水電站狀態監測系統與監測子系統接口技術分析

夏　偉，潘羅平，周　葉，譚志鋒

（北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

水電站狀態監測系統與監測子系統接口技術分析

夏偉，潘羅平，周葉，譚志鋒

（北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

摘要：對水電廠遠程狀態監測系統中應用廣泛的狀態監測系統軟件平臺與監測子系統接口的技術方法進行了歸納，并根據子系統的不同，將狀態監測系統軟件平臺與監測子系統接口連接方式進行分類描述，通過對國內水電站中應用較多的常規狀態監測系統軟件平臺與監測子系統連接方式的調研，對其連接方式進行分析，指出了狀態監測系統軟件平臺與子系統連接時存在的問題及決定其連接穩定性的關鍵因素，提出解決方法及建議。

關鍵詞：狀態監測；監測子系統；接口

1　前言

近年來隨著計算機信息技術的發展，水電機組狀態監測技術得到了廣泛應用，各種水電機組監測系統如機組穩定性監測系統、水輪機效率監測系統、發電機氣隙監測系統等得以在電廠大量安裝和使用[1]。

國內水電機組狀態監測技術的研究及應用狀況存在以下特點：

（1）監測系統產品的研制取得了一定的進展，從過去單一的振動、擺度監測，發展到現在振動、擺度、壓力、溫度、氣隙與磁場強度、局放、油氣等多種項目的監測。

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

（3）國內目前還沒有出現一個多區域多機組的監測、診斷、管理、維修一體化的網絡系統。現有現場實際診斷經驗，與工程實際應用存在較大差距；狀態檢修功能幾近空白[2]。

綜合分析不同水電廠機組狀態監測系統的實際運行情況，系統網絡結構一般采用如下典型設置：獨立建立狀態監測與診斷系統的局域網，通過數據服務器將其與系統局域網連接起來，使電廠局域網系統內的所有用戶終端和通過廣域網接入的其他用戶終端能實時查詢和訪問在線監測狀態數據[3]。

國內大型電站，如三峽電站，建立了遠程狀態監測系統，將各監測子系統成功合并到一個系統中，通過對機組狀態進行全面、長期和實時的監測分析，使機組故障智能診斷成為可能，為進一步推行狀態檢修提供數據基礎和檢修依據。同時，監測系統軟件平臺與子系統的連接成為一個越來越突出的問題。

本文結合三峽遠程在線監測系統實例，對遠程狀態監測系統軟件接口技術進行系統闡述。水電機組遠程狀態監測系統中涉及眾多不同的子系統，各子系統的數據傳輸方式并不一致，因此，在子系統數據傳送到遠程狀態監測上層軟件平臺中時，需對接口數據傳輸方式進行規定，保證上層軟件平臺中數據的一致性及狀態監測系統的穩定性，便于利用狀態監測系統進行監測、數據分析乃至智能診斷。

2　遠程狀態監測系統接口技術分析

目前，在遠程狀態監測系統與子系統的網絡通訊協議中，應用較多的是UDP協議和TCP/IP協議。

2.1 UDP協議

UDP是User Datagram Protocol的簡稱，中文名是用戶數據包協議，是OSI參考模型中一種無連接的傳輸層協議，提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務,IETF的RFC 768是UDP的正式規范。UDP的主要特點有：

（1）UDP是一個非連接的協議，傳輸數據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用程序的數據，并盡可能快地把它扔到網絡上。在發送端，UDP傳送數據的速度僅僅是受應用程序生成數據的速度、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，應用程序每次從隊列中讀一個消息段。

（2）由于傳輸數據不建立連接，因此也就不需要維護連接狀態，包括收發狀態等，一臺服務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，相對于TCP的20個字節信息包的額外開銷很小。

（4）吞吐量不受擁擠控制算法的調節，只受應用軟件生成數據的速率、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雜的鏈接狀態表（這里面有許多參數）。

（6）UDP是面向報文的。發送方的UDP對應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，應用程序需要選擇合適的報文大小。

2.2 TCP協議

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

TCP所提供服務的主要特點有：

（1）面向連接的傳輸；

（2）端到端的通信；

（3）高可靠性，確保傳輸數據的正確性，不出現丟失或亂序；

（4）全雙工方式傳輸；

（5）采用字節流方式，即以字節為單位傳輸字節序列；

（6）緊急數據傳送功能。

2.3 TCP協議與UDP協議的區別

（1）TCP是面向連接的傳輸控制協議，而UDP提供了無連接的數據包服務，因此，在安全性方面來說，TCP/IP更具有優越性。

（2）TCP具有高可靠性，確保傳輸數據的正確性，不出現丟失或亂序；UDP在傳輸數據前不建立連接，不對數據包進行檢查與修改，無須等待對方的應答，所以，會出現分組丟失、重復、亂序，應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協議高。

（3）TCP/IP偏重的是點對點的通信，使用時服務器和客戶端的區別顯而易見，而UDP則可以使用組播實現一對多，幾乎沒有客戶端和服務器的區別，在時間和空間上具有更高的節約性。

（4）對系統資源的要求方面，由于UDP段結構比TCP的段結構簡單，故TCP協議要求較多，UDP協議較少；TCP提供超時重發，丟棄重復數據，檢驗數據，流量控制等功能，保證數據能從一端傳到另一端，故TCP協議傳輸速度慢；由于UDP在傳輸數據包前不用在客戶和服務器之間建立一個連接，且沒有超時重發等機制，故而傳輸速度很快。

（5）在具體編寫的代碼結構上，TCP/IP是通過創建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則是在本機創建DatagramSocket對象，將數據包裝成Datagram-Packet包來發送，其中包里有要發送到的地址。

3　在線監測系統接口協議應用

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

當發生網絡阻塞時，UDP較低的開銷使其有更好的機會去傳送管理數據。TCP豐富的功能有時會導致不可預料的性能低下。在網絡質量不理想時，UDP協議數據包丟失會比較嚴重。但由于UDP資源消耗小，處理速度快的優點，所以普通數據在傳送時使用UDP較多，偶爾丟失一兩個數據包，不會對接收結果產生太大影響。雖然TCP協議中植入了各種安全保障功能，但是在實際執行的過程中會占用大量的系統開銷，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用來完成，極大降低了執行時間，使速度得到了保證。

以三峽遠程在線監測系統為例，該系統使用專用網絡，不存在網絡堵塞的情況，因此實際上選擇UDP協議或TCP協議時，當某些子系統在上層應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協議，若是不能排除信息可靠傳遞機制，則選擇TCP協議。

（1）H9000監控系統

為完成機組狀態實時數據由H9000系統到遠程狀態監測系統的傳輸，在H9000趨勢系統WEB服務器上，安裝數據接口發送程序；在遠程狀態監測系統廠級服務器上，安裝數據接口接收程序，遠程狀態監測系統廠級服務器有專網與系統中心通訊。程序通訊基于Socket接口，由于H9000系統數據量非常大，系統數據傳輸技術非常成熟，且在上層應用中采用了物理隔離裝置，只允許單向通訊，不能達到TCP協議3次來回通訊的要求；完成了數據安全和排序功能，在網絡情況很理想（專網專用）的情況下，極少存在數據丟包、錯誤等問題，可以保證數據的安全性及可靠性，故發送和接收程序采用UDP協議。

另外，可在“數據存儲程序”中配置發送協議的時間間隔，保證將全部的監測數據轉發至故障診斷中心廠級數據服務器。“數據存儲程序”接收到遠程發送的數據后，自動將獲取的數據保存為獨立的數據文件格式（如二進制、XML或文本格式等），指定文件名稱和結構規則，訪問數據文件完成數據分析和入庫工作。

（2）創為實系統

為完成機組狀態監測數據由創為實系統到遠程狀態監測系統的傳輸，在創為實系統WEB服務器上，安裝數據接口發送程序；在遠程狀態監測系統廠級服務器上，安裝數據接口接收程序。由于數據傳輸過程中不經過物理隔離裝置，為保證數據準確性和可靠性，采用TCP協議。數據通訊基于Socket接口，發送和接收程序中配置發送和接收的TCP/IP地址和端口號。在遠程狀態監測系統廠級服務器中，安裝有“數據存儲程序”，該程序通過TCP/IPSocket訪問“代理程序”監聽的端口，并發送協議請求，“代理程序”發送系統客戶端協議到Central程序，獲得所需的機組實時數據。之后，“代理程序”將獲取的數據整理后返回到遠程狀態監測系統廠級服務器上的“數據存儲程序”，“數據存儲程序”將獲取的數據保存成數據文件。

（3）油中氣體在線監測系統

采用TCP/IP協議的Socket通訊，其中油氣在線監測系統服務器作為客戶端安裝數據發送程序，遠程狀態監測系統廠級服務器作為服務器端安裝數據接收程序；每條數據以“ ”(換行回車符)結尾，以該結束符作為多條數據記錄的間隔符；

每條數據記錄各字段間以分號（；）作為間隔，一條數據記錄格式如下：

設備號；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，在數據記錄中為空。

油氣在線監測系統通過數據庫觸發的方式發送數據，當數據庫有數據寫入時，才向遠程狀態監測系統廠級服務器發送數據，經由廠級服務器傳送至系統中心服務器，沒有數據時不發送。

4　存在的問題及總結

在遠程狀態監測系統中，系統中心與子系統的通訊是至關重要的問題，與子系統通訊的順暢與穩定性，決定能否實現數據的傳輸與存儲，能否使水電站管理人員準確進行機組狀態監測，能否進行數據查詢、管理與分析，對機組運行狀態進行正確判斷。因此，對于機組安全穩定運行有重要意義。

目前遠程狀態監測系統與子系統接口技術中，主要應用TCP協議和UDP協議進行數據傳輸，在網絡環境理想的情況下，根據子系統實際情況，若子系統需傳送的數據量大，選用TCP協議速度稍慢，且已由上層應用（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協議。

但是，無論TCP協議還是UDP協議，在長期傳輸大量數據時，不可避免的會存在丟包或者數據延時的問題，對利用遠程狀態監測系統進行數據相關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，例如在系統各服務器及子系統服務器上安裝對時軟件避免數據延時，采取更大帶寬的網絡減少數據丟包的狀況出現。

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測技術分析與研究[C]//第十八次中國水電設備學術討論會論文集，2011.

[2]劉娟，潘羅平，桂中華，等.國內水電機組狀態監測和故障診斷技術現狀[J].大電機技術，2010（2）：49-53.

[3]唐衛平.水電機組狀態監測系統的設計及應用探討[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。