變電站實時監(jiān)測系統(tǒng)中WebSocket技術(shù)的應用

李虎孬，何大偉，陳富國，周瑞敏

（平高集團有限公司，平頂山 467001）

變電站實時監(jiān)測系統(tǒng)中WebSocket技術(shù)的應用

李虎孬，何大偉，陳富國，周瑞敏

（平高集團有限公司，平頂山 467001）

智能電網(wǎng)的高速發(fā)展，對變電站一次設備的安全可靠運行提出更高要求。研究變電站實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過WebSocket技術(shù)將整站設備的實時狀態(tài)呈獻給用戶，其高效性和實效性的監(jiān)測數(shù)據(jù)為高壓設備的安全運行提供可靠的依據(jù)。WebSocket完美解決變電站實時監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理中心主動推送監(jiān)測數(shù)據(jù)的問題。

實時監(jiān)測；WebSocket；共享內(nèi)存；智能電網(wǎng)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)建設的深入開展，作為智能變電站重要組成部分的設備狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)[1-3]，將面臨更大的挑戰(zhàn)。智能變電站內(nèi)高壓設備的安全運行需要大量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的支撐，這就對多通道采集推送各種運行數(shù)據(jù)到監(jiān)測系統(tǒng)提出了更高要求。變電站整站實時數(shù)據(jù)與監(jiān)測后臺采用WebSocket[4]技術(shù)進行交互，延遲小，準確率高，實現(xiàn)對智能高壓設備狀態(tài)的監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，估算出高壓設備的運行特性和壽命損失，為設備安全運行提供可靠的依據(jù)，使電網(wǎng)系統(tǒng)更安全，符合智能電網(wǎng)的發(fā)展要求。

1 Web實時通信技術(shù)的發(fā)展

Web實時通信應用必須克服信息傳遞和信息存儲[5]兩大難題。后者可以通過文件、數(shù)據(jù)庫以及臨時緩存等方式來存儲信息，而信息傳遞在Web實時通信中主要采用所謂的“推”和“拉”兩種主要方式。目前廣泛使用的是客戶端采用輪詢的方式，即所謂的“拉”，不斷向服務器發(fā)送報文請求，以便實時更新客戶端數(shù)據(jù)。有時服務器端會主動發(fā)送數(shù)據(jù)到客戶端，這就是難以實現(xiàn)的“推”方式，本文描述的變電站實時數(shù)據(jù)主要就是通過“推”與后臺Web系統(tǒng)進行實時交互。

對比Web實時通信的幾種方式，如下表1所示。

目前，上述幾種Web實時通信技術(shù)都比較成熟，在各個領(lǐng)域的應用也比較廣泛。采用WebSocket方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，能夠避免客戶端與服務器交互的長輪詢，減輕客戶端壓力。當變電站實時監(jiān)測數(shù)據(jù)量比較大時，該交互方法具有延遲小，準確率高等優(yōu)點。

2 變電站實時監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 概述

表1 實時通信方式

狀態(tài)監(jiān)測[6]是實現(xiàn)變電站智能化的重要手段，為實現(xiàn)變電站實時狀態(tài)檢修提供重要的數(shù)據(jù)支撐。狀態(tài)接入控制器（CAC）是按照國網(wǎng)公司相關(guān)規(guī)范研制的設備實時監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置，擔負著通過標準化的接口獲取整個變電站實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的任務，是變電站實時監(jiān)測系統(tǒng)高度整合的核心。變電站狀態(tài)實時監(jiān)測后臺能夠有效匯聚過程層監(jiān)測數(shù)據(jù)，是直接面向用戶的狀態(tài)可視化系統(tǒng)，是實現(xiàn)智能化實時監(jiān)測必不可少的重要環(huán)節(jié)。

國內(nèi)變電站整站狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)逐步成熟，基本能夠滿足國內(nèi)變電站建設與運行的需要。南瑞繼保、國電南自、許繼電氣[7]、北京四方等傳統(tǒng)二次廠商長期關(guān)注二次電氣控制、繼電保護等技術(shù)，在變電站實時監(jiān)測方面具有較大的優(yōu)勢。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

實時監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和實時顯示3部分組成。數(shù)據(jù)采集端將不同傳感器或下層數(shù)據(jù)采集服務器上傳的數(shù)據(jù)按不同規(guī)約進行編解碼處理，然后推送到數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心通過實時數(shù)據(jù)庫或開辟共享內(nèi)存的方式完成數(shù)據(jù)的推送（實時顯示)和保存（歷史數(shù)據(jù))，本文后續(xù)章節(jié)會有詳細描述。數(shù)據(jù)實時顯示端采用良好的人機界面，保證了實時數(shù)據(jù)的完整性和實效性，滿足變電一次設備實時狀態(tài)的更新與展示。

變電站一次設備狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示[8]：

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)主要包括以下監(jiān)測項目：

（1）變壓器實時監(jiān)測

包括變壓器油中溶解氣體監(jiān)測、變壓器鐵芯接地電流監(jiān)測；

（2）開關(guān)設備實時監(jiān)測

包括高壓斷路器/GIS的機械狀態(tài)監(jiān)測、SF6密度微水監(jiān)測、GIS局部放電監(jiān)測；

（3）避雷器實時監(jiān)測

包括避雷器泄露電流的全電流、阻性電流、容性電流及避雷器動作次數(shù)監(jiān)測；

（3）閥廳實時監(jiān)測

包括換流閥廳內(nèi)的紅外監(jiān)測、溫度監(jiān)測。

3 WebSocket在變電站實時數(shù)據(jù)交互中的實現(xiàn)

3.1 共享內(nèi)存

共享內(nèi)存是計算機內(nèi)部被多個進程共享訪問的一部分物理內(nèi)存，是進程間共享數(shù)據(jù)的一種最快的方式。其原理是：一個進程向共享內(nèi)存區(qū)域?qū)懭牖蛐薷牧藬?shù)據(jù)，對這個內(nèi)存區(qū)域具有共享權(quán)限的所有進程就可立刻進行異步讀寫操作。

共享內(nèi)存交互數(shù)據(jù)的實現(xiàn)分為兩個步驟：

（1）根據(jù)采集數(shù)據(jù)的大小，創(chuàng)建共享內(nèi)存，并將這段創(chuàng)建的共享內(nèi)存映射到具體的進程空間去，如下圖2所示：

圖2 開辟共享內(nèi)存

（2）為監(jiān)測設備創(chuàng)建對應組號和序號的映射文件，并與開辟的共享內(nèi)存地址保持一致。如圖3所示：

圖3 創(chuàng)建映射文件

為保證數(shù)據(jù)采集端與數(shù)據(jù)處理中心數(shù)據(jù)交互的實時性，系統(tǒng)按照采集數(shù)據(jù)的大小開辟相應的共享內(nèi)存，采集端進程將取到的數(shù)據(jù)放入共享內(nèi)存中的同時，數(shù)據(jù)處理中心進程也可同時訪問共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。對實時監(jiān)測這種實效性高的系統(tǒng)，共享內(nèi)存交互數(shù)據(jù)的效率遠高于文件和數(shù)據(jù)庫。

3.2 WebSocket協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信

基于B/S模式[9]的實時通信逐步取代了開發(fā)成本高、維護和升級困難的C/S模式，并將成為未來實時通信應用領(lǐng)域的主流。WebSocket Protocol是HTML5的一種新的協(xié)議，也稱“握手協(xié)議”，它實現(xiàn)了瀏覽器與服務器全雙工通信，使客戶端瀏覽器具備像C/S架構(gòu)下桌面系統(tǒng)的實時通訊能力。數(shù)據(jù)展示W(wǎng)eb端通過JavaScript向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)出建立WebSocket連接的請求，連接建立以后，Web端和數(shù)據(jù)處理中心就可以通過TCP連接交換數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)展示W(wǎng)eb端聲明一個Socket連接如下圖4所示：

圖4 WebSocket客戶端

如今幾乎所有瀏覽器都支持WebSocket協(xié)議，打開實時監(jiān)測頁面時，initialize函數(shù)初始化一個Socket對象。connect函數(shù)建立與數(shù)據(jù)處理中心的連接，即服務器端的連接，其中URL與服務器端Servlet名稱保持一致。onmessage函數(shù)主動接收數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送的消息，同時數(shù)據(jù)展示頁面通過send函數(shù)向服務器反饋消息。

數(shù)據(jù)處理中心WebSocket的處理如下圖5所示：

圖5 WebSocket服務端

代碼@WebServlet（"/SensorServlet")中SensorServlet是數(shù)據(jù)處理中心Servlet名稱（即上述提到的服務器端Servlet名稱)。實時監(jiān)測頁面使用WebSocket連接數(shù)據(jù)處理中心時，需要將WebSocketServlet的子類SensorServlet作為連接入口。SensorServlet應當實現(xiàn)Web-SocketServlet的抽象方法createWebSocketInbound，以便創(chuàng)建一個inbound實例（MessageInbound或StreamInbound)。該實例類SensorMessageInbound繼承MessageInbound，并實現(xiàn)這個類的抽象方法onBinaryMessage（二進制消息觸發(fā))和onTextMessage（文本消息觸發(fā))，將數(shù)據(jù)推送到實時監(jiān)測頁面。

WebSocket解決了服務器不再被動接收消息才返回數(shù)據(jù)，其主動推送消息符合變電站內(nèi)采集服務器主動上送監(jiān)測數(shù)據(jù)機制。因此，變電站實時監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理中心采用WebSocket協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)推送，其完美解決了客戶端與服務器一次握手，長期通信的問題，滿足狀態(tài)數(shù)據(jù)的實效性，減輕客戶端壓力。當變電站實時監(jiān)測數(shù)據(jù)量比較大時，該交互方法具有延遲小，準確率高等優(yōu)點。

4 結(jié)語

本文設計了一種基于WebSocket技術(shù)的變電站實時監(jiān)測數(shù)據(jù)推送方法，該方法可以將狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)從開辟的共享內(nèi)存中實時取出，推送到監(jiān)測頁面展示。WebSocket技術(shù)使得監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳主動、高效，將其應用到變電站實時監(jiān)測系統(tǒng)中，實時可靠的獲取高壓設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，為電網(wǎng)安全運行提供可靠的依據(jù)。

[1]蔡驥然,鄭永康,周振宇,等.智能變電站二次設備狀態(tài)監(jiān)測研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2016，V44（6):148-154.

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[5]謝善益,楊強等.開放式輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測信息平臺設計與實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)保護與控制:工學版,2014,42（23):124-130.

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Application of WebSocket Technology in Substation Real-Time Monitoring System

LI Hu-nao，HE Da-wei，CHEN Fu-guo，ZHOU Rui-min

（Pinggao Group Co.,Ltd,Pingdingshan 467001)

The rapid development of smart grid puts forward higher requirements for the safe and reliable operation of the primary equipment in substation.The real-time monitoring system of substation through the WebSocket technology is presenting the real time status of station equipment dedicated to the users and the efficiency and effectiveness of the monitoring data for the safe operation of high voltage equipment provide reliable basis.WebSocket is perfect solution to the problem of real-time system data processing center active push monitoring data.

Real-Time Monitoring;WebSocket;Shared Memory;Smart Grid

1007-1423（2016）33-0069-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.33.016

李虎孬（1987-)，男，通信作者，碩士,工程師，研究方向為CAC及變電站設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷

何大偉（1986-），男，碩士，工程師，研究方向為智能高壓開關(guān)設計，一次設備智能化

陳富國（1983-)，男，碩士，工程師，研究方向為一次設備智能化及變電站狀態(tài)監(jiān)測

周瑞敏（1990-)，女，碩士，工程師，研究方向為變電站設備狀態(tài)監(jiān)測

2016-09-29

2016-11-10