一种基于数据电子化传输处理的新型智能化互感器校验装置

2023-07-30朱葛林聪何兆磊何傲

云南电力技术 2023年3期

朱葛，林聪，何兆磊，何傲

（云南电网有限责任公司计量中心（电力负荷控制技术中心），云南昆明 650000）

0 前言

目前互感器校验装置智能化程度低、通信控制接口功能单一、通信协议非标准、与系统不兼容，电力互感器现场校验存在以下主要问题：试验过程中需人工记录大量测试原始数据；试验后需将原始数据人工输入电脑，进行数据修约、编辑，形成检测报告；试验数据和报告不能及时接入计量系统，不能支撑数字化、信息化系统管理及应用，不支持有效的闭环管理；人工记录、输入、输出数据及出具报告等多个环节耗费工作人员大量精力，降低工作效率，易造成数据处理差错，试验数据有效性、真实性难以得到保证[1]。因此，研制一种可大幅提升电力互感器现场校验工作效率，实现真正意义的无纸化作业的新型智能化互感器校验装置具有极为重要的意义。

本文主要介绍了一种新型智能化互感器校验装置，从工作原理，软硬件功能模块等方面进行详细介绍，并针对该设备进行功能测试及相关功能验证。

1 工作原理及软硬件设计

1.1 新型智能化互感器校验装置工作原理

新型智能化互感器校验装置软硬件主要包括箱体、数据采集单元、数据转换单元、中央处理单元、人机交互单元、通讯模块、互感器校验管理软件和电源模块，工作时通过数据采集单元对线路信号进行采集，通过16 bit 高速模拟数字转换单元进行模数转换，再通过中央处理单元进行数据处理、计算形成试验数据并加密存储，通讯模块将试验数据上传，数据上传至上位机或掌机处时，可由相关软件进行数据提取及数据处理，其中包括实验数据的修约及报告电子化出具，上位机或掌机连接打印机后可实现检测报告的纸质版出具打印。该校验装置的系统原理见图1。

图1 新型智能化互感器校验装置系统原理

1.2 误差测试功能模块及人机交互单元

该种新型智能化互感器校验装置兼具传统互感器校验装置的功能和优点，其误差测试功能模块主要包括箱体、数据采集单元、数据转换单元、中央处理单元、人机交互单元和电源模块。在实际测试中，其误差校验流程如下：进行试验接线；百分表通道幅值、相位计算；差压/差流通道幅值、相位计算；比差、角差计算；倍率控制计算；试验数据传输至人机交互单元，并在人机交互单元界面上显示。

与传统校验装置相比，该种新型智能化互感器校验装置还对人机交互单元进行了优化，其人机交互单元嵌于面板中央，屏显分辨率高，可触摸控制，还可显示试验结果、温度、时间、电量等信息，同时还具备查阅规程规范、试验接线图功能[2]。在试验时可进行手动设置试验参数，包括互感器/负载类型、量程、准确度等级、容量和功率因数等参数，图2 为设备人机交互单元UI 功能菜单界面，图3 为设备人机交互单元UI 测试界面。

图2 新型智能化互感器校验装置人机交互单元UI界面（功能菜单界面）

图3 新型智能化互感器校验装置人机交互单元UI界面（测试界面）

1.3 通信模块

传统互感器校验装置仅有显示实时误差数据功能，无数据传输相应接口，不满足后续对试验数据进行电子化传输处理及数据深化应用的要求[3]。新型智能化互感器校验装置通讯模块包括通讯传输接口和内置通讯模块，通讯传输接口位于金属面板处，包括蓝牙通讯接口、串口通讯接口和USB 接口；内置通讯模块与通讯传输接口、中央处理单元连接，用于将信号或数据传输至其他设备。该种校验装置提供了三种数据传输模式，一种是通过无线蓝牙传输，另两种是通过USB 传输数据或串口通讯传输，三种传输模式均能实现数据稳定传输。

1.3.1 USB传输、串口通讯

新型智能化互感器校验装置具有USB 接口及RS232 通信接口，能够实现数据的快速和安全传输。通用串行总线（USB）是由Intel、Microsoft、IBM 和NEC 等共同制定的微机总线接口规范，具有传输速度快，可靠性高、使用灵活、成本低、功耗小等优点[4]。

新型智能化互感器校验装置USB 传输功能模块的实现主要包括两个阶段：一是校验装置根据人工操作发出测试数据信息保存命令，校验装置将数据信息保存为csv 文件储存在USB中，二是上位机读取U 盘中储存的csv 数据文件，将测试信息内容转化为测试报告输出。其文件传输原理图如图4 所示。

图4 新型智能化互感器校验装置USB传输文件流程

功能模块主要涉及三种关键技术。第一是USB 数据传输技术，该技术保证了校验装置数据能够顺利传输到上位机；第二是基于Linux的文件系统通过设备文件的读写，将数据通过USB 保存到U 盘中；第三是基于Windows 的文件系统可以读取U 盘中的csv 文件并进行数据处理。

用户在Linux 系统配置访问好USB 后，通过校验装置触摸屏功能，将测试数据文件保存为csv 文件。用校验装置触摸屏的EasyConverter程序读取由HMI 保存的数据取样记录，并转换成excel 格式。当文件内含有一天以上的数据时，可选择欲检视的日期范围并依照需求做相关设定，将显示的数据取样记录导出转换成Excel格式，方便上位机读取。数据传输到上位机后，上位机读取U 盘里的csv 文件，判断该文件内容模板与设定是否相符，判断文件类型及文件数据大小，对多条数据进行多线程分块处理，最后将数据统一成新的用户可识别的格式，同时兼括查看、选取、修改等功能。

1.3.2 无线蓝牙传输

新型智能化互感器校验装置具备无线蓝牙传输功能，可在上位机或掌机与校验装置之间进行无损无线蓝牙传输，该种方式摒弃了实体传输介质，具备数据传输的便捷性，同时还具备功耗低、安全性高，丢包率低的特点。通过无线蓝牙传输模块可以将校验装置数据经AES加密后上传至上位机或掌机处[5]，上位机或掌机接收数据经解密后可将校验装置数据导入相关软件进行数据处理及报告电子化处理，其无线蓝牙传输模式加密解密流程见图5。

图5 新型智能化互感器校验装置蓝牙传输加密解密流程

1.4 软件部分

新型智能化互感器校验装置在软件层面可分为上位机软件和掌机APP 两部分，一种是搭载在上位机PC 端的互感器校验管理软件，一种是搭载在掌机（移动通信设备）上的APP。软件及APP 均具备对数据进行提取解析及数据处理功能，可根据被试的准确度等级确定修约间隔并进行修约，修约结果规范保存后根据其数据项分别填入已提前设置的报告模板内，在软件或APP 内实现检测报告的电子化出具。业务流程图6 所示。

图6 新型智能化互感器校验装置业务流程

1.4.1 上位机互感器校验管理软件

上位机互感器校验管理软件是校验装置数据输出提取后的数据处理平台，软件搭载在上位机，上位机与校验装置双向互联方式包括无线蓝牙连接、串口通讯、USB 通讯三种方式。

登录上位机软件后可在通信端口设置中设置相应通讯方式，在上位机具备USB 接口和无线蓝牙通讯模块的情况下，设置通讯方式匹配后连接即可实现上位机与校验装置的数据交互。测试时，先在互感器校验装置UI 界面新建互感器并填写被试相关基本信息，实现了被试相关信息的电子化录入，方便后续检测报告出具。填写完基本信息后可在测试信息栏提取历史数据，将校验装置数据提取至上位机软件内，后续进行数据修约及出具检测报告，上位机互感器校验装置管理软件UI 登录界面如图7 所示，UI 测试界面如图8 所示。

图7 上位机互感器校验管理软件UI登录界面

图8 上位机互感器校验管理软件UI测试界面

上位机互感器校验管理软件因其系统用户群体固定，同时需要保证数据安全性，根据这些特点，该系统采用C/S 架构进行设计，充分利用C/S 架构界面丰富、安全性、实时性强的特性。系统主要提取数据保存到数据库，同时根据需求查询数据库数据并显示到用户界面，其中存在大量的数据库操作及用户交互，故将软件架构分为数据接口层、逻辑处理层、UI 显示层，采用三层关系方式将用户界面和数据操作分离开，三层关系见图9。

图9 上位机互感器校验管理软件分层方案

数据接口层包含互感器相关数据、标准器信息、检测单位信息及用户信息等相关数据信息，上层逻辑处理层包含数据搜索、系统设置读取及修改，报表信息处理、数据备份及还原、串口通信等逻辑处理信息，最上一层为UI 层，该层包含数据显示界面、系统设置界面、报表打印、数据备份及还原、数据提取等表层信息及UI 显示功能。

上位机互感器校验管理软件在系统设计层面由三大模块组成，三大模块分别是数据管理、系统设置和其他功能模块，详细系统结构见图10。

图10 上位机互感器校验管理软件系统结构图

数据管理模块主要包含电流互感器数据管理、电压互感器数据管理、用户数据管理模块等。数据界面只显示数据重要标志信息，例如测试站名、站号等数据同时存储在同一数据表内，可用通过其他信息对数据类型进行区分。

系统设置模块采用每个信息设置单独采用一个界面的设计方式，主要包括:通信参数设置、报表打印相关信息、标准器信息设置、准确度及测试信息设置、打印设置等几个分模块。通信参数设置、打印相关信息通过配置文件进行保存和提取，数据库登录信息保存、数据登录地址、账户信息通过配置文件形式保存。用户数据管理模块中，可查看用户信息及权限，具备最高权限用户可以新增、修改、删除其他用户信息。

其他功能模块包含数据提取、报表打印模块及用户帮助等功能模块。数据提取模块可解析接收到的数据，并存储到数据库；报表打印模块设计了几种模式报表供操作人员选择，将选择信息作为最终打印模板进行打印，打印时以水晶报表进行报表打印，该方式以表格形式打印数据，并且拥有数据筛选功能，报表头尾可以灵活添加相关打印信息。

1.4.2 掌机APP

掌机APP 搭载在移动通信设备上，仅可以通过无线蓝牙通信方式与校验装置实现数据传输，校验装置数据经无线蓝牙传输方式提取至掌机APP 内，掌机与系统后台服务器进行双向数据交换，系统后台对数据进行分析处理，生成检测报告后可由掌机输出并打印[6]。

掌机APP 其后台系统搭建采用与上位机软件相似的系统配置和软件分层方案，其中APP与校验装置数据流请求回应传输流程如图11、图12 所示。数据流由移动端应用发送报头，经蓝牙通讯设备传输至校验装置，校验装置测试的互感器误差数据以报头+ 报文的形式通过蓝牙通讯设备回复至移动端应用，移动端应用与校验装置数据双向交互过程中均经加密解密完成，至此完成一段数据流闭环。

图11 掌机APP通信协议请求数据流程

图12 掌机APP通信协议回应数据流程

在现场实际开展互感器检测工作时，管理人员通过账号加密码认证方式登录软件，在现场检验项目管理功能模块中新增检测任务，随后派发至现场检测工作负责人处。现场检测工作负责人使用新型智能化互感器校验装置对被试品进行检测后，将实验数据通过蓝牙通讯模块上传至掌机，掌机将实验数据上传至后台服务器，由审核人员审核无误后生成报告，导出报告进行打印后即实现业务流程闭环。现场检测流程图如图13 所示。

图13 现场检测流程

1.5 数据传输处理及检测报告电子化出具

本文设计的新型智能化互感器校验装置区别于传统互感器校验仪的主要功能特点在于其能够实现数据电子化传输处理，同时在软件内实现电子化、自动化出具试验原始记录及检测报告的功能。

上位机可以通过USB 通信串口用移动存储设备（移动硬盘、便携式U 盘等设备）拷贝试验数据，也可以通过无线蓝牙通讯直接提取装置试验数据，经上位机软件提取后的试验数据可在软件内进行数据处理及数据修约功能，在软件内填写试验相关参数及信息后，可将试验数据填入预设的原始记录模板内，也可将修约后的试验数据填入预设的检测报告模板内，在上位机软件内实现试验原始记录和检测报告的电子化出具，上位机连接打印机后可以实现相关原始记录和检测报告的纸质版出具。

掌机APP 可以通过蓝牙通讯实现校验装置数据提取功能，数据提取后在掌机APP UI 界面填写试验相关信息及规格参数后，掌机将校验装置试验数据与APP 内填写数据统一打包发送至后台服务器，后台服务器可以根据掌机APP指令，将数据包内相关数据进行处理后填入预设原始记录模板内，同时也可以根据掌机指令对试验数据进行修约，并将修约后试验数据及其他相关数据填入预设的检测报告模板内，后台服务器向掌机APP 发送模板化、标准化处理好的电子版试验原始记录及检测报告，掌机接收服务器数据后可以导出原始记录和检测报告电子版，连接打印机后可以实现纸质版报告的出具。

2 校验装置功能测试验证

对新型智能化互感器校验装置的相关功能进行实际环境下的测试验证，现场采用比差法对一台被试CT 进行现场误差测试及通信测试，测试中验证校验装置误差测试、结果保存、数据传输及上位机软件相关功能，现场被试CT 规格型号如表1 所示。

表1 被试CT规格型号

2.1 误差测试功能及数据传输及修约功能验证

现场测试采取传统比差法接线对被试开展互感器误差测试，校验装置取点保存测试数据，测试现场如图14 所示。

图14 现场测试

经测试后，实测数据如表2 所示。

表2 被试CT实测误差值

误差测试结束后，上位机采用无线蓝牙通讯模式与校验装置之间进行连接，上位机软件主动调取校验装置历史数据。经测试，上位机调取校验装置历史数据功能准确实现。上位机互感器校验管理软件试验原始数据及修约后数据如图15 所示，根据被试原始数据及其修约间隔，复核上位机软件修约结果正确，报告电子化模板出具功能准确实现。

图15 上位机软件检测数据提取及修约结果

2.2 与传统作业方式进行比较

现场检测中采用两种方式进行，一种是采用新型智能化互感器校验装置作业，一种是采用传统作业方式，比较两种作业方式在工作效率、人机工效及作业准确性上的差别。传统作业方式与新型智能化互感器校验装置在互感器误差测试的过程基本一致，主要的区别在于其数据记录及传输、出具原始记录、检测报告流程上的区别。

经实际测试比对，两种作业方式呈现出了较大的区别，具体区别如表3 所示。现场误差校验过程两种作业方式相同，但在后续检测数据记录、传输、处理及出具原始记录和检测报告的过程中，使用新型互感器校验装置相对于传统作业方式极大节省了时间，提高了作业效率。同时使用新型互感器校验装置作业还提升了检测数据的准确性，传统作业方存在大量人工记录和人工干预，而采用新型智能化互感器校验装置的作业方式减少了人工干预，避免人工记录、处理数据引入差错，提升了作业的质量。