電氣試驗數(shù)據(jù)無線傳輸與自動處理方案設(shè)計

謝經(jīng)華,童偉林,華濟(jì)民,張 林,趙嘉豪,惠 煒

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司無錫供電分公司,江蘇 無錫 214000)

0 引言

電網(wǎng)進(jìn)入存量階段,電網(wǎng)改造增多,所需電氣試驗量持續(xù)增長。試驗數(shù)據(jù)是反映電力設(shè)備性能是否符合設(shè)計要求的唯一途徑,是電氣設(shè)備交付的重要支撐。在現(xiàn)場作業(yè)中,作業(yè)人員人工抄錄試驗數(shù)據(jù)。在CT伏安特性測試項目中,單臺開關(guān)柜產(chǎn)生的試驗數(shù)據(jù)多達(dá)102組,一個變電站內(nèi)通常有15臺以上的開關(guān)柜。試驗儀器具備將試驗數(shù)據(jù)保存成Excel格式的功能,然而此類Excel文件命名通常由時間錨定而非對應(yīng)被試驗設(shè)備,作業(yè)人員需要記錄表格名稱和對應(yīng)的被試驗設(shè)備方可在后期查看相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)。此外,此類表格中的數(shù)據(jù)文本格式與總結(jié)報告不一致,需要逐個整理,工作量繁重。

目前的作業(yè)方式已經(jīng)不能滿足快速發(fā)展的電力建設(shè)和改造需求,市場現(xiàn)狀要求更高效、更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理方式。試驗數(shù)據(jù)錄入作為工作量大的部分之一,需要使用現(xiàn)代化、自動化的改造措施,提高作業(yè)效率,從而更加適應(yīng)現(xiàn)代的電力施工要求。為此,本文對電氣試驗數(shù)據(jù)無線傳輸與自動處理方案進(jìn)行研究,以實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)從試驗儀器中下載并自動整理成所需格式,提高作業(yè)效率。

1 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)框架設(shè)計

常規(guī)數(shù)據(jù)文件從主機(jī)1傳輸至主機(jī)2時,需要通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送或存儲介質(zhì)拷貝等方式。然而,試驗儀器沒有無線網(wǎng)卡,也無法安裝外置網(wǎng)卡,因此,無法進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)方案下的數(shù)據(jù)傳輸。使用存儲介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)文件拷貝面臨以下2個問題:由于試驗數(shù)據(jù)文件不以被試驗設(shè)備名稱命名,文件難以分辨,試驗與數(shù)據(jù)整理需同步進(jìn)行;試驗儀器的USB接口難以支撐頻繁的存儲介質(zhì)插拔,Windows平臺設(shè)備識別存儲介質(zhì)時間長,導(dǎo)致工作時間延長。

Windows平臺設(shè)備只能作為主機(jī),向存儲介質(zhì)直接傳輸數(shù)據(jù),主流的電氣試驗儀器平臺也只能作為數(shù)據(jù)傳輸主機(jī)。因此,Windows平臺數(shù)據(jù)處理主機(jī)無法通過網(wǎng)線直連的方式與試驗儀器作為雙主機(jī)進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)交互。

當(dāng)前主流方案是通過外置網(wǎng)卡或無線數(shù)據(jù)存儲裝置進(jìn)行解決。使用外置網(wǎng)卡的方案需要使用路由器及云服務(wù)器作為數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)中轉(zhuǎn),操作復(fù)雜成本過高。無線數(shù)據(jù)存儲裝置的USB端口和無線網(wǎng)絡(luò)由于主控問題,不能雙端共同操作存儲介質(zhì),導(dǎo)致必須中斷與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸后才能進(jìn)行無線文件傳輸。為實現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn),改變主控和存儲介質(zhì)關(guān)系,從而實現(xiàn)不用中斷與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸就能同時對存儲介質(zhì)中的文件進(jìn)行無線文件傳輸。

本文采用ESP32無線傳輸方案,根據(jù)usb_msc_wireless_disk demo方案改進(jìn)設(shè)計,設(shè)計一款帶有USB端口的、具有存儲功能的微型無線文件服務(wù)器。該微型無線文件服務(wù)器的USB端口可以從試驗儀器USB端口獲取供電,同時進(jìn)行文件傳輸;其無線網(wǎng)絡(luò)功能類似于服務(wù)器網(wǎng)線的功能,對外部進(jìn)行在線數(shù)據(jù)交換,從而實現(xiàn)不移除USB端口的同時通過無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送試驗數(shù)據(jù)。Windows平臺的數(shù)據(jù)處理主機(jī)獲取數(shù)據(jù)模式為從微型無線文件服務(wù)器下載文件。同時,為實現(xiàn)進(jìn)一步的效率提升,微型無線文件服務(wù)器的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為AP模式,數(shù)據(jù)處理主機(jī)的無線網(wǎng)絡(luò)為AC模式,單臺數(shù)據(jù)處理主機(jī)能夠同時掛載多個微型無線文件服務(wù)器,從而使試驗作業(yè)現(xiàn)場1臺數(shù)據(jù)處理主機(jī)同時處理多個試驗作業(yè)點試驗數(shù)據(jù)。具體的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)框架

2 微型服務(wù)器設(shè)計與開發(fā)

2.1 微控制器選型

作為在線文件服務(wù)器的微控制器,需要擁有較高的運算主頻、運行內(nèi)存、無線傳輸能力。微控制器由于需要存儲大量的試驗數(shù)據(jù)文件,還應(yīng)該擁有4 M以上的存儲空間或其他擴(kuò)展存儲方式以及較小的功率需求,以適配USB接口供電能力不足的老舊設(shè)備。綜合上述考慮,本文選擇ESP32 S3微控制器。ESP32 S3微控制器板載的2.4 GHz Wi-Fi與目前的桌面端設(shè)備、手機(jī)端設(shè)備都具有良好的適配性。微控制器配套存儲拓展采用TF卡讀寫模塊,與試驗儀器通過基于UART協(xié)議的USB端口模塊進(jìn)行通信。

2.2 微控制器功能實現(xiàn)與邏輯

傳統(tǒng)Windows平臺主機(jī)采用的數(shù)據(jù)傳輸模式為:在計算機(jī)開啟后,主系統(tǒng)打開網(wǎng)絡(luò)和硬盤,對外置存儲裝置進(jìn)行寫入操作,也可以同時通過網(wǎng)絡(luò)對外置存儲裝置進(jìn)行并行數(shù)據(jù)傳輸操作,沒有傳統(tǒng)無線數(shù)據(jù)存儲裝置的缺點。傳統(tǒng)無線數(shù)據(jù)存儲裝置將數(shù)據(jù)直接寫在FLASH中,致使在數(shù)據(jù)讀取的過程中,需要電腦端有配套軟件讀取FLASH,在桌面端和手機(jī)端需要開發(fā)多套配套系統(tǒng)來讀取數(shù)據(jù),開發(fā)過程復(fù)雜。

借鑒上述Windows平臺主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸模式,本文將ESP32開發(fā)板運行邏輯設(shè)置為:在ESP32開發(fā)板接入試驗儀器USB接口后,由試驗儀器USB接口對其進(jìn)行供電;在微控制器受電開始工作后,打開無線數(shù)據(jù)傳輸功能。在微控制器初始化后,微處理器從內(nèi)置FLASH中加載系統(tǒng),工作方式如下:微控制器初始化為具有無線網(wǎng)絡(luò)功能的服務(wù)器,給該服務(wù)器設(shè)定網(wǎng)絡(luò)運行模式。網(wǎng)絡(luò)模式的選型有2種:(1)將電氣試驗儀器所連接的微型無線文件服務(wù)器定義為AC,設(shè)置網(wǎng)絡(luò)名稱和密碼、IP地址,若干數(shù)據(jù)處理主機(jī)定義為AP,通過其內(nèi)置網(wǎng)卡連接微型無線文件服務(wù)器AC所展開的局域網(wǎng);(2)將數(shù)據(jù)處理主機(jī)定義為AC,設(shè)置其網(wǎng)絡(luò)名稱和密碼、IP地址,電氣試驗儀器所連接的微型無線文件服務(wù)器定義為AP,連接進(jìn)入數(shù)據(jù)處理主機(jī)AC所展開的局域網(wǎng)。在方案(1)中,AP作為可以多AC連接的中心,1臺電氣試驗儀器的數(shù)據(jù)可以同時發(fā)送給多臺數(shù)據(jù)處理主機(jī);在方案(2)中,1臺數(shù)據(jù)處理主機(jī)可以同時下載多臺電氣試驗儀器的數(shù)據(jù)[1]。現(xiàn)場作業(yè)主要存在多個點位同時作業(yè),若多個點位的數(shù)據(jù)能夠同時通過多個微型無線文件服務(wù)器傳輸至1臺數(shù)據(jù)處理主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和處理,現(xiàn)場作業(yè)效率大幅提升。故選擇方案(2),使數(shù)據(jù)處理主機(jī)作為AC,在主機(jī)上開啟無線網(wǎng)絡(luò)共享并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)名稱和密碼;在各微型無線文件服務(wù)器開發(fā)時,設(shè)置為AP模式,并設(shè)置使其訪問固定的網(wǎng)絡(luò)名稱和密碼。在數(shù)據(jù)處理主機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)共享功能開啟時,將微型無線文件服務(wù)器插入試驗儀器。微型無線文件服務(wù)器受電開機(jī)運行,掃描網(wǎng)絡(luò)后自動接入數(shù)據(jù)處理主機(jī)開展的局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)處理主機(jī)能通過瀏覽器或文件管理器訪問微型無線文件服務(wù)器IP地址并查看其中的試驗數(shù)據(jù)文件。

為使數(shù)據(jù)處理主機(jī)能夠通過其展開的局域網(wǎng)下載試驗儀器存儲在微型無線文件服務(wù)器的數(shù)據(jù)文件,微型無線文件服務(wù)器需要具備文件服務(wù)器下載功能,為數(shù)據(jù)處理主機(jī)提供直接的文件下載服務(wù)。在對微型無線文件服務(wù)器進(jìn)行開發(fā)時,設(shè)置IP地址和1個下載頁面,使得數(shù)據(jù)處理主機(jī)能夠連接該IP地址并在網(wǎng)頁上下載存儲在微型無線文件服務(wù)器中的文件,從而實現(xiàn)快速批量化的試驗數(shù)據(jù)文件在線下載[2]。微型無線文件服務(wù)器運行邏輯如圖2所示。

圖2 微型無線文件服務(wù)器運行邏輯

2.3 防塵外殼制作

作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境情況復(fù)雜,在基礎(chǔ)建設(shè)未完成的情況下,灰塵大,因此需要給微型無線文件服務(wù)器制作一個防塵外殼。通過對已定型的微型無線文件服務(wù)器進(jìn)行尺寸測量,使用3D建模和3D打印技術(shù)對外殼進(jìn)行制作。3D打印采用尼龍材料,具有強(qiáng)度高、耐老化的特點[3],防止灰塵等進(jìn)入微型無線文件服務(wù)器內(nèi)部,有效保護(hù)微型無線文件服務(wù)器內(nèi)部電路,提高實用性。

3 試驗儀器數(shù)據(jù)自動處理程序開發(fā)

3.1 軟件開發(fā)需求

根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場實際需求,軟件需要能夠在Windows10平臺數(shù)據(jù)處理主機(jī)上運行,具有打開局域網(wǎng)特定IP網(wǎng)頁的功能,并能選擇對應(yīng)的文件進(jìn)行下載。在完成文件下載后,該軟件應(yīng)可以提取文件中對應(yīng)位置的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)按照一定格式進(jìn)行整理。在完成數(shù)據(jù)處理后,該軟件能夠一鍵對已處理完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制粘貼,數(shù)據(jù)格式應(yīng)可以直接粘貼在總結(jié)報告對應(yīng)的表格中。軟件頁面配備清空按鍵,可以將上一個被試驗設(shè)備數(shù)據(jù)對應(yīng)的文件名清空,并進(jìn)行下一個被試驗設(shè)備數(shù)據(jù)的下載與處理。對于一些需要進(jìn)行特性質(zhì)量判斷的被試驗設(shè)備,軟件具有智能判斷其參數(shù)是否合格的能力。軟件具有較高的適應(yīng)性,方便部署,對應(yīng)Windows7、Windows10等多個現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理主機(jī)使用的操作平臺。軟件采用Python作為編程語言,openpyxl為Excel表格數(shù)據(jù)讀取處理包[4]。

3.2 軟件邏輯設(shè)計

本文使用Visual Studio作為開發(fā)平臺,使用Window10 SDK進(jìn)行本地測試,Python3.2版本作為編程語言。導(dǎo)入wget等作為程序支撐包,建立1個面向?qū)ο蟮娜萜鰽pplication,生成布局createWidget,創(chuàng)建可輸入文本框“目標(biāo)FTP IP地址:”,創(chuàng)建5組數(shù)據(jù)表單前綴,創(chuàng)建變量與string數(shù)據(jù)雙向關(guān)聯(lián),設(shè)置功能按鍵:FTP下載、轉(zhuǎn)化、生成、復(fù)制、清空。對于FTP下載功能,在執(zhí)行此命令時,軟件讀取可輸入文本框“目標(biāo)FTP IP地址:”的IP地址,在局域網(wǎng)內(nèi)搜索此IP并連接對應(yīng)的微型無線文件服務(wù)器,判斷數(shù)據(jù)表單前綴是否填寫了對應(yīng)的表格名稱。若數(shù)據(jù)表單前綴中填寫了表格名稱,則在數(shù)據(jù)處理主機(jī)中新建一個文件夾,同時在微型無線文件服務(wù)器中下載對應(yīng)的“名稱.xls”到此文件夾;若未搜索到該文件,則提示“未在FTP上搜索到+名稱+.xls”。對于轉(zhuǎn)化功能,軟件在執(zhí)行此命令時,讀取前一步創(chuàng)建的文件夾,將所有.xls格式的文件轉(zhuǎn)化為.xlsx格式,保存在該文件夾的子文件夾中,方便批量查找數(shù)據(jù)。對于生成功能,軟件在執(zhí)行此命令時,將.xlsx格式數(shù)據(jù)表格中對應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)填寫入軟件面板對應(yīng)的位置。對于復(fù)制功能,在執(zhí)行此命令時,軟件將試驗數(shù)據(jù)有序排列,數(shù)據(jù)橫向間設(shè)置“ ”,縱向間設(shè)置“ ”,生成整表string,并將string粘貼進(jìn)系統(tǒng)剪切板,逐步生成每一行數(shù)據(jù),至一空內(nèi)無數(shù)據(jù)文件前綴停止。對于清空功能,在執(zhí)行此命令時,軟件將所有的5組數(shù)據(jù)表單前綴置為空白。軟件還設(shè)置“型號”和“序列號前綴”2欄可輸入文本框和對應(yīng)的復(fù)制操作按鈕,便于批量對設(shè)備型號和序列號進(jìn)行填寫。軟件運行邏輯如圖3所示。

圖3 軟件運行邏輯

4 系統(tǒng)測試

本文以CT伏安特性試驗為例,在傳統(tǒng)作業(yè)模式下,進(jìn)行CT伏安特性試驗時,3名作業(yè)人員共同完成作業(yè):1人接線,1人操作儀器,1人記錄。作業(yè)人員需要在試驗儀器運行完成后,對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行手抄記錄或保存,影響整體工作耗時,后期需再次錄入電腦。此方法單臺CT伏安特性測試作業(yè)點需要3人,單個變電站CT伏安特性測試數(shù)據(jù)后期需要花1人1天的時間進(jìn)行錄入整理,數(shù)字化程度不足,效率低下。

在使用微型無線文件服務(wù)器和配套桌面端軟件后,實現(xiàn)了以下效果:取消現(xiàn)場紙質(zhì)記錄或數(shù)據(jù)文件重命名并存儲的過程、節(jié)約40%的操作時間;試驗人員要求由3N降低至2N+1(N為試驗作業(yè)點數(shù)量);節(jié)約了每次約1天1人工的數(shù)據(jù)記錄時間;提高數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確度。

5 結(jié)語

本文通過以樂鑫ESP-USB方案為基礎(chǔ)的設(shè)計改進(jìn),開發(fā)以數(shù)據(jù)處理主機(jī)為AC設(shè)備、連接試驗儀器的微型無線文件服務(wù)器為AP設(shè)備的試驗數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),可以實現(xiàn)1臺數(shù)據(jù)處理主機(jī)同時連接多個作業(yè)點的試驗儀器,并實時將試驗數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸,將原來的離線設(shè)備改為數(shù)據(jù)在線設(shè)備,實現(xiàn)小范圍內(nèi)設(shè)備互聯(lián),提高了電氣試驗現(xiàn)場作業(yè)效率,實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)傳輸與整理,有效節(jié)約作業(yè)人工,為電力建設(shè)提質(zhì)增效。

此外,由于試驗儀器系統(tǒng)不開放的原因,試驗儀器中的原始數(shù)據(jù)文件需要在進(jìn)行完整試驗后人工移入微型無線文件服務(wù)器,無法實現(xiàn)就地掃描新文件后自動移入微型無線文件服務(wù)器,可以考慮進(jìn)一步升級,提高效率。