基于104 规约的海缆在线监测数据发布系统设计

2021-02-02时倩玉安博文陈元林

现代电子技术 2021年3期

时倩玉，安博文，陈元林

（上海海事大学信息工程学院，上海 201306）

0 引言

海底电缆是海上风力发电工程的能源动力线，各个海上风电项目均配置海缆在线监测系统。系统具备海缆温度监测、动态载流量监测、振动监测、应力监测、船舶智能监控（Automatic Identification System，AIS）、故障定位监测等功能。当前国内海上风电场的一体化管理平台（主站系统）多采用IEC60870-5-104 作为主从站之间的通信规约[1]，因此海缆在线监测系统需支持104 通信规约实现数据发布。

海上风电场的待发布数据有以下特点：数据种类多、数据类型复杂、需要传输大数据文件等。针对以上特点，海缆在线监测数据发布系统需要满足以下设计准则：

1）松耦合：数据发布系统与海缆在线监测系统为独立模块，支持多个海缆监测系统的数据接入，相互之间无依赖性。

2）动态配置：由于数据种类较多、来源分散，点表地址的分配需要依据主站要求灵活设置。

3）系统支持文件发布：保证大数据文件也能有效传输。

4）系统具有安全管理功能：能显示每个已连接主站标识，自主设置连接黑白名单，以保证系统的安全性。

5）系统具有配置点表可视化及连接界面可视化的功能，提供直观、方便的用户体验。

国际电工委员会制定了一套通用数据传输规则——IEC60870-5-104 协议[2-6]，可实现远端数据的获取和发布，它以低廉的成本、优良的性能在电力系统监控网络等应用中备受青睐[7-10]。文献[11]基于104 规约建立了一套智能变电站辅助系统的仿真测试方法和软件，用于测试不同设备互联互通的兼容性能。文献[12]综述了104 规约在远动通信应用领域的设计和实现方法。文献[13]主要实现了海缆监测系统的数据文件配置与发布功能。

综上所述，上述文献未能对本文的主要需求提供有效解决方法，因此需要开展针对性研究。

1 IEC60870⁃5⁃104 规约分析

IEC60870-5-104 协议定义了开放的传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）/互联网协议（Internet Protocol，IP）接口的使用，规约底层采用TCP/IP的协议子集，通过用户到TCP 的接口连接到应用层，该规约的应用层分为应用规约控制信息（Application Protocol Control Information，APCI）和应用服务数据单元（Application Service Data Unit，ASDU）。远动配套标准的APDU 定义如图1 所示。

图1 104 远动配套标准的APDU 定义

2 系统模型

2.1 系统结构

海上风电场数据发布系统的一般结构如图2 所示，多个海缆在线监测系统分别将采集到的数据存储于数据发布系统（从站）的数据库中，再通过从站发布数据给各个主站。因此，数据发布系统是一个能同时连接多数据源和多主站的系统。

图2 海上风电场数据发布系统模型

2.2 系统数据流

2.2.1 数据流图

从数据流角度来看，发布系统包括：

1）数据库：海缆在线监测系统将待发布数据写入数据库中；

2）动态配置表：系统配置点表地址关联唯一的数据表名，该地址根据主站需求灵活可配；

3）点表映射内存：由点表地址为该数据表中的数据申请内存块。

系统数据流图如图3 所示，海缆监测系统将海量数据存入从站数据库后，通过刷新数据库更新映射内存数据，数据发布系统则从点表映射内存中选择所需数据发布给主站。

图3 系统数据流图

2.2.2 数据类型简介

海上风电场的监测数据划分如表1 所示。

复杂数据指一条完整信息由若干个不同类型字段组成，其点表地址空间连续，且任意字段的变化均表示该信息内容已变化，需要进行“突发发布”。以报警信息为例，报警类型码为整型，而报警具体信息为浮点型，如图4 所示。

表1 发布数据分类

图4 复杂数据实例

因此系统针对这类复杂数据自定义类型，进行相应解析后发布给主站。

2.3 系统功能设计

本文设计的数据发布系统使用Java 开发语言，实现了从站与多个主站、多个海缆监测系统连接的功能，快速地向主站发布海量数据及文件。详细功能如下：

1）发布功能。支持站召唤、分组召唤，周期发布、突发发布。

2）松耦合性。系统支持多个海缆监测系统的连接，响应其发布请求，即为不同数据发布源分配点表地址和数据表。

3）模块化设计与动态配置。每个海缆在线监测系统所需发布的数据种类和数据量不同，所分配的点表地址空间也不同，发布系统支持根据应用需求灵活配置。

4）实时响应召唤。通过内存映射，当主站发来召唤时，从站无须寻找数据库中对应数据并加载，而是从内存模块中直接读取数据发布出去，响应召唤速度得到提升。

5）支持自定义数据类型。对于报警、AIS 等信息，每条消息均含有多种数据类型。通过定义多个字段，组合为新的数据类型，解决了复杂信息无法直接发布的问题。

6）支持文件发布。除报警、AIS 等信息数据类型不单一之外，温度、应变、振动、载流量数据量过大，超过ASDU 规定的最大长度，需要采用文件形式进行传输。

7）安全管理功能。为保护海缆监测系统的数据安全和隐私，系统设计有安全连接管理功能，可限制黑名单地址用户连接，也可支持仅已知地址用户连接。

3 系统关键技术设计

3.1 动态配置与内存映射技术

3.1.1 动态配置

系统的动态配置能灵活适应不同主站配置点表地址不同的情况，根据实际需求动态配置数据点表地址，以保证完全适配主站。

系统点表配置是为了建立数据库中每张表与信息体地址的映射关系，主要包括3 个字段：信息体地址、关联数据表名、信息体长度。数据库中的每张表格分配有信息体地址，它有唯一关联的数据表名，信息体长度是该待发布数据的长度标识。以海缆甲线的温度数据表为例，点表配置如表2 所示。

表2 点表配置实例

3.1.2 内存映射配置技术

在给数据库中的数据表分配点表地址后，根据该地址映射相应的内存空间，完全复制待发布数据至内存中。本系统的内存映射配置可提升响应召唤速度，摒弃了从站从数据库中寻找数据并等待加载这一过程。设计过程如下：

1）海缆在线监测系统将监测数据放入数据库相应表格中，为每张表格分配唯一对应的点表地址。

2）将数据库中数据另存至地址映射内存块中，地址可根据主站需求动态配置。

3）从站需要发布数据时，根据点表地址找到映射内存，即可读取所需数据发给主站。

3.1.3 数据发布设计

1）发布设计

数据发布设计如图5 所示，海缆监测系统将监测数据远程、分布式写入数据库中，系统设有：

①数据刷新线程：每隔周期T（本系统中T 取100 ms）扫描一次数据库。若检测到新数据写入数据库，则同步数据至映射内存中。

②突发发布线程：将突发标志位置1，从内存块中读取新数据发给主站。

③响应召唤线程：接收到站召唤请求后，由点表地址从映射内存中找到数据并发布。

图5 数据发布设计

④周期发布线程：系统自主按照一定周期向主站发布点表映射内存中的数据。

2）发布配置

以新写入温度数据为例，数据发布配置表格如表3所示。

表3 数据发布配置实例

3.2 松耦合设计

海上风电场若需要监测多条海缆或者某根海缆较长，单台海缆监测系统监测范围覆盖不到，此时需要多套监测系统联合工作。松耦合设计要求支持多个监测系统共同连接，提高数据发布系统可扩展性能。

数据源发布者（监测系统）面对的是“分布式数据库”。数据发布系统为数据库中的每一张数据表分配点表地址，各监测系统的待发布数据存入对应数据表名即可。如当监测系统1（监测海缆甲线）的温度数据传来时，存入点表地址为1000 的数据表temp_zhqyjia。

数据表字段标准化。待发布数据分单一类型和复杂类型两种情况，均按照标准化字段统一写入、读取和发布。

1）单一类型：如温度、应变等数据，每个数据占有一个单元，类型由配置表确定，采用顺序发布。

2）复杂类型：即图4 所表示的复杂数据在写入数据库、内存映射、信息变化判断时，均作为一个整体进行处理。详细的写入和发布过程如图6 所示，从数据写入数据库开始，即将此条记录的每个字段分为字段数据类型和其真实值的组合，每个字段占有两个数据单元。读取数据时根据第一个数据单元的数据类型，选择相应报文传输类型，逐个发布第二个数据单元的真实值。