一種基于數據電子化傳輸處理的新型智能化互感器校驗裝置

朱葛，林聰，何兆磊，何傲

（云南電網有限責任公司計量中心（電力負荷控制技術中心），云南 昆明 650000）

0 前言

目前互感器校驗裝置智能化程度低、通信控制接口功能單一、通信協議非標準、與系統不兼容，電力互感器現場校驗存在以下主要問題：試驗過程中需人工記錄大量測試原始數據；試驗后需將原始數據人工輸入電腦，進行數據修約、編輯，形成檢測報告；試驗數據和報告不能及時接入計量系統，不能支撐數字化、信息化系統管理及應用，不支持有效的閉環管理；人工記錄、輸入、輸出數據及出具報告等多個環節耗費工作人員大量精力，降低工作效率，易造成數據處理差錯，試驗數據有效性、真實性難以得到保證[1]。因此，研制一種可大幅提升電力互感器現場校驗工作效率，實現真正意義的無紙化作業的新型智能化互感器校驗裝置具有極為重要的意義。

本文主要介紹了一種新型智能化互感器校驗裝置，從工作原理，軟硬件功能模塊等方面進行詳細介紹，并針對該設備進行功能測試及相關功能驗證。

1 工作原理及軟硬件設計

1.1 新型智能化互感器校驗裝置工作原理

新型智能化互感器校驗裝置軟硬件主要包括箱體、數據采集單元、數據轉換單元、中央處理單元、人機交互單元、通訊模塊、互感器校驗管理軟件和電源模塊，工作時通過數據采集單元對線路信號進行采集，通過16 bit 高速模擬數字轉換單元進行模數轉換，再通過中央處理單元進行數據處理、計算形成試驗數據并加密存儲，通訊模塊將試驗數據上傳，數據上傳至上位機或掌機處時，可由相關軟件進行數據提取及數據處理，其中包括實驗數據的修約及報告電子化出具，上位機或掌機連接打印機后可實現檢測報告的紙質版出具打印。該校驗裝置的系統原理見圖1。

圖1 新型智能化互感器校驗裝置系統原理

1.2 誤差測試功能模塊及人機交互單元

該種新型智能化互感器校驗裝置兼具傳統互感器校驗裝置的功能和優點，其誤差測試功能模塊主要包括箱體、數據采集單元、數據轉換單元、中央處理單元、人機交互單元和電源模塊。在實際測試中，其誤差校驗流程如下：進行試驗接線；百分表通道幅值、相位計算；差壓/差流通道幅值、相位計算；比差、角差計算；倍率控制計算；試驗數據傳輸至人機交互單元，并在人機交互單元界面上顯示。

與傳統校驗裝置相比，該種新型智能化互感器校驗裝置還對人機交互單元進行了優化，其人機交互單元嵌于面板中央，屏顯分辨率高，可觸摸控制，還可顯示試驗結果、溫度、時間、電量等信息，同時還具備查閱規程規范、試驗接線圖功能[2]。在試驗時可進行手動設置試驗參數，包括互感器/負載類型、量程、準確度等級、容量和功率因數等參數，圖2 為設備人機交互單元UI 功能菜單界面，圖3 為設備人機交互單元UI 測試界面。

圖2 新型智能化互感器校驗裝置人機交互單元UI界面（功能菜單界面）

圖3 新型智能化互感器校驗裝置人機交互單元UI界面（測試界面）

1.3 通信模塊

傳統互感器校驗裝置僅有顯示實時誤差數據功能，無數據傳輸相應接口，不滿足后續對試驗數據進行電子化傳輸處理及數據深化應用的要求[3]。新型智能化互感器校驗裝置通訊模塊包括通訊傳輸接口和內置通訊模塊，通訊傳輸接口位于金屬面板處，包括藍牙通訊接口、串口通訊接口和USB 接口；內置通訊模塊與通訊傳輸接口、中央處理單元連接，用于將信號或數據傳輸至其他設備。該種校驗裝置提供了三種數據傳輸模式，一種是通過無線藍牙傳輸，另兩種是通過USB 傳輸數據或串口通訊傳輸，三種傳輸模式均能實現數據穩定傳輸。

1.3.1 USB傳輸、串口通訊

新型智能化互感器校驗裝置具有USB 接口及RS232 通信接口，能夠實現數據的快速和安全傳輸。通用串行總線（USB）是由Intel、Microsoft、IBM 和NEC 等共同制定的微機總線接口規范，具有傳輸速度快，可靠性高、使用靈活、成本低、功耗小等優點[4]。

新型智能化互感器校驗裝置USB 傳輸功能模塊的實現主要包括兩個階段：一是校驗裝置根據人工操作發出測試數據信息保存命令，校驗裝置將數據信息保存為csv 文件儲存在USB中，二是上位機讀取U 盤中儲存的csv 數據文件，將測試信息內容轉化為測試報告輸出。其文件傳輸原理圖如圖4 所示。

圖4 新型智能化互感器校驗裝置USB傳輸文件流程

功能模塊主要涉及三種關鍵技術。第一是USB 數據傳輸技術，該技術保證了校驗裝置數據能夠順利傳輸到上位機；第二是基于Linux的文件系統通過設備文件的讀寫，將數據通過USB 保存到U 盤中；第三是基于Windows 的文件系統可以讀取U 盤中的csv 文件并進行數據處理。

用戶在Linux 系統配置訪問好USB 后，通過校驗裝置觸摸屏功能，將測試數據文件保存為csv 文件。用校驗裝置觸摸屏的EasyConverter程序讀取由HMI 保存的數據取樣記錄，并轉換成excel 格式。當文件內含有一天以上的數據時，可選擇欲檢視的日期范圍并依照需求做相關設定，將顯示的數據取樣記錄導出轉換成Excel格式，方便上位機讀取。數據傳輸到上位機后，上位機讀取U 盤里的csv 文件，判斷該文件內容模板與設定是否相符，判斷文件類型及文件數據大小，對多條數據進行多線程分塊處理，最后將數據統一成新的用戶可識別的格式，同時兼括查看、選取、修改等功能。

1.3.2 無線藍牙傳輸

新型智能化互感器校驗裝置具備無線藍牙傳輸功能，可在上位機或掌機與校驗裝置之間進行無損無線藍牙傳輸，該種方式摒棄了實體傳輸介質，具備數據傳輸的便捷性，同時還具備功耗低、安全性高，丟包率低的特點。通過無線藍牙傳輸模塊可以將校驗裝置數據經AES加密后上傳至上位機或掌機處[5]，上位機或掌機接收數據經解密后可將校驗裝置數據導入相關軟件進行數據處理及報告電子化處理，其無線藍牙傳輸模式加密解密流程見圖5。

圖5 新型智能化互感器校驗裝置藍牙傳輸加密解密流程

1.4 軟件部分

新型智能化互感器校驗裝置在軟件層面可分為上位機軟件和掌機APP 兩部分，一種是搭載在上位機PC 端的互感器校驗管理軟件，一種是搭載在掌機（移動通信設備）上的APP。軟件及APP 均具備對數據進行提取解析及數據處理功能，可根據被試的準確度等級確定修約間隔并進行修約，修約結果規范保存后根據其數據項分別填入已提前設置的報告模板內，在軟件或APP 內實現檢測報告的電子化出具。業務流程圖6 所示。

圖6 新型智能化互感器校驗裝置業務流程

1.4.1 上位機互感器校驗管理軟件

上位機互感器校驗管理軟件是校驗裝置數據輸出提取后的數據處理平臺，軟件搭載在上位機，上位機與校驗裝置雙向互聯方式包括無線藍牙連接、串口通訊、USB 通訊三種方式。

登錄上位機軟件后可在通信端口設置中設置相應通訊方式，在上位機具備USB 接口和無線藍牙通訊模塊的情況下，設置通訊方式匹配后連接即可實現上位機與校驗裝置的數據交互。測試時，先在互感器校驗裝置UI 界面新建互感器并填寫被試相關基本信息，實現了被試相關信息的電子化錄入，方便后續檢測報告出具。填寫完基本信息后可在測試信息欄提取歷史數據，將校驗裝置數據提取至上位機軟件內，后續進行數據修約及出具檢測報告，上位機互感器校驗裝置管理軟件UI 登錄界面如圖7 所示，UI 測試界面如圖8 所示。

圖7 上位機互感器校驗管理軟件UI登錄界面

圖8 上位機互感器校驗管理軟件UI測試界面

上位機互感器校驗管理軟件因其系統用戶群體固定，同時需要保證數據安全性，根據這些特點，該系統采用C/S 架構進行設計，充分利用C/S 架構界面豐富、安全性、實時性強的特性。系統主要提取數據保存到數據庫，同時根據需求查詢數據庫數據并顯示到用戶界面，其中存在大量的數據庫操作及用戶交互，故將軟件架構分為數據接口層、邏輯處理層、UI 顯示層，采用三層關系方式將用戶界面和數據操作分離開，三層關系見圖9。

圖9 上位機互感器校驗管理軟件分層方案

數據接口層包含互感器相關數據、標準器信息、檢測單位信息及用戶信息等相關數據信息，上層邏輯處理層包含數據搜索、系統設置讀取及修改，報表信息處理、數據備份及還原、串口通信等邏輯處理信息，最上一層為UI 層，該層包含數據顯示界面、系統設置界面、報表打印、數據備份及還原、數據提取等表層信息及UI 顯示功能。

上位機互感器校驗管理軟件在系統設計層面由三大模塊組成，三大模塊分別是數據管理、系統設置和其他功能模塊，詳細系統結構見圖10。

圖10 上位機互感器校驗管理軟件系統結構圖

數據管理模塊主要包含電流互感器數據管理、電壓互感器數據管理、用戶數據管理模塊等。數據界面只顯示數據重要標志信息，例如測試站名、站號等數據同時存儲在同一數據表內，可用通過其他信息對數據類型進行區分。

系統設置模塊采用每個信息設置單獨采用一個界面的設計方式，主要包括:通信參數設置、報表打印相關信息、標準器信息設置、準確度及測試信息設置、打印設置等幾個分模塊。通信參數設置、打印相關信息通過配置文件進行保存和提取，數據庫登錄信息保存、數據登錄地址、賬戶信息通過配置文件形式保存。用戶數據管理模塊中，可查看用戶信息及權限，具備最高權限用戶可以新增、修改、刪除其他用戶信息。

其他功能模塊包含數據提取、報表打印模塊及用戶幫助等功能模塊。數據提取模塊可解析接收到的數據，并存儲到數據庫；報表打印模塊設計了幾種模式報表供操作人員選擇，將選擇信息作為最終打印模板進行打印，打印時以水晶報表進行報表打印，該方式以表格形式打印數據，并且擁有數據篩選功能，報表頭尾可以靈活添加相關打印信息。

1.4.2 掌機APP

掌機APP 搭載在移動通信設備上，僅可以通過無線藍牙通信方式與校驗裝置實現數據傳輸，校驗裝置數據經無線藍牙傳輸方式提取至掌機APP 內，掌機與系統后臺服務器進行雙向數據交換，系統后臺對數據進行分析處理，生成檢測報告后可由掌機輸出并打印[6]。

掌機APP 其后臺系統搭建采用與上位機軟件相似的系統配置和軟件分層方案，其中APP與校驗裝置數據流請求回應傳輸流程如圖11、圖12 所示。數據流由移動端應用發送報頭，經藍牙通訊設備傳輸至校驗裝置，校驗裝置測試的互感器誤差數據以報頭+ 報文的形式通過藍牙通訊設備回復至移動端應用，移動端應用與校驗裝置數據雙向交互過程中均經加密解密完成，至此完成一段數據流閉環。

圖11 掌機APP通信協議請求數據流程

圖12 掌機APP通信協議回應數據流程

在現場實際開展互感器檢測工作時，管理人員通過賬號加密碼認證方式登錄軟件，在現場檢驗項目管理功能模塊中新增檢測任務，隨后派發至現場檢測工作負責人處。現場檢測工作負責人使用新型智能化互感器校驗裝置對被試品進行檢測后，將實驗數據通過藍牙通訊模塊上傳至掌機，掌機將實驗數據上傳至后臺服務器，由審核人員審核無誤后生成報告，導出報告進行打印后即實現業務流程閉環。現場檢測流程圖如圖13 所示。

圖13 現場檢測流程

1.5 數據傳輸處理及檢測報告電子化出具

本文設計的新型智能化互感器校驗裝置區別于傳統互感器校驗儀的主要功能特點在于其能夠實現數據電子化傳輸處理，同時在軟件內實現電子化、自動化出具試驗原始記錄及檢測報告的功能。

上位機可以通過USB 通信串口用移動存儲設備（移動硬盤、便攜式U 盤等設備）拷貝試驗數據，也可以通過無線藍牙通訊直接提取裝置試驗數據，經上位機軟件提取后的試驗數據可在軟件內進行數據處理及數據修約功能，在軟件內填寫試驗相關參數及信息后，可將試驗數據填入預設的原始記錄模板內，也可將修約后的試驗數據填入預設的檢測報告模板內，在上位機軟件內實現試驗原始記錄和檢測報告的電子化出具，上位機連接打印機后可以實現相關原始記錄和檢測報告的紙質版出具。

掌機APP 可以通過藍牙通訊實現校驗裝置數據提取功能，數據提取后在掌機APP UI 界面填寫試驗相關信息及規格參數后，掌機將校驗裝置試驗數據與APP 內填寫數據統一打包發送至后臺服務器，后臺服務器可以根據掌機APP指令，將數據包內相關數據進行處理后填入預設原始記錄模板內，同時也可以根據掌機指令對試驗數據進行修約，并將修約后試驗數據及其他相關數據填入預設的檢測報告模板內，后臺服務器向掌機APP 發送模板化、標準化處理好的電子版試驗原始記錄及檢測報告，掌機接收服務器數據后可以導出原始記錄和檢測報告電子版，連接打印機后可以實現紙質版報告的出具。

2 校驗裝置功能測試驗證

對新型智能化互感器校驗裝置的相關功能進行實際環境下的測試驗證，現場采用比差法對一臺被試CT 進行現場誤差測試及通信測試，測試中驗證校驗裝置誤差測試、結果保存、數據傳輸及上位機軟件相關功能，現場被試CT 規格型號如表1 所示。

表1 被試CT規格型號

2.1 誤差測試功能及數據傳輸及修約功能驗證

現場測試采取傳統比差法接線對被試開展互感器誤差測試，校驗裝置取點保存測試數據，測試現場如圖14 所示。

圖14 現場測試

經測試后，實測數據如表2 所示。

表2 被試CT實測誤差值

誤差測試結束后，上位機采用無線藍牙通訊模式與校驗裝置之間進行連接，上位機軟件主動調取校驗裝置歷史數據。經測試，上位機調取校驗裝置歷史數據功能準確實現。上位機互感器校驗管理軟件試驗原始數據及修約后數據如圖15 所示，根據被試原始數據及其修約間隔，復核上位機軟件修約結果正確，報告電子化模板出具功能準確實現。

圖15 上位機軟件檢測數據提取及修約結果

2.2 與傳統作業方式進行比較

現場檢測中采用兩種方式進行，一種是采用新型智能化互感器校驗裝置作業，一種是采用傳統作業方式，比較兩種作業方式在工作效率、人機工效及作業準確性上的差別。傳統作業方式與新型智能化互感器校驗裝置在互感器誤差測試的過程基本一致，主要的區別在于其數據記錄及傳輸、出具原始記錄、檢測報告流程上的區別。

經實際測試比對，兩種作業方式呈現出了較大的區別，具體區別如表3 所示。現場誤差校驗過程兩種作業方式相同，但在后續檢測數據記錄、傳輸、處理及出具原始記錄和檢測報告的過程中，使用新型互感器校驗裝置相對于傳統作業方式極大節省了時間，提高了作業效率。同時使用新型互感器校驗裝置作業還提升了檢測數據的準確性，傳統作業方存在大量人工記錄和人工干預，而采用新型智能化互感器校驗裝置的作業方式減少了人工干預，避免人工記錄、處理數據引入差錯，提升了作業的質量。

表3 兩種處作業方式的不同開展方式比較

3 結束語

本文所介紹的新型智能化互感器校驗裝置在兼具傳統互感器校驗裝置的優點的同時還能具備多種數據傳輸方式下的數據處理及電子化出具報告的功能，真正意義上實現了無紙化作業，避免人工記錄、處理數據引入差錯，實現試驗的高效、規范開展和及時有效的閉環管理，提升計量專業現場試驗管理水平。

該智能化互感器校驗裝置的應用可為確保關口計量準確性、促進計量系統關口檢測及臺賬信息的數據維護和應用提供有力支持，該裝置可在整個電力行業進行推廣，具有較好的推廣應用價值。