楊德亮 王 彬 牛小鐵

(1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，北京 100042；2.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 北京市電氣安全技術(shù)研究所，北京 100042)

0 引言

隨著用電負(fù)載種類的日益增多，特別是變頻設(shè)備使用的逐漸增多[1]，對局部負(fù)載的用電安全狀況和電能質(zhì)量產(chǎn)生了明顯的不良影響。在城市安全運行中，電氣設(shè)備故障所造成的最嚴(yán)重危害就是火災(zāi)[2]，為了能有效降低電氣火災(zāi)帶來的危害，需要電氣安全監(jiān)測裝置提供檢測數(shù)據(jù)用于電氣安全隱患的排查[3-4]。

目前的電氣安全監(jiān)測終端基本都是固定安裝在用電場所的各級配電箱里[5]6，雖然一些終端可以將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，通過固定場所的顯示屏查看[6]，但是對于一些偶然發(fā)生用電異常情況的場所，以及對老舊場所、臨時用電場所和新建場地的電氣安全檢查，固定式監(jiān)測終端的使用就顯得很不方便。

因此，筆者設(shè)計了1種便攜式電氣安全檢測終端，該檢測終端采用模塊化設(shè)計，能檢測電壓、電流和溫度，模塊間采用排線相連，利于按照使用功能進(jìn)行組裝。同時，該檢測終端對外接口采用可拔插式的香蕉插口、穿刺式線夾和開口式互感器等便攜式器件，便于電氣安全檢查中安全和快速接線。便攜式電氣安全檢測終端通過網(wǎng)絡(luò)模塊與后臺服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，用戶可以通過手機實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，發(fā)生報警時能夠通過短信實現(xiàn)信息推送。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

便攜式電氣安全檢測終端由電源模塊、處理器模塊、顯示模塊和殼體4個部分組成。便攜式電氣安全檢測終端外觀如圖1所示。

圖1 便攜式電氣安全檢測終端

殼體正面由線路標(biāo)識、按鍵和顯示屏組成，用來指導(dǎo)接線并設(shè)置和顯示檢測數(shù)據(jù)。殼體左右兩側(cè)為對外接口，提供終端供電的電源接口、終端對外輸出數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸接口、檢測用電負(fù)荷的電壓接口、線電流接口和負(fù)荷電線的溫度接口。電源模塊、處理器模塊和顯示模塊安裝于殼體內(nèi)，處理器模塊通過排線與顯示模塊和電源模塊分別相連。殼體設(shè)計圖如圖2所示。

1—外殼；2—按鍵；3—線路標(biāo)識；4—電源接口；5—數(shù)據(jù)傳輸接口；6—電壓接口；7—線電流接口；8—溫度接口；9—顯示屏。圖2 殼體設(shè)計圖

2 硬件設(shè)計

便攜式電氣安全檢測終端的電路硬件由電源模塊、處理器模塊、顯示模塊組成，如圖3所示。

圖3 便攜式電氣安全檢測終端模塊框圖

從圖3可知，電源模塊將外部供電電源轉(zhuǎn)換為直流電源，提供給處理器模塊和顯示模塊；處理器模塊采集用電負(fù)載的數(shù)據(jù)，并對所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到檢測結(jié)果；顯示模塊顯示經(jīng)處理器模塊分析得到的檢測結(jié)果，實現(xiàn)對用電負(fù)載進(jìn)行電氣安全監(jiān)測。

2.1 電源模塊設(shè)計

電源模塊由多路精密開關(guān)電源及基準(zhǔn)源組成，將外部供電電源轉(zhuǎn)換為直流電源，提供給處理器模塊和顯示模塊。

對于檢測終端就地取用用電負(fù)載的電源，由于電網(wǎng)本身可能存在一些質(zhì)量問題，并考慮檢測終端測量的精度和穩(wěn)定性，其開關(guān)電源設(shè)計的交流供電范圍為95～240 V，對于不便就地取電的場合，開關(guān)電源同時也支持直流為12 V的蓄電池供電，使檢測終端可滿足絕大部分用電場合的電氣安全檢查。電源模塊電路原理框圖如圖4所示。

圖4 電源模塊電路原理框圖

圖4中，交流電源經(jīng)過電容電感濾波和整流橋整流得到直流電壓，再經(jīng)過單端反激控制芯片脈寬調(diào)制和高頻脈沖變壓器變換得到高頻脈沖電壓，最后經(jīng)過整流濾波和穩(wěn)壓芯片輸出多路直流電壓，同時經(jīng)過電壓反饋電路反饋給單端反激控制芯片的控制端，調(diào)節(jié)脈沖電壓占空比，使輸出多路直流電壓保持穩(wěn)定。經(jīng)過上述變換對外輸出+5 V，+3.3 V的穩(wěn)壓直流電源和基準(zhǔn)源，其中基準(zhǔn)源用于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的參考電壓，+5 V直流電源為邏輯電路供電，+3.3 V直流電源為其他模塊供電。

2.2 處理器模塊設(shè)計

處理器模塊由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、邏輯電路、集成收發(fā)電路、數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processing，DSP)、分散外圍設(shè)備(Decentralized Peripherals，DP)芯片電路和以太網(wǎng)電路組成，用于采集用電負(fù)載的電壓、電流及溫度，并對所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到檢測結(jié)果。其分析過程為：判斷所采集到的電壓、電流及溫度等數(shù)據(jù)是否在對應(yīng)的預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。若在預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，則檢測結(jié)果為正常；若超出預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)范圍，或者在微秒量級時間段內(nèi)發(fā)生電壓電流的閃變，則檢測結(jié)果為異常。

處理器模塊及WiFi模塊分別設(shè)置于殼體內(nèi)。選用常用的標(biāo)準(zhǔn)模塊，模塊間采用排線相連，有利于按照使用功能進(jìn)行組裝。數(shù)據(jù)傳輸接口、電壓接口、線電流接口、溫度接口、DP通信接口、RS485(工業(yè)通信協(xié)議硬件接口)接口和8DI5DO(即指8路數(shù)值輸入和5路數(shù)字輸出)接口分別設(shè)置于殼體的外表面。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出至DSP處理器；通過以太網(wǎng)電路進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀處理，對外實現(xiàn)TCP網(wǎng)絡(luò)通信；通過邏輯電路將光耦作為中間橋梁，實現(xiàn)數(shù)字輸入和輸出的光電隔離；通過集成收發(fā)電路實現(xiàn)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議通信與外部數(shù)據(jù)線連接。

在處理器模塊內(nèi)部中，將模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與電源模塊的基準(zhǔn)源、檢測終端的電壓接口、線電流接口及溫度接口分別相連，將DSP處理器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、邏輯電路、集成收發(fā)電路、DP芯片電路及以太網(wǎng)電路相連，將以太網(wǎng)電路與數(shù)據(jù)傳輸接口和WiFi模塊相連，將DP通信接口與DP芯片電路相連，將RS485接口與集成收發(fā)電路相連，將8DI5DO接口與邏輯電路相連。

2.3 顯示模塊設(shè)計

顯示模塊由圖形處理單元和顯示屏組成，用于將處理器模塊分析得到的檢測結(jié)果進(jìn)行顯示。圖形處理單元設(shè)置于殼體內(nèi)，顯示屏設(shè)置于殼體正面的外表面。圖形處理單元與處理器模塊的DSP處理器相連，顯示屏與圖形處理單元相連，通過圖形處理單元驅(qū)動顯示屏顯示。檢測終端的按鍵設(shè)置于殼體正面的外表面，并且按鍵與圖形處理單元相連。

3 軟件設(shè)計

便攜式電氣安全檢測系統(tǒng)主要由多種便攜式用電特征參數(shù)(電壓、電流、溫度等)傳感器、便攜式電氣安全檢測終端、云服務(wù)器及大數(shù)據(jù)平臺綜合應(yīng)用組成。便攜式電氣安全檢測終端通過傳感器采集用電負(fù)載的電壓、電流及溫度等信息，進(jìn)行分析得到檢測結(jié)果用于本地顯示，同時將檢測結(jié)果上傳到云服務(wù)器用于大數(shù)據(jù)平臺綜合應(yīng)用。筆者主要設(shè)計便攜式電氣安全檢測終端的內(nèi)部軟件。便攜式電氣安全檢測系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 便攜式電氣安全檢測系統(tǒng)組成圖

便攜式電氣安全檢測終端的內(nèi)部軟件，主要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換[5]7，分解出基波和諧波數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)置的預(yù)警閾值對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲。當(dāng)檢測出現(xiàn)某項指標(biāo)超過閾值時，自動進(jìn)行“數(shù)據(jù)錄波”[5]8，同時將該數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器用于大數(shù)據(jù)平臺綜合應(yīng)用。在檢測現(xiàn)場，通過顯示模塊查看基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)衍生的功率、電能以及電流電壓閃變和線路存在的諧波問題，便于對臨時用電場所進(jìn)行電氣安全監(jiān)測，也可以快速捕捉電網(wǎng)質(zhì)量的諧波問題或者電流電壓的閃變現(xiàn)象，用于電氣安全隱患排查。便攜式電氣安全檢測終端的內(nèi)部軟件處理流程圖如圖6所示。

圖6 便攜式電氣安全檢測終端內(nèi)部軟件處理流程圖

4 測試

該終端的檢測包括3個步驟，具體如下。

4.1 上電自檢和參數(shù)設(shè)置

將輔助供電電纜連接到檢測終端的電源接口上，檢測終端上電自檢。同時，根據(jù)用電場所實際情況設(shè)置電壓、電流和溫度的預(yù)警閾值。

4.2 連接測量導(dǎo)線

開口式電流互感器通過香蕉插口連接檢測終端的線電流接口，穿刺式線夾通過香蕉插口連接檢測終端的電壓接口，以太網(wǎng)電纜通過數(shù)據(jù)傳輸接口連接至無線路由器或電腦。為了試驗數(shù)據(jù)的對比分析，該試驗接入可調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)輸入源給用電負(fù)載供電。同時，依次將開孔式電流互感器連接至用電負(fù)載的電網(wǎng)相線上，依次將穿刺式線夾夾持在相對應(yīng)黃A綠B紅C藍(lán)N黃綠相間E上。檢測終端的接線如圖7所示。

(a)可調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)輸入源

(b)檢測終端接線圖圖7 可調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)輸入源和檢測終端接線圖

4.3 測量并讀出記錄數(shù)據(jù)

內(nèi)部運算單元將采集用電負(fù)載的電壓、電流和溫度并快速記錄，在檢測終端的顯示屏上顯示用電負(fù)載的電壓、電流及其衍生數(shù)據(jù)。調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)輸入源，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，該終端顯示的檢測電壓最大誤差為4.9%，電流最大誤差為3.3%，溫度最大誤差為4.3%，其檢測精度與接入的傳感器檢測精度(誤差不超過5%)一致。檢測終端顯示的部分試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 檢測終端顯示的部分試驗結(jié)果

5 結(jié)論

針對一些偶然發(fā)生用電異常情況的場所，以及對老舊場所、臨時用電場所和新建場地的電氣安全檢查，設(shè)計了1種便攜式電氣安全檢測終端。

(1)該檢測終端采用模塊化設(shè)計，并且模塊間采用排線相連，有利于按照使用功能進(jìn)行組裝。對外接口采用可拔插式的香蕉插口、穿刺式線夾和開口式互感器等器件，有利于電氣安全檢查中安全和快速接線。該檢測終端監(jiān)測數(shù)據(jù)種類豐富，各項檢測數(shù)據(jù)滿足電氣安全檢查的實際要求。

(2)經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，檢測終端顯示的電壓、電流和溫度的檢測誤差均不超過5%，與接入的傳感器檢測精度一致。

(3)該檢測終端對檢測數(shù)據(jù)目前采用設(shè)置預(yù)警閾值進(jìn)行判斷處理，下一步將引入深度學(xué)習(xí)算法[7-8]來實現(xiàn)智能判斷，提高便攜式電氣安全檢測終端對于電氣設(shè)備和電氣線路工作狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性，同時將研究云服務(wù)器的大數(shù)據(jù)平臺綜合應(yīng)用系統(tǒng)用于電氣安全隱患排查。