便携式电力示波器的研制

便携式电力示波器的研制

李超平

广东电网有限责任公司江门新会供电局  广东江门 529000

摘要：对于电费抱怨类工单，广泛存在于一线营销班组，在某些季节甚至占据日常工作的大头，成为当月班组主要工作。且在电费解析工作过程中费时费力，特别是对毫无电工基础的普通客户，电费解析工作难以开展，占用较长工时。当电费解析过程不顺利时，甚至可能有损企业形象。本文介绍研制一款便携式电力示波器，协助一线营销班组更方便直观地向普遍客户解析电能消耗以及电费产生，提高电费解析工作效率，为企业塑造专业的电管家形象。

关键词：电费解析、电能质量、电力示波

0引言

随着人民群众水平提高，全社会居民生活用电量也逐年提升，特别是近年来大功率汽车充电桩走进千家万户，居民电费更是水涨船高，加之近年来居民阶梯电价的实施、居民分时电价业务的开展及与家用汽车充电桩相关的大工业尖时段介入，普通家庭的电费构成变得比以往更加复杂。而普遍家庭的高额电费则更容易酿成电费抱怨类投诉，一线营销班组处理相关问题工作增多，工作时长也有所增加。

在某些季节，处理电费抱怨类工单甚至占据一线营销班组的主要工作时间，成为班组当月主要工作任务，不但挤压了其他任务工作时间，拖累班组运转效率，阻碍了班组的转型和升级。对于毫无电工基础的用户，电费解析类工作更是难以开展，难以向用户引入抽象的电气概念进行高质量的解析，容易诱发二次投诉或客服投诉，面对行为过激的用户甚至造成企业形象损失。

另一方面，近年来客户维权意识增强，对于电能质量的抱怨也时有发生。对于电压质量比较容易测量，但频率、畸波率则较难测量。现今家用电气种类繁多，各种非线性设备、谐波设备增多，公网中的各次谐波变得丰富，如何方便的监测公网中的电能质量也提上日程[1]。

1性能需求分析

传统的电费解析工作方式比较低效，难以通过解析让用户对电费构成有深刻的理解，并且缺乏专用的工作工具也难以树立专业的电管家形象让人放心。

传统的电费解析工作，经过礼貌的沟通以后，主动向用户展示过去一年的电费账单及抄表纪录，结合电价政策向用户解析电费构成。而后再进一步帮组用户分析用电量增多的原因，包括家庭居住人口变化、天气变化、设备老化、用电习惯、表后线路或设备是否漏电、是否被窃电，电表是否超差等等，均缺乏简单有力的佐证，难以在最短的时间内让用户信服。

普遍现象是，用户对电能消耗的基本物理模型并不理解；对一般家用设备在不同使用工况下电能消耗模型不理解，特别是电器最大功率、额定功率待机功率及电机类设备的启动瞬间等；对老化设备的漏电流不够重视；对用电习惯记录不准确导致电费误判；还有一部分用户对电能质量的评判标准的误解。

基于用户对一般家用电器工作状态负荷模型的不理解，新设备需要有一位五孔插座用以接入电器，具备测量并记录电器负荷曲线的电压、电流原件、存储器等，同时具备支持在线查阅的蓝牙通讯功能。结合最新的分时电价政策，需有计时、断电时间记忆，温度探测等功能。

对于老化设备，则需要有漏电流监测功能，对零、火线电流进行向量和运算。

基于电能质量分析，则需要设备具有电压峰谷值测量、电压波动与闪变频次记录、交流电压频率测量、基于FFT算法谐波分量运算等功能，要求有高精度的模拟量采集及模数转换模块。

最终将所有测量参数及运算结果输出到液晶显示屏的交互界面，为方便日后升级维护，还需有可热擦除flash存储器及蓝药通讯套件。

图1 设计样品

2系统开发

由于设备要求具备电流、电压进行高速采样模块，数据采样是后续算法的基础，采样方式的选择是产品研发的关键一环。常见的工频波形采集方案是使用专用的数据采集卡，配套高速芯片上的分析算法输出响应的工作指令。而专用的数据采集设备价格高、体积大，与便携的设计目标相悖。但采用重新搭建数据采集模块的方式波形数据采集质量较差，无法保质满足设计精度要求。且同一芯片既做采样也做数据分析及其他模块组件的控制输出，则对CPU硬件资源要求更高。

最终选定系统采用乐鑫信息科技的ESP-32型芯片作最小系统开发，验证方案可行性。ESP-32型芯片，内置两个低功耗Xtensa® 32-bit LX6 MCU，同时集成SPI flash 4 MB、PSRAM 8 MB，芯片硬件资源丰富。

芯片模组集成了传统蓝牙、低功耗蓝牙和Wi-Fi，具有广泛的用途：Wi-Fi 支持极大范围的通信连接，也支持通过路由器直接连接互联网；而蓝牙可以让用户连接手机或者广播BLE Beacon 以便于信号检测。ESP32 芯片的睡眠电流小于5 µA，使其适用于电池供电的可穿戴电子设备。模组支持的数据传输速率高达150 Mbps，天线输出功率达到20 dBm，可实现最大范围的无线通信。因此，这款模组具有行业领先的技术规格，在高集成度、无线传输距离、功耗以及网络联通等方面性能极佳。

系统开发采用模块化开发模式，基于不同功能模块的需求，搭建最小系统，进行单独调试与验证，各模块开发完毕以后在进行组合联调。模块化开发模式既满足开发需求，也方便多组同时工作，缩短系统开发周期。

图2 设计电路板

采样模块，主要承担工频电流、电压值随时间变化的高速采样。模块通过隔离变压器将220V交流电压信号转-2.5V~+2.5相位相反的交流二次信号；在通过加法电路，将交流二次信号转换0~5V直流信号；再由I/O口通过芯片内部高速模数转换进入存储器中供算法运算调用。整个模数转换通道精度可达交流有效值0.1V，基本与市面上大多万用仪表持平，满足设计需求。

采样数据进入芯片的高速寄存器后，通过高速算法计算信号的交流电压有效值、频率；通过交流矢量算法计算功率因数、有功功率，并记录负荷使用曲线，方便查阅。根据内部存储的电价政策逻辑，粗算设备使用期间所形成的电费。为监测公网中的谐波含量，还需通过快速傅里叶算法（FFT）计算3、5、7次谐波分量等。

液晶显示模块采用高分辨率液晶彩屏，除了显示电流、电压、频率、功率、电度、电费等静态信息外，还可以通过交互界面来回切换实现50Hz交流电压波形实时显示，实现对电压质量的实时跟踪。在启用大功率家用电器（如电吹风、空调启动）时，验证系统可通过液晶显示屏展示波形的实时变化，更直观的感受电能质量的变化。

为方便查阅信息及后期升级维护，加入蓝牙通讯模块。模块实现了可让用户通过手机、电脑等查阅用户用电数据、生成导出报表等，方便用户进行深度的用电行为分析。并且蓝牙通讯模块方便用户在后期功能升级、电价政策调整等情况下进行在线升级，无需插拔电源实现新、旧版本的无缝对接。

3效果验证及展望

大幅降低客服电费解析工作耗时，平均处理时间由原来83.4min/单降低至17.3min/单；提高用电服务质量，采用新设备以后客户电费解析接受度大幅提高，并通过专业讲解以后都对家用电器消耗电能过程有基础了解；树立专业的电管家形象，提高社会公众对供电企业的满意度和信赖度。同时设备的电能质量监控功能也填补了公网谐波监测的空白，为一般的居民电能质量提供监测方案。

通过应用场景验证此次设备开发无疑是成功的，设计目标及预期效果也基本达到。由于只针对家庭用户开发的功能，而对于高价值的工商业用户也有同类需求。展望未来调研工业用户的需求后，开发适用于工商业用户的三相版本设备，针对工商业用户退出电费预测等新功能，设备应用场景更具普遍性。

4结语

对于电网企业，客户沟通是营销业务的重要一环，特别在是电力市场化的发展的浪潮中，客户维护工作至关重要。如何高效、高质量地维护客户是营销业务转型升级的重要指导目标。与传统认知相反，一线客服班组不能一味要求用户有高水平电力系统背景知识，而借助一些简单工具向用户解答专业问题亦未尝不可，既准确的解析专业电力问题也大大节省工作用时。

参考文献

[1]张文丽.供电所营销服务水平提升的探讨[D]国网四川省电力公司广安供电公司.2021