基于WebSocket的電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新研究

鄭 玲，鄭曉天

(華北電力大學(xué)，北京 102206)

1 電力系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示

隨著社會(huì)的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，日趨復(fù)雜，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)急劇增加。為了便于工作人員更有效地進(jìn)行管理，更具有針對(duì)性地解決出現(xiàn)的問(wèn)題，能夠直觀地顯示系統(tǒng)中各類數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示作為可視化技術(shù)中的核心部分，是管理人員最為關(guān)心的對(duì)象。它反映了電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和分析能夠了解設(shè)備的性能、運(yùn)行狀態(tài)和健康狀況，從而保證整個(gè)電力系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)，目前的系統(tǒng)大多使用定時(shí)刷新的方式，將刷新時(shí)間間隔設(shè)置盡可能地小來(lái)模擬實(shí)時(shí)性，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正的“實(shí)時(shí)”[1-2]。

2 傳統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新方式

2.1 頁(yè)面定時(shí)刷新

因HTTP協(xié)議是無(wú)狀態(tài)的，客戶端與服務(wù)器交互的一般過(guò)程為:客戶端打開(kāi)連接，發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器處理請(qǐng)求，返回響應(yīng)給客戶端，關(guān)閉連接。如果客戶端有新的請(qǐng)求，則需再打開(kāi)新的連接。

如果用戶要得到較新的數(shù)據(jù)，最為傳統(tǒng)的方式即為頁(yè)面定時(shí)刷新。刷新時(shí)間間隔根據(jù)應(yīng)用具體情況而定。因不斷刷新整個(gè)頁(yè)面，該方案會(huì)造成服務(wù)器負(fù)擔(dān)過(guò)重，并且占用大量帶寬，同時(shí)用戶體驗(yàn)也較差。

2.2 輪詢方式

客戶端定時(shí)發(fā)送一個(gè)Ajax請(qǐng)求，如果有可更新的數(shù)據(jù)，則服務(wù)器將數(shù)據(jù)返回到客戶端，之后客戶端通過(guò)DOM操作對(duì)圖像做相應(yīng)修改。該方式只需傳輸部分?jǐn)?shù)據(jù)，占用帶寬變小。但客戶端無(wú)法得知服務(wù)器何時(shí)更新了數(shù)據(jù)，因此只能設(shè)置一個(gè)固定的時(shí)間間隔，不斷發(fā)送請(qǐng)求，這樣就會(huì)發(fā)送很多不必要的請(qǐng)求。

2.3 長(zhǎng)輪詢方式

客戶端發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求給服務(wù)器，服務(wù)器會(huì)在一個(gè)設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)保持這個(gè)連接為打開(kāi)狀態(tài)，如果在這段時(shí)間內(nèi)有新數(shù)據(jù)出現(xiàn)，服務(wù)器就會(huì)將新數(shù)據(jù)返回給客戶端;如果在這個(gè)設(shè)定的時(shí)間內(nèi)一直沒(méi)有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生，則服務(wù)器在時(shí)間到的時(shí)候返回一個(gè)無(wú)新數(shù)據(jù)的響應(yīng)給客戶端。

長(zhǎng)輪詢相對(duì)于一般輪詢的優(yōu)點(diǎn)在于，一旦有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生，便立即從服務(wù)器發(fā)送到客戶端，因此沒(méi)有延時(shí)，一定程度上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性，但它依舊依賴于客戶端的請(qǐng)求，在數(shù)據(jù)交互頻繁時(shí)，服務(wù)器端有大量消息要推送，它便與普通輪詢?cè)诒举|(zhì)上變得相同了。

2.4 FlashSocket

FlashSocket通過(guò)Flash播放器使用指定的端口與服務(wù)器通信，連接在數(shù)據(jù)傳輸完成后不會(huì)關(guān)閉，因此可實(shí)現(xiàn)即時(shí)通信。但FlashSocket依賴于Flash插件，而某些客戶端，比如iPhone/iPad，并不支持Flash。同時(shí)其要求防火墻的843端口是打開(kāi)的，這樣Flash組件才能發(fā)出HTTP請(qǐng)求來(lái)檢索包含域授權(quán)的策略文件。如果客戶端處在代理服務(wù)器的后面的話，到端口843的連接可能會(huì)被拒絕[3-8]。

3 基于WebSocket的數(shù)據(jù)更新方案

3.1 WebSocket介紹

WebSocket是HTML5規(guī)范中的一個(gè)重要組成部分，是下一代客戶端-服務(wù)器的異步通信方法。它取代了單個(gè)的TCP套接字，使用WS或WSS協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了客戶端與服務(wù)器端的雙向通信，使兩者之間可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的相互傳送。相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新方案，WebSocket可極大地減少網(wǎng)絡(luò)流量與延遲。

WebSocket目前正由W3C組織進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，已經(jīng)受到Firefox 4、Chrome 4、Safari 5等瀏覽器以及Jetty 7、Tomcat 7、Resin 等服務(wù)器的支持。

3.2 WebSocket的使用

在服務(wù)器與客戶端之間，WebSocket的連接是通過(guò)WebSocket協(xié)議在第一次“握手”時(shí)建立的，它同樣使用TCP/IP協(xié)議。WebSocket協(xié)議比較簡(jiǎn)單，客戶端和普通的瀏覽器一樣通過(guò)80或者443端口和服務(wù)器進(jìn)行請(qǐng)求握手，服務(wù)器根據(jù)http header識(shí)別請(qǐng)求類型，若為WebSocket請(qǐng)求，則將請(qǐng)求升級(jí)為一個(gè)Web-Socket連接，握手成功后就進(jìn)入雙向長(zhǎng)連接的數(shù)據(jù)傳輸階段。

客戶端的請(qǐng)求類似如下內(nèi)容:

服務(wù)器端的響應(yīng)類似如下內(nèi)容:

WebSocket的數(shù)據(jù)傳輸是基于幀的方式，使用utf-8編碼模式，客戶端無(wú)需安裝任何插件，即可維持一個(gè)雙向連接。一旦連接建立，WebSocket數(shù)據(jù)幀就能夠以雙通道模式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)[11]。

3.3 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新的實(shí)現(xiàn)

電力系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸一般由圖1所示方式實(shí)現(xiàn)。

圖1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸示意圖

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源(例如SCADA)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以單向傳輸?shù)姆绞?，通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳入數(shù)據(jù)采集站中。數(shù)據(jù)采集站將數(shù)據(jù)打包成相應(yīng)格式，存入管理系統(tǒng)使用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中需要使用觸發(fā)器來(lái)調(diào)用管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)更新相關(guān)的代碼。每當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，觸發(fā)器立即調(diào)用更新代碼，將更新數(shù)據(jù)即時(shí)反應(yīng)到系統(tǒng)界面中去，具體實(shí)現(xiàn)方法這里不再贅述。

3.4 WebSoket部分的代碼示例

WebSocket的前后臺(tái)交互過(guò)程如圖2所示。

圖2 WebSocket前后臺(tái)交互圖

Web客戶端(JavaScript代碼，使用Firefox 4瀏覽器):

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于WebScoket的電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新方案，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Ajax、FashScoket方式，實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)更新，降低數(shù)據(jù)流量和網(wǎng)絡(luò)延遲，減輕服務(wù)器負(fù)擔(dān)。

作為下一代的HTML版本，HTML5受到了越來(lái)越多的關(guān)注，其眾多的新特性也必然會(huì)隨著HTML5的普及逐步成為各類B/S架構(gòu)軟件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。相信在未來(lái)，基于WebSocket的Web實(shí)時(shí)通信將得到廣泛應(yīng)用。

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