夏　伟，潘罗平，周　叶，谭志锋

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

水电站状态监测系统与监测子系统接口技术分析

夏伟，潘罗平，周叶，谭志锋

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

摘要：对水电厂远程状态监测系统中应用广泛的状态监测系统软件平台与监测子系统接口的技术方法进行了归纳，并根据子系统的不同，将状态监测系统软件平台与监测子系统接口连接方式进行分类描述，通过对国内水电站中应用较多的常规状态监测系统软件平台与监测子系统连接方式的调研，对其连接方式进行分析，指出了状态监测系统软件平台与子系统连接时存在的问题及决定其连接稳定性的关键因素，提出解决方法及建议。

关键词：状态监测；监测子系统；接口

1　前言

近年来随着计算机信息技术的发展，水电机组状态监测技术得到了广泛应用，各种水电机组监测系统如机组稳定性监测系统、水轮机效率监测系统、发电机气隙监测系统等得以在电厂大量安装和使用[1]。

国内水电机组状态监测技术的研究及应用状况存在以下特点：

（1）监测系统产品的研制取得了一定的进展，从过去单一的振动、摆度监测，发展到现在振动、摆度、压力、温度、气隙与磁场强度、局放、油气等多种项目的监测。

（2）水轮发电机组稳定性（包括振动、摆度和压力脉动）监测技术基本成熟；已能对气隙、局放、油气等进行初步监测，但监测技术还有待进一步完善。例如，如何降低局放监测中的噪声干扰；水轮发电机组低频振动、空化空蚀、关键部件应力与裂纹、发电机转子绕组温度在线监测等，还是国内、外尚未解决的技术难题。

（3）国内目前还没有出现一个多区域多机组的监测、诊断、管理、维修一体化的网络系统。现有现场实际诊断经验，与工程实际应用存在较大差距；状态检修功能几近空白[2]。

综合分析不同水电厂机组状态监测系统的实际运行情况，系统网络结构一般采用如下典型设置：独立建立状态监测与诊断系统的局域网，通过数据服务器将其与系统局域网连接起来，使电厂局域网系统内的所有用户终端和通过广域网接入的其他用户终端能实时查询和访问在线监测状态数据[3]。

国内大型电站，如三峡电站，建立了远程状态监测系统，将各监测子系统成功合并到一个系统中，通过对机组状态进行全面、长期和实时的监测分析，使机组故障智能诊断成为可能，为进一步推行状态检修提供数据基础和检修依据。同时，监测系统软件平台与子系统的连接成为一个越来越突出的问题。

本文结合三峡远程在线监测系统实例，对远程状态监测系统软件接口技术进行系统阐述。水电机组远程状态监测系统中涉及众多不同的子系统，各子系统的数据传输方式并不一致，因此，在子系统数据传送到远程状态监测上层软件平台中时，需对接口数据传输方式进行规定，保证上层软件平台中数据的一致性及状态监测系统的稳定性，便于利用状态监测系统进行监测、数据分析乃至智能诊断。

2　远程状态监测系统接口技术分析

目前，在远程状态监测系统与子系统的网络通讯协议中，应用较多的是UDP协议和TCP/IP协议。

2.1 UDP协议

UDP是User Datagram Protocol的简称，中文名是用户数据包协议，是OSI参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务,IETF的RFC 768是UDP的正式规范。UDP的主要特点有：

（1）UDP是一个非连接的协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制；在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。

（2）由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等，一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。

（3）UDP信息包的标题很短，只有8个字节，相对于TCP的20个字节信息包的额外开销很小。

（4）吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。

（5）UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的链接状态表（这里面有许多参数）。

（6）UDP是面向报文的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付给IP层。既不拆分，也不合并，而是保留这些报文的边界，因此，应用程序需要选择合适的报文大小。

2.2 TCP协议

TCP（Transmission Control Protocol）传输控制协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议，由IETF的RFC 793说明。在简化的计算机网络OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能，UDP是同一层内另一个重要的传输协议。

TCP所提供服务的主要特点有：

（1）面向连接的传输；

（2）端到端的通信；

（3）高可靠性，确保传输数据的正确性，不出现丢失或乱序；

（4）全双工方式传输；

（5）采用字节流方式，即以字节为单位传输字节序列；

（6）紧急数据传送功能。

2.3 TCP协议与UDP协议的区别

（1）TCP是面向连接的传输控制协议，而UDP提供了无连接的数据包服务，因此，在安全性方面来说，TCP/IP更具有优越性。

（2）TCP具有高可靠性，确保传输数据的正确性，不出现丢失或乱序；UDP在传输数据前不建立连接，不对数据包进行检查与修改，无须等待对方的应答，所以，会出现分组丢失、重复、乱序，应用程序需要负责传输可靠性方面的所有工作，因此，UDP具有较好的实时性，工作效率较TCP协议高。

（3）TCP/IP偏重的是点对点的通信，使用时服务器和客户端的区别显而易见，而UDP则可以使用组播实现一对多，几乎没有客户端和服务器的区别，在时间和空间上具有更高的节约性。

（4）对系统资源的要求方面，由于UDP段结构比TCP的段结构简单，故TCP协议要求较多，UDP协议较少；TCP提供超时重发，丢弃重复数据，检验数据，流量控制等功能，保证数据能从一端传到另一端，故TCP协议传输速度慢；由于UDP在传输数据包前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快。

（5）在具体编写的代码结构上，TCP/IP是通过创建Socket对象进行连接，从连接对象上得到输入输出流，在流中读写从而通信。而UDP则是在本机创建DatagramSocket对象，将数据包装成Datagram-Packet包来发送，其中包里有要发送到的地址。

3　在线监测系统接口协议应用

TCP在数据包接收无序、丢失或在交付期间被破坏时，负责数据恢复。它通过为其发送的每个数据包提供一个序号来完成此恢复。为确保正确地接收数据，TCP要求在目标计算机成功收到数据时发回一个确认（即ACK）。如果在某个时限内未收到相应的ACK，将重新传送数据包。如果网络拥塞，这种重新传送将导致发送的数据包重复。但是，接收计算机可使用数据包的序号来确定它是否为重复数据包，并在必要时丢弃它。

当发生网络阻塞时，UDP较低的开销使其有更好的机会去传送管理数据。TCP丰富的功能有时会导致不可预料的性能低下。在网络质量不理想时，UDP协议数据包丢失会比较严重。但由于UDP资源消耗小，处理速度快的优点，所以普通数据在传送时使用UDP较多，偶尔丢失一两个数据包，不会对接收结果产生太大影响。虽然TCP协议中植入了各种安全保障功能，但是在实际执行的过程中会占用大量的系统开销，速度受到严重的影响。反观UDP由于排除了信息可靠传递机制，将安全和排序等功能移交给上层应用来完成，极大降低了执行时间，使速度得到了保证。

以三峡远程在线监测系统为例，该系统使用专用网络，不存在网络堵塞的情况，因此实际上选择UDP协议或TCP协议时，当某些子系统在上层应用中完成了安全和排序功能，或者使用了物理隔离装置，这时可选择UDP协议，若是不能排除信息可靠传递机制，则选择TCP协议。

（1）H9000监控系统

为完成机组状态实时数据由H9000系统到远程状态监测系统的传输，在H9000趋势系统WEB服务器上，安装数据接口发送程序；在远程状态监测系统厂级服务器上，安装数据接口接收程序，远程状态监测系统厂级服务器有专网与系统中心通讯。程序通讯基于Socket接口，由于H9000系统数据量非常大，系统数据传输技术非常成熟，且在上层应用中采用了物理隔离装置，只允许单向通讯，不能达到TCP协议3次来回通讯的要求；完成了数据安全和排序功能，在网络情况很理想（专网专用）的情况下，极少存在数据丢包、错误等问题，可以保证数据的安全性及可靠性，故发送和接收程序采用UDP协议。

另外，可在“数据存储程序”中配置发送协议的时间间隔，保证将全部的监测数据转发至故障诊断中心厂级数据服务器。“数据存储程序”接收到远程发送的数据后，自动将获取的数据保存为独立的数据文件格式（如二进制、XML或文本格式等），指定文件名称和结构规则，访问数据文件完成数据分析和入库工作。

（2）创为实系统

为完成机组状态监测数据由创为实系统到远程状态监测系统的传输，在创为实系统WEB服务器上，安装数据接口发送程序；在远程状态监测系统厂级服务器上，安装数据接口接收程序。由于数据传输过程中不经过物理隔离装置，为保证数据准确性和可靠性，采用TCP协议。数据通讯基于Socket接口，发送和接收程序中配置发送和接收的TCP/IP地址和端口号。在远程状态监测系统厂级服务器中，安装有“数据存储程序”，该程序通过TCP/IPSocket访问“代理程序”监听的端口，并发送协议请求，“代理程序”发送系统客户端协议到Central程序，获得所需的机组实时数据。之后，“代理程序”将获取的数据整理后返回到远程状态监测系统厂级服务器上的“数据存储程序”，“数据存储程序”将获取的数据保存成数据文件。

（3）油中气体在线监测系统

采用TCP/IP协议的Socket通讯，其中油气在线监测系统服务器作为客户端安装数据发送程序，远程状态监测系统厂级服务器作为服务器端安装数据接收程序；每条数据以“ ”(换行回车符)结尾，以该结束符作为多条数据记录的间隔符；

每条数据记录各字段间以分号（；）作为间隔，一条数据记录格式如下：

设备号；日期时间；H2浓度；CO浓度；CH4浓度；C2H4浓度；C2H2浓度；C2H6浓度；总烃浓度；总可燃气体浓度；CO2浓度；O2浓度；若有未检测的气体，在数据记录中为空。

油气在线监测系统通过数据库触发的方式发送数据，当数据库有数据写入时，才向远程状态监测系统厂级服务器发送数据，经由厂级服务器传送至系统中心服务器，没有数据时不发送。

4　存在的问题及总结

在远程状态监测系统中，系统中心与子系统的通讯是至关重要的问题，与子系统通讯的顺畅与稳定性，决定能否实现数据的传输与存储，能否使水电站管理人员准确进行机组状态监测，能否进行数据查询、管理与分析，对机组运行状态进行正确判断。因此，对于机组安全稳定运行有重要意义。

目前远程状态监测系统与子系统接口技术中，主要应用TCP协议和UDP协议进行数据传输，在网络环境理想的情况下，根据子系统实际情况，若子系统需传送的数据量大，选用TCP协议速度稍慢，且已由上层应用（通过安装物理隔离装置）完成安全和排序功能，则可选择UDP协议，若不存在上述情况，可选择安全性、可靠性都有保证的TCP协议。

但是，无论TCP协议还是UDP协议，在长期传输大量数据时，不可避免的会存在丢包或者数据延时的问题，对利用远程状态监测系统进行数据相关分析造成了一定的困难，因此，需在以后进一步研究，采取一定措施，例如在系统各服务器及子系统服务器上安装对时软件避免数据延时，采取更大带宽的网络减少数据丢包的状况出现。

参考文献：

[1]周叶，潘罗平，夏伟.水电机组变压器油中气体在线监测技术分析与研究[C]//第十八次中国水电设备学术讨论会论文集，2011.

[2]刘娟，潘罗平，桂中华，等.国内水电机组状态监测和故障诊断技术现状[J].大电机技术，2010（2）：49-53.

[3]唐卫平.水电机组状态监测系统的设计及应用探讨[J].华中电力，2003，16（4）.

中图分类号：TP277

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）04-0036-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.010

收稿日期：2015-01-20

作者简介：夏伟（1986-），男，工程师，从事水电机组性能测试及故障诊断分析研究工作。