应用网络数字化管理的GIS出厂试验数据系统
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
西安西电开关电气有限公司的研究人员张永强、郭诚、张豪俊、张子剑、耿超鹏，在2019年第5期《电气技术》杂志上撰文指出（论文标题为“基于网络数字化管理的气体绝缘金属封闭开关设备出厂试验数据系统”），GIS是电力系统中的重要组成设备之一，它是保护电力系统运行安全和控制电力系统电路的重要设备。
在GIS设备出厂前，需要对GIS设备进行多项试验，目前出厂检验试验数据以报告或以零散试验数据保存在电脑上，原始数据检索很困难。本文通过使用计算机技术、数据库技术和网络技术，实现了GIS出厂试验的网络化和数字化管理。
气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated metal enclosed switchgear and controlgear, GIS）结构复杂，出厂试验环节众多，试验情况复杂，主要的试验项目包括机械特性试验、回路电阻测试试验、绝缘试验、雷电冲击试验、气密性试验和局部放电试验等。
目前的试验方法都为离线式，是独立的试验方案，试验数据通过纸质报告或者离散的数字文件保存，没有统一的管理方案，管理混乱，而且需要管理人员耗费大量的精力整理资料完善数据，效率低下。
基于网络数字化管理的GIS出厂试验数据系统，提供了一种基于网络的GIS设备试验管理系统及方法，实现了GIS出厂试验的数字化网络化管理，简化了试验过程提高了工作率，并保证了试验数据的安全性和真实性。
1 系统结构
基于网络的GIS设备试验系统采用3层结构，第一层为试验层，该层网络采用基于WiFi的无线网络系统，试验平台通过WiFi与试验场所的无线路由器连接，路由器负责与企业内网进行通信获取数据中心数据；第二层为管理层网络，所有管理层设备通过企业内网连接，数据中心可与试验管理系统、数据接口和试验终端通信；第三层为互联网层，数据中心通过防火墙与以太网连接，可实现试验数据的互联网访问。系统结构图如图1所示。
1.1 试验层
试验层包括试验终端和WiFi网络，试验终端的结构如图2所示。试验终端由试验终端主机、无线网络模块、二维码扫描模块、传感器接口、数据显示模块、交互模块和电源系统组成。
其中：
①无线网络模块负责与试验场所无线路由器连接，获取数据中心数据；
②二维码扫描模块用于扫描试验对象二维码，实现试验计划的快速获取和检索；
③传感器接口提供试验终端的所有试验用传感器的连接接口，根据不同的试验类型，传感器接口有所不同，同时试验终端可提供多种传感器接口以适应不同的试验种类；
④试验终端主机为试验终端的核心设备，该设备负责协调试验终端各模块共组，并提供试验计划获取、试验数据测量和试验数据上传等功能；
⑤数据显示模块和交互模块负责试验设备与试验员的交互；
⑥电源系统提供试验终端的电源供给，同时可向试验设备提供控制和测量电源。
图1 系统结构图
图2 试验终端功能图
1.2 管理层
管理层包括数据中心、试验管理系统和数据接口。数据中心安装在可访问的网络节点上，用于提供数据存储服务，存储的数据包括试验参数、试验数据、用户信息、项目信息等。试验管理系统安装于试验管理部门，该系统可实现试验参数获取、试验计划下达、试验数据管理、试验数据报表分析和试验报告生成等工作，是整个系统的管理核心。
该系统包括用户验证与管理模块、试验计划管理模块、试验参数管理模块、试验数据管理模块和试验报告生成模块。其中试验计划管理模块可用于生成产品试验二维码信息。数据接口负责提供数据访问的网络接口，采用Webservice数据服务实现。
1.3 外网层
外网层包括防火墙和互联网，通过外网层可实现试验数据的异地访问和使用，为试验数据的便捷使用奠定了基础。
2 关键技术研究
2.1 试验数据流
图3为系统工作时的数据交换过程。试验管理系统和试验终端通过网络与数据中心通信，数据中心作为纽带，连接试验管理系统和试验终端。一项试验开始前，首先在试验管理系统中生成试验计划，并把试验计划推送至数据中心；数据中心中保存了试验参数、项目信息和机构参数等基本数据；试验终端通过网络，实时同步数据中心的试验计划生成试验列表，根据试验计划完成试验后，把试验数据和试验结构推送至数据中心。
图3 试验数据流
2.2 试验流程设计
图4为基于网络的GIS设备试验系统的工作流程图：①由试验员使用试验管理系统生成试验计划，试验计划自动同步至数据中心；②试验人员在试验终端上查看试验计划并完成试验，试验过程中试验终端调取数据中心的试验要求与试验结果对比，若合格，则自动进入下一项试验，如不合格，则重新进行试验；③试验合格后试验数据和试验结果会自动上传至数据中心完成数据归档存库；④试验完成后，利用试验管理系统可实现试验数据检索、分析和试验报告的生成工作。
2.3 试验终端数据上传设计
试验终端数据上传流程如图5所示。
图4 试验流程设计
图5 试验数据上传流程
2.4 二级断口设计方法
GIS品种多样，为了适应不同的GIS断口信号采集时采用了二级断口数据存储方法，数据存储格式采用字符串数组，每组字符串10个字符代表10个断口信息，为时序测量提供可能，每个字符有3种状态，即0、1、2。
3 软件设计
3.1 试验台软件设计
以机械特性试验台为例，试验台软件安装在试验终端上，负责接收由数据中心发送的试验计划，并根据试验计划获取试验配置，然后完成试验，完成试验后实现试验数据的自动上传，软件界面如图6所示。
图6 试验终端软件设计
3.2 数据中心设计
数据中心采用私有云为载体搭建数据服务中心。数据服务中心建立了7个数据库结构，用于存储项目信息、机构信息、试验计划、试验数据、试验结果和用户信息等关键信息。数据设计如图7所示。
3.3 试验管理系统设计
试验管理系统的主要功能包括试验计划管理、产品参数管理、数据管理和用户管理4个部分：①其中试验计划管理包括项目基本信息、项目状态、计划自动生成和产品类型匹配等功能；②产品参数管理包括产品基本信息、产品计算参数、产品详细信息和产品额定参数范围管理等功能；③数据管理包括试验数据检索、试验报告生成和数据波形显示等；④用户管理包括用户基本信息维护、用于权限信息维护和用户密码信息维护等功能。
数据库设计如图8所示。
图7 数据库设计
图8 试验管理系统功能
软件的登录界面如图9所示。软件的数据检索界面如图10所示。
图9 软件登录界面
图10 数据检索界面
本文通过使用无线网络、数据库和计算机技术，实现了GIS出厂试验的数字化和网络化，为试验数据的快速检索和二次利用提供了可能，同时提供了数据访问接口，可实现试验数据的异地访问。