范洵 顾玙 张俊岭 计志恒
国网镇江供电公司 江苏省镇江市 212000
摘要:目前用电数据多数是高维多源异构数据，传统的监测终端在监测过程中存在较长的延迟时间，影响监测结果。为此设计基于大数据的用电安全智能监测终端。在原有的监测终端基础上，采用双CPU控制模式，设计数据采集模块，在原有信号采样电路添加电流互感器，同时对供电模块和传输通道采取相应的措施抑制脉冲干扰，获得监测数据后利用主成分分析法对高维多源异构数据降维处理，并根据用电安全标准，分析判断用电是否安全，完成监测。
关键词:大数据;用电安全;智能监测;终端研究
引言
随着社会的发展，人们的生活越来越智能化和便利化，各类用电器成为了当今技术领域和市场的热点研究对象，以不断改善人们的生活品质，为人们提供一个舒适、便捷、安全的生活环境为目的创造智能产品，满足人们日益增长的居住环境条件追求。用电器不仅能够提高人的幸福指数，还能够为人们节省宝贵时间，但是用电器也带来了安全隐患。为此提出并设计智能电能监测与安全控制装置，在不破坏原有供电电路及用电器的基础上，实现控制用电器的通断，保证用电安全，在享受智能电器为用户带来方便的同时，也有效地缓解社会用电紧张的局面。
1用电安全智能监测终端设计
1.1智能监测终端结构设计
为了方便后续终端的维护和扩展，延长监测终端的使用寿命，其总体设计采用模块化设计，以双CPU为核心，包含信号及数据采集模块、通信模块、控制输出模块以及电源模块。管理CPU选择LPC4357芯片作为核心芯片，与键盘输入接口、显示接口、通信接口以及存储器组成主控制模块;执行CPU使用LPC4008芯片，与数据采集模块和控制输出模块组成计量模块。两者之间的通信由管理CPU开始，管理CPU发送启动数据传送命令，将执行CPU唤醒，直到执行CPU发出数据传送结束后，发送通信结束命令，通信结束。
1.2数据采集模块设计
数据采集模块采用ATT7022B专用三相电能计量芯片，该芯片的时钟信号源选择使用5.5MHz振荡频率的晶振，同时配以2个瓷片电容，在PCB设计中两个瓷片电容靠近ＲEFCAP引脚，远离其它信号线。由于在ATT7022B芯片中，输入信号是以GND作为参考值，所以不需要偏置电压。ATT7022B与主机之间存在6条不同功能的连线，其中4条连线为SPI通信接口线，除此之外，还有握手信号线IＲQ和复位控制线ＲESET。其中ＲESET信号由执行CPU控制，保证ATT7022B与执行CPU的工作始终保持同步。为了增强芯片的抗干扰能力，在ＲESET引脚处外接一个0.1(F的去耦电容，同时在4根SPI信号线上串联一个小电阻，用来和芯片输入端的寄生电容结合，组成一个低通滤波器，消除SPI接口信号上的振荡。在电路设计中，为了使芯片与电网隔离，保证设计的电路具有良好的抗干扰能力，将输入的电压转换成电流，通过电流互感器的耦合后，将其转换成电压。
1.3供电模块及传输通道抗干扰设计
由于在用户安全智能终端监测过程中，容易受到脉冲干扰，容易使多源异构数据产生混乱，使用电安全监测受到限制。其干扰渠道有2种，分别是供电模块干扰和过程通道干扰，对于以上2个渠道干扰，采取相应的措施抑制脉冲干扰。传输通道存在干扰主要有2个方面，一个是通道内部总线间的干扰，一个是由外部接口电路产生的干扰。在双CPU监测终端中，传输路径上的信号大部分都是脉冲信号，在传输时容易出现延时、衰减、通道干扰和畸变等情况。
对此采用光耦隔离阻断各个模块之间的干扰，将其设置在采集模块、通讯模块以及主控制模块，防止干扰从传输信道进入模块中，有效地抑制尖峰脉冲及其它噪声干扰。
2系统设计
2.1智慧安全用电管理平台系统结构
（1）剩余电流互感器是用于对漏电电流（即剩余电流）的检测，它是一种特殊的变压器，由线圈和铁芯组成，其工作原理是基于基尔霍夫电流定律：流入电路中任一节点的复电流的代数和等于零。在线路与电气设备正常的情况下，各相电流的矢量和等于零，剩余电流互感器的二次侧绕组无信号输出；当发生接地故障时，各相电流的矢量和不为零，故障电流使剩余电流互感器的环形铁芯中产生磁通，二次侧绕组就会发出信号，当电气火灾监控探测器接收到信号后就会发出报警。（2）温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器，按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。（3）故障电弧探测器是指用于防范由电气线路中的电弧故障所引发火灾的设备，是一种通过识别电弧特性探测电弧故障，以提供电弧故障报警的装置。（4）组合式电气火灾监控探测器采用内置的高性能单片机，通过外接剩余电流互感器和温度传感器采集被测线路上的剩余电流和温度，并进行智能分析处理。当被测线路温度或剩余电流达到报警阈值后探测器发出报警信号，从而实现实时监控、早期报警。
2.2智慧安全用电管理平台系统的组网优势
系统支持多种无线通信组网方式（如NB-LOT、GPRS无线），组网建设成本低，适合建设和部署，适用于远距离传输；信号穿墙能力强，避免障碍物影响通信效果；系统数据采集全面，监控范围广，能够解决系统之间相互孤立的问题。通过对互联网、物联网、运营商通道结合，降低了建设成本，无需独立主机和人员值守，安装调试简单。一旦发生故障，可快速定位位置、回路，可以以多种方式提醒运行人员检修。用户不受时间、地点、环境限制，可通过手机、短信实时接收系统的报警信息，实时高效。
2.3智慧安全用电管理平台系统主要功能
（1）实时监控画面展示。集中展现系统的实时运行工况，多角度多效果地显示实时监控信息并进行数据采集与分析；可对任意时间段进行多次采集、分析、统计；对历史数据（如剩余电流、温度）进行统计对比（同比、环比），分析异常回路的报警原因；精准定位报警位置和远程管控；通过本地工作站，全面了解各单位用电状态，一旦提示异常，可快速定位位置、回路，及时进行处理。（2）事件统计分析。对历史事件进行统计分析，按照管理区域、管理单位、设备类型、报警类型、处理状态等进行分类统计，并通过饼图、棒图、表格等方式展示分析结果；进行设备基础信息录入和现场资料录入，便于平台或APP快速查询与管理现场及设备信息，帮助现场建立设备检修维护计划。（3）安全评估报告及权限管理。基于海量数据存储，结合大数据分析技术应用，定期向客户提供专业的电气安全评估报告；自定义现场账户，建立安全权限分配管理功能，通过对不同的账户分配不同的管理和查看权限，确保平台数据的安全。
结语
智慧安全用电管理平台采用集中监控＋APP＋Wed＋线下巡检多维度监管的模式，所有电气数据通过物联网传送到云平台进行集中存储和分析，实现了电气设备的集中监控和管理；采用多级故障预警＋多方式报警，能够建立有效的故障预警和报警机制，及早发现电气安全隐患，提前对电气安全大数据进行分析，对电气线路进行维护和管理，对用电安全进行诊断评估，杜绝事故发生；基于新技术、新产品的应用，对电气线路实现全天候的监测和管理，杜绝电气线路和设备带病运行。
参考文献
［1］柴谦益，郑文斌，潘捷凯，等．基于大数据分析的智能配电网状态监测与故障处理方法研究［J］．现代电子技术，2018，41(4):105－108．
［2］张志华，周捷，蔡月明，等．基于模块化组态设计的新型配电自动化终端［J］．电力系统自动化，2017，41(13):106－110．