全隔离式电器分析设备的设计与研究

李泊霖，马梓恒，贾腾飞，马树杰，王柳藤

（石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043）

0 引 言

随着生活中电器数量的增多、电器功率的增大，再加上不规范的用电行为，由用电器而引发的安全事故屡见不鲜。目前，为了解决这一安全隐患，相关部门虽然加强了防范力度，向大众普及安全用电知识，却始终不能对用电场所进行实时的监测[1]。在大数据技术以及智能电网飞快发展的背景下，用电器的分析与识别对于监测用电安全、预测供电需求、实现电力供应的智能化具有重要的意义[2]。

众所周知，电气设备工作状态下的各项特征参数如有效电压、有效电流、有功功率、功率因数等可以反映该电器设备当前的工作情况，通过负载瞬态特征和欧式距离可以识别用电器类型[3]。传统用电器分析识别装置只能对已嵌入的特有电器进行识别，识别电器的种类具有局限性。因此，对于不同电器工作参数的学习，测试并存储用于识别的各项电器参数就显得尤为必要，这样可以大大拓展电器分析设备的应用场合[4]。

1 功能设计

本文设计的全隔离式电器分析设备是一个根据电源线电流的电参量信息分析在用电器类别的设备，具有学习和分析识别两种工作模式。在学习模式下，测试并存储用于识别各用电器的特征参数；在分析识别模式下，实时显示用电器的类别和工作状态。

该设备在随机增减用电器的过程中就可以更新显示用电器是否处于工作状态以及电源线上电流的特征参量，且响应时间不大于2 s，切实达到了实时监测的效果，将用电器引起的安全隐患降到最低。本文设计的电器分析设备还具有一个突出的性能，那就是学习功能，能通过按键控制清除电器分析设备之前存储的所有特征参量，让设备重新测试需要学习的用电器并存储指定用电器的特征参量，且一种电器的学习时间不超过1min，拥有快速高效的学习性能。

该设备还具有高精度的识别能力，读取当前用电器的电流等特征参量后，通过与学习储存的各用电器特征参量数据集中比较和匹配，精准地判断指定位置用电器的类型以及工作的状态。即使多个用电器同时工作时，也能准确地分辨出不同位置的不同用电器，避免因设备判断错误而导致安全事故发生。该设备还具有精准识别小电流的能力，不会因为某个用电器用电量较少而遗漏、误判。全隔离式电器分析设备示意如图1所示。

图1 全隔离式电器分析设备示意图

2 方案选择

2.1 各部分方案的选择

2.1.1 控制器方案的选择与论证

（1）采用STM32F103VET6单片机作为控制核心。该系列单片机运算速度是51单片机的几十倍，具有功能强大、效率高的指令系统和丰富的外围模块资源，开发环境容易搭建，集成度较高，使编程更加简便，且具有较低的功耗和较强的实时性。

（2）采用STC15F2K60S2单片机作为控制核心。该单片机是STC生产的新一代增强型8051单片机，内部集成高精度的R/C时钟，常温下温漂更小，但是相较于STM32单片机内部集成资源较少。

综合上述方案的优缺点，由于本文设计的全隔离式电器分析设备需要具备较高的效率、精确度和较强的实时性，所以采用STM32F103VET6单片机作为控制器的核心器件。

2.1.2 数据采集模块的选择

（1）采用电流互感器和STM32F103VET6单片机内置的ADC模块。电流互感器可将数值较大的一次电流转换为数值较小的二次电流，而电压互感器可将数值较大的一次电压转换为数值较小的二次电压，将输出量通过采集电路，利用STM32F103VET6内部的ADC模块进行采集并转换分析。

（2）采用CS5463计量芯片。CS5463内部的两个可编程放大器可采集电压和电流数据，△-∑调制器对模拟量采样处理，通过高速数字低通或可选的高通滤波器滤取可用电压电流数字信号，功率计算引擎计算各类型的功率、电压、电流，并将计算的值通过串行接口对外输出，接到STM32F103VET6单片机进行数据分析。增加了系统的稳定性，转换精度更高。

综合上述方案的优缺点，由于本文设计的全隔离式电器分析设备需要较高的稳定性和转换精度，所以采用CS463计量芯片作为数据采集模块。

2.2 总体方案的选择

本设计系统分为3个单元，分别为数据采集单元、控制单元、人机交互单元。数据采集单元对电流进行检测，将采集到的模拟信号进行分析计算，得到电压、电流、功率、相位差、谐波等电特性参数；控制单元包括单片机及其外围电路，将数据信息传递给控制单元进行存储、分析、计算；人机交互模块由按键、显示屏、无线模块组成，按键用于选择工作状态，显示屏显示交互数据，无线模块使系统同其他设备实现无线交互。系统的整体框架如图2所示。

图2 系统总体框架

3 软件设计及相似性判断

除必要的硬件驱动程序以外，对于各不同用电器的识别主要依靠欧式距离相似性算法剔除某些用电器的误差数据，进而完成识别的精确化处理。

n维度下的欧氏距离公式为：

在用电器识别和分析过程中，选取Vrms、Irms、有功功率、无功功率这4个维度建立几何模型。在设备学习的过程中对各用电器进行多次测量以取得足够多的历史数据，然后把这些在测量中得到的历史数据作为用电器识别的特征参量数据集储存起来，根据数据集中各历史数据的输入特性，建立四维几何模型。根据各历史数据的每个轴的数据长度，进而求取所有数据在该轴上的平均值，得到圆心的位置。再根据欧式距离公式，计算出各个点之间的距离，然后按照由小到大的排列规则排序后，取其中能够大于1/2处的数据作为半径，从而完成建模过程。

在用电器类型识别的过程中，求该数据与模型的圆心之间的距离，判断这个数据值是位于圆内还是圆外。如果落在圆的内部，即可认为其是与模型对应的用电器；如果落到圆的外部，则将该数据认定为风险数据，然后与其他模型的数据进行对比，进而判断出该数据对应的用电器模型。如果该数据被数据集中储存的所有用电器判断为风险数据，则选取风险系数最小的模型作为该数据对应的用电器模型。

4 硬件设计及工作原理

4.1 用电器信息采集外部电路

采样电路由电压互感器和电流互感器共同构成，取样以后分别将样本数据转化为电压信号，通过排线把采样模拟信号送入CS5463芯片中进行处理，进而得到电流、电压、有功功率、无功功率等特征参量的数据。

电压的数值是通过采样电路中TA1419系列卧式穿芯小型精密交流电流互感器进行电压取样所得到的，它将220 V左右的电压转换为120 mV左右的电压信号传给CS5463芯片的电压采样通道。采样电路通过30 A/10 mA的电流互感器接50 Ω的0.1%的精密电阻得到小于250 mV的电压信号，进而传给CS5463芯片的电流采样通道得到电流的数值。采样电路电压采集模块原理如图3所示。

电流采集模块由TA17-05穿孔式精密电流互感器和采样电阻组成，根据TA17-05互感器的数据资料，选取采样电阻的阻值为50 Ω。互感器输出端与CS5463电能计量模块电流的输入端相连接。电流采集电路如图4所示。

图4 电流采集电路

4.2 CS5463电能计量模块外部电路设计

该模块通过将采样模块电流互感器取得的小电流信号送入电流通道内经过增益可编程放大器处理，进行四阶△-∑调制，获取电流数字信号。CS5463将电压互感器取得的小电压信号送入电压通道中经过十倍增益放大器进行二阶△-∑调制，进而得到电压数字信号，和电流信号一起送入功率计算引擎，计算出瞬时电压、电流、Vrms、Irm、有功功率、无功功率等特征参量的数值，并且该过程的总功耗小于12 mW。CS5463模块原理如图5所示。

图5 CS5463模块原理

5 结 论

本文通过对全隔离式电器分析设备的设计与研究，深入地探究了用电器识别分析装置的各部分组成及其工作原理，并且通过对各部分方案的综合比较和在硬件设计过程中进行的进一步优化改良，在很大程度上提高了电器分析设备的工作效率、实时性、准确性以及稳定性。最终本文确定了由数据采集单元、控制单元、人机交互单元协同工作的总体方案，使设计的全隔离式电器分析设备不只停留在理论层面，而是切实、精准地实现对各用电器工作状态的实时监测，消除了由用电器造成的安全隐患。但是，本文设计的全隔离式电器分析设备在实际应用中的布局结构还有待改进，以实现在实时监测各用电器工作状态的基础上变得更加便捷、实用。同时，该设备的用电器辨识能力和学习能力也需要进一步的优化和提高。