李泊霖，馬梓恒，賈騰飛，馬樹杰，王柳藤

（石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043）

0 引 言

隨著生活中電器數(shù)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(guān)部門雖然加強(qiáng)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(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測[1]。在大數(shù)據(jù)技術(shù)以及智能電網(wǎng)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(yù)測供電需求、實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)的智能化具有重要的意義[2]。

眾所周知，電氣設(shè)備工作狀態(tài)下的各項(xiàng)特征參數(shù)如有效電壓、有效電流、有功功率、功率因數(shù)等可以反映該電器設(shè)備當(dāng)前的工作情況，通過負(fù)載瞬態(tài)特征和歐式距離可以識別用電器類型[3]。傳統(tǒng)用電器分析識別裝置只能對已嵌入的特有電器進(jìn)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(shù)的學(xué)習(xí)，測試并存儲用于識別的各項(xiàng)電器參數(shù)就顯得尤為必要，這樣可以大大拓展電器分析設(shè)備的應(yīng)用場合[4]。

1 功能設(shè)計

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

該設(shè)備在隨機(jī)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(yīng)時間不大于2 s，切實(shí)達(dá)到了實(shí)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(shè)計的電器分析設(shè)備還具有一個突出的性能，那就是學(xué)習(xí)功能，能通過按鍵控制清除電器分析設(shè)備之前存儲的所有特征參量，讓設(shè)備重新測試需要學(xué)習(xí)的用電器并存儲指定用電器的特征參量，且一種電器的學(xué)習(xí)時間不超過1min，擁有快速高效的學(xué)習(xí)性能。

該設(shè)備還具有高精度的識別能力，讀取當(dāng)前用電器的電流等特征參量后，通過與學(xué)習(xí)儲存的各用電器特征參量數(shù)據(jù)集中比較和匹配，精準(zhǔn)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(zhǔn)確地分辨出不同位置的不同用電器，避免因設(shè)備判斷錯誤而導(dǎo)致安全事故發(fā)生。該設(shè)備還具有精準(zhǔn)識別小電流的能力，不會因?yàn)槟硞€用電器用電量較少而遺漏、誤判。全隔離式電器分析設(shè)備示意如圖1所示。

圖1 全隔離式電器分析設(shè)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(jī)作為控制核心。該系列單片機(jī)運(yùn)算速度是51單片機(jī)的幾十倍，具有功能強(qiáng)大、效率高的指令系統(tǒng)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(qiáng)的實(shí)時性。

（2）采用STC15F2K60S2單片機(jī)作為控制核心。該單片機(jī)是STC生產(chǎn)的新一代增強(qiáng)型8051單片機(jī)，內(nèi)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(jī)內(nèi)部集成資源較少。

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

2.1.2 數(shù)據(jù)采集模塊的選擇

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

（2）采用CS5463計量芯片。CS5463內(nèi)部的兩個可編程放大器可采集電壓和電流數(shù)據(jù)，△-∑調(diào)制器對模擬量采樣處理，通過高速數(shù)字低通或可選的高通濾波器濾取可用電壓電流數(shù)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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)換精度更高。

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

2.2 總體方案的選擇

本設(shè)計系統(tǒng)分為3個單元，分別為數(shù)據(jù)采集單元、控制單元、人機(jī)交互單元。數(shù)據(jù)采集單元對電流進(jìn)行檢測，將采集到的模擬信號進(jìn)行分析計算，得到電壓、電流、功率、相位差、諧波等電特性參數(shù)；控制單元包括單片機(jī)及其外圍電路，將數(shù)據(jù)信息傳遞給控制單元進(jìn)行存儲、分析、計算；人機(jī)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(shù)據(jù)，無線模塊使系統(tǒng)同其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)無線交互。系統(tǒng)的整體框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架

3 軟件設(shè)計及相似性判斷

除必要的硬件驅(qū)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(shù)據(jù)，進(jìn)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(shè)備學(xué)習(xí)的過程中對各用電器進(jìn)行多次測量以取得足夠多的歷史數(shù)據(jù)，然后把這些在測量中得到的歷史數(shù)據(jù)作為用電器識別的特征參量數(shù)據(jù)集儲存起來，根據(jù)數(shù)據(jù)集中各歷史數(shù)據(jù)的輸入特性，建立四維幾何模型。根據(jù)各歷史數(shù)據(jù)的每個軸的數(shù)據(jù)長度，進(jìn)而求取所有數(shù)據(jù)在該軸上的平均值，得到圓心的位置。再根據(jù)歐式距離公式，計算出各個點(diǎn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)與模型的圓心之間的距離，判斷這個數(shù)據(jù)值是位于圓內(nèi)還是圓外。如果落在圓的內(nèi)部，即可認(rèn)為其是與模型對應(yīng)的用電器；如果落到圓的外部，則將該數(shù)據(jù)認(rèn)定為風(fēng)險數(shù)據(jù)，然后與其他模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，進(jìn)而判斷出該數(shù)據(jù)對應(yīng)的用電器模型。如果該數(shù)據(jù)被數(shù)據(jù)集中儲存的所有用電器判斷為風(fēng)險數(shù)據(jù)，則選取風(fēng)險系數(shù)最小的模型作為該數(shù)據(jù)對應(yīng)的用電器模型。

4 硬件設(shè)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(gòu)成，取樣以后分別將樣本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過排線把采樣模擬信號送入CS5463芯片中進(jìn)行處理，進(jìn)而得到電流、電壓、有功功率、無功功率等特征參量的數(shù)據(jù)。

電壓的數(shù)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(jìn)行電壓取樣所得到的，它將220 V左右的電壓轉(zhuǎn)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(jìn)而傳給CS5463芯片的電流采樣通道得到電流的數(shù)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(jù)TA17-05互感器的數(shù)據(jù)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(shè)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(nèi)經(jīng)過增益可編程放大器處理，進(jìn)行四階△-∑調(diào)制，獲取電流數(shù)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(jīng)過十倍增益放大器進(jìn)行二階△-∑調(diào)制，進(jìn)而得到電壓數(shù)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(shù)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(jié) 論

本文通過對全隔離式電器分析設(shè)備的設(shè)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(shè)計過程中進(jìn)行的進(jìn)一步優(yōu)化改良，在很大程度上提高了電器分析設(shè)備的工作效率、實(shí)時性、準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性。最終本文確定了由數(shù)據(jù)采集單元、控制單元、人機(jī)交互單元協(xié)同工作的總體方案，使設(shè)計的全隔離式電器分析設(shè)備不只停留在理論層面，而是切實(shí)、精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)對各用電器工作狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，消除了由用電器造成的安全隱患。但是，本文設(shè)計的全隔離式電器分析設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的布局結(jié)構(gòu)還有待改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)在實(shí)時監(jiān)測各用電器工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上變得更加便捷、實(shí)用。同時，該設(shè)備的用電器辨識能力和學(xué)習(xí)能力也需要進(jìn)一步的優(yōu)化和提高。