一种便携式电气安全检测终端设计

杨德亮 王 彬 牛小铁

(1.北京工业职业技术学院 机电工程学院，北京 100042；2.北京工业职业技术学院 北京市电气安全技术研究所，北京 100042)

0 引言

随着用电负载种类的日益增多，特别是变频设备使用的逐渐增多[1]，对局部负载的用电安全状况和电能质量产生了明显的不良影响。在城市安全运行中，电气设备故障所造成的最严重危害就是火灾[2]，为了能有效降低电气火灾带来的危害，需要电气安全监测装置提供检测数据用于电气安全隐患的排查[3-4]。

目前的电气安全监测终端基本都是固定安装在用电场所的各级配电箱里[5]6，虽然一些终端可以将数据上传到服务器，通过固定场所的显示屏查看[6]，但是对于一些偶然发生用电异常情况的场所，以及对老旧场所、临时用电场所和新建场地的电气安全检查，固定式监测终端的使用就显得很不方便。

因此，笔者设计了1种便携式电气安全检测终端，该检测终端采用模块化设计，能检测电压、电流和温度，模块间采用排线相连，利于按照使用功能进行组装。同时，该检测终端对外接口采用可拔插式的香蕉插口、穿刺式线夹和开口式互感器等便携式器件，便于电气安全检查中安全和快速接线。便携式电气安全检测终端通过网络模块与后台服务器进行数据通信，用户可以通过手机实时查看监测数据和历史数据，发生报警时能够通过短信实现信息推送。

1 结构设计

便携式电气安全检测终端由电源模块、处理器模块、显示模块和壳体4个部分组成。便携式电气安全检测终端外观如图1所示。

图1 便携式电气安全检测终端

壳体正面由线路标识、按键和显示屏组成，用来指导接线并设置和显示检测数据。壳体左右两侧为对外接口，提供终端供电的电源接口、终端对外输出数据的数据传输接口、检测用电负荷的电压接口、线电流接口和负荷电线的温度接口。电源模块、处理器模块和显示模块安装于壳体内，处理器模块通过排线与显示模块和电源模块分别相连。壳体设计图如图2所示。

1—外壳；2—按键；3—线路标识；4—电源接口；5—数据传输接口；6—电压接口；7—线电流接口；8—温度接口；9—显示屏。图2 壳体设计图

2 硬件设计

便携式电气安全检测终端的电路硬件由电源模块、处理器模块、显示模块组成，如图3所示。

图3 便携式电气安全检测终端模块框图

从图3可知，电源模块将外部供电电源转换为直流电源，提供给处理器模块和显示模块；处理器模块采集用电负载的数据，并对所采集到的数据进行分析得到检测结果；显示模块显示经处理器模块分析得到的检测结果，实现对用电负载进行电气安全监测。

2.1 电源模块设计

电源模块由多路精密开关电源及基准源组成，将外部供电电源转换为直流电源，提供给处理器模块和显示模块。

对于检测终端就地取用用电负载的电源，由于电网本身可能存在一些质量问题，并考虑检测终端测量的精度和稳定性，其开关电源设计的交流供电范围为95～240 V，对于不便就地取电的场合，开关电源同时也支持直流为12 V的蓄电池供电，使检测终端可满足绝大部分用电场合的电气安全检查。电源模块电路原理框图如图4所示。

图4 电源模块电路原理框图

图4中，交流电源经过电容电感滤波和整流桥整流得到直流电压，再经过单端反激控制芯片脉宽调制和高频脉冲变压器变换得到高频脉冲电压，最后经过整流滤波和稳压芯片输出多路直流电压，同时经过电压反馈电路反馈给单端反激控制芯片的控制端，调节脉冲电压占空比，使输出多路直流电压保持稳定。经过上述变换对外输出+5 V，+3.3 V的稳压直流电源和基准源，其中基准源用于模数转换电路的参考电压，+5 V直流电源为逻辑电路供电，+3.3 V直流电源为其他模块供电。

2.2 处理器模块设计

处理器模块由模数转换电路、逻辑电路、集成收发电路、数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、分散外围设备(Decentralized Peripherals，DP)芯片电路和以太网电路组成，用于采集用电负载的电压、电流及温度，并对所采集到的数据进行分析，得到检测结果。其分析过程为：判断所采集到的电压、电流及温度等数据是否在对应的预设数据范围内。若在预设的数据范围内，则检测结果为正常；若超出预设数据范围，或者在微秒量级时间段内发生电压电流的闪变，则检测结果为异常。

处理器模块及WiFi模块分别设置于壳体内。选用常用的标准模块，模块间采用排线相连，有利于按照使用功能进行组装。数据传输接口、电压接口、线电流接口、温度接口、DP通信接口、RS485(工业通信协议硬件接口)接口和8DI5DO(即指8路数值输入和5路数字输出)接口分别设置于壳体的外表面。通过模数转换电路，将模拟信号转换为数字信号输出至DSP处理器；通过以太网电路进行以太网数据帧处理，对外实现TCP网络通信；通过逻辑电路将光耦作为中间桥梁，实现数字输入和输出的光电隔离；通过集成收发电路实现工业标准Modbus协议通信与外部数据线连接。

在处理器模块内部中，将模数转换电路与电源模块的基准源、检测终端的电压接口、线电流接口及温度接口分别相连，将DSP处理器与模数转换电路、逻辑电路、集成收发电路、DP芯片电路及以太网电路相连，将以太网电路与数据传输接口和WiFi模块相连，将DP通信接口与DP芯片电路相连，将RS485接口与集成收发电路相连，将8DI5DO接口与逻辑电路相连。

2.3 显示模块设计

显示模块由图形处理单元和显示屏组成，用于将处理器模块分析得到的检测结果进行显示。图形处理单元设置于壳体内，显示屏设置于壳体正面的外表面。图形处理单元与处理器模块的DSP处理器相连，显示屏与图形处理单元相连，通过图形处理单元驱动显示屏显示。检测终端的按键设置于壳体正面的外表面，并且按键与图形处理单元相连。

3 软件设计

便携式电气安全检测系统主要由多种便携式用电特征参数(电压、电流、温度等)传感器、便携式电气安全检测终端、云服务器及大数据平台综合应用组成。便携式电气安全检测终端通过传感器采集用电负载的电压、电流及温度等信息，进行分析得到检测结果用于本地显示，同时将检测结果上传到云服务器用于大数据平台综合应用。笔者主要设计便携式电气安全检测终端的内部软件。便携式电气安全检测系统组成如图5所示。

图5 便携式电气安全检测系统组成图

便携式电气安全检测终端的内部软件，主要对采集的数据进行快速傅里叶变换[5]7，分解出基波和谐波数据，并根据设置的预警阈值对数据进行分析和存储。当检测出现某项指标超过阈值时，自动进行“数据录波”[5]8，同时将该数据上传到云服务器用于大数据平台综合应用。在检测现场，通过显示模块查看基础数据及由基础数据衍生的功率、电能以及电流电压闪变和线路存在的谐波问题，便于对临时用电场所进行电气安全监测，也可以快速捕捉电网质量的谐波问题或者电流电压的闪变现象，用于电气安全隐患排查。便携式电气安全检测终端的内部软件处理流程图如图6所示。

图6 便携式电气安全检测终端内部软件处理流程图

4 测试

该终端的检测包括3个步骤，具体如下。

4.1 上电自检和参数设置

将辅助供电电缆连接到检测终端的电源接口上，检测终端上电自检。同时，根据用电场所实际情况设置电压、电流和温度的预警阈值。

4.2 连接测量导线

开口式电流互感器通过香蕉插口连接检测终端的线电流接口，穿刺式线夹通过香蕉插口连接检测终端的电压接口，以太网电缆通过数据传输接口连接至无线路由器或电脑。为了试验数据的对比分析，该试验接入可调节的标准输入源给用电负载供电。同时，依次将开孔式电流互感器连接至用电负载的电网相线上，依次将穿刺式线夹夹持在相对应黄A绿B红C蓝N黄绿相间E上。检测终端的接线如图7所示。

(a)可调节的标准输入源

(b)检测终端接线图图7 可调节的标准输入源和检测终端接线图

4.3 测量并读出记录数据

内部运算单元将采集用电负载的电压、电流和温度并快速记录，在检测终端的显示屏上显示用电负载的电压、电流及其衍生数据。调整标准输入源，经过大量数据统计分析，该终端显示的检测电压最大误差为4.9%，电流最大误差为3.3%，温度最大误差为4.3%，其检测精度与接入的传感器检测精度(误差不超过5%)一致。检测终端显示的部分试验结果如图8所示。

图8 检测终端显示的部分试验结果

5 结论

针对一些偶然发生用电异常情况的场所，以及对老旧场所、临时用电场所和新建场地的电气安全检查，设计了1种便携式电气安全检测终端。

(1)该检测终端采用模块化设计，并且模块间采用排线相连，有利于按照使用功能进行组装。对外接口采用可拔插式的香蕉插口、穿刺式线夹和开口式互感器等器件，有利于电气安全检查中安全和快速接线。该检测终端监测数据种类丰富，各项检测数据满足电气安全检查的实际要求。

(2)经过数据统计分析，检测终端显示的电压、电流和温度的检测误差均不超过5%，与接入的传感器检测精度一致。

(3)该检测终端对检测数据目前采用设置预警阈值进行判断处理，下一步将引入深度学习算法[7-8]来实现智能判断，提高便携式电气安全检测终端对于电气设备和电气线路工作状态判断的准确性，同时将研究云服务器的大数据平台综合应用系统用于电气安全隐患排查。