基于eDNA數(shù)據(jù)庫的配電網實時數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺設計與建設

孟曉麗，盛萬興

（中國電力科學研究院，北京市，100192）

0 引言

縣級供電公司中通常會存在多個實時/準實時監(jiān)測（控）系統(tǒng)和各類管理信息系統(tǒng)，如負荷控制系統(tǒng)、配電自動化系統(tǒng)、配變監(jiān)測系統(tǒng)、集抄系統(tǒng)、生產管理系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)[1-5]等。這些系統(tǒng)一般獨立運行，各自覆蓋一定范圍的電網設備，各有1套數(shù)據(jù)采集體系，存在的主要問題有：（1）存在1處數(shù)據(jù)多系統(tǒng)（及人工）采集現(xiàn)象；（2）各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享目前基本通過數(shù)據(jù)庫接口（中間數(shù)據(jù)庫方式）實現(xiàn)，不同的系統(tǒng)兩兩之間都需要建立數(shù)據(jù)接口，且一旦數(shù)據(jù)交換的通道發(fā)生故障，數(shù)據(jù)接口將自動關閉，需人工重新啟動，給運行維護帶來不便，引起數(shù)據(jù)全局共享和業(yè)務應用發(fā)生混亂，數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和一致性難以保證；（3）可供決策的數(shù)據(jù)分散存儲于各個系統(tǒng)中，各系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)的利用率不高；（4）各類應用系統(tǒng)目前基本都使用主流關系型數(shù)據(jù)庫，在應用上未考慮將來智能電網高級應用的需要。鑒于這種現(xiàn)狀，有必要采用一定的技術措施，盡量避免諸如數(shù)據(jù)重復采集、維護多個數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)不統(tǒng)一等問題。文獻[6]提出建立統(tǒng)一電能采集平臺和數(shù)據(jù)交換平臺，文獻[7]通過配置各種設備協(xié)議庫的方式來實現(xiàn)變電站級統(tǒng)一的設備數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，有效代替原有多種分散設備信息的接入系統(tǒng)，文獻[8]利用eDNA（enterprise distributed network architecture）實時/歷史數(shù)據(jù)庫與結構化查詢語言（structured query language，SQL）關系數(shù)據(jù)庫組成安徽省電網電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)，對于電能質量越限事件的記錄時間可以精確到秒，對電壓有效值擾動的時間分辨率可以精確到毫秒，但是都沒有解決整個配電網實時運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集和交換問題。文獻[9]利用PI（plant information system）實時數(shù)據(jù)庫建立了一個地區(qū)電網企業(yè)實時數(shù)據(jù)集成和應用平臺，采用接入前置機方式將分布在各級調度的電網數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（supervisory control and data acquisition，SCADA）系統(tǒng)、電能量系統(tǒng)，分布在用戶需求側的各類監(jiān)測和控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入，實現(xiàn)了電網和用戶的生產經營實時/歷史數(shù)據(jù)的集成，但是并沒有很好地解決數(shù)據(jù)回放速度和平臺的經濟性問題。

本文提出基于實時/歷史數(shù)據(jù)庫建立配電網實時數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺，對所有實時運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一采集和管理。介紹了該平臺的拓撲結構和功能，并對1個基于eDNA實時/歷史數(shù)據(jù)庫建立的統(tǒng)一采集平臺的設計和實現(xiàn)進行了分析。

1 實時數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺

1.1 eDNA實時/歷史數(shù)據(jù)庫

實際中，電網調度自動化系統(tǒng)、配網自動化系統(tǒng)、負荷控制系統(tǒng)、配變監(jiān)測系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量通常會超過200萬點。主流的關系型數(shù)據(jù)庫只能處理5 000點/s變化的工業(yè)實時數(shù)據(jù)。以10 000個信息點、每個信息點的數(shù)據(jù)值1天的平均變化次數(shù)為500、在線存儲1年所需的存儲空間為例，Oracle數(shù)據(jù)庫需要32.29 G存儲容量，而eDNA實時/歷史數(shù)據(jù)庫僅需要0.425 G存儲容量，可見實時/歷史數(shù)據(jù)庫在不擴充硬件的前提下就可以在線存儲多年的歷史數(shù)據(jù)。其次，對于數(shù)據(jù)量較大的系統(tǒng)，在進行后續(xù)的數(shù)據(jù)查詢、計算等操作時，由于關系型數(shù)據(jù)庫I/O讀寫速率的限制，會出現(xiàn)大量的等待、遲滯、死機、循環(huán)現(xiàn)象，為了解決這樣的數(shù)據(jù)性能瓶頸，一般會要求用戶采用集群并發(fā)、負載均衡、存儲陣列等增大硬件投資方式來實現(xiàn)部分I/O讀寫性能的攤銷，但不能從根本上解決大規(guī)模海量數(shù)據(jù)的查詢回放難題，eDNA實時/歷史數(shù)據(jù)庫的回取速度可以達到200 000事件/s，能夠滿足智能配電網高級應用的要求，如支持需求側響應[10-11]和自愈控制[12-14]。因此選用eDNA實時/歷史數(shù)據(jù)庫作為配電網實時數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集的數(shù)據(jù)容器，是一種理想的選擇。

1.2 拓撲結構

根據(jù)國家電監(jiān)會令[2004]第5號《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》[15]的規(guī)定，供電企業(yè)內部基于計算機和網絡技術的業(yè)務系統(tǒng)原則上應劃分為生產控制大區(qū)和管理信息大區(qū)，生產控制大區(qū)又可以分為控制區(qū)（安全區(qū)I）和非控制區(qū)（安全區(qū)Ⅱ）；控制區(qū)內的各業(yè)務系統(tǒng)或功能模塊的典型特征為：是電力生產的重要環(huán)節(jié)，直接實現(xiàn)對電力一次系統(tǒng)的實時監(jiān)控，縱向使用電力調度數(shù)據(jù)網絡或專用通道，是安全防護的重點與核心；非控制區(qū)內的各業(yè)務系統(tǒng)或其功能模塊的典型特征為：是電力生產的必要環(huán)節(jié)，在線運行但不具備控制功能，使用電力調度數(shù)據(jù)網絡，與控制區(qū)中的業(yè)務系統(tǒng)或功能模塊聯(lián)系密切；因此，按照傳統(tǒng)的觀念，負荷控制系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)、配變監(jiān)測系統(tǒng)等都不屬于生產控制大區(qū)的控制區(qū)。然而考慮到智能電網中的用戶互動和智能臺區(qū)的雙向互動功能的實現(xiàn)，必然會使智能用電和智能臺區(qū)具有下行控制功能，如通過智能電表切斷長期欠費用戶的電力供應、通過臺區(qū)智能終端控制無功補償電容器投切等，因此，傳統(tǒng)觀念下的一些應用系統(tǒng)將會從非控制區(qū)升級到控制區(qū)。本著“允許根據(jù)應用系統(tǒng)實際情況，在滿足總體安全要求的前提下，可以簡化安全區(qū)的設置，但是應當避免通過廣域網形成不同安全區(qū)的縱向交叉連接”的原則，本文將負荷控制系統(tǒng)、配變監(jiān)控系統(tǒng)等既具有實時數(shù)據(jù)采集又具有控制功能的系統(tǒng)都歸到控制區(qū)，將用電信息采集系統(tǒng)類雖具有實時數(shù)據(jù)采集功能但不具有控制功能的系統(tǒng)歸到管理信息區(qū)，由此對實時數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺可簡化區(qū)分為生產控制大區(qū)和管理信息大區(qū)，總體網絡拓撲如圖1所示。

圖1 實時數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺網絡拓撲Fig.1 Network topology of unified real-time data acquisition platform

位于生產控制大區(qū)的各個實時/準實時系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)全部“匯集”到以實時數(shù)據(jù)庫為特征的配電網實時數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺上。由于實時數(shù)據(jù)庫支持200 000事件/s，使得傳統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)以“s”為采集單位，以“min”為存儲單位的方式可以直接轉變?yōu)橐浴癿s”為采集單位，以“s”為存儲單位，如此高速的數(shù)據(jù)處理性能使得智能電網的自愈控制、及時響應等得以實現(xiàn)；同時，各種實時數(shù)據(jù)（中壓網運行數(shù)據(jù)、臺區(qū)運行數(shù)據(jù)、用戶用電信息、分布式電源監(jiān)控數(shù)據(jù)）的相對完整性，使得基于整個配電網的優(yōu)化運行與控制，如全網無功優(yōu)化控制、分布式電源經濟調度等高級功能不再受缺少數(shù)據(jù)的限制而難以發(fā)揮作用。為充分利用實時數(shù)據(jù)庫的高速存儲性能，在生產控制區(qū)還設置關系型數(shù)據(jù)庫，用以存儲相對穩(wěn)定的電網結構數(shù)據(jù)。

供電企業(yè)的其他業(yè)務應用如故障搶修、停電管理、線損分析等不可避免地要利用電網運行的某些實時數(shù)據(jù)和信息，為了滿足此類應用需求，在管理信息大區(qū)部署配電網實時數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集鏡像服務器，利用數(shù)據(jù)橋供不同的管理系統(tǒng)獲取各自感興趣的數(shù)據(jù)和信息。

這種模式具有以下優(yōu)點：位于生產控制區(qū)的實時系統(tǒng)之間可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，從而為智能配電和智能用電的實現(xiàn)奠定基礎，如電壓無功控制系統(tǒng)可以共享配變臺區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的實時信息以便及時采取全網電壓無功調整措施，全實時信息狀況下對配電網的在線、快速、全景式評估、安全預警等得以實現(xiàn)等。

對于實時/歷史數(shù)據(jù)庫，若采用集中式架構會存在傳輸網絡中斷后需要補采的問題，而分布式架構采用就地方式，數(shù)據(jù)庫的處理性能和容量可以隨著服務器的數(shù)量增加而同比增加，能夠針對不同的硬件環(huán)境特點組合出整體性能最佳的服務部署方式，能夠極大地提高軟件部署的靈活性和可靠性。

1.3 平臺功能

1.3.1 數(shù)據(jù)采集接口

為了安全、穩(wěn)定、快速地實現(xiàn)配網自動化設備、用戶電表、智能臺區(qū)數(shù)據(jù)采集工作，平臺提供包括目前主流生產控制系統(tǒng)、用戶電表以及電氣相關系統(tǒng)的所有接口。當進行相關的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時，只需要將該接口平臺安裝在相應的接口采集前置機設備上，配置相關的接口協(xié)議的驅動模塊、參數(shù)、I/O點表、IP、權限等內容即可完成數(shù)據(jù)的采集工作。

采集到的生產實時數(shù)據(jù)、用戶的用電數(shù)據(jù)等，通過該接口平臺上傳至實時/歷史數(shù)據(jù)庫，上傳過程中，對來源不同的數(shù)據(jù)點進行統(tǒng)一的管理和維護；可配置數(shù)據(jù)上傳的頻率和方式；如遇前置端傳輸故障，在網絡故障恢復后可以從通訊子站的歷史保持中補采故障期間的數(shù)據(jù)；考慮到廣域網可能的網絡故障，在接口的發(fā)送端，建立數(shù)據(jù)緩存機制，在網絡傳送出現(xiàn)中斷時，一般可以在線存儲1個月以上的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

1.3.2 通用軟件工具

實時數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺提供豐富的通用軟件工具，包括Web平臺、生產流程組態(tài)畫面平臺、報表平臺、歷史趨勢分析平臺、統(tǒng)計分析平臺、設備層級列表分析平臺等，從而為各應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析、應用提供有效的工具。統(tǒng)一Web發(fā)布平臺能實現(xiàn)快速的客戶化定制部署，嵌入靈活的實時、歷史數(shù)據(jù)查詢工具、趨勢展示工具、生產流程圖等展示方式，并能夠有效地進行用戶權限管理、用戶個性化定制等功能。生產流程組態(tài)畫面平臺可以對生產狀況進行實時監(jiān)視，通過生產模擬圖、趨勢圖、棒狀圖和參數(shù)分類表等多種監(jiān)視方式實時顯示各設備的主要運行參數(shù)和設備狀態(tài)。歷史趨勢分析平臺可以根據(jù)ID號、KKS編碼、標簽描述等進行精確查詢（模糊查詢），實現(xiàn)方便快捷的參數(shù)歷史趨勢調用，實現(xiàn)參數(shù)的歷史回放、參數(shù)曲線生成比較，方便生產人員進行查詢分析。統(tǒng)計分析平臺可以提供各種統(tǒng)計分析工具，供用戶以小時、日、周、旬、月、季、年的時間間隔統(tǒng)計并能查詢越限的運行參數(shù)、越限值、越限起止時間和越限頻率?；蛘咭孕r、日、周、旬、月、季、年的時間間隔統(tǒng)計并能查詢各設備的啟停次數(shù)、啟停起止時間以及累積運行時間。報表平臺根據(jù)用戶權限分別具備報表生成、報表瀏覽和報表下載功能。設備層級列表分析平臺可以建立基于時間序列的實時/歷史數(shù)據(jù)與基于關系結構的設備管理數(shù)據(jù)的索引關聯(lián)，提供對各種信息進行面向對象的定義和訪問，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)按照設備、列表、分析模型等組織模式。

2 實例應用

某供電公司現(xiàn)有集抄系統(tǒng)，對900個公用配電臺區(qū)和110 000戶居民客戶用電信息進行實時采集，采集的信息需要經中間數(shù)據(jù)庫導入后才能為算費系統(tǒng)和SG186營銷主題分析提供數(shù)據(jù)支撐；專變負荷監(jiān)測系統(tǒng)對350個大用戶負荷進行實時監(jiān)測；線路監(jiān)測系統(tǒng)對6條10 kV線路上的21臺開關信息進行監(jiān)測；另有2套配電臺區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)分別對45個和10個配電臺區(qū)的漏電保護器運行實施監(jiān)察和監(jiān)測管理。各系統(tǒng)間相互有數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)來源既有自動采集的，也有人工采集的，存在抄錄的數(shù)據(jù)不能同步的現(xiàn)象。另外，該供電公司計劃新上配網自動化系統(tǒng)、覆蓋228個公用配電臺區(qū)的智能臺區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)及10 000戶的用電信息采集，數(shù)據(jù)信息點數(shù)量超過240萬點。

按照本文提出的實時數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺方案，為該供電公司設計的配電網實時數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺如圖2所示。在生產大區(qū)部署實時/歷史數(shù)據(jù)庫服務器，設置為雙機冗余模式，并配置相應的功能服務器，包括計算站、應用站、系統(tǒng)維護站、病毒防護服務器等。在管理大區(qū)部署實時/歷史數(shù)據(jù)庫鏡像服務器，并配置相應的功能站、Web服務器，以供各應用系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)訪問、分析等。根據(jù)實際需要配置6臺前置機進行數(shù)據(jù)采集，在每臺前置機端安裝相應的數(shù)據(jù)采集接口并配置相關協(xié)議的驅動模塊、參數(shù)、I/O點表、IP、權限等。

所有的數(shù)據(jù)采集接口通過數(shù)據(jù)采集接口平臺上傳至實時/歷史數(shù)據(jù)庫的網絡通道與軟件通道均可以設置冗余模式。所有的客戶端主站系統(tǒng)均從實時/歷史數(shù)據(jù)庫服務器中讀取相應的生產實時數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)各自系統(tǒng)的應用。

（1）對已有實時系統(tǒng)（如集抄系統(tǒng)、專變負荷監(jiān)測系統(tǒng)、線路故障監(jiān)測系統(tǒng)、配變臺區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)）的處理，將其中參與計算的原始數(shù)據(jù)，同步到實時/歷史數(shù)據(jù)庫中，真正建立起1個基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)倉庫的敏捷統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺。在不破壞原有各個系統(tǒng)支撐數(shù)據(jù)源的前提下，建立1個有效的數(shù)據(jù)鏡像，融合電表量計、臺區(qū)數(shù)據(jù)、線路開關等實時現(xiàn)場數(shù)據(jù)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集平臺。

圖2 某供電公司實時數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺Fig.2 An example of unified real-time data acquisition platform

（2）對新建實時系統(tǒng)（如配網自動化系統(tǒng)、用電信息采集及臺區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)），所有采集點的動態(tài)變化信息通過新建前置機（群）采集并存入實時/歷史數(shù)據(jù)庫中。

上述基于實時/歷史數(shù)據(jù)庫的實時數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺解決了關系型數(shù)據(jù)庫在存儲容量、數(shù)據(jù)回放性能、事務處理等方面的缺陷，便于實現(xiàn)快速、統(tǒng)一的實時數(shù)據(jù)的采集和交換，同時可以解決應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)分散、數(shù)據(jù)重復、數(shù)據(jù)不一致等問題，從而為全網/局部區(qū)域電網優(yōu)化運行分析與控制奠定了基礎。

3 結論

實時/歷史數(shù)據(jù)庫可以把海量數(shù)據(jù)存儲起來，為很多高級應用提供數(shù)據(jù)支撐，解決了長期以來用戶對于數(shù)據(jù)分析、展現(xiàn)等需求響應速度慢，展現(xiàn)縱深淺和應用系統(tǒng)擴展或變更時帶來的數(shù)據(jù)接入架構問題。在用電、配電系統(tǒng)擴展或變更時，不需要重新規(guī)劃系統(tǒng)的架構，新增1個應用系統(tǒng)，可以隨時接入，同時這種接入又不受物理分布的約束。

基于實時/歷史數(shù)據(jù)庫的實時數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺，能夠將已有和新建實時/準實時監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)用統(tǒng)一的平臺進行采集、存儲和發(fā)布，能夠方便地實施智能配電網高級應用，無需與諸多數(shù)據(jù)庫建立接口，從數(shù)據(jù)層面消除信息“孤島”，并可以按信息化管理的要求，向電網管理層各應用子系統(tǒng)提供生產現(xiàn)場的各種基礎數(shù)據(jù)，是建設智能電網營配一體化模式的基礎。

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