电气试验数据无线传输与自动处理方案设计

谢经华,童伟林,华济民,张 林,赵嘉豪,惠 炜

(国网江苏省电力有限公司无锡供电分公司,江苏 无锡 214000)

0 引言

电网进入存量阶段,电网改造增多,所需电气试验量持续增长。试验数据是反映电力设备性能是否符合设计要求的唯一途径,是电气设备交付的重要支撑。在现场作业中,作业人员人工抄录试验数据。在CT伏安特性测试项目中,单台开关柜产生的试验数据多达102组,一个变电站内通常有15台以上的开关柜。试验仪器具备将试验数据保存成Excel格式的功能,然而此类Excel文件命名通常由时间锚定而非对应被试验设备,作业人员需要记录表格名称和对应的被试验设备方可在后期查看相应的试验数据。此外,此类表格中的数据文本格式与总结报告不一致,需要逐个整理,工作量繁重。

目前的作业方式已经不能满足快速发展的电力建设和改造需求,市场现状要求更高效、更准确的数据处理方式。试验数据录入作为工作量大的部分之一,需要使用现代化、自动化的改造措施,提高作业效率,从而更加适应现代的电力施工要求。为此,本文对电气试验数据无线传输与自动处理方案进行研究,以实现试验数据从试验仪器中下载并自动整理成所需格式,提高作业效率。

1 数据流转框架设计

常规数据文件从主机1传输至主机2时,需要通过网络发送或存储介质拷贝等方式。然而,试验仪器没有无线网卡,也无法安装外置网卡,因此,无法进行无线网络方案下的数据传输。使用存储介质进行数据文件拷贝面临以下2个问题:由于试验数据文件不以被试验设备名称命名,文件难以分辨,试验与数据整理需同步进行;试验仪器的USB接口难以支撑频繁的存储介质插拔,Windows平台设备识别存储介质时间长,导致工作时间延长。

Windows平台设备只能作为主机,向存储介质直接传输数据,主流的电气试验仪器平台也只能作为数据传输主机。因此,Windows平台数据处理主机无法通过网线直连的方式与试验仪器作为双主机进行直接的数据交互。

当前主流方案是通过外置网卡或无线数据存储装置进行解决。使用外置网卡的方案需要使用路由器及云服务器作为数据包转发中转,操作复杂成本过高。无线数据存储装置的USB端口和无线网络由于主控问题,不能双端共同操作存储介质,导致必须中断与主机的数据传输后才能进行无线文件传输。为实现进一步的改进,改变主控和存储介质关系,从而实现不用中断与主机的数据传输就能同时对存储介质中的文件进行无线文件传输。

本文采用ESP32无线传输方案,根据usb_msc_wireless_disk demo方案改进设计,设计一款带有USB端口的、具有存储功能的微型无线文件服务器。该微型无线文件服务器的USB端口可以从试验仪器USB端口获取供电,同时进行文件传输;其无线网络功能类似于服务器网线的功能,对外部进行在线数据交换,从而实现不移除USB端口的同时通过无线数据传输的方式发送试验数据。Windows平台的数据处理主机获取数据模式为从微型无线文件服务器下载文件。同时,为实现进一步的效率提升,微型无线文件服务器的无线网络设置为AP模式,数据处理主机的无线网络为AC模式,单台数据处理主机能够同时挂载多个微型无线文件服务器,从而使试验作业现场1台数据处理主机同时处理多个试验作业点试验数据。具体的数据流转过程如图1所示。

图1 数据流转框架

2 微型服务器设计与开发

2.1 微控制器选型

作为在线文件服务器的微控制器,需要拥有较高的运算主频、运行内存、无线传输能力。微控制器由于需要存储大量的试验数据文件,还应该拥有4 M以上的存储空间或其他扩展存储方式以及较小的功率需求,以适配USB接口供电能力不足的老旧设备。综合上述考虑,本文选择ESP32 S3微控制器。ESP32 S3微控制器板载的2.4 GHz Wi-Fi与目前的桌面端设备、手机端设备都具有良好的适配性。微控制器配套存储拓展采用TF卡读写模块,与试验仪器通过基于UART协议的USB端口模块进行通信。

2.2 微控制器功能实现与逻辑

传统Windows平台主机采用的数据传输模式为:在计算机开启后,主系统打开网络和硬盘,对外置存储装置进行写入操作,也可以同时通过网络对外置存储装置进行并行数据传输操作,没有传统无线数据存储装置的缺点。传统无线数据存储装置将数据直接写在FLASH中,致使在数据读取的过程中,需要电脑端有配套软件读取FLASH,在桌面端和手机端需要开发多套配套系统来读取数据,开发过程复杂。

借鉴上述Windows平台主机的数据传输模式,本文将ESP32开发板运行逻辑设置为:在ESP32开发板接入试验仪器USB接口后,由试验仪器USB接口对其进行供电;在微控制器受电开始工作后,打开无线数据传输功能。在微控制器初始化后,微处理器从内置FLASH中加载系统,工作方式如下:微控制器初始化为具有无线网络功能的服务器,给该服务器设定网络运行模式。网络模式的选型有2种:(1)将电气试验仪器所连接的微型无线文件服务器定义为AC,设置网络名称和密码、IP地址,若干数据处理主机定义为AP,通过其内置网卡连接微型无线文件服务器AC所展开的局域网;(2)将数据处理主机定义为AC,设置其网络名称和密码、IP地址,电气试验仪器所连接的微型无线文件服务器定义为AP,连接进入数据处理主机AC所展开的局域网。在方案(1)中,AP作为可以多AC连接的中心,1台电气试验仪器的数据可以同时发送给多台数据处理主机;在方案(2)中,1台数据处理主机可以同时下载多台电气试验仪器的数据[1]。现场作业主要存在多个点位同时作业,若多个点位的数据能够同时通过多个微型无线文件服务器传输至1台数据处理主机进行数据整理和处理,现场作业效率大幅提升。故选择方案(2),使数据处理主机作为AC,在主机上开启无线网络共享并设置网络名称和密码;在各微型无线文件服务器开发时,设置为AP模式,并设置使其访问固定的网络名称和密码。在数据处理主机无线网络共享功能开启时,将微型无线文件服务器插入试验仪器。微型无线文件服务器受电开机运行,扫描网络后自动接入数据处理主机开展的局域网网络。数据处理主机能通过浏览器或文件管理器访问微型无线文件服务器IP地址并查看其中的试验数据文件。

为使数据处理主机能够通过其展开的局域网下载试验仪器存储在微型无线文件服务器的数据文件,微型无线文件服务器需要具备文件服务器下载功能,为数据处理主机提供直接的文件下载服务。在对微型无线文件服务器进行开发时,设置IP地址和1个下载页面,使得数据处理主机能够连接该IP地址并在网页上下载存储在微型无线文件服务器中的文件,从而实现快速批量化的试验数据文件在线下载[2]。微型无线文件服务器运行逻辑如图2所示。

图2 微型无线文件服务器运行逻辑

2.3 防尘外壳制作

作业现场环境情况复杂,在基础建设未完成的情况下,灰尘大,因此需要给微型无线文件服务器制作一个防尘外壳。通过对已定型的微型无线文件服务器进行尺寸测量,使用3D建模和3D打印技术对外壳进行制作。3D打印采用尼龙材料,具有强度高、耐老化的特点[3],防止灰尘等进入微型无线文件服务器内部,有效保护微型无线文件服务器内部电路,提高实用性。

3 试验仪器数据自动处理程序开发

3.1 软件开发需求

根据作业现场实际需求,软件需要能够在Windows10平台数据处理主机上运行,具有打开局域网特定IP网页的功能,并能选择对应的文件进行下载。在完成文件下载后,该软件应可以提取文件中对应位置的数据,并将数据按照一定格式进行整理。在完成数据处理后,该软件能够一键对已处理完成的数据进行复制粘贴,数据格式应可以直接粘贴在总结报告对应的表格中。软件页面配备清空按键,可以将上一个被试验设备数据对应的文件名清空,并进行下一个被试验设备数据的下载与处理。对于一些需要进行特性质量判断的被试验设备,软件具有智能判断其参数是否合格的能力。软件具有较高的适应性,方便部署,对应Windows7、Windows10等多个现场数据处理主机使用的操作平台。软件采用Python作为编程语言,openpyxl为Excel表格数据读取处理包[4]。

3.2 软件逻辑设计

本文使用Visual Studio作为开发平台,使用Window10 SDK进行本地测试,Python3.2版本作为编程语言。导入wget等作为程序支撑包,建立1个面向对象的容器Application,生成布局createWidget,创建可输入文本框“目标FTP IP地址:”,创建5组数据表单前缀,创建变量与string数据双向关联,设置功能按键:FTP下载、转化、生成、复制、清空。对于FTP下载功能,在执行此命令时,软件读取可输入文本框“目标FTP IP地址:”的IP地址,在局域网内搜索此IP并连接对应的微型无线文件服务器,判断数据表单前缀是否填写了对应的表格名称。若数据表单前缀中填写了表格名称,则在数据处理主机中新建一个文件夹,同时在微型无线文件服务器中下载对应的“名称.xls”到此文件夹;若未搜索到该文件,则提示“未在FTP上搜索到+名称+.xls”。对于转化功能,软件在执行此命令时,读取前一步创建的文件夹,将所有.xls格式的文件转化为.xlsx格式,保存在该文件夹的子文件夹中,方便批量查找数据。对于生成功能,软件在执行此命令时,将.xlsx格式数据表格中对应的试验数据填写入软件面板对应的位置。对于复制功能,在执行此命令时,软件将试验数据有序排列,数据横向间设置“ ”,纵向间设置“ ”,生成整表string,并将string粘贴进系统剪切板,逐步生成每一行数据,至一空内无数据文件前缀停止。对于清空功能,在执行此命令时,软件将所有的5组数据表单前缀置为空白。软件还设置“型号”和“序列号前缀”2栏可输入文本框和对应的复制操作按钮,便于批量对设备型号和序列号进行填写。软件运行逻辑如图3所示。

图3 软件运行逻辑

4 系统测试

本文以CT伏安特性试验为例,在传统作业模式下,进行CT伏安特性试验时,3名作业人员共同完成作业:1人接线,1人操作仪器,1人记录。作业人员需要在试验仪器运行完成后,对试验数据进行手抄记录或保存,影响整体工作耗时,后期需再次录入电脑。此方法单台CT伏安特性测试作业点需要3人,单个变电站CT伏安特性测试数据后期需要花1人1天的时间进行录入整理,数字化程度不足,效率低下。

在使用微型无线文件服务器和配套桌面端软件后,实现了以下效果:取消现场纸质记录或数据文件重命名并存储的过程、节约40%的操作时间;试验人员要求由3N降低至2N+1(N为试验作业点数量);节约了每次约1天1人工的数据记录时间;提高数据记录准确度。

5 结语

本文通过以乐鑫ESP-USB方案为基础的设计改进,开发以数据处理主机为AC设备、连接试验仪器的微型无线文件服务器为AP设备的试验数据传输网络,可以实现1台数据处理主机同时连接多个作业点的试验仪器,并实时将试验数据通过网络传输,将原来的离线设备改为数据在线设备,实现小范围内设备互联,提高了电气试验现场作业效率,实现自动化数据传输与整理,有效节约作业人工,为电力建设提质增效。

此外,由于试验仪器系统不开放的原因,试验仪器中的原始数据文件需要在进行完整试验后人工移入微型无线文件服务器,无法实现就地扫描新文件后自动移入微型无线文件服务器,可以考虑进一步升级,提高效率。