局部放电在线监测系统的数据传输协议选择研究：Modbus TCP 与 MQTT

局部放电在线监测系统的数据传输协议选择研究：Modbus TCP 与 MQTT

1. 引言 (Introduction):

分布式在线监测系统在现代工业应用中扮演着至关重要的角色。这类系统能够从地理上分散的资产中持续采集和分析数据，从而实现对运行状态的实时洞察、预测性维护以及整体效率的提升。在众多的工业应用领域中，电力设备的可靠运行尤为关键，而绝缘状态是保障其可靠性的核心因素。局部放电 (Partial Discharge, PD) 监测正是评估高压和中压电气设备绝缘健康状况的关键技术手段。通过早期发现局部放电现象，可以有效预防灾难性故障的发生，延长设备的使用寿命，并显著提升运行安全性 1。绝缘击穿是导致电气设备失效的主要原因之一，而局部放电是绝缘问题早期阶段的重要表征 4。因此，对局部放电进行持续监测，能够为及时干预提供预警，避免重大故障，并最终延长设备的整体寿命。本报告旨在对两种在工业通信领域广泛应用的协议------Modbus TCP 和 MQTT------进行比较分析，以确定哪种协议更适合用于分布式局部放电在线监测系统的数据传输。

2. Modbus TCP 协议概述 (Overview of Modbus TCP Protocol):

• 技术特点与架构 (Technical features and architecture): 客户端-服务器模型，基于寄存器的通信，TCP/IP 封装。 Modbus TCP/IP 协议通过使用 TCP/IP 协议族，将传统的 Modbus 协议扩展到以太网网络 11。它使得 Modbus 兼容的设备，例如传感器、控制器和执行器，能够在现代基于 IP 的网络上高效地进行通信 11。Modbus TCP/IP 最初由 Modicon 公司为可编程逻辑控制器 (PLC) 开发，现已广泛应用于连接各种工业设备和系统 11。该协议遵循客户端-服务器通信模型，其中一个主站（客户端）发起请求，而一个或多个从站（服务器）则响应这些请求 11。数据在 Modbus TCP/IP 中被组织成四种基本的数据类型，即离散输入（只读，单比特）、线圈（读写，单比特）、输入寄存器（只读，16 位）和保持寄存器（读写，16 位）11。这些寄存器用于访问和控制二进制和数值数据 11。Modbus 消息被封装在 TCP/IP 数据包中进行传输 11。该协议运行在 TCP 端口 502 上 11。TCP 协议通过错误校验和数据包重排序等机制，确保数据的可靠传输 11。IP 层则负责数据的寻址和路由 11。Modbus TCP/IP 通信使用功能码来定义操作类型，例如读取或写入特定寄存器的数据 11。简单的数值寻址方式用于识别寄存器，从而实现对系统内数据的有效访问 11。请求消息的结构包括一个 MBAP（Modbus 应用协议）头部、一个功能码以及相关的数据 11。MBAP 头部包含事务标识符和协议标识符等详细信息 11。 Modbus TCP/IP 协议构建在成熟的 TCP/IP 协议栈之上，这为网络内的数据传输提供了固有的可靠性。然而，基于寄存器的通信方式要求对局部放电监测数据进行清晰的映射，并且客户端-服务器模型，在该模型中，监测系统通常作为客户端轮询局部放电传感器（服务器），在大型分布式系统中可能会引入延迟和额外的网络开销。
• 在工业自动化中的优势 (Advantages in industrial automation): 简单易用，可靠性高（在局域网内），广泛应用。 Modbus TCP/IP 构建于无处不在的 TCP/IP 网络标准之上，能够轻松集成到现有的基于以太网的基础设施中 11。设备无需额外的定制硬件即可在局域网、广域网甚至互联网上进行通信 11。该协议保留了原始 Modbus 的简单性，易于实施和使用 11。这种简单性降低了处理开销，使其甚至适用于低功耗设备 11。TCP 的使用确保了可靠且无错误的数据传输，这在工业自动化环境中至关重要 11。Modbus TCP/IP 支持最多 247 个设备的寻址，使其适用于许多大型应用 11。其广播功能还可以在分布式网络中实现高效通信 11。Modbus 是一种被广泛接受的开放的公共领域协议 12，是工业通信领域的事实标准 24。它已在工业应用中使用了超过 30 年 29。 Modbus TCP/IP 的简单性和广泛应用意味着存在庞大的兼容设备和软件生态系统，这可能简化与现有工业控制系统的集成。其在局域网环境中的可靠性也得到了充分验证。然而，每个主站 247 个设备的限制以及固有的轮询机制，对于大规模、地理上分散的局部放电监测系统而言，可能构成挑战。
• 在分布式和物联网应用中的局限性 (Limitations for distributed and IoT applications): 可扩展性有限，安全性较低，带宽效率相对不高。 虽然 Modbus TCP/IP 可以在广域网和互联网上运行 11，但其客户端-服务器架构（其中主站发起所有通信）在具有大量从站设备的大规模分布式系统中可能会变得效率低下并形成瓶颈 30。每个客户端通常需要一个专用的连接或轮询周期。标准的 Modbus TCP 缺乏内置的安全功能，例如加密和身份验证 14。安全性依赖于防火墙和 VPN 等网络级措施，这对于所有分布式场景，尤其是在公共网络上，可能并不足够。固有的轮询机制会导致更高的带宽消耗，尤其是在频繁轮询许多设备的情况下，即使数据没有变化 34。这在低带宽或高延迟的广域网中尤其低效。 对于可能跨越广阔地理区域并涉及众多局部放电传感器的大型分布式在线监测系统而言，基本 Modbus TCP 的可扩展性和安全性限制可能会带来显著的挑战。轮询机制还可能导致资源利用率低下和延迟增加，这对于及时检测局部放电事件可能至关重要。虽然网关可以将 Modbus TCP 桥接到其他协议（如 MQTT）15，但这会增加系统的复杂性和成本。

3. MQTT 协议概述 (Overview of MQTT Protocol):
   • 技术特点与架构 (Technical features and architecture): 发布/订阅模型，基于代理 (Broker) 的通信，主题 (Topic)，服务质量 (QoS) 等级。 MQTT（消息队列遥测传输）是一种基于发布/订阅模型的轻量级消息传递协议 30。客户端（局部放电传感器或监测设备）将包含局部放电数据的消息发布到特定主题的中央 MQTT 代理 37。监测系统或分析平台订阅这些主题以接收相关的局部放电数据 37。MQTT 使用代理作为中央消息枢纽 37，该枢纽管理客户端之间的通信，从而解耦了发布者（传感器）和订阅者（监测系统）39。消息在分层主题下组织 37，这些主题遵循命名空间结构 57，从而可以根据位置、设备类型或严重程度级别灵活地路由和过滤局部放电数据。主题中的通配符允许订阅者接收来自多个相关主题的消息 38。MQTT 支持不同的服务质量 (QoS) 等级 37：QoS 0（最多一次）用于尽力而为的传递，QoS 1（至少一次）带有确认，以及 QoS 2（恰好一次）通过四次握手确保可靠传递 41。 MQTT 的发布/订阅模型本质上更适合分布式局部放电监测系统，因为它消除了直接点对点连接的需求。传感器可以简单地发布数据，而多个监测系统可以订阅相关的主题。分层主题结构允许有效地组织和过滤来自大量传感器的数据。不同 QoS 等级的可用性使得可以根据局部放电信息的关键程度调整数据传递的可靠性。
   • 在物联网和分布式系统中的优势 (Advantages for IoT and distributed systems): 轻量级，可扩展性强，灵活性高，支持不可靠网络。 MQTT 被设计为一种轻量级协议 31，具有较小的代码占用空间 41 和较低的带宽消耗 31，使其非常适合资源受限的设备和低带宽网络 31。它具有高度可扩展性 31，能够连接数百万个设备 31。发布/订阅模型提供了高度的灵活性 31，并支持异步通信 54。MQTT 专为不可靠网络而设计 31，其持久会话 39 和排队消息 31 等特性确保了即使在连接间歇的情况下也能进行消息传递。它还支持保留消息 39，以便向新的订阅者提供最新的状态。 MQTT 固有的为物联网和分布式系统而设计的特性，包括资源受限的设备和潜在的不可靠网络条件，使其非常适合分布式局部放电在线监测系统，在该系统中，传感器可能部署在各种具有不同网络质量的远程或具有挑战性的环境中。其轻量级的特性最大限度地减少了开销，而 QoS 和持久会话等特性则增强了在恶劣环境中的可靠性。
   • 在工业应用中的考虑因素 (Considerations for industrial applications): 需要 Broker，设置可能相对复杂。 MQTT 需要一个代理 37 作为所有通信的中心点 39。虽然这引入了一个潜在的单点故障，但代理通常很健壮，并且可以通过集群实现高可用性 40。与 Modbus TCP 的直接连接模型相比，MQTT 代理的初始设置和配置以及定义良好结构的主题命名空间 57 可能更复杂 30。然而，工业物联网的既定最佳实践和规范（如 MQTT Sparkplug 58）为数据格式和主题结构提供了指导和标准化，从而简化了来自不同供应商的设备之间的集成和互操作性。 对 MQTT 代理的需求，虽然是一个中心组件，但在分布式系统的可扩展性、灵活性和管理方面提供了优势。通过利用工业 MQTT 部署的现有标准和最佳实践，可以有效地管理代理初始设置和定义主题结构的复杂性。此外，发布/订阅模型的解耦特性可以简化随着时间的推移添加新传感器和监测客户端的过程。
4. 局部放电在线监测系统的数据需求 (Data Requirements of Partial Discharge Online Monitoring Systems):
   • 数据量 (Data volume)。 局部放电监测系统捕获由绝缘缺陷产生的瞬态电流脉冲 73 或电磁辐射 2。数据量的大小取决于部署在被监测设备上的传感器数量、捕获快速局部放电脉冲所需的采样率 73 以及局部放电事件的频率和持续时间。一些系统同时连续监测多个通道，以捕获不同相位或传感器类型的局部放电活动 1。 局部放电事件的特点是持续时间短、频率高的脉冲，这意味着数据传输协议需要有效地处理可能突发的数据。在分布式系统中，随着多个传感器进行连续监测，传输的总数据量可能很大，因此需要一种具有低开销和高效数据处理能力的协议。
   • 数据频率 (Data frequency)。 有效的在线局部放电监测需要连续或非常频繁的数据采集 2，以捕获间歇性的局部放电活动 75 并建立局部放电活动随时间变化的趋势 2。一些系统允许根据具体的监测需求调整测量频率 86。 为了准确反映局部放电事件的动态特性并实现对异常情况的及时检测，需要频繁地更新数据，甚至接近实时。所选协议应支持这种高数据频率，而不会引入过多的延迟或消耗过多的带宽，尤其是在网络资源可能受限的分布式环境中。
   • 实时性要求 (Real-time requirements)。 及时检测和报警显著的局部放电活动对于防止绝缘击穿和潜在的设备故障至关重要 2。监测系统应提供低延迟的数据传输，以确保关于关键局部放电事件的警报能够及时生成并传递给操作员或控制系统 2。 从分布式传感器到中央监测和分析系统的低延迟数据传输对于有效的在线局部放电监测至关重要。这确保了任何局部放电活动的突然增加或关键局部放电事件的发生能够被及时检测和报告，从而允许快速评估并采取适当的措施来减轻潜在的风险。
   • 数据类型 (Data types)。 局部放电监测系统通常处理表示各种局部放电参数的数值数据，例如脉冲幅度（以皮库仑或毫伏为单位测量）、放电率（每周期或每秒的脉冲数）和相位分辨信息（PRPD 模式）1。一些高级系统还可能捕获原始波形数据以进行更详细的分析和诊断 80。 所选的数据传输协议需要有效地处理各种数值数据类型，包括整数和浮点数，以表示不同的局部放电参数。对于需要深入分析的系统，该协议还应能够传输可能更大的表示捕获的局部放电波形的二进制数据量，而不会产生显著的开销。
5. Modbus TCP 和 MQTT 在局部放电在线监测系统中的适用性分析 (Suitability Analysis of Modbus TCP and MQTT in Partial Discharge Online Monitoring Systems):
   • Modbus TCP 在工业监测中的应用现状 (Current application status of Modbus TCP in industrial monitoring)。 Modbus TCP 在各种工业监测应用中有着广泛的应用 14，包括制造业工厂 22、能源管理系统 22 和楼宇自动化 14。它通常用于连接 PLC、传感器、执行器和其他工业设备 14，以进行数据交换和控制。虽然在片段中没有明确提到它是大型分布式局部放电监测的主要协议，但一些局部放电监测系统可能会使用 Modbus TCP 进行与传感器的本地通信或与现有工业控制网络的接口 2。 Modbus TCP 在工业监测领域的广泛应用表明了其在已建立的工业环境中的可靠性和易于集成性。然而，考虑到其在处理此类应用中大量分布式传感器时的固有可扩展性和安全性限制，需要仔细评估其作为大型、地理上分散的在线局部放电监测系统的唯一协议的适用性。
   • MQTT 在物联网监测解决方案中的应用趋势 (Application trends of MQTT in IoT monitoring solutions)。 由于其轻量级、可扩展性、可靠性（通过 QoS）和安全特性，MQTT 正日益成为物联网 (IoT) 数据传输的标准协议 31，广泛应用于智能家居、工业物联网 (IIoT) 35、医疗保健 43 和智能电网 2 等各个领域，用于监测各种参数。片段表明，在高级监测解决方案中，包括一些局部放电监测系统，使用 MQTT 将数据传输到云平台进行分析和可视化正成为一种趋势 2。 MQTT 在物联网监测解决方案（包括一些局部放电监测系统）中的日益普及，表明了其在处理来自大量传感器的分布式数据以及与现代基于云的平台集成方面的潜在优势。
   • 可靠性和数据完整性分析 (Reliability and data integrity analysis)。 Modbus TCP 本质上受益于 TCP 协议的可靠性机制，该协议确保数据包的有序和错误检查传递 11。TCP 处理丢失数据包的重传，提供可靠的传输层。然而，这种可靠性是以潜在的延迟为代价的，尤其是在存在数据包丢失的网络中。 MQTT 通过其服务质量 (QoS) 等级提供了更细致的可靠性控制 37。对于数据完整性至关重要的局部放电监测，QoS 等级 1（至少一次传递并确认）或 2（恰好一次传递并进行四次握手）将是合适的，以确保即使在潜在的不可靠网络连接上也能可靠地接收到关键的局部放电数据。这允许根据应用的具体需求在可靠性级别和潜在增加的开销或延迟之间进行权衡。
6. Modbus TCP vs. MQTT：性能比较 (Comparative Analysis: Modbus TCP vs. MQTT):
   • 性能 (Performance): 延迟，带宽利用率，吞吐量。 Modbus TCP 基于请求-响应（轮询）模型运行 11，其中监测系统（客户端）定期从局部放电传感器（服务器）请求数据。这种轮询机制可能会引入延迟，尤其是在具有大量传感器的分布式系统中，因为主站需要循环遍历每个设备以收集数据。如果轮询的数据不经常变化，Modbus TCP 中的带宽利用率可能较低，因为无论数据是否更新，请求和响应都会被传输。 MQTT 凭借其事件驱动的发布/订阅模型 30，可以提供更低的延迟，因为局部放电传感器（发布者）只有在发生显著变化或局部放电事件时才将数据推送到 MQTT 代理 2。MQTT 的轻量级消息头（最小仅 2 字节 31）及其高效传输二进制数据的能力 37 有助于提高带宽利用率，尤其是在具有大量传感器和潜在受限网络资源的情况下 31。

特性	Modbus TCP	MQTT
通信模型	客户端-服务器 (主站-从站)	发布-订阅 (基于代理)
消息大小	可变 (有效载荷最大 253 字节)	最小 (2 字节头部 + 有效载荷)
可靠性	依赖 TCP 的可靠性	可通过 QoS 等级配置 (0, 1, 2)
安全性	无固有安全性	支持 TLS/SSL 加密和身份验证
可扩展性	对于大型分布式系统有限	对于大量设备高度可扩展
带宽效率	由于轮询可能效率较低	由于事件驱动和轻量级而更高效
实时性	由于轮询可能具有较高的延迟	由于事件驱动通信而具有较低的延迟
部署	对于本地网络更简单	需要代理设置；初始部署更复杂
用例	工业自动化，本地设备控制	物联网，分布式监测，移动应用

* 可靠性和服务质量 (Reliability and Quality of Service)。

Modbus TCP 和 MQTT 都可以提供可靠的数据传输。Modbus TCP 通过 TCP 协议固有的机制实现可靠性，确保数据的有序和错误检查传递。MQTT 通过其不同的服务质量 (QoS) 等级 [37, 39, 40, 41, 42, 43, 45, 46, 50, 51, 52, 53, 54] 提供更精细的可靠性控制。通过选择适当的 QoS 等级（1 或 2），局部放电监测系统可以确保即使在潜在的不可靠网络连接上也能可靠地传递关键的局部放电数据。这种根据不同类型监测数据的特定需求定制可靠性的灵活性是 MQTT 的一个关键优势。

* 安全性 (Security considerations and implementation)。

标准的 Modbus TCP 缺乏固有的安全性 [14, 32, 33]，如果未通过网络分段、防火墙和 VPN 等外部措施进行保护，则容易受到安全威胁。为分布式 Modbus TCP 系统实施强大的安全性可能很复杂，并且可能需要显著的额外基础设施。MQTT 本身支持通过 TLS/SSL 加密 [31, 38, 39, 40, 42, 44, 45, 46, 47, 53, 54, 112, 113] 来保护数据传输，以及通过用户名/密码或客户端证书 [31, 38, 39, 40, 42, 44, 45, 46, 47, 53, 54, 112, 113] 等身份验证机制来验证客户端（传感器和监测系统）的身份。这些内置的安全特性使 MQTT 成为传输潜在敏感的局部放电数据的更安全的选择，尤其是在分布式环境中，通信可能发生在不受信任的网络（如互联网）上。

* 可扩展性 (Scalability for distributed systems)。

随着分布式系统中局部放电传感器数量的增加，Modbus TCP 的客户端-服务器架构及其对轮询的依赖可能会成为一个显著的瓶颈 [30, 31]。管理和轮询大量设备会导致延迟增加和整体系统性能下降。寻址限制（例如，在某些实现中，每个主站 247 个设备 [11, 13]）也可能对非常大的部署构成挑战。MQTT 的发布/订阅模型本质上是为可扩展性而设计的 [31, 37, 40, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 53, 54, 60]。发布者（传感器）和订阅者（监测系统）的解耦特性允许添加大量设备，而不会直接影响其他组件的性能。MQTT 代理可以有效地管理订阅并将消息分发给感兴趣的客户端，使其非常适合处理来自潜在庞大的分布式局部放电传感器网络的数据。

* 部署和维护的简易性 (Ease of deployment and maintenance)。

Modbus TCP 可能提供相对简单的初始部署，尤其是在已经部署了以太网基础设施且工程师熟悉该协议的现有工业控制网络中。配置客户端以轮询服务器的数据是一个众所周知的过程。MQTT 需要设置和管理 MQTT 代理 [37, 39, 40, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 50, 53, 54]，这为系统引入了一个额外的组件。定义和管理主题命名空间 [57, 58] 也需要仔细规划。然而，发布/订阅模型的解耦特性可以简化随着时间的推移集成新传感器和监测客户端的过程。一旦建立了代理和主题结构，添加新传感器只需配置它们发布到适当的主题，而新的监测系统可以订阅这些主题，而无需更改现有的传感器配置。与 Modbus TCP 更紧密耦合的客户端-服务器模型相比，这可以更容易地进行长期维护和系统扩展。

7. 结论与建议 (Conclusion and Recommendations):
   • 根据分析结果，针对用户的局部放电在线监测系统，给出选择 Modbus TCP 还是 MQTT 的具体建议。 考虑到分布式在线局部放电监测系统的需求，包括潜在的大量传感器分布在不同位置、高效利用带宽的需求、关键局部放电事件的低延迟报警以及数据传输的强大安全性，与 Modbus TCP 相比，MQTT 似乎是更合适的协议。其发布/订阅架构为处理大量分布式传感器提供了更好的可扩展性和灵活性。事件驱动的通信模型可以实现更低的延迟和更高效的带宽利用率，尤其是在广域网部署中。此外，MQTT 的内置安全特性为传输敏感的局部放电监测数据提供了更安全的基础。
   • 考虑系统规模、网络基础设施、安全要求和实时数据需求等因素。 如果局部放电在线监测系统预计会扩展到大量的监测点，如果传感器将通过标准 IP 网络（包括潜在的不可靠或低带宽连接）进行通信，如果监测数据的安全性是一个关键问题，并且需要近乎实时的局部放电事件警报，那么 MQTT 的推荐尤其强烈。如果系统相对较小，局限于本地安全网络，并且实时性要求不高，则可以考虑 Modbus TCP，尤其是在现有基础设施和该协议的专业知识的情况下。然而，对于现代、可扩展且安全的分布式在线监测系统，MQTT 提供了一个更强大且面向未来的解决方案。
   • 是否可以采用混合方案 (Hybrid solution)？ 是的，也可以考虑采用混合方案。在这种情况下，Modbus TCP 可用于局部放电传感器与位于被监测设备附近的更强大的边缘网关设备之间的本地通信。然后，该网关可以聚合通过 Modbus TCP 从传感器接收到的数据，并使用 MQTT 协议将其传输到中央监测系统或基于云的平台。这种混合方法可以利用 Modbus TCP 在本地设备连接方面的简单性和熟悉度，同时利用 MQTT 在广域数据传输和与现代物联网基础设施集成方面的可扩展性、效率和安全特性。当集成仅支持 Modbus TCP 的传统传感器到更大、更现代的监测架构中时，这种策略尤其有效。

参考资料

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