跨流域水電站群大壩安全集控系統中的通用遠程采集協議研究

文/周小錄 劉毅 劉貴平 向南

遠程數據采集功能是跨流域水電站群大壩安全集控系統的基礎，主要負責連接各水電站大壩的現場NDA測控模塊，查詢模塊及傳感器工作狀態、設置數據采集周期、取數、清空模塊、選點測量等，實現基于遠程集控的數據采集和測量控制功能。

由于國內大壩監測自動化系統尚無統一的標準協議，不同電站、不同廠家的大壩監測自動化系統自成體系，如何對異構系統進行無縫集成，納入統一的跨流域水電站群大壩安全集控系統中，實現集中管理、遠程測控，成為首先要解決的技術問題。為此，我們研究開發了一套通用遠程采集協議,集控系統通過該協議與各水電站監測自動化系統通信，傳遞指令，收取數據。

1 遠程數據采集的流程框架

大壩安全集控系統中心站監測計算機為客戶端，各電廠分站監測自動化系統監測計算機為服務端，雙方采用通用標準協議進行數據通信，中心向分站發送命令，分站解碼后交由本地測控系統執行命令，將執行結果反饋至中心站，從而實現遠程控制測量。遠程采集交互流程如圖1所示。

1.1 驗證連接請求合法性

客戶端向第三方采集單元發送采集命令前，先向服務端發送Socket連接請求，服務端偵聽到新連接后，會立即啟動合法性驗證，服務端驗證結果成功客戶端可進行注冊操作，否則服務端斷開連接。

1.2 注冊

客戶端創建合法連接后，考慮到多客戶端操作時的并發安全，在發送正式通用采集命令之前需要先注冊到服務端，只有注冊成功的客戶端才能夠發送通用采集命令包。

注冊成功后，服務端處于等待客戶端發送通用采集命令包的狀態。

表1：消息包一覽表

1.3 執行通用采集命令

以測點選測命令為例，客戶端創建并發送CmdSelPMea通用采集命令包到服務端，服務端從命令包中解析出包含的采集單元等參數，在服務端執行完成后，將結果包發送回客戶端，客戶端根據協議解析結果內容后自行處理。

1.4 注銷

當客戶端沒有采集命令需要處理后，需要向服務端發出CmdStopUse注銷命令包，以釋放對服務端的獨占，服務端將再一次處于空閑狀態，等待處理其它合法客戶端連接的注冊請求。

2 遠程控制與采集功能分析

大壩安全集控系統需要實現的遠程測控功能主要包括現場設備狀態查詢功能、現場設備控制功能、水工建筑物監測數據采集功能。功能劃分如圖2所示。其中現場設備狀態查詢主要包括測量模塊時鐘查詢、各模塊下測量通道集合查詢、數據采集周期查詢、模塊中已有測次查詢；現場設備控制主要包括時鐘同步、設置數據采集周期、設置通道集合、模塊狀態自檢、清空模塊中已有測值等功能；遠程數據采集主要包括測點單檢、選擇一批測點測量并返回測值、取定時測量值等。

3 通用遠程采集協議設計

3.1 通訊協議

由于各采集信息系統之間開發所使用的平臺存較大差異，因此遠程采集服務采用基于傳輸控制協議 (TCP)的 Socket通訊來完成。

通常控制命令和返回數據大都采用二進制編碼方式（如電力系統中常采用104協議進行編碼），但這些編碼在表達一些純數字比較方便，在大壩監測遠程采集中，各開發商含有一些很難標準化的信息，比如測點單檢結果、測量裝置自檢信息、系統中出現的錯誤，很難把這些信息標準化為標量值，另外還有測點設計代號、測量裝置名稱和測點配置信息中還存在漢字的情況，二進制編碼很難處理這種信息。

通用遠程采集協議采用XML進行數據描述，它采用字符串形式編寫，是一種簡單、與平臺無關并被廣泛采用的標準，便于其他系統開發和使用，同時由于XML能表達任何類型的數據，非常易于在將來進行擴展和修改。

3.2 編碼

考慮到信息中可能包含漢字（比如測點設計代號、采集裝置狀態和故障原因等）編碼需要使用unicode，另外考慮Windows 操作系統中MSXML組件默認按UTF-8來編碼，所以字符編碼統一采用UTF-8。

發送方編碼時將一組 UTF-8 字符串轉換為一個字節序列，接收方解碼時是將一個編碼字節序列還原為 UTF-8 字符串，并根據協議消息包的XML架構解析出相應的消息。

圖1：遠程采集交互流程框架

圖2：遠程控制采集功能示意圖

3.3 消息包設計

系統中的客戶端和服務端是通過消息包的交互來實現遠采集程控制的，協議中的消息包的格式需要由XML架構來規范。通用遠程采集協議中主要消息包如表1所示。

3.4 消息包的XML架構定義

該架構嚴格定義了各消息包的信息標準，發送和接收方根據該架構對消息包進行編碼、解碼，保證雙方對消息包的正確理解。

下面給出了消息包實例。

4 實際應用

通用遠程采集協議研究開發完成后，基于該協議，開發了跨流域水電站群大壩安全集控系統的遠程采集軟件，各監測自動化系統廠家也按照協議標準開發了對應的遠程采集服務接口。經過測試，實現了預想的功能，共12個水電站的大壩監測自動化系統全部接入大壩安全集控系統，進行集中控制。在長沙中心站實現了遠程測量和設備狀態監控。

圖3：遠程數據采集實際應用示意圖

5 結語

“通用遠程采集協議”是一種開放式協議，通過協議可無縫集成第三方廠家的大壩監測自動化系統。協議中的數據采用xml編解碼技術，解決了國內大壩監測自動化系統的采集控制信息難以統一描述的困擾，為大壩監測自動化采集系統異構控制提供了兼容的、低實現成本的解決方案，為流域大壩安全監測綜合遠程控制系統開發提供了一個可以借鑒的先例。