航天测控站供电系统智能监测系统设计及验证

虞炳文，肖晓强，范利波，丁思炜

(1.国防科技大学 计算机学院，长沙 410073；2.西昌卫星发射中心，四川 西昌 615000)

0 引言

供电系统通常是一个单位的命门所在，电力的不稳定将直接影响单位业务的正常开展，尤其在航天系统这样一个高标准、严要求的领域，确保供电系统的稳定运行，具有重大的意义。如果航天测控站的供电系统不稳定，可能会导致测控设备跟踪测量飞行器的任务失败，甚至可能会导致测控烧毁、损坏。目前，在各航天测控站中，通过各类型的电力设备对供电系统的监测并不少见，但是对于监测数据的统一收集、分析及显示并没有很好的方案，该文结合工作实践，设计一种适用于航天测控站的供电系统智能监测系统，其目的在于打通包括测量及供电设备在内的各电力设备之间的壁垒，将各类型电力设备实现从数据采集到分析，再到显示的集中智能监测，以及时把握供电系统存在的隐患，提高供电系统的稳定性和可靠性，从而提高航天测控设备参加测量任务的可靠性。

当前部分航天测控站的电力监测系统尚未健全，通常依靠人的干预，来观测记录分析预测。对电力系统的监测，主要通过日常的日、周、月维护，以及在航天发射的关键时刻，安排专人到实地进行监视来实现。监测的过程，也是通过监测人员对关键指标的表格化记录为记录方式，而且关键指标的采集并不完整，部分有用指标不具备采集条件。对电力系统监视分析过程，以及对可能发生的故障的预判，也高度依赖监测人员的经验来进行判断。

因此，目前航天测控站的电力系统监测主要存在以下几方面问题：

1)数据并没有被充分挖掘，部分有价值的数据，因为不具备采集条件而未被采集，部分数据虽然开放了接口，具备被采集的条件，但并没有得到重视，长期处于离线采集状态；

2)没有供电数据自动记录、存储手段，大量有价值数据未被存储；

3)缺乏对数据的分析手段，数据的处理受限制；

4)缺乏数据的集中统一显示手段。

针对以上问题，本文提出以下几种处理方案：

1)针对数据采集方式的缺失，设计了一套新的软硬件结合的数据采集模块，通过硬件上，设计数据采集末端局域网和数据采集主干网，将不同类型的涉电设备的电力参数，根据其各自的通信方式，如网口或者串口，选用不同的数据采集设备，从而实现将所有的涉电设备，都通过以太网就近接入。

2)为解决数据记录、存储手段缺失问题。结合数据采集模块，并设计数据发布模块的数据存储功能，同时通过设计C/S架构，即在本地搭建以数据采集设备为核心的数据采集末端局域网采集数据，将数据经过数据采集主干网传输，上传至搭建了数据发布模块的上位机中心服务器，两者之间通过固定通信协议沟通。从而实现了数据存储功能。

3)针对数据分析手段缺失的问题，设计了数据发布模块的数据分析功能。通过在上位机服务器布设供电系统智能监测服务器软件，实现3个功能，一则与数据采集终端沟通的功能，二则数据存储分析功能，三则数据推送功能。

4)针对数据显示手段缺失的问题，将供电系统智能监测服务器软件设计为B/S架构，通过软件后台，将数据进行推送的功能，用户可通过网页前端查看数据和分析结果。

1 供电系统智能监测系统的设计

供电系统智能监测系统，运行框架如图1所示。

图1 供电系统智能监测系统拓扑图

可据此分为两个大功能模块，分别为数据采集模块和数据发布模块。

1.1 数据采集模块

数据采集模块主体架构为C/S架构，即服务器配合客户端的架构，服务器即上位机服务器，以及其上所运行的供电系统智能监测服务器软件，客户端即数据采集终端，以及终端上所运行的数据采集客户端软件。可通过此设计，解决数据采集方式缺失的问题，以及实现将采集数据统一上传至中心服务器的功能。

1.1.1 硬件设计

硬件设计区分为数据采集末端局域网，以及数据采集主干网结构。数据采集末端局域网为数据采集主干网中的子节点。一个数据采集主干网可根据需求包含若干个数据采集末端局域网。

1.1.1.1 数据采集末端局域网

数据采集末端局域网为整个智能监测系统中的基本单元，是数据采集中的最前端环节，与供电系统直接相连接，通过各类传感器及各类通信接口，直接或者间接的获取各电力设备的各参数数据，如图2所示。

图2 数据采集末端局域网拓扑图

图3 常见三相4回路电参数采集模块示意图

1)数据采集终端：

数据采集终端为整个数据采集末端局域网的核心，通过以太网口，经交换机，与各个终端设备，根据其通信接口、通信协议进行沟通，终端设备若采用串口通信，则通过串口服务器与相应终端设备沟通，若采用以太网口，则直接沟通。串口服务器与数据采集终端之间为保证数据的可靠性，采用TCP模式进行沟通。数据采集终端采用嵌入式设计，基于国产龙芯2K1000芯片设计的开发板，带4.2英寸触摸屏，以及AC音频口等，开发板运行linux内核，可运行基于Qt开发的C++程序，即数据采集客户端软件，该软件通过通信协议与各电力设备通信，获取其电参数，并整理成为统一的通信格式，外发至上位机服务器。

2)继电器设备：

继电器在供电系统中起到的测量的作用，可测量三相电的电压值，通常继电器设备包含有显示屏幕，可实时监测三相电数值，继电器一般使用RS485串口与外部通信。选用继电器是在本地需要监测的三相电路数较少，并且需要本地也可实时显示查阅的情况下使用。缺点是继电器通常只能测量一路三相电，优点是本地可实时显示查看。

3)模拟量采集器：

模拟量采集器即采集模拟信号并获取其数值的设备，可通过A/D采样，采集电压值和电流值，其中电压值可直接从电路中串接分线，电流值需要互感器的配合。常见的模拟量采集器量程有，电压0至24 V，电流0至20毫安。可根据需求选择采集路数。模拟量采集器的通信接口通常为RS485串口。该设备适合用于用电设备端，比如采集机房机架用电情况。所选用的模拟量采集器的技术参数可见表1。

表1 常见模拟量采集器的技术参数

4)三相4回路电参数采集模块：

三相4回路电参数采集模块，可测量相电压和相电流，以及功率、功率因数、有功电能等，常见的相电压量程在20～500 V之间，常见的电流量程为1～20 A之间，电流测量需要配合外置互感器。与模拟量采集器类似，通过对模拟量的A/D转换实现数据的采样，区别在于通常普通的模拟量采集器的量程较小，而三相4回路电参数采集模块的量程较大。通常采用RS485的通信接口。该设备适合用于配电机房这样的主干电路机房中。常见的三相4回路电参数采集模块的示意图如下。

5)油机设备：

航天测控站中，通常都会安装有油机设备，用于对市电的冗余备份，当市电中断供应时，所采用的应急手段，油机可以采集的电参数通常有，油机额定功率、额定电压、额定频率、额定电流、额定转速等等，可见表2。

表2 油机常见参数

6)UPS设备：

航天测控站因为其特殊性质，对其电力使用的稳定性及可靠性，都有着较高的要求，因此必定会配备有UPS设备，UPS设备即不间断电源设备，通常起到两个作用，一个是稳压，无论是市电还是油机发电的输入，其电力都是不可靠的，会有着较大的波动，这对于测控设备来说是不可接受的，因此UPS设备的稳压功能有着非常重要的作用，另一个作用是当接入的电力中断或者电力在几路来源中切换时，保持经过UPS设备的后侧用电设备不断电，能无缝衔接。UPS设备可以采集的电参数有输入电压、最近一次的异常电圧、输出电压、输出电流、输出频率、电池总电压、UPS温度、UPS状态、预计电池备用时间、电池容量百分比、输出有功功率、输出视在功率、总功率、负载百分比、故障代码、警告代码等。UPS设备通常可通过网口和串口两种方式与外部通信。

7)蓄电池监测系统：

蓄电池组是UPS的配套设备，通常一套UPS设备起码配备有一组蓄电池，一组蓄电池通常包含有32块蓄电池，一块蓄电池通常额定电压为12 V，容量常见的有100安时或120安时。蓄电池监测系统是用于对蓄电池组的状态监测的设备，能监测得到的电参数有单块电池的电压、电流、电阻和温度值，每一组蓄电池组的电压值和电流值、以及系统根据所获取参数及预设指标所给出的告警信息等。蓄电池监测系统通常采用串口通信，通信模式如图4。

图4 蓄电池监测系统通信模式

8)温湿度计：

通常供电设备最容易受到温湿度变化而出现问题，同样，温湿度变化也是最直接能反映供电设备状态的参数指标，因此温湿度虽然并不是直接的电参数，因为其重要性，纳入到电力设备范畴，对其进行参数采集。温湿度计通常采用网口接入以太网。常见以太网型温湿度计参数如表3。

表3 常见以太网型温湿度计参数

表4 单个设备极限轮询测试

表5 满载同时轮询测试

表6 上位机服务器接收数据测试

表7 上位机服务器数据存储测试

表8 显示界面刷新率测试

表9 显示界面刷新率测试

1.1.1.2 数据采集主干网

数据采集主干网采用星型接入结构，即一个数据采集主干网可以接入若干个数据采集末端局域网，如图5所示。

图5 数据采集主干网

图6 与电力终端设备的通信协议生成流程图

图7 与电力终端设备的通信协议生成流程图

1.1.2 软件设计

数据采集模块中的软件部分，主要便是数据采集终端中的数据采集客户端软件的开发，该软件的开发应该聚焦两个方面的内容，一则通信协议设置模块，包含与电力设备沟通采集数据以及与上位机沟通两部分，二则网络通信模块。

1.1.2.1 通信协议设置模块

该模块解决的是在与各个方向的通信过程中，会涉及到的通信协议的问题。

1)与各电力终端设备的通信协议：

与各电力终端设备的通信协议，主要采用串口与串口服务器的方式。在常见的电力设备中整体可区分为两种串口通信协议，一种为规则的通信协议，按照标准的起始码、地址码、命令字、数据、校验码的格式生成的通信协议。另一种为不规则的通信协议，比如UPS设备，通常其通信协议并不规则，使用其厂家自行定义的一套规则。

2)与上位机服务器沟通的通信协议：

与上位机服务器沟通，采用网络报文的格式，因此其通信协议格式按照智能监测系统内部约定好的格式即可，通常可按照如下格式约定。

报文包含有报文类型、目的地址、源地址、数据域长度、数据域、校验位等内容。报文类型即可区分是控制命令还是测量数据，以及该条报文所含数据，采集自何种电力设备等，目的地址可区分接收方，通常是上位机服务器，源地址可区分来源，如哪台数据采集终端，数据域长度即告知接受者数据域的长度为多长，该长度即为后续数据域的字节数，最后使用校验码保证数据报文的准确性。

1.1.2.2 网络通信模块

网络通信模块用于实现数据的收发。包含与串口服务器的数据收发，以及与上位机服务器的数据收发。

1)与串口服务器的数据收发：

与串口服务器的通信，采用TCP模式，在串口服务器的每个端口中分别启用TCP的客户端模式，以端口号区分设备，在数据采集终端启用TCP的服务器模式，当有电力设备上线时，串口服务器相应端口激活，与数据采集终端沟通成功，数据采集终端开始根据轮询电力设备，获取相应数据。流程如图8。

图8 与电力终端设备的通信协议生成流程图

2)与上位机服务器的数据收发：

与上位机服务器采用UDP组播的通信方式，组播的优势是不挤占网络资源，数据的可靠性通过通信协议中的校验码来保证。

1.2 数据发布模块

数据发布模块的主要聚焦于3个功能，一则数据存储，二则数据分析，三则数据显示。以解决数据存储、分析和显示手段缺失的问题。数据发布模块部署在上位机服务器中，即供电系统智能监测服务器软件，该软件采用Java语言编写。

1.2.1 数据存储功能

通过与数据采集终端形成C/S架构，数据采集终端将采集到的数据通过以太网组播形式发送，上位机服务器中的供电系统智能监测服务器软件通过加入组播组接收数据。接收到数据后，拆解包头，可获悉属于何种电力设备数据，通过预设的该类型电力设备的数据格式拆解数据域内容，并存入相应数据表。流程如图9。

图9 上位机拆解报文并存储流程图

1.2.2 数据分析功能

在供电系统智能监测服务器软件中，数据分析智能性的最重要的体现，通过这一功能，将已获取的所有数据进行尽可能的数据分析，以挖掘数据的价值。

1.2.2.1 可统计分析的参数

常见数据分析需求如下。

1)统计近期某测控设备的耗电量趋势，判断是否存在何种异常；

2)统计蓄电池近期内阻上升趋势，判断蓄电池健康状况，判断蓄电池是否已老化严重，是否需要进行蓄电池更换；

3)根据预设的范围值，对超出正常范围的参数进行告警；

4)统计油机的通过对油机供电的一段时期内的参数值趋势进行分析，判断油机是否存在异常；

5)通过对市电采集的一段时期内的参数值数据趋势进行分析，判断市电是否存在异常。

6)通过对内部电网的一段时期内的参数值进行分析，看是否存在异常值，看是否有接线松弛等风险项存在的可能。

1.2.2.2 回归分析方法

在数据分析预测中，比较常见的分析方法为回归分析法。

回归分析法根据自变量的数目，区分为一元回归分析法和多元回归分析法。可按照自变量和因变量之间的变化关系，分为线性回归分析和非线性回归分析。

以蓄电池老化为例，蓄电池老化的一个典型特征是内阻开始增大，可以以内阻作为自变量参数，来反映蓄电池老化的一个趋势。

设内阻的值为x，设蓄电池已使用时间为y。当内阻的值越大，蓄电池的已经使用时间越长，即x越大，，y则越大，这是一个正相关的过程，但x一开始不为零，因此，这是一个一元的线性回归分析问题。可以列出一个简答的线性相关函数如下。

(1)

其中：i代表为第i次记录内阻值，β0为一个常数项，β1为xi的系数，ε为不可观测的随机误差，E(ε)代表着ε的期望应当为0，即不可观测的随机误差应当趋于0，D(ε)=σ2所指的σ2是未知参数，即σ2的方差应当趋于某个固定的值。该式即为一元线性回归模型，βk为回归系数，在此k取0和1。

在i次观察记录后，可以得到i组数据，此时i个y值可以组成Y矩阵，i个x值可以组成X矩阵，i个ε值写作ε矩阵，组成如下函数。

(2)

使用最小二乘估计，估计X中的β0和β1值。

(3)

可计算得到参数值，并通过以下公式判断结果的好坏。

(4)

Qe=eTe

(5)

(6)

求出的一元线性回归模型即可作为蓄电池生命周期的函数，进而判断其剩余寿命。

1.2.3 数据显示功能

在供电系统智能监测服务器软件中，采用B/S架构显示数值，显示的参数包括原始数据和分析结果数值。供电系统智能监测服务器软件作为服务器端，采用Java语言编写，通过websocket与前端网页页面进行沟通，实现双向握手实时收发数据，实时更新页面数据，保证页面数据的实时性，以及数据的可靠性。websocket的沟通机制如图10所示。

图10 websocket原理机制图

2 实验验证

为测试方案的可行性，现根据现实环境，设计如下实验，对系统性能进行测试。

2.1 串口终端接入容量测试

串口终端接入容量测试，目的在于测试数据处理终端通过串口服务器轮询各涉电设备数据的能力，其是否满足航天测控站的需求，并找到单个数据采集末端局域网的最佳采集方案。

通过本实验结果分析，可知测试数据处理终端通过串口服务器轮询各涉电设备数据的能力，满足航天测控站的需求，并且可知满足航天测控站需求的最佳档位组合为继电器采用1秒1次采集频率，模拟量采集器采用10秒1次采集频率，油机采用10秒1次采集频率，电参数采集模块采用10秒1次采集频率，UPS采用10秒1次采集频率，蓄电池监测系统采用30秒1次采集频率。

2.2 网络收发包测试

网络收发包压力测试的目的，在于测试上位机服务器是否满足航天测控站对数据采集末端局域网数量的需求，通常，这个数量需求应当大于10个。

通过本实验结果分析，可知上位机服务器软件，可同时采集10个以上，采用最佳档位组合进行采集的末端局域网的数据，满足航天测控站对数据采集末端局域网数量的需求。

2.3 上位机服务器数据存储测试

在执行网络收发包压力测试时，同时执行上位机服务器数据存储测试，测试上位机服务器是否满足航天测控站对10台以上数据采集终端进行正常的存储数据。

通过本实验结果分析，可知上位机服务器软件的存储功能，可同时存储10个以上，采用最佳档位组合进行采集的末端局域网的数据，满足航天测控站对上位机服务器数据存储性能的需求。

2.4 显示界面刷新率测试

在执行网络收发包测试时，同时进行显示界面刷新率测试，测试上位机服务器是否能将10台以上数据采集终端所发送的采集的数据、及分析的结果实时显示在网页中。

通过本实验结果分析，可知上位机服务器软件的分析显示功能，可同时处理、分析并显示10个以上，采用最佳档位组合进行采集的末端局域网的数据信息，满足航天测控站对上位机服务器数据处理显示性能的需求。

2.5 系统稳定性测试

在执行全系统的压力测试的同时，测试系统的稳定性，包含从数据采集，到数据存储，到数据分析，再到数据局显示的整个过程的测试。主要测试对象为数据采集模块和数据发布模块的稳定性，通过查看供电系统智能监测服务器软件，以及数据采集客户端软件的运行情况判断运行状态。

通过本实验结果分析，可知，全系统能够稳定运行72小时以上，软件运行稳定性可靠，满足使用需求。

3 结束语

该文对航天测控站供电系统智能监测系统进行了设计及实验验证，设计结合上位机服务器与数据采集终端的C/S架构、上位机服务器与前端页面显示的C/S架构、数据采集终端与串口服务器的TCP服务架构，并从软硬件两个方面设计数据采集模块，从数据的存储、分析、显示3个主要功能设计了数据发布模块。通过测试串口终端接入、网络收发包、上位机服务器数据存储、显示界面刷新等实验证明了设计方案的可行性。

该设计满足航天测控站的需求，并提出了如下创新点。

1)通过数据采集终端和串口服务器，实现了涉电终端设备，无差别接入监测系统，并实现数字化。

2)通过融合设计C/S及B/S架构，实现了数据从采集到存储，再到处理和显示的整个流程，并自行设计了数据采集终端和上位机服务器之间的网络通信协议。上位机服务器通过websocket实现界面实时刷新。

3)提出了将数据回归分析应用于数据处理分析的方法。

4)满足了航天测控站对供电系统监测的需求。

解决了航天测控站电力系统有价值数据挖掘不足、缺乏电力系统数据集中显示手段的问题，并提出了电力系统数据潜在的智能化应用方向，为确保电力系统的稳定可靠运行提出了可行方案，为航天测控任务的正常实施提供了有力支撑。