一种防误智能万用表的研制.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：赖颖东（1978），男，汉族，广东东莞人，硕士研究生，江门供电局，工程师，研究方向为电力系统与控制研究。-5-一种防误智能万用表的研制 赖颖东 广东电网有限责任公司江门供电局，广东 江门 529000 摘要：摘要：变电站的安全稳定运行依赖于运维人员对变电站设备的检查、检验和维护。万用表作为变电站日常维护工作的常用仪表，运维人员必须确保合理正确的使用其开展相关工作，如果运维人员使用万用表的方法错误则有导致电力安全生产事故的发生。现有万用表均没有防误操作的功能，无法对自检内部问题以及提示档位使用情况，使用风险取决于运维人员的熟练度和专注度。针对这一问题，本文研制一种具有防误功能的智能万用变，确保其能自检内部短路故障、提示档位、防直流直等，提高了安全生产管理中设备的安全系数。关键词：关键词：变电站；设备维护；智能万用表；防误功能 中图分类号：中图分类号：TM6 0 引言 变电站的主要设备包括承载负荷电流的一次设备和保护其安全运行的二次设备。变电检修、继保人员需要对一、二次设备进行经常性维检查、检验、维护，及时发现、处理设备问题才能消除安全隐患、保障电力安全。其中涉及二次设备的工作诸如保护装置定期检验、屏柜压板核查、二次回路故障消缺等都离不开万用表的使用。万用表是一种具有测量电压、电流、电阻等基本功能的精密仪表。其在使用过程中具有诸多注意事项，例如使用前要确认仪表功能正常，使用中要根据具体的工作要求使用不同的档位、使用结束后要及时关闭万用表等。如果使用前不检查万用表的功能导致使用了不合格的万用表，轻则致使测试结果错误，更严重的在站内存在直流接地故障的情况下会引起电力生产安全事故。而万用表内部的短路问题无法从外观来检查判断，万用表也并无自检确认的功能这就给使用人员设下了难题。同时如果使用了错误的档位进行测量如使用电流档测量电压就有可能造成直流接地，导致变电站内直流系统失压从而影响其他设备的正常运行。档位的使用全看使用人员的专注度，万用表自身没有档位提示功能，这就很容易因为人员的疏忽大意造成档位使用错误的情况。为了解决上述变电站日常使用常规万用表的隐患点，需要研制一款新型的具有防误功能的万用表。1 事故案例分析总结 2014 年，某 220kV 变电站进行 220kV 母线保护屏进行回路接入工作时，由于作业人员使用万用表不当，导致 2 台 220kV 开关异常跳闸。在运行中的母差屏接入间隔跳闸回路的作业中，作业人员需要确认母差保护出口回路的电压情况，此环节中由于作业人员误用万用表电阻档进行出口回路电压测量，同样的也导通了两台 220kV 开关的跳闸出口回路，继而造成开关异常跳闸。2022 年 10 月，某 220kV 变电站发生 11 台 110kV开关相继跳闸，110kV双母失压事件，继而造成该220kV变电站供电的多个 110kV 变电站及 35kV 变电站失压。此次事件主要原因为操作人员使用的万用表存在故障，造成在测量 110kV 母差保护出口压板过程中，压板上端接地，导致开关跳闸。该变电站开展 110kV 母差保护升级及试验，巡维中心的操作人和监护人到站执行退出 110kV 母差保护操作票，该项工作包括退出母差保护联跳间开关的压板，待继保工作人员执行完升级保护调试工作后，还需要将跳闸压板恢复投入。母差跳闸出口压板恢复投入前需要巡回中心的做人员用万用表的额电压档测量压板上、下端，根据其上、下端的电压情况来判断是否投入压板，若电位异常则不予投入，需要查证排除后才能投入。使用万用表电压档前应该严格按照厂家说明书要求测量一个已知电压来确定万用表电压档功能正常。此环节阶段，操作人使用万用表前未对万用表的功能进行检查，未能及时发现万用表电压档内部短路情况，导致使用电压档测量出口压板时将出口和地短接起来，由于此时站内有直流接地情况，故导致正电压直接通过短路的万用表和中国科技期刊数据库 工业 A-6-出口压板上端接通到相关保护装置从而造成保护异常跳闸事件。上述两起事故事件均暴露出现场工作人员在使用万用表的过程中存诸多问题。诸如万用表内部短路的预控手段不足，万用表电压档内部短路无法通过使用前外观检查判断；万用表缺少内部短路的自检告警功能，缺少对万用表使用前确认功能正常的有效测试手段；万用表档位使用错误，缺少对工作人员的提醒，导致人员用错档位后“不知道错”的情况等。针对以上问题，本文提出研发一种具有防误功能智能万用表，的其重要功能包括：（1）自动检测万用表状态，并通过声音进行提醒；（2）切换档位后，自动播报当前档位；（3）闭锁功能，万用表停止使用一段时间后，会闭锁万用，需要重新切换档位；（4）表笔线加装 10K 过渡电阻，避免表计内部短路，出现直流接地、或者接地时容性电压误跳运行设备等情况；（5）表笔加装过渡电阻后，无法测量直流电阻，在表笔假装一个按钮，长按方可进行电阻测量。2 防误智能万用表的研制 根据功能需求，本防误功能智能万用表应当以带通信功能的万用表为基础，再加装一个自主研发的万用表监控装置。该装置由主控模块、语音播报模块、报警指示灯、锂电池、显示屏等构成，并通过 RS232与万用表实现通信，以读取万用表当前的挡位、测量值等信息，并根据现场的使用场景需求，以一种更加醒目的方式显示到显示屏上，同时，当作业人员更具作业需求进行档位切换时，本监控装置还会对当前档位进行语音播报，以更清晰地提醒操作者，最大限度的防止误操作。设计示意图如图 1 所示 图 1 防误智能万用表设计示意图 2.1 控制模块设计 主控模块是监控装置的中央处理器，负责处理从万用表搜集采集到的信息量并处理输送至输送至显示屏，负责将档位信号输送至语音播报器，同时自检到万用表异常情况还要输送至报警指示灯，所以主控模块必须支持连接多路设备输出设备。考虑到便携式问题，监控装置体积不能过大，在考虑电池体积的同时还需要考虑到处理器的功耗问题。随着业务的不断升级还改进，万用表的使用场景也将越来越多样化，我们必须考虑到本防误智能万用表的后续升级和功能优化问题，所以处理器应该内置 WIFI 模块和蓝牙模块，方便方便后续升级或加入更多的功能。鉴于此我们采用 ESP32-PICO-D4 系列芯片作为主控模块，其参数如表 1 所示。所以该系列芯片为双核低功耗微处理器，具备优秀的性能和低功耗特性，同时还内置 WIFI 模块和蓝牙模块，价格低廉，完全满足设计功能需求。表 1 ESP32-PICO-D4 系列芯片参数表 处理器 Tensilica Xtensa 双核 32 位 LX6 微处理器，运行频率为 160 或 240 MHz 内存 ROM:448KB、SRAM:520 KB、RTC fas SRAM:8KB、RTC 慢速 SRAM:8KB、eFuse:1 Kbit 功耗 深度睡眠期间仍可以使用 ADC 转换 无线连接 WiFi:HT40 数据速率为 150Mbps 蓝牙:BLE 外设接口 ADC、DAC、IPC、UART、SPI、IS、RMII 2.2 外设部分设计 语音播放模块由驱动解码芯片 WM8978 和 1W 扬声器组成，可根据微处理器的控制，对当前档位进行语音播报。WM8978 是一个低功耗、高质量的立体声多媒体数字信号编译码器。它主要应用于便携式应用，它结合了立体声差分麦克风的前置放大与扬声器、耳机和差分、立体声线输出的驱动，减少了应用时必需的外部组件，不需要单独的输出放大器，直接接通扬声器输出语音。因此也符合本装置的设计理念即便携低功耗。指示灯由红灯和绿灯组成，主要对操作人员进行可操作提示。当万用表档位符合当前工作设定时，处理器输出点亮绿灯，操作人员收到绿灯信号，即可进行当前测量操作。反之则亮起红灯，并通过语音播报进行警示，此时作业人员就必须检查档位是否符合当前场景。显示屏主要显示当前万用表的档位、测量值等信息。我们采用 0.96OLED 液晶显示屏，OLED 是有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode）的简称，对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性。OLED 具备自发光，不需背光源，故其功耗比 LCD中国科技期刊数据库 工业 A-7-低得多，相同显示面积的功耗仅相当于 LCD 的 1/3。虽然OLED尺寸难以大型化，但是分辨率确可以做到很高，非常适合本产品这类手持式便携移动设备。2.3 万用表本体选用及其设计改造 万用表为优利德 UT61D 型，是一款列具备高可靠性、高安全性自动量程手持式万用表。具有超大屏幕数字显示和高解析度的模拟指针显示，全量程过载保护和独特的外观设计，使之成为性能更为新一代的实用电工测量仪表。可用于测量：交直流电压和电流、电阻、二极管、电路通断、电容、频率、温度(/)、hFE、电磁感应探测等参数。并具备 RS232C 或 USB 标准接口、数据保持、相对测量、峰值测量、欠压提示、背光和自动关机功能。其自带通讯功能，可方便本品万用表监控装置通过 RS232 读取万用表的档位和测量值。将万用表的正极表笔中加装一个10K5W的电阻，以防止误操作时导致表计内部短路继而引发电力安全事故。为了满足不同的测量功能，我们同时在电阻两端并联加装一个自复位型微动开关如图 1 所示，可在测量直流电流时对电阻进行临时短路，以保证测量正常。3 防误智能万用表的使用 3.1 使用注意事项 由于本防误智能万用表是基于改造正表笔的优利德 UT61D 型万用表加装了一套万用表监控装置的仪表设备。所以使用注意事项除了常规万用表的部分还要包括本监控装置的使用禁忌。为此我们结合实际使用需求制定了本防误智能万用表的使用注意事项如表 2 所示：表 2 防误智能万用表的注意事项 序号 使用注意事项 1 使用前先查看其试验合格证是否在有效期内 2 使用前应做调零操作，让针指在零电压处 3 使用过程中，手不可触碰表笔的金属部分 4 在测量电压过程中，不得进行换档操作 5 功能开关处于位置时，不得接入电压源 6 使用前注意指示灯是否为绿色 7 定期检查监控装置锂电池的电量 8 使用前检查表笔微动开关是否正常 另外根据工器具管理要求，每年要对本万用表进行一次试验检查，确保其功能正常，并且使用保管人员每月还要依照上述方法对万用表进行每月例检。3.2 现场使用及反馈 本防误智能万用表虽然对比传统万用表增加了监控模块，但是其使用方法并不会变得复杂。首先拿到本防误智能万用表要按照 3.1 节所诉方法进行使用前检查，检查无误后方可进行使用。针对不同的使用场景我们要转换不同的档位。并且要查看监控显示器无提示问题且指示灯为绿色才可进行测量操作。本新型防误智能万用表 9 月开始投入到变电站的生产工作。将 8、9 月变电站万用表的现场使用情况反馈进行统计。8 月使用传统万用表进行测量共 1788 次，其中出现误操作导致重复测量的次数为 54 次；9 月投入使用以来共使用本防误智能万用表进行测量工作 1983 次,因为误操作导致重复测量侧次数为 6 次。我们将首次测量使用不正确的档位视为误操作，则误操作率公式如式(1)：误操作率=误操作导致重复测量次数测量总次数100%(1)其中由式（1）计算可得误操作率如表 3 所示：表 3 使用不同万用表测量误操作率对比表 辅助工根据 测量总次数 重复测量次数 误操作率 使用传统万用表 1788 54%使用防误智能万用表 1983 6%由表 3 可知，使用本防误智能万用表可以降低变电站二次设备日常检查、检验和维护工作中万用表的使用误操作率，提高了使用万用表工作的安全性，有利于变电站的安全稳定运行。4 结束语 本文首先介绍了变电站日常运维工作中因为万用表使用不当造成的事故事件，通过深度分析事故事件的引发原因，得出了当前万用表不具备防误功能的结论，因此我们需要设计研发一款新型的具有防误功能的智能万用表来解决这一隐患。接着我们分析了防误智能万用表所应该具备的功能，然后根据要达到的功能对本防误智能万用表进行了模块的设计，最后我们分模块逐项的对产品进行分析选品和设计。得到产品后我们根据本产品的功能特点提出了使用的注意事项，并且我们将该产品应用于现场的实际工作，通过现场工作使用和反馈的数据发现，防误智中国科技期刊数据库 工业 A-8-能万用表切实对作业人员起到了提示作用，降低了变电站万用表使用的误操作率，提高了电力生产的安全性。参考文献 1李连.浅谈变电站常用携带型绝缘电阻表、数字电容表的应用J.科技创新导报,2015,10(27):12-15.2龙永平.跳闸出口压板测量对地电压的分析J.电工技术,2014,15(11):5-8.3杨世海.电测仪表及其应用M.北京:中国电力出版社,2009.