水電站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與監(jiān)測子系統(tǒng)接口技術(shù)分析

夏　偉，潘羅平，周　葉，譚志鋒

（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

水電站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與監(jiān)測子系統(tǒng)接口技術(shù)分析

夏偉，潘羅平，周葉，譚志鋒

（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

摘要：對水電廠遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺與監(jiān)測子系統(tǒng)接口的技術(shù)方法進行了歸納，并根據(jù)子系統(tǒng)的不同，將狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺與監(jiān)測子系統(tǒng)接口連接方式進行分類描述，通過對國內(nèi)水電站中應(yīng)用較多的常規(guī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺與監(jiān)測子系統(tǒng)連接方式的調(diào)研，對其連接方式進行分析，指出了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺與子系統(tǒng)連接時存在的問題及決定其連接穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，提出解決方法及建議。

關(guān)鍵詞：狀態(tài)監(jiān)測；監(jiān)測子系統(tǒng)；接口

1　前言

近年來隨著計算機信息技術(shù)的發(fā)展，水電機組狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，各種水電機組監(jiān)測系統(tǒng)如機組穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)、水輪機效率監(jiān)測系統(tǒng)、發(fā)電機氣隙監(jiān)測系統(tǒng)等得以在電廠大量安裝和使用[1]。

國內(nèi)水電機組狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的研究及應(yīng)用狀況存在以下特點：

（1）監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品的研制取得了一定的進展，從過去單一的振動、擺度監(jiān)測，發(fā)展到現(xiàn)在振動、擺度、壓力、溫度、氣隙與磁場強度、局放、油氣等多種項目的監(jiān)測。

（2）水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性（包括振動、擺度和壓力脈動）監(jiān)測技術(shù)基本成熟；已能對氣隙、局放、油氣等進行初步監(jiān)測，但監(jiān)測技術(shù)還有待進一步完善。例如，如何降低局放監(jiān)測中的噪聲干擾；水輪發(fā)電機組低頻振動、空化空蝕、關(guān)鍵部件應(yīng)力與裂紋、發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組溫度在線監(jiān)測等，還是國內(nèi)、外尚未解決的技術(shù)難題。

（3）國內(nèi)目前還沒有出現(xiàn)一個多區(qū)域多機組的監(jiān)測、診斷、管理、維修一體化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?，F(xiàn)有現(xiàn)場實際診斷經(jīng)驗，與工程實際應(yīng)用存在較大差距；狀態(tài)檢修功能幾近空白[2]。

綜合分析不同水電廠機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的實際運行情況，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般采用如下典型設(shè)置：獨立建立狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的局域網(wǎng)，通過數(shù)據(jù)服務(wù)器將其與系統(tǒng)局域網(wǎng)連接起來，使電廠局域網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的所有用戶終端和通過廣域網(wǎng)接入的其他用戶終端能實時查詢和訪問在線監(jiān)測狀態(tài)數(shù)據(jù)[3]。

國內(nèi)大型電站，如三峽電站，建立了遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，將各監(jiān)測子系統(tǒng)成功合并到一個系統(tǒng)中，通過對機組狀態(tài)進行全面、長期和實時的監(jiān)測分析，使機組故障智能診斷成為可能，為進一步推行狀態(tài)檢修提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和檢修依據(jù)。同時，監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺與子系統(tǒng)的連接成為一個越來越突出的問題。

本文結(jié)合三峽遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)實例，對遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件接口技術(shù)進行系統(tǒng)闡述。水電機組遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中涉及眾多不同的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式并不一致，因此，在子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送到遠程狀態(tài)監(jiān)測上層軟件平臺中時，需對接口數(shù)據(jù)傳輸方式進行規(guī)定，保證上層軟件平臺中數(shù)據(jù)的一致性及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，便于利用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析乃至智能診斷。

2　遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)接口技術(shù)分析

目前，在遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議中，應(yīng)用較多的是UDP協(xié)議和TCP/IP協(xié)議。

2.1 UDP協(xié)議

UDP是User Datagram Protocol的簡稱，中文名是用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議，是OSI參考模型中一種無連接的傳輸層協(xié)議，提供面向事務(wù)的簡單不可靠信息傳送服務(wù),IETF的RFC 768是UDP的正式規(guī)范。UDP的主要特點有：

（1）UDP是一個非連接的協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)之前源端和終端不建立連接，當它想傳送時就簡單地去抓取來自應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，并盡可能快地把它扔到網(wǎng)絡(luò)上。在發(fā)送端，UDP傳送數(shù)據(jù)的速度僅僅是受應(yīng)用程序生成數(shù)據(jù)的速度、計算機的能力和傳輸帶寬的限制；在接收端，UDP把每個消息段放在隊列中，應(yīng)用程序每次從隊列中讀一個消息段。

（2）由于傳輸數(shù)據(jù)不建立連接，因此也就不需要維護連接狀態(tài)，包括收發(fā)狀態(tài)等，一臺服務(wù)機可同時向多個客戶機傳輸相同的消息。

（3）UDP信息包的標題很短，只有8個字節(jié)，相對于TCP的20個字節(jié)信息包的額外開銷很小。

（4）吞吐量不受擁擠控制算法的調(diào)節(jié)，只受應(yīng)用軟件生成數(shù)據(jù)的速率、傳輸帶寬、源端和終端主機性能的限制。

（5）UDP使用盡最大努力交付，即不保證可靠交付，因此主機不需要維持復(fù)雜的鏈接狀態(tài)表（這里面有許多參數(shù)）。

（6）UDP是面向報文的。發(fā)送方的UDP對應(yīng)用程序交下來的報文，在添加首部后就向下交付給IP層。既不拆分，也不合并，而是保留這些報文的邊界，因此，應(yīng)用程序需要選擇合適的報文大小。

2.2 TCP協(xié)議

TCP（Transmission Control Protocol）傳輸控制協(xié)議是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的運輸層通信協(xié)議，由IETF的RFC 793說明。在簡化的計算機網(wǎng)絡(luò)OSI模型中，它完成第四層傳輸層所指定的功能，UDP是同一層內(nèi)另一個重要的傳輸協(xié)議。

TCP所提供服務(wù)的主要特點有：

（1）面向連接的傳輸；

（2）端到端的通信；

（3）高可靠性，確保傳輸數(shù)據(jù)的正確性，不出現(xiàn)丟失或亂序；

（4）全雙工方式傳輸；

（5）采用字節(jié)流方式，即以字節(jié)為單位傳輸字節(jié)序列；

（6）緊急數(shù)據(jù)傳送功能。

2.3 TCP協(xié)議與UDP協(xié)議的區(qū)別

（1）TCP是面向連接的傳輸控制協(xié)議，而UDP提供了無連接的數(shù)據(jù)包服務(wù)，因此，在安全性方面來說，TCP/IP更具有優(yōu)越性。

（2）TCP具有高可靠性，確保傳輸數(shù)據(jù)的正確性，不出現(xiàn)丟失或亂序；UDP在傳輸數(shù)據(jù)前不建立連接，不對數(shù)據(jù)包進行檢查與修改，無須等待對方的應(yīng)答，所以，會出現(xiàn)分組丟失、重復(fù)、亂序，應(yīng)用程序需要負責傳輸可靠性方面的所有工作，因此，UDP具有較好的實時性，工作效率較TCP協(xié)議高。

（3）TCP/IP偏重的是點對點的通信，使用時服務(wù)器和客戶端的區(qū)別顯而易見，而UDP則可以使用組播實現(xiàn)一對多，幾乎沒有客戶端和服務(wù)器的區(qū)別，在時間和空間上具有更高的節(jié)約性。

（4）對系統(tǒng)資源的要求方面，由于UDP段結(jié)構(gòu)比TCP的段結(jié)構(gòu)簡單，故TCP協(xié)議要求較多，UDP協(xié)議較少；TCP提供超時重發(fā)，丟棄重復(fù)數(shù)據(jù)，檢驗數(shù)據(jù)，流量控制等功能，保證數(shù)據(jù)能從一端傳到另一端，故TCP協(xié)議傳輸速度慢；由于UDP在傳輸數(shù)據(jù)包前不用在客戶和服務(wù)器之間建立一個連接，且沒有超時重發(fā)等機制，故而傳輸速度很快。

（5）在具體編寫的代碼結(jié)構(gòu)上，TCP/IP是通過創(chuàng)建Socket對象進行連接，從連接對象上得到輸入輸出流，在流中讀寫從而通信。而UDP則是在本機創(chuàng)建DatagramSocket對象，將數(shù)據(jù)包裝成Datagram-Packet包來發(fā)送，其中包里有要發(fā)送到的地址。

3　在線監(jiān)測系統(tǒng)接口協(xié)議應(yīng)用

TCP在數(shù)據(jù)包接收無序、丟失或在交付期間被破壞時，負責數(shù)據(jù)恢復(fù)。它通過為其發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包提供一個序號來完成此恢復(fù)。為確保正確地接收數(shù)據(jù)，TCP要求在目標計算機成功收到數(shù)據(jù)時發(fā)回一個確認（即ACK）。如果在某個時限內(nèi)未收到相應(yīng)的ACK，將重新傳送數(shù)據(jù)包。如果網(wǎng)絡(luò)擁塞，這種重新傳送將導(dǎo)致發(fā)送的數(shù)據(jù)包重復(fù)。但是，接收計算機可使用數(shù)據(jù)包的序號來確定它是否為重復(fù)數(shù)據(jù)包，并在必要時丟棄它。

當發(fā)生網(wǎng)絡(luò)阻塞時，UDP較低的開銷使其有更好的機會去傳送管理數(shù)據(jù)。TCP豐富的功能有時會導(dǎo)致不可預(yù)料的性能低下。在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不理想時，UDP協(xié)議數(shù)據(jù)包丟失會比較嚴重。但由于UDP資源消耗小，處理速度快的優(yōu)點，所以普通數(shù)據(jù)在傳送時使用UDP較多，偶爾丟失一兩個數(shù)據(jù)包，不會對接收結(jié)果產(chǎn)生太大影響。雖然TCP協(xié)議中植入了各種安全保障功能，但是在實際執(zhí)行的過程中會占用大量的系統(tǒng)開銷，速度受到嚴重的影響。反觀UDP由于排除了信息可靠傳遞機制，將安全和排序等功能移交給上層應(yīng)用來完成，極大降低了執(zhí)行時間，使速度得到了保證。

以三峽遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)使用專用網(wǎng)絡(luò)，不存在網(wǎng)絡(luò)堵塞的情況，因此實際上選擇UDP協(xié)議或TCP協(xié)議時，當某些子系統(tǒng)在上層應(yīng)用中完成了安全和排序功能，或者使用了物理隔離裝置，這時可選擇UDP協(xié)議，若是不能排除信息可靠傳遞機制，則選擇TCP協(xié)議。

（1）H9000監(jiān)控系統(tǒng)

為完成機組狀態(tài)實時數(shù)據(jù)由H9000系統(tǒng)到遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的傳輸，在H9000趨勢系統(tǒng)WEB服務(wù)器上，安裝數(shù)據(jù)接口發(fā)送程序；在遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)廠級服務(wù)器上，安裝數(shù)據(jù)接口接收程序，遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)廠級服務(wù)器有專網(wǎng)與系統(tǒng)中心通訊。程序通訊基于Socket接口，由于H9000系統(tǒng)數(shù)據(jù)量非常大，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)非常成熟，且在上層應(yīng)用中采用了物理隔離裝置，只允許單向通訊，不能達到TCP協(xié)議3次來回通訊的要求；完成了數(shù)據(jù)安全和排序功能，在網(wǎng)絡(luò)情況很理想（專網(wǎng)專用）的情況下，極少存在數(shù)據(jù)丟包、錯誤等問題，可以保證數(shù)據(jù)的安全性及可靠性，故發(fā)送和接收程序采用UDP協(xié)議。

另外，可在“數(shù)據(jù)存儲程序”中配置發(fā)送協(xié)議的時間間隔，保證將全部的監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至故障診斷中心廠級數(shù)據(jù)服務(wù)器?！皵?shù)據(jù)存儲程序”接收到遠程發(fā)送的數(shù)據(jù)后，自動將獲取的數(shù)據(jù)保存為獨立的數(shù)據(jù)文件格式（如二進制、XML或文本格式等），指定文件名稱和結(jié)構(gòu)規(guī)則，訪問數(shù)據(jù)文件完成數(shù)據(jù)分析和入庫工作。

（2）創(chuàng)為實系統(tǒng)

為完成機組狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)由創(chuàng)為實系統(tǒng)到遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的傳輸，在創(chuàng)為實系統(tǒng)WEB服務(wù)器上，安裝數(shù)據(jù)接口發(fā)送程序；在遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)廠級服務(wù)器上，安裝數(shù)據(jù)接口接收程序。由于數(shù)據(jù)傳輸過程中不經(jīng)過物理隔離裝置，為保證數(shù)據(jù)準確性和可靠性，采用TCP協(xié)議。數(shù)據(jù)通訊基于Socket接口，發(fā)送和接收程序中配置發(fā)送和接收的TCP/IP地址和端口號。在遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)廠級服務(wù)器中，安裝有“數(shù)據(jù)存儲程序”，該程序通過TCP/IPSocket訪問“代理程序”監(jiān)聽的端口，并發(fā)送協(xié)議請求，“代理程序”發(fā)送系統(tǒng)客戶端協(xié)議到Central程序，獲得所需的機組實時數(shù)據(jù)。之后，“代理程序”將獲取的數(shù)據(jù)整理后返回到遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)廠級服務(wù)器上的“數(shù)據(jù)存儲程序”，“數(shù)據(jù)存儲程序”將獲取的數(shù)據(jù)保存成數(shù)據(jù)文件。

（3）油中氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)

采用TCP/IP協(xié)議的Socket通訊，其中油氣在線監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器作為客戶端安裝數(shù)據(jù)發(fā)送程序，遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)廠級服務(wù)器作為服務(wù)器端安裝數(shù)據(jù)接收程序；每條數(shù)據(jù)以“ ”(換行回車符)結(jié)尾，以該結(jié)束符作為多條數(shù)據(jù)記錄的間隔符；

每條數(shù)據(jù)記錄各字段間以分號（；）作為間隔，一條數(shù)據(jù)記錄格式如下：

設(shè)備號；日期時間；H2濃度；CO濃度；CH4濃度；C2H4濃度；C2H2濃度；C2H6濃度；總烴濃度；總可燃氣體濃度；CO2濃度；O2濃度；若有未檢測的氣體，在數(shù)據(jù)記錄中為空。

油氣在線監(jiān)測系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫觸發(fā)的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)庫有數(shù)據(jù)寫入時，才向遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)廠級服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)由廠級服務(wù)器傳送至系統(tǒng)中心服務(wù)器，沒有數(shù)據(jù)時不發(fā)送。

4　存在的問題及總結(jié)

在遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，系統(tǒng)中心與子系統(tǒng)的通訊是至關(guān)重要的問題，與子系統(tǒng)通訊的順暢與穩(wěn)定性，決定能否實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與存儲，能否使水電站管理人員準確進行機組狀態(tài)監(jiān)測，能否進行數(shù)據(jù)查詢、管理與分析，對機組運行狀態(tài)進行正確判斷。因此，對于機組安全穩(wěn)定運行有重要意義。

目前遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與子系統(tǒng)接口技術(shù)中，主要應(yīng)用TCP協(xié)議和UDP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境理想的情況下，根據(jù)子系統(tǒng)實際情況，若子系統(tǒng)需傳送的數(shù)據(jù)量大，選用TCP協(xié)議速度稍慢，且已由上層應(yīng)用（通過安裝物理隔離裝置）完成安全和排序功能，則可選擇UDP協(xié)議，若不存在上述情況，可選擇安全性、可靠性都有保證的TCP協(xié)議。

但是，無論TCP協(xié)議還是UDP協(xié)議，在長期傳輸大量數(shù)據(jù)時，不可避免的會存在丟包或者數(shù)據(jù)延時的問題，對利用遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)相關(guān)分析造成了一定的困難，因此，需在以后進一步研究，采取一定措施，例如在系統(tǒng)各服務(wù)器及子系統(tǒng)服務(wù)器上安裝對時軟件避免數(shù)據(jù)延時，采取更大帶寬的網(wǎng)絡(luò)減少數(shù)據(jù)丟包的狀況出現(xiàn)。

參考文獻：

[1]周葉，潘羅平，夏偉.水電機組變壓器油中氣體在線監(jiān)測技術(shù)分析與研究[C]//第十八次中國水電設(shè)備學(xué)術(shù)討論會論文集，2011.

[2]劉娟，潘羅平，桂中華，等.國內(nèi)水電機組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀[J].大電機技術(shù)，2010（2）：49-53.

[3]唐衛(wèi)平.水電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用探討[J].華中電力，2003，16（4）.

中圖分類號：TP277

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）04-0036-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.010

收稿日期：2015-01-20

作者簡介：夏偉（1986-），男，工程師，從事水電機組性能測試及故障診斷分析研究工作。