变电站实时监测系统中WebSocket技术的应用

李虎孬，何大伟，陈富国，周瑞敏

（平高集团有限公司，平顶山 467001）

变电站实时监测系统中WebSocket技术的应用

李虎孬，何大伟，陈富国，周瑞敏

（平高集团有限公司，平顶山 467001）

智能电网的高速发展，对变电站一次设备的安全可靠运行提出更高要求。研究变电站实时监测系统，通过WebSocket技术将整站设备的实时状态呈献给用户，其高效性和实效性的监测数据为高压设备的安全运行提供可靠的依据。WebSocket完美解决变电站实时监测系统中数据处理中心主动推送监测数据的问题。

实时监测；WebSocket；共享内存；智能电网

0 引言

随着智能电网建设的深入开展，作为智能变电站重要组成部分的设备状态实时监测系统[1-3]，将面临更大的挑战。智能变电站内高压设备的安全运行需要大量实时监测数据的支撑，这就对多通道采集推送各种运行数据到监测系统提出了更高要求。变电站整站实时数据与监测后台采用WebSocket[4]技术进行交互，延迟小，准确率高，实现对智能高压设备状态的监测，并根据监测数据的分析结果，估算出高压设备的运行特性和寿命损失，为设备安全运行提供可靠的依据，使电网系统更安全，符合智能电网的发展要求。

1 Web实时通信技术的发展

Web实时通信应用必须克服信息传递和信息存储[5]两大难题。后者可以通过文件、数据库以及临时缓存等方式来存储信息，而信息传递在Web实时通信中主要采用所谓的“推”和“拉”两种主要方式。目前广泛使用的是客户端采用轮询的方式，即所谓的“拉”，不断向服务器发送报文请求，以便实时更新客户端数据。有时服务器端会主动发送数据到客户端，这就是难以实现的“推”方式，本文描述的变电站实时数据主要就是通过“推”与后台Web系统进行实时交互。

对比Web实时通信的几种方式，如下表1所示。

目前，上述几种Web实时通信技术都比较成熟，在各个领域的应用也比较广泛。采用WebSocket方法实现数据交互，能够避免客户端与服务器交互的长轮询，减轻客户端压力。当变电站实时监测数据量比较大时，该交互方法具有延迟小，准确率高等优点。

2 变电站实时监测系统

2.1 概述

表1 实时通信方式

状态监测[6]是实现变电站智能化的重要手段，为实现变电站实时状态检修提供重要的数据支撑。状态接入控制器（CAC）是按照国网公司相关规范研制的设备实时监测系统的关键装置，担负着通过标准化的接口获取整个变电站实时监测数据的任务，是变电站实时监测系统高度整合的核心。变电站状态实时监测后台能够有效汇聚过程层监测数据，是直接面向用户的状态可视化系统，是实现智能化实时监测必不可少的重要环节。

国内变电站整站状态实时监测系统经过多年的发展，已经逐步成熟，基本能够满足国内变电站建设与运行的需要。南瑞继保、国电南自、许继电气[7]、北京四方等传统二次厂商长期关注二次电气控制、继电保护等技术，在变电站实时监测方面具有较大的优势。

2.2 系统架构

实时监测系统主要由数据采集、数据处理和实时显示3部分组成。数据采集端将不同传感器或下层数据采集服务器上传的数据按不同规约进行编解码处理，然后推送到数据处理中心。数据处理中心通过实时数据库或开辟共享内存的方式完成数据的推送（实时显示)和保存（历史数据)，本文后续章节会有详细描述。数据实时显示端采用良好的人机界面，保证了实时数据的完整性和实效性，满足变电一次设备实时状态的更新与展示。

变电站一次设备状态实时监测系统架构图如图1所示[8]：

图1 系统架构图

系统主要包括以下监测项目：

（1）变压器实时监测

包括变压器油中溶解气体监测、变压器铁芯接地电流监测；

（2）开关设备实时监测

包括高压断路器/GIS的机械状态监测、SF6密度微水监测、GIS局部放电监测；

（3）避雷器实时监测

包括避雷器泄露电流的全电流、阻性电流、容性电流及避雷器动作次数监测；

（3）阀厅实时监测

包括换流阀厅内的红外监测、温度监测。

3 WebSocket在变电站实时数据交互中的实现

3.1 共享内存

共享内存是计算机内部被多个进程共享访问的一部分物理内存，是进程间共享数据的一种最快的方式。其原理是：一个进程向共享内存区域写入或修改了数据，对这个内存区域具有共享权限的所有进程就可立刻进行异步读写操作。

共享内存交互数据的实现分为两个步骤：

（1）根据采集数据的大小，创建共享内存，并将这段创建的共享内存映射到具体的进程空间去，如下图2所示：

图2 开辟共享内存

（2）为监测设备创建对应组号和序号的映射文件，并与开辟的共享内存地址保持一致。如图3所示：

图3 创建映射文件

为保证数据采集端与数据处理中心数据交互的实时性，系统按照采集数据的大小开辟相应的共享内存，采集端进程将取到的数据放入共享内存中的同时，数据处理中心进程也可同时访问共享内存中的数据。对实时监测这种实效性高的系统，共享内存交互数据的效率远高于文件和数据库。

3.2 WebSocket协议实现数据通信

基于B/S模式[9]的实时通信逐步取代了开发成本高、维护和升级困难的C/S模式，并将成为未来实时通信应用领域的主流。WebSocket Protocol是HTML5的一种新的协议，也称“握手协议”，它实现了浏览器与服务器全双工通信，使客户端浏览器具备像C/S架构下桌面系统的实时通讯能力。数据展示Web端通过JavaScript向数据处理中心发出建立WebSocket连接的请求，连接建立以后，Web端和数据处理中心就可以通过TCP连接交换数据。

数据展示Web端声明一个Socket连接如下图4所示：

图4 WebSocket客户端

如今几乎所有浏览器都支持WebSocket协议，打开实时监测页面时，initialize函数初始化一个Socket对象。connect函数建立与数据处理中心的连接，即服务器端的连接，其中URL与服务器端Servlet名称保持一致。onmessage函数主动接收数据处理中心发送的消息，同时数据展示页面通过send函数向服务器反馈消息。

数据处理中心WebSocket的处理如下图5所示：

图5 WebSocket服务端

代码@WebServlet（"/SensorServlet")中SensorServlet是数据处理中心Servlet名称（即上述提到的服务器端Servlet名称)。实时监测页面使用WebSocket连接数据处理中心时，需要将WebSocketServlet的子类SensorServlet作为连接入口。SensorServlet应当实现Web-SocketServlet的抽象方法createWebSocketInbound，以便创建一个inbound实例（MessageInbound或StreamInbound)。该实例类SensorMessageInbound继承MessageInbound，并实现这个类的抽象方法onBinaryMessage（二进制消息触发)和onTextMessage（文本消息触发)，将数据推送到实时监测页面。

WebSocket解决了服务器不再被动接收消息才返回数据，其主动推送消息符合变电站内采集服务器主动上送监测数据机制。因此，变电站实时监测系统中数据处理中心采用WebSocket协议实现数据推送，其完美解决了客户端与服务器一次握手，长期通信的问题，满足状态数据的实效性，减轻客户端压力。当变电站实时监测数据量比较大时，该交互方法具有延迟小，准确率高等优点。

4 结语

本文设计了一种基于WebSocket技术的变电站实时监测数据推送方法，该方法可以将状态监测数据从开辟的共享内存中实时取出，推送到监测页面展示。WebSocket技术使得监测数据上传主动、高效，将其应用到变电站实时监测系统中，实时可靠的获取高压设备的状态数据，为电网安全运行提供可靠的依据。

[1]蔡骥然,郑永康,周振宇,等.智能变电站二次设备状态监测研究综述[J].电力系统保护与控制，2016，V44（6):148-154.

[2]徐清,张敏.基于IED的变电站一次设备状态监测系统[J].科技创新导报,2011,7:88-90.

[3]金逸,刘伟等.智能变电站状态检测技术及应用[J].江苏电机工程,2012,31（2):12-14.

[4]李代立,陈榕.WebSocket在Web实时通信领域的研究[J].电脑知识与技术,2010,6（28):7923-7925.

[5]谢善益,杨强等.开放式输变电设备状态监测信息平台设计与实现[J].电力系统保护与控制:工学版,2014,42（23):124-130.

[6]周瑞敏,陈富国等.智能变电站状态监测系统的设计及应用[J].工程技术（全文版),2015,（13):00181-00182.

[7]徐长宝,庄晨,蒋宏图.智能变电站二次设备状态监测技术研究[J].电力系统保护与控制,2015,V43（7):127-131.

[8]钮彬.智能变电站状态监测系统架构设计与信息建模[D].上海:上海交通大学,2013:23-27.

[9]王辉,王敬华,徐丙垠,王瑶瑶,李浩田.基于B/S架构的分布式电源并网监控系统设计[J].电力系统保护与控制,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，硕士,工程师，研究方向为CAC及变电站设备状态监测与故障诊断

何大伟（1986-），男，硕士，工程师，研究方向为智能高压开关设计，一次设备智能化

陈富国（1983-)，男，硕士，工程师，研究方向为一次设备智能化及变电站状态监测

周瑞敏（1990-)，女，硕士，工程师，研究方向为变电站设备状态监测

2016-09-29

2016-11-10