn)行在線升級(jí)，無需插拔電源實(shí)現(xiàn)新、舊版本的無縫對(duì)接。

3效果驗(yàn)證及展望

大幅降低客服電費(fèi)解析工作耗時(shí)，平均處理時(shí)間由原來83.4min/單降低至17.3min/單;提高用電服務(wù)質(zhì)量，采用新設(shè)備以后客戶電費(fèi)解析接受

度大幅提高，并通過專業(yè)講解以后都對(duì)家用電器消耗電能過程有基礎(chǔ)了解;樹立專業(yè)的電管家形象，提高社會(huì)公眾對(duì)供電企業(yè)的滿意度和信賴度。同時(shí)設(shè)備的電能質(zhì)量監(jiān)控功能也填補(bǔ)了公網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)的空白，為一般的居民電能質(zhì)量提供監(jiān)測(cè)方案。

通過應(yīng)用場(chǎng)景驗(yàn)證此次設(shè)備開發(fā)無疑是成功的，設(shè)計(jì)目標(biāo)及預(yù)期效果也基本達(dá)到。由于只針對(duì)家庭用戶開發(fā)的功能，而對(duì)于高價(jià)值的工商業(yè)用戶也有同類需求。展望未來調(diào)研工業(yè)用戶的需求后，開發(fā)適用于工商業(yè)用戶的三相版本設(shè)備，針對(duì)工商業(yè)用戶退出電費(fèi)預(yù)測(cè)等新功能，設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景更具普遍性。

4結(jié)語

對(duì)于電網(wǎng)企業(yè)，客戶溝通是營(yíng)銷業(yè)務(wù)的重要一環(huán)，特別在是電力市場(chǎng)化的發(fā)展的浪潮中，客戶維護(hù)工作至關(guān)重要。如何高效、高質(zhì)量地維護(hù)客戶是營(yíng)銷業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要指導(dǎo)目標(biāo)。與傳統(tǒng)認(rèn)知相反，一線客服班組不能一味要求用戶有高水平電力系統(tǒng)背景知識(shí)，而借助一些簡(jiǎn)單工具向用戶解答專業(yè)問題亦未嘗不可，既準(zhǔn)確的解析專業(yè)電力問題也大大節(jié)省工作用時(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張文麗.供電所營(yíng)銷服務(wù)水平提升的探討[D]國網(wǎng)四川省電力公司廣安供電公司.2021