基于104 規(guī)約的海纜在線監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí)倩玉，安博文，陳元林

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

0 引 言

海底電纜是海上風(fēng)力發(fā)電工程的能源動力線，各個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目均配置海纜在線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)具備海纜溫度監(jiān)測、動態(tài)載流量監(jiān)測、振動監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、船舶智能監(jiān)控（Automatic Identification System，AIS）、故障定位監(jiān)測等功能。當(dāng)前國內(nèi)海上風(fēng)電場的一體化管理平臺（主站系統(tǒng)）多采用IEC60870-5-104 作為主從站之間的通信規(guī)約[1]，因此海纜在線監(jiān)測系統(tǒng)需支持104 通信規(guī)約實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布。

海上風(fēng)電場的待發(fā)布數(shù)據(jù)有以下特點(diǎn)：數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)類型復(fù)雜、需要傳輸大數(shù)據(jù)文件等。針對以上特點(diǎn)，海纜在線監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)需要滿足以下設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

1）松耦合：數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)與海纜在線監(jiān)測系統(tǒng)為獨(dú)立模塊，支持多個(gè)海纜監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入，相互之間無依賴性。

2）動態(tài)配置：由于數(shù)據(jù)種類較多、來源分散，點(diǎn)表地址的分配需要依據(jù)主站要求靈活設(shè)置。

3）系統(tǒng)支持文件發(fā)布：保證大數(shù)據(jù)文件也能有效傳輸。

4）系統(tǒng)具有安全管理功能：能顯示每個(gè)已連接主站標(biāo)識，自主設(shè)置連接黑白名單，以保證系統(tǒng)的安全性。

5）系統(tǒng)具有配置點(diǎn)表可視化及連接界面可視化的功能，提供直觀、方便的用戶體驗(yàn)。

國際電工委員會制定了一套通用數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則——IEC60870-5-104 協(xié)議[2-6]，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)的獲取和發(fā)布，它以低廉的成本、優(yōu)良的性能在電力系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中備受青睞[7-10]。文獻(xiàn)[11]基于104 規(guī)約建立了一套智能變電站輔助系統(tǒng)的仿真測試方法和軟件，用于測試不同設(shè)備互聯(lián)互通的兼容性能。文獻(xiàn)[12]綜述了104 規(guī)約在遠(yuǎn)動通信應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。文獻(xiàn)[13]主要實(shí)現(xiàn)了海纜監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)文件配置與發(fā)布功能。

綜上所述，上述文獻(xiàn)未能對本文的主要需求提供有效解決方法，因此需要開展針對性研究。

1 IEC60870?5?104 規(guī)約分析

IEC60870-5-104 協(xié)議定義了開放的傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）/互 聯(lián) 網(wǎng) 協(xié) 議（Internet Protocol，IP）接口的使用，規(guī)約底層采用TCP/IP的協(xié)議子集，通過用戶到TCP 的接口連接到應(yīng)用層，該規(guī)約的應(yīng)用層分為應(yīng)用規(guī)約控制信息（Application Protocol Control Information，APCI）和應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（Application Service Data Unit，ASDU）。遠(yuǎn)動配套標(biāo)準(zhǔn)的APDU 定義如圖1 所示。

圖1 104 遠(yuǎn)動配套標(biāo)準(zhǔn)的APDU 定義

2 系統(tǒng)模型

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海上風(fēng)電場數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖2 所示，多個(gè)海纜在線監(jiān)測系統(tǒng)分別將采集到的數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)（從站）的數(shù)據(jù)庫中，再通過從站發(fā)布數(shù)據(jù)給各個(gè)主站。因此，數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)是一個(gè)能同時(shí)連接多數(shù)據(jù)源和多主站的系統(tǒng)。

圖2 海上風(fēng)電場數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)模型

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

2.2.1 數(shù)據(jù)流圖

從數(shù)據(jù)流角度來看，發(fā)布系統(tǒng)包括：

1）數(shù)據(jù)庫：海纜在線監(jiān)測系統(tǒng)將待發(fā)布數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中；

2）動態(tài)配置表：系統(tǒng)配置點(diǎn)表地址關(guān)聯(lián)唯一的數(shù)據(jù)表名，該地址根據(jù)主站需求靈活可配；

3）點(diǎn)表映射內(nèi)存：由點(diǎn)表地址為該數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)申請內(nèi)存塊。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖如圖3 所示，海纜監(jiān)測系統(tǒng)將海量數(shù)據(jù)存入從站數(shù)據(jù)庫后，通過刷新數(shù)據(jù)庫更新映射內(nèi)存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)則從點(diǎn)表映射內(nèi)存中選擇所需數(shù)據(jù)發(fā)布給主站。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

2.2.2 數(shù)據(jù)類型簡介

海上風(fēng)電場的監(jiān)測數(shù)據(jù)劃分如表1 所示。

復(fù)雜數(shù)據(jù)指一條完整信息由若干個(gè)不同類型字段組成，其點(diǎn)表地址空間連續(xù)，且任意字段的變化均表示該信息內(nèi)容已變化，需要進(jìn)行“突發(fā)發(fā)布”。以報(bào)警信息為例，報(bào)警類型碼為整型，而報(bào)警具體信息為浮點(diǎn)型，如圖4 所示。

表1 發(fā)布數(shù)據(jù)分類

圖4 復(fù)雜數(shù)據(jù)實(shí)例

因此系統(tǒng)針對這類復(fù)雜數(shù)據(jù)自定義類型，進(jìn)行相應(yīng)解析后發(fā)布給主站。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)使用Java 開發(fā)語言，實(shí)現(xiàn)了從站與多個(gè)主站、多個(gè)海纜監(jiān)測系統(tǒng)連接的功能，快速地向主站發(fā)布海量數(shù)據(jù)及文件。詳細(xì)功能如下：

1）發(fā)布功能。支持站召喚、分組召喚，周期發(fā)布、突發(fā)發(fā)布。

2）松耦合性。系統(tǒng)支持多個(gè)海纜監(jiān)測系統(tǒng)的連接，響應(yīng)其發(fā)布請求，即為不同數(shù)據(jù)發(fā)布源分配點(diǎn)表地址和數(shù)據(jù)表。

3）模塊化設(shè)計(jì)與動態(tài)配置。每個(gè)海纜在線監(jiān)測系統(tǒng)所需發(fā)布的數(shù)據(jù)種類和數(shù)據(jù)量不同，所分配的點(diǎn)表地址空間也不同，發(fā)布系統(tǒng)支持根據(jù)應(yīng)用需求靈活配置。

4）實(shí)時(shí)響應(yīng)召喚。通過內(nèi)存映射，當(dāng)主站發(fā)來召喚時(shí)，從站無須尋找數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)數(shù)據(jù)并加載，而是從內(nèi)存模塊中直接讀取數(shù)據(jù)發(fā)布出去，響應(yīng)召喚速度得到提升。

5）支持自定義數(shù)據(jù)類型。對于報(bào)警、AIS 等信息，每條消息均含有多種數(shù)據(jù)類型。通過定義多個(gè)字段，組合為新的數(shù)據(jù)類型，解決了復(fù)雜信息無法直接發(fā)布的問題。

6）支持文件發(fā)布。除報(bào)警、AIS 等信息數(shù)據(jù)類型不單一之外，溫度、應(yīng)變、振動、載流量數(shù)據(jù)量過大，超過ASDU 規(guī)定的最大長度，需要采用文件形式進(jìn)行傳輸。

7）安全管理功能。為保護(hù)海纜監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全和隱私，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有安全連接管理功能，可限制黑名單地址用戶連接，也可支持僅已知地址用戶連接。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 動態(tài)配置與內(nèi)存映射技術(shù)

3.1.1 動態(tài)配置

系統(tǒng)的動態(tài)配置能靈活適應(yīng)不同主站配置點(diǎn)表地址不同的情況，根據(jù)實(shí)際需求動態(tài)配置數(shù)據(jù)點(diǎn)表地址，以保證完全適配主站。

系統(tǒng)點(diǎn)表配置是為了建立數(shù)據(jù)庫中每張表與信息體地址的映射關(guān)系，主要包括3 個(gè)字段：信息體地址、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)表名、信息體長度。數(shù)據(jù)庫中的每張表格分配有信息體地址，它有唯一關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)表名，信息體長度是該待發(fā)布數(shù)據(jù)的長度標(biāo)識。以海纜甲線的溫度數(shù)據(jù)表為例，點(diǎn)表配置如表2 所示。

表2 點(diǎn)表配置實(shí)例

3.1.2 內(nèi)存映射配置技術(shù)

在給數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表分配點(diǎn)表地址后，根據(jù)該地址映射相應(yīng)的內(nèi)存空間，完全復(fù)制待發(fā)布數(shù)據(jù)至內(nèi)存中。本系統(tǒng)的內(nèi)存映射配置可提升響應(yīng)召喚速度，摒棄了從站從數(shù)據(jù)庫中尋找數(shù)據(jù)并等待加載這一過程。設(shè)計(jì)過程如下：

1）海纜在線監(jiān)測系統(tǒng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)庫相應(yīng)表格中，為每張表格分配唯一對應(yīng)的點(diǎn)表地址。

2）將數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)另存至地址映射內(nèi)存塊中，地址可根據(jù)主站需求動態(tài)配置。

3）從站需要發(fā)布數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)點(diǎn)表地址找到映射內(nèi)存，即可讀取所需數(shù)據(jù)發(fā)給主站。

3.1.3 數(shù)據(jù)發(fā)布設(shè)計(jì)

1）發(fā)布設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)發(fā)布設(shè)計(jì)如圖5 所示，海纜監(jiān)測系統(tǒng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程、分布式寫入數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)設(shè)有：

①數(shù)據(jù)刷新線程：每隔周期T（本系統(tǒng)中T 取100 ms）掃描一次數(shù)據(jù)庫。若檢測到新數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，則同步數(shù)據(jù)至映射內(nèi)存中。

②突發(fā)發(fā)布線程：將突發(fā)標(biāo)志位置1，從內(nèi)存塊中讀取新數(shù)據(jù)發(fā)給主站。

③響應(yīng)召喚線程：接收到站召喚請求后，由點(diǎn)表地址從映射內(nèi)存中找到數(shù)據(jù)并發(fā)布。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)布設(shè)計(jì)

④周期發(fā)布線程：系統(tǒng)自主按照一定周期向主站發(fā)布點(diǎn)表映射內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。

2）發(fā)布配置

以新寫入溫度數(shù)據(jù)為例，數(shù)據(jù)發(fā)布配置表格如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)發(fā)布配置實(shí)例

3.2 松耦合設(shè)計(jì)

海上風(fēng)電場若需要監(jiān)測多條海纜或者某根海纜較長，單臺海纜監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測范圍覆蓋不到，此時(shí)需要多套監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)合工作。松耦合設(shè)計(jì)要求支持多個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)共同連接，提高數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)可擴(kuò)展性能。

數(shù)據(jù)源發(fā)布者（監(jiān)測系統(tǒng)）面對的是“分布式數(shù)據(jù)庫”。數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)為數(shù)據(jù)庫中的每一張數(shù)據(jù)表分配點(diǎn)表地址，各監(jiān)測系統(tǒng)的待發(fā)布數(shù)據(jù)存入對應(yīng)數(shù)據(jù)表名即可。如當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)1（監(jiān)測海纜甲線）的溫度數(shù)據(jù)傳來時(shí)，存入點(diǎn)表地址為1000 的數(shù)據(jù)表temp_zhqyjia。

數(shù)據(jù)表字段標(biāo)準(zhǔn)化。待發(fā)布數(shù)據(jù)分單一類型和復(fù)雜類型兩種情況，均按照標(biāo)準(zhǔn)化字段統(tǒng)一寫入、讀取和發(fā)布。

1）單一類型：如溫度、應(yīng)變等數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)占有一個(gè)單元，類型由配置表確定，采用順序發(fā)布。

2）復(fù)雜類型：即圖4 所表示的復(fù)雜數(shù)據(jù)在寫入數(shù)據(jù)庫、內(nèi)存映射、信息變化判斷時(shí)，均作為一個(gè)整體進(jìn)行處理。詳細(xì)的寫入和發(fā)布過程如圖6 所示，從數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫開始，即將此條記錄的每個(gè)字段分為字段數(shù)據(jù)類型和其真實(shí)值的組合，每個(gè)字段占有兩個(gè)數(shù)據(jù)單元。讀取數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)第一個(gè)數(shù)據(jù)單元的數(shù)據(jù)類型，選擇相應(yīng)報(bào)文傳輸類型，逐個(gè)發(fā)布第二個(gè)數(shù)據(jù)單元的真實(shí)值。

圖6 復(fù)雜數(shù)據(jù)發(fā)布

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試目標(biāo)

本項(xiàng)測試主要驗(yàn)證基于IEC60870-5-104 協(xié)議的海上風(fēng)電場數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)支持多個(gè)海纜監(jiān)測系統(tǒng)寫入待發(fā)布數(shù)據(jù)，動態(tài)配置靈活，且響應(yīng)召喚/突發(fā)發(fā)布速度快。

4.2 測試過程

在一臺電腦主機(jī)上啟動海纜在線監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)，再分別開啟5 個(gè)主站系統(tǒng)。連接成功后：

1）發(fā)送主站召喚請求，測試從站響應(yīng)召喚、發(fā)布數(shù)據(jù)到主站的時(shí)間t1；

2）海纜在線監(jiān)測系統(tǒng)向數(shù)據(jù)庫中寫入新數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)、發(fā)布數(shù)據(jù)到主站收到數(shù)據(jù)信息的突發(fā)發(fā)布時(shí)間t2。

4.3 測試結(jié)果

數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)性能測試共進(jìn)行5 次，分別通過5 個(gè)主站系統(tǒng)發(fā)出召喚請求測試，測試結(jié)果如表4 所示。

表4 測試結(jié)果

通過對5 次測試情況的分析，表明本系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)響應(yīng)召喚、突發(fā)發(fā)布及時(shí)的特點(diǎn)。

5 結(jié) 語

本文首先仔細(xì)分析了海上風(fēng)電場海纜監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，通過研究IEC60870-5-104 規(guī)約，針對實(shí)際應(yīng)用場景設(shè)計(jì)了一套基于該規(guī)約的數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)，解決了海上風(fēng)電場海纜監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)類型復(fù)雜等實(shí)際問題，并通過測試驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)具有松耦合、實(shí)時(shí)響應(yīng)召喚、動態(tài)配置靈活、安全管理性能良好的特點(diǎn)，相信對海上風(fēng)電場、海上采油平臺及更寬泛的場景有很好的應(yīng)用價(jià)值。目前該數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)已成功應(yīng)用于龍?jiān)春Ｉ巷L(fēng)電、三峽新能源、國華等海上風(fēng)電項(xiàng)目，取得了良好效果。