變電站實時監測系統中WebSocket技術的應用

李虎孬，何大偉，陳富國，周瑞敏

（平高集團有限公司，平頂山 467001）

變電站實時監測系統中WebSocket技術的應用

李虎孬，何大偉，陳富國，周瑞敏

（平高集團有限公司，平頂山 467001）

智能電網的高速發展，對變電站一次設備的安全可靠運行提出更高要求。研究變電站實時監測系統，通過WebSocket技術將整站設備的實時狀態呈獻給用戶，其高效性和實效性的監測數據為高壓設備的安全運行提供可靠的依據。WebSocket完美解決變電站實時監測系統中數據處理中心主動推送監測數據的問題。

實時監測；WebSocket；共享內存；智能電網

0 引言

隨著智能電網建設的深入開展，作為智能變電站重要組成部分的設備狀態實時監測系統[1-3]，將面臨更大的挑戰。智能變電站內高壓設備的安全運行需要大量實時監測數據的支撐，這就對多通道采集推送各種運行數據到監測系統提出了更高要求。變電站整站實時數據與監測后臺采用WebSocket[4]技術進行交互，延遲小，準確率高，實現對智能高壓設備狀態的監測，并根據監測數據的分析結果，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，使電網系統更安全，符合智能電網的發展要求。

1 Web實時通信技術的發展

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、數據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”，不斷向服務器發送報文請求，以便實時更新客戶端數據。有時服務器端會主動發送數據到客戶端，這就是難以實現的“推”方式，本文描述的變電站實時數據主要就是通過“推”與后臺Web系統進行實時交互。

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實時通信技術都比較成熟，在各個領域的應用也比較廣泛。采用WebSocket方法實現數據交互，能夠避免客戶端與服務器交互的長輪詢，減輕客戶端壓力。當變電站實時監測數據量比較大時，該交互方法具有延遲小，準確率高等優點。

2 變電站實時監測系統

2.1 概述

表1 實時通信方式

狀態監測[6]是實現變電站智能化的重要手段，為實現變電站實時狀態檢修提供重要的數據支撐。狀態接入控制器（CAC）是按照國網公司相關規范研制的設備實時監測系統的關鍵裝置，擔負著通過標準化的接口獲取整個變電站實時監測數據的任務，是變電站實時監測系統高度整合的核心。變電站狀態實時監測后臺能夠有效匯聚過程層監測數據，是直接面向用戶的狀態可視化系統，是實現智能化實時監測必不可少的重要環節。

國內變電站整站狀態實時監測系統經過多年的發展，已經逐步成熟，基本能夠滿足國內變電站建設與運行的需要。南瑞繼保、國電南自、許繼電氣[7]、北京四方等傳統二次廠商長期關注二次電氣控制、繼電保護等技術，在變電站實時監測方面具有較大的優勢。

2.2 系統架構

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

變電站一次設備狀態實時監測系統架構圖如圖1所示[8]：

圖1 系統架構圖

系統主要包括以下監測項目：

（1）變壓器實時監測

包括變壓器油中溶解氣體監測、變壓器鐵芯接地電流監測；

（2）開關設備實時監測

包括高壓斷路器/GIS的機械狀態監測、SF6密度微水監測、GIS局部放電監測；

（3）避雷器實時監測

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監測；

（3）閥廳實時監測

包括換流閥廳內的紅外監測、溫度監測。

3 WebSocket在變電站實時數據交互中的實現

3.1 共享內存

共享內存是計算機內部被多個進程共享訪問的一部分物理內存，是進程間共享數據的一種最快的方式。其原理是：一個進程向共享內存區域寫入或修改了數據，對這個內存區域具有共享權限的所有進程就可立刻進行異步讀寫操作。

共享內存交互數據的實現分為兩個步驟：

（1）根據采集數據的大小，創建共享內存，并將這段創建的共享內存映射到具體的進程空間去，如下圖2所示：

圖2 開辟共享內存

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

圖3 創建映射文件

為保證數據采集端與數據處理中心數據交互的實時性，系統按照采集數據的大小開辟相應的共享內存，采集端進程將取到的數據放入共享內存中的同時，數據處理中心進程也可同時訪問共享內存中的數據。對實時監測這種實效性高的系統，共享內存交互數據的效率遠高于文件和數據庫。

3.2 WebSocket協議實現數據通信

基于B/S模式[9]的實時通信逐步取代了開發成本高、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域的主流。WebSocket Protocol是HTML5的一種新的協議，也稱“握手協議”，它實現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架構下桌面系統的實時通訊能力。數據展示Web端通過JavaScript向數據處理中心發出建立WebSocket連接的請求，連接建立以后，Web端和數據處理中心就可以通過TCP連接交換數據。

數據展示Web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協議，打開實時監測頁面時，initialize函數初始化一個Socket對象。connect函數建立與數據處理中心的連接，即服務器端的連接，其中URL與服務器端Servlet名稱保持一致。onmessage函數主動接收數據處理中心發送的消息，同時數據展示頁面通過send函數向服務器反饋消息。

數據處理中心WebSocket的處理如下圖5所示：

圖5 WebSocket服務端

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

WebSocket解決了服務器不再被動接收消息才返回數據，其主動推送消息符合變電站內采集服務器主動上送監測數據機制。因此，變電站實時監測系統中數據處理中心采用WebSocket協議實現數據推送，其完美解決了客戶端與服務器一次握手，長期通信的問題，滿足狀態數據的實效性，減輕客戶端壓力。當變電站實時監測數據量比較大時，該交互方法具有延遲小，準確率高等優點。

4 結語

本文設計了一種基于WebSocket技術的變電站實時監測數據推送方法，該方法可以將狀態監測數據從開辟的共享內存中實時取出，推送到監測頁面展示。WebSocket技術使得監測數據上傳主動、高效，將其應用到變電站實時監測系統中，實時可靠的獲取高壓設備的狀態數據，為電網安全運行提供可靠的依據。

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

[2]徐清,張敏.基于IED的變電站一次設備狀態監測系統[J].科技創新導報,2011,7:88-90.

[3]金逸,劉偉等.智能變電站狀態檢測技術及應用[J].江蘇電機工程,2012,31（2):12-14.

[4]李代立,陳榕.WebSocket在Web實時通信領域的研究[J].電腦知識與技術,2010,6（28):7923-7925.

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

[6]周瑞敏,陳富國等.智能變電站狀態監測系統的設計及應用[J].工程技術（全文版),2015,（13):00181-00182.

[7]徐長寶,莊晨,蔣宏圖.智能變電站二次設備狀態監測技術研究[J].電力系統保護與控制,2015,V43（7):127-131.

[8]鈕彬.智能變電站狀態監測系統架構設計與信息建模[D].上海:上海交通大學,2013:23-27.

[9]王輝,王敬華,徐丙垠,王瑤瑤,李浩田.基于B/S架構的分布式電源并網監控系統設計[J].電力系統保護與控制,2016,V44（14):160-165.

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及變電站設備狀態監測與故障診斷

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監測

周瑞敏（1990-)，女，碩士，工程師，研究方向為變電站設備狀態監測

2016-09-29

2016-11-10