便攜式電力示波器的研制

李超平

摘要：對于電費抱怨類工單，廣泛存在于一線營銷班組，在某些季節甚至占據日常工作的大頭，成為當月班組主要工作。且在電費解析工作過程中費時費力，特別是對毫無電工基礎的普通客戶，電費解析工作難以開展，占用較長工時。當電費解析過程不順利時，甚至可能有損企業形象。本文介紹研制一款便攜式電力示波器，協助一線營銷班組更方便直觀地向普遍客戶解析電能消耗以及電費產生，提高電費解析工作效率，為企業塑造專業的電管家形象。

關鍵詞：電費解析;電能質量;電力示波

引言

隨著人民群眾水平提高，全社會居民生活用電量也逐年提升，特別是近年來大功率汽車充電樁走進千家萬戶，居民電費更是水漲船高，加之近年來居民階梯電價的實施、居民分時電價業務的開展及與家用汽車充電樁相關的大工業尖時段介入，普通家庭的電費構成變得比以往更加復雜。而普遍家庭的高額電費則更容易釀成電費抱怨類投訴，一線營銷班組處理相關問題工作增多，工作時長也有所增加。

在某些季節，處理電費抱怨類工單甚至占據一線營銷班組的主要工作時間，成為班組當月主要工作任務，不但擠壓了其他任務工作時間，拖累班組運轉效率，阻礙了班組的轉型和升級。對于毫無電工基礎的用戶，電費解析類工作更是難以開展，難以向用戶引入抽象的電氣概念進行高質量的解析，容易誘發二次投訴或客服投訴，面對行為過激的用戶甚至造成企業形象損失。

另一方面，近年來客戶維權意識增強，對于電能質量的抱怨也時有發生。對于電壓質量比較容易測量，但頻率、畸波率則較難測量。現今家用電氣種類繁多，各種非線性設備、諧波設備增多，公網中的各次諧波變得豐富，如何方便的監測公網中的電能質量也提上日程[1]。

1性能需求分析

傳統的電費解析工作方式比較低效，難以通過解析讓用戶對電費構成有深刻的理解，并且缺乏專用的工作工具也難以樹立專業的電管家形象讓人放心。

傳統的電費解析工作，經過禮貌的溝通以后，主動向用戶展示過去一年的電費賬單及抄表紀錄，結合電價政策向用戶解析電費構成。而后再進一步幫組用戶分析用電量增多的原因，包括家庭居住人口變化、天氣變化、設備老化、用電習慣、表后線路或設備是否漏電、是否被竊電，電表是否超差等等，均缺乏簡單有力的佐證，難以在最短的時間內讓用戶信服。

普遍現象是，用戶對電能消耗的基本物理模型并不理解;對一般家用設備在不同使用工況下電能消耗模型不理解，特別是電器最大功率、額定功率待機功率及電機類設備的啟動瞬間等;對老化設備的漏電流不夠重視;對用電習慣記錄不準確導致電費誤判;還有一部分用戶對電能質量的評判標準的誤解。

基于用戶對一般家用電器工作狀態負荷模型的不理解，新設備需要有一位五孔插座用以接入電器，具備測量并記錄電器負荷曲線的電壓、電流原件、存儲器等，同時具備支持在線查閱的藍牙通訊功能。結合最新的分時電價政策，需有計時、斷電時間記憶，溫度探測等功能。

對于老化設備，則需要有漏電流監測功能，對零、火線電流進行向量和運算。

基于電能質量分析，則需要設備具有電壓峰谷值測量、電壓波動與閃變頻次記錄、交流電壓頻率測量、基于FFT算法諧波分量運算等功能，要求有高精度的模擬量采集及模數轉換模塊。

最終將所有測量參數及運算結果輸出到液晶顯示屏的交互界面，為方便日后升級維護，還需有可熱擦除flash存儲器及藍藥通訊套件。

2系統開發

由于設備要求具備電流、電壓進行高速采樣模塊，數據采樣是后續算法的基礎，采樣方式的選擇是產品研發的關鍵一環。常見的工頻波形采集方案是使用專用的數據采集卡，配套高速芯片上的分析算法輸出響應的工作指令。而專用的數據采集設備價格高、體積大，與便攜的設計目標相悖。但采用重新搭建數據采集模塊的方式波形數據采集質量較差，無法保質滿足設計精度要求。且同一芯片既做采樣也做數據分析及其他模塊組件的控制輸出，則對CPU硬件資源要求更高。

最終選定系統采用樂鑫信息科技的ESP-32型芯片作最小系統開發，驗證方案可行性。ESP-32型芯片，內置兩個低功耗Xtensa?32-bitLX6MCU，同時集成SPIflash4MB、PSRAM8MB，芯片硬件資源豐富。

芯片模組集成了傳統藍牙、低功耗藍牙和Wi-Fi，具有廣泛的用途：Wi-Fi支持極大范圍的通信連接，也支持通過路由器直接連接互聯網;而藍牙可以讓用戶連接手機或者廣播BLEBeacon以便于信號檢測。ESP32芯片的睡眠電流小于5μA，使其適用于電池供電的可穿戴電子設備。模組支持的數據傳輸速率高達150Mbps，天線輸出功率達到20dBm，可實現最大范圍的無線通信。因此，這款模組具有行業領先的技術規格，在高集成度、無線傳輸距離、功耗以及網絡聯通等方面性能極佳。

系統開發采用模塊化開發模式，基于不同功能模塊的需求，搭建最小系統，進行單獨調試與驗證，各模塊開發完畢以后在進行組合聯調。模塊化開發模式既滿足開發需求，也方便多組同時工作，縮短系統開發周期。

采樣模塊，主要承擔工頻電流、電壓值隨時間變化的高速采樣。模塊通過隔離變壓器將220V交流電壓信號轉-2.5V～+2.5相位相反的交流二次信號;在通過加法電路，將交流二次信號轉換0～5V直流信號;再由I/O口通過芯片內部高速模數轉換進入存儲器中供算法運算調用。整個模數轉換通道精度可達交流有效值0.1V，基本與市面上大多萬用儀表持平，滿足設計需求。

采樣數據進入芯片的高速寄存器后，通過高速算法計算信號的交流電壓有效值、頻率;通過交流矢量算法計算功率因數、有功功率，并記錄負荷使用曲線，方便查閱。根據內部存儲的電價政策邏輯，粗算設備使用期間所形成的電費。為監測公網中的諧波含量，還需通過快速傅里葉算法（FFT）計算3、5、7次諧波分量等。

液晶顯示模塊采用高分辨率液晶彩屏，除了顯示電流、電壓、頻率、功率、電度、電費等靜態信息外，還可以通過交互界面來回切換實現50Hz交流電壓波形實時顯示，實現對電壓質量的實時跟蹤。在啟用大功率家用電器（如電吹風、空調啟動）時，驗證系統可通過液晶顯示屏展示波形的實時變化，更直觀的感受電能質量的變化。

為方便查閱信息及后期升級維護，加入藍牙通訊模塊。模塊實現了可讓用戶通過手機、電腦等查閱用戶用電數據、生成導出報表等，方便用戶進行深度的用電行為分析。并且藍牙通訊模塊方便用戶在后期功能升級、電價政策調整等情況下進行在線升級，無需插拔電源實現新、舊版本的無縫對接。

3效果驗證及展望

大幅降低客服電費解析工作耗時，平均處理時間由原來83.4min/單降低至17.3min/單;提高用電服務質量，采用新設備以后客戶電費解析接受

度大幅提高，并通過專業講解以后都對家用電器消耗電能過程有基礎了解;樹立專業的電管家形象，提高社會公眾對供電企業的滿意度和信賴度。同時設備的電能質量監控功能也填補了公網諧波監測的空白，為一般的居民電能質量提供監測方案。

通過應用場景驗證此次設備開發無疑是成功的，設計目標及預期效果也基本達到。由于只針對家庭用戶開發的功能，而對于高價值的工商業用戶也有同類需求。展望未來調研工業用戶的需求后，開發適用于工商業用戶的三相版本設備，針對工商業用戶退出電費預測等新功能，設備應用場景更具普遍性。

4結語

對于電網企業，客戶溝通是營銷業務的重要一環，特別在是電力市場化的發展的浪潮中，客戶維護工作至關重要。如何高效、高質量地維護客戶是營銷業務轉型升級的重要指導目標。與傳統認知相反，一線客服班組不能一味要求用戶有高水平電力系統背景知識，而借助一些簡單工具向用戶解答專業問題亦未嘗不可，既準確的解析專業電力問題也大大節省工作用時。

參考文獻：

[1]張文麗.供電所營銷服務水平提升的探討[D]國網四川省電力公司廣安供電公司.2021