基于Berkeley DB的配電終端的設(shè)計

程 立 李少卿 朱中華 王文龍 繆楠林

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100）

隨著國網(wǎng)公司對智能電網(wǎng)的建設(shè)與推廣，配網(wǎng)作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，越來越受到重視[1]。配電終端作為信息的采集、控制單元，扮演著越來越重要的作用。同時也集成了越來越多的功能：①集成測量、控制、保護功能；②集成通信管理裝置的功能: 能夠?qū)崿F(xiàn)配網(wǎng)電能表、電壓無功控制器、監(jiān)測儀等智能設(shè)備的接入與信息的轉(zhuǎn)發(fā)；③集成光纖以太環(huán)網(wǎng)功能：可以支持以太環(huán)網(wǎng)（100M），可以直接接入光纖構(gòu)成以太環(huán)網(wǎng)[2]；④集成電壓無功控制（VQC）功能：可以實現(xiàn)電容器的自動投切，提高電壓質(zhì)量；⑤集成歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)管理功能：提供多種數(shù)據(jù)歷史量和統(tǒng)計分析值的分類存儲、查詢、召喚。

在配電終端中，對于歷史數(shù)據(jù)，往往需要大容量的數(shù)據(jù)存儲，而且要做到數(shù)據(jù)的快速存儲、查詢和刪除等操作。傳統(tǒng)的配電終端往往采用簡單文件的存儲方式，直接將歷史數(shù)據(jù)寫入文件中。由于沒有對歷史數(shù)據(jù)進行排序和建立索引表，查詢、刪除等操作采用遍歷文件的方式，檢索效率極其低下，難以做到在大容量數(shù)據(jù)條件下的快速操作。本文給出了基于Berkeley DB嵌入式數(shù)據(jù)庫的配電終端的設(shè)計方案，實現(xiàn)了大容量數(shù)據(jù)的可靠存儲和快速操作。

1 系統(tǒng)需求分析

隨著國網(wǎng)公司兩批試點城市配網(wǎng)建設(shè)的開展，配電終端的功能需求越來越趨于多樣化。尤其對終端的變位數(shù)據(jù)、操作記錄、統(tǒng)計數(shù)據(jù)的存儲需要越來越強烈。配電終端對變位數(shù)據(jù)和操作記錄的存儲時間要求不小于3個月，而對統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如日/月電壓、電壓（電流）極大（?。┲?、整點值、合格率、不平衡率等，存儲時間不小于6個月，部分數(shù)據(jù)（如月電壓合格率）等甚至需要存儲不小于9個月。這些存儲數(shù)據(jù)要求實現(xiàn)如下功能：

1）可靠存儲：大量的數(shù)據(jù)能夠快速存儲到數(shù)據(jù)庫中，做到不丟失、不差錯。

2）快速查詢：能夠支持不同方向上數(shù)據(jù)的快速查詢，不同方向包括遠方配電主站、當(dāng)?shù)卣{(diào)試終端等。

3）快速刪除：根據(jù)存儲的時間、條目等要素，進行數(shù)據(jù)庫的定期刪除。

2 Berkeley DB簡介

Berkeley DB是Sleepycat軟件公司開發(fā)的一款健壯的，高速的工業(yè)級開源式嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，支持C、C++、Java等編程語言。Berkeley DB本身不到300K，卻能管理多達256TB的數(shù)據(jù)。不支持復(fù)雜的SQL語言，避免了大量解析和處理開銷，適用于實時系統(tǒng)、嵌入式應(yīng)用等。Berkeley DB函數(shù)庫和應(yīng)用程序運行在同一地址空間，不存在服務(wù)器概念，具有零管理性，通過API訪問數(shù)據(jù)。同時支持日志管理、數(shù)據(jù)壓縮、備份和恢復(fù)等功能。此外，Berkeley DB支持開源，使用者可以免費下載到源代碼，根據(jù)自己的需求對其進行裁減[3]。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為保護測控模塊、實時庫模塊、歷史庫模塊、組態(tài)配置模塊、VQC模塊等，如圖1所示。其中保護測控等對實時性有著極為嚴(yán)格要求的模塊運行在中斷中，而實時庫、歷史庫、VQC模塊、組態(tài)配置等組件運行在任務(wù)中。各個模塊之間松散耦合，通過注冊機制建立聯(lián)系，同時各個模塊之間通過消息或者管道進行數(shù)據(jù)交換。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）保護測控模塊

保護測控模塊分為兩部分：中斷執(zhí)行部分和任務(wù)執(zhí)行部分。中斷每0.833ms運行一次，測量采用24點采樣、并進行開入和開出的計算。保護采用傅立葉算法，設(shè)置三段式保護和零序保護。任務(wù)執(zhí)行部分進行PT斷線、線路失壓、過負荷、電池管理、遙測等計算。

2）實時數(shù)據(jù)庫模塊

實時數(shù)據(jù)庫模塊：該模塊包括實時數(shù)據(jù)庫、調(diào)度端數(shù)據(jù)引用表的創(chuàng)建，運行時提供快速入庫、快速提取數(shù)據(jù)操作。實時數(shù)據(jù)庫還提供了對SOE、遙信變位、步位置變化等異步事件的支持。

3）歷史數(shù)據(jù)庫模塊

歷史庫訂閱實時庫的變位信息，操作記錄和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。歷史庫就采用Berkeley DB的數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。BDB支持不同類型的存儲，如線性表、哈希表、B樹等。在本文的系統(tǒng)中，采用了B樹的設(shè)計方法。歷史數(shù)據(jù)庫采用多個任務(wù)來實現(xiàn)，支持同步和異步兩種方式，每種方式下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、檢索、刪除等操作[4]。

4）組態(tài)管理模塊

組態(tài)管理模塊：①生成和維護所連裝置信息名表；②配置和維護一次間隔信息；③配置和維護板卡和規(guī)約信息；④配置和維護對時源；⑤生成和維護送往調(diào)度的轉(zhuǎn)發(fā)信息表、并對規(guī)約需要的參數(shù)進行設(shè)置；⑥進行信息合成（遙測、遙信、步位置信息計算轉(zhuǎn)換）；⑦程序文件的下裝、配置文件上裝和下裝[5]。

5）對上、對下規(guī)約模塊

對上規(guī)約模塊負責(zé)配電終端同遠方主站進行數(shù)據(jù)通信，常用的有IEC101[6]、IEC104[7]、CDT[8]等規(guī)約。對下規(guī)約模塊負責(zé)同電能表、電壓無功控制器、監(jiān)測儀等智能設(shè)備通信，常用的有CDT[8]、IEC103[9]、MODBUS等規(guī)約。

6）VQC模塊

VQC根據(jù)測控裝置采集的開關(guān)刀閘遙信進行主接線拓撲分析， VQC在每個運行周期的開始對接線關(guān)系進行一次拓撲分析，能實時的反映拓撲關(guān)系的變化，從而保證VQC調(diào)節(jié)建立在實時的系統(tǒng)拓撲基礎(chǔ)之上，從而改善電壓質(zhì)量[10]。

7）顯示模塊

負責(zé)與實時庫通信，將實時數(shù)據(jù)顯示在液晶屏，并且將用戶操作（修改定值、遙控開關(guān)）傳遞給實時庫，負責(zé)完成人機交互。同時查看歷史信息，包括操作記錄、歷史事件等。

3.2 歷史庫模塊劃分

如圖2所示，歷史庫由三個模塊組成：變位事件歷史庫、操作記錄歷史庫、統(tǒng)計數(shù)據(jù)歷史庫。實時庫發(fā)布訂閱的信息給歷史庫，通過一個歷史信息過濾器，丟棄掉無效數(shù)據(jù)，過濾出所需信息，分別發(fā)布給變位事件歷史庫、操作記錄歷史庫和統(tǒng)計數(shù)據(jù)歷史庫，最終由這三個數(shù)據(jù)庫來完成數(shù)據(jù)的存儲。對上規(guī)約模塊和組態(tài)模塊通過歷史信息操作器對數(shù)據(jù)進行操作，歷史信息操作器提供操作接口，用以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速檢索和刪除[11]。

圖2 歷史庫模塊圖

4 歷史庫功能模塊實現(xiàn)

4.1 歷史信息過濾器模塊

實時庫發(fā)布數(shù)據(jù)信息，歷史庫對這些數(shù)據(jù)信息進行處理。當(dāng)實際系統(tǒng)觸發(fā)一個變位事件（如開關(guān)變位、保護動作等），實時庫會向歷史庫發(fā)布這個事件。事件參考IEC103規(guī)約中通用分類服務(wù)的格式，其中信息的關(guān)鍵字包括：裝置地址、組號、條目號、時標(biāo)、分合位置[9]。類似地，當(dāng)遠方調(diào)度或者當(dāng)?shù)兀ㄈ缫壕?、調(diào)試終端）發(fā)出控制開關(guān)分合指令，實時庫也會觸發(fā)一個操作信息，通知歷史庫，信息的關(guān)鍵字包括：命令來源、裝置地址、組號、條目號、時標(biāo)、分合類型等。統(tǒng)計數(shù)據(jù)也是類似，但不同的是統(tǒng)計數(shù)據(jù)通過實時庫內(nèi)部的一個專門任務(wù)來實現(xiàn)，定時對數(shù)據(jù)進行掃描，其信息關(guān)鍵字包括：裝置地址、組號、條目號、起始時間、終止時間、統(tǒng)計數(shù)值（通常是浮點數(shù)）。

當(dāng)這些數(shù)據(jù)真正進入數(shù)據(jù)庫存儲之前，先要經(jīng)過歷史信息過濾器，過濾器的目的在于信息的刪減和分類。過濾器按照內(nèi)部約定好的格式，對數(shù)據(jù)進行下列檢測：①對數(shù)據(jù)類型進行檢驗，如果發(fā)布的數(shù)據(jù)不屬于變位事件、操作記錄、統(tǒng)計數(shù)據(jù)，過濾器會做丟棄處理；②根據(jù)所屬數(shù)據(jù)類型，進行長度驗證，如果不符合，也做丟棄處理。當(dāng)數(shù)據(jù)檢測過后，符合完整性要求，過濾器負責(zé)對數(shù)據(jù)進行分發(fā)，根據(jù)不同的類型分別交給變位事件歷史庫、操作記錄歷史庫、統(tǒng)計數(shù)據(jù)歷史庫來處理。至此，過濾器將外部的數(shù)據(jù)經(jīng)過“凈化處理”交給歷史庫。

4.2 歷史數(shù)據(jù)存儲模塊

在嵌入式裝置中，必須考慮裝置意外掉電或者系統(tǒng)崩潰的情況。在意外掉電或系統(tǒng)崩潰的情況下，數(shù)據(jù)往往還沒有來的及寫入或者剛剛部分數(shù)據(jù)寫入了flash，此時數(shù)據(jù)庫往往記錄數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤，嚴(yán)重時可能破環(huán)數(shù)據(jù)庫的完整性，造成數(shù)據(jù)庫損壞。對于用戶而言，丟失大量存儲信息，造成不必要的損失。因此，在設(shè)計歷史數(shù)據(jù)存儲模塊時，必須充分考慮這些情況。Berkeley DB提供了一種Transaction事務(wù)機制，當(dāng)意外掉電或者系統(tǒng)崩潰的情況下，保證數(shù)據(jù)庫信息的完整性。

為了應(yīng)用Transaction機制，我們必須先建立一個environment環(huán)境，并且設(shè)置為線程安全，其次在這個environment下，指定數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建方法，在這里我們采用BTree機制，并且指定數(shù)據(jù)的排序方法。在這里，我們先創(chuàng)建一級庫(primary db)，對于變位事件歷史庫、操作記錄歷史庫、統(tǒng)計數(shù)據(jù)歷史庫均按照裝置地址、時間、組號、條目號的優(yōu)先級創(chuàng)建排序方法，其次創(chuàng)建二級庫(secondary db)（在4.3節(jié)中詳細介紹）。當(dāng)過濾器完成信息處理后，歷史數(shù)據(jù)庫就來進行數(shù)據(jù)的存儲了。數(shù)據(jù)庫要調(diào)用txn_begin函數(shù)啟動事務(wù)機制，將數(shù)據(jù)put進主庫，接著commit提交數(shù)據(jù)，最后再調(diào)用sync同步二級庫（secondary db）。

4.3 歷史數(shù)據(jù)操作模塊

Berkeley DB中，二級庫（secondary db）提供了對數(shù)據(jù)庫的多種檢索方式。比如說，在DB1中，我們存儲了key為員工ID，data為員工籍貫、工資等信息，而DB中存儲了key為員工名字，data為員工ID，我們?nèi)绻胍獙讖埍斫Y(jié)合起來操作，就要用到二級庫。

歷史數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建后，應(yīng)用模塊需要對數(shù)據(jù)庫進行操作，歷史信息操作器就提供了相應(yīng)的接口。對于三個歷史庫需要實現(xiàn)不同的檢索/刪除方式，具體來說：①變位歷史數(shù)據(jù)庫：按照時間跨度檢索/刪除、按照事件類型+時間檢索/刪除、按照FIFO順序進行檢索/刪除；②操作記錄歷史數(shù)據(jù)庫：按照時間跨度檢索/刪除、按照事件類型+時間檢索/刪除、按照FIFO順序進行檢索/刪除；③統(tǒng)計數(shù)據(jù)歷史庫：按照時間跨度檢索/刪除、按照統(tǒng)計類型+時間檢索/刪除。要實現(xiàn)以上需求，必須用到Berkeley DB的二級庫（secondary db）。

為了實現(xiàn)以上功能，單獨創(chuàng)建一個任務(wù)來完成。首先，將檢索條件生成關(guān)鍵字 key，然后通過創(chuàng)建游標(biāo)cursor使用DB_SET_RANGE方法定位查詢點，依次通過DB_NEXT的方法獲得數(shù)據(jù)，直到檢索區(qū)間越限。將檢索到的數(shù)據(jù)采用同步或者異步的方式返回給應(yīng)用模塊。刪除的方法也是類似，在此不再贅述。

5 測試

基于Berkeley DB的配電終端研制過程中做了各種測試對其性能進行驗證。與傳統(tǒng)的用簡單文件結(jié)構(gòu)方式進行存儲的方式比較，具有明顯的優(yōu)勢。筆者選擇了10000條數(shù)據(jù)進行測試，其中檢索、刪除選擇其中的100條。硬件平臺:CPU為PowerPC，主頻400M；內(nèi)存64M；Flash為128M，操作系統(tǒng)為VxWorks。試驗數(shù)據(jù)摘錄見表1所示。

表1 數(shù)據(jù)庫試驗結(jié)果摘錄

由此可以看出，在檢索時間、刪除時間、CPU需求方面，Berkeley DB遠遠超出簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲方式。雖然在內(nèi)存需求方面，由于Berkeley DB采用了復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)存占用稍多一些，但對于64M的內(nèi)存配置來說，完全可以忽略。

6 現(xiàn)場運行

本文設(shè)計的配電終端成功應(yīng)用北京的開閉站中，典型的北京開閉站應(yīng)用如圖3所示：保護管理機對下接入10kV保護裝置，采集遙信、遙測，實現(xiàn)遠方遙控，對上接入配電終端，規(guī)約采用平衡式IEC101。低壓表、網(wǎng)絡(luò)表計及一些低壓信號也接入配電終端，規(guī)約采用 MODBUS。配電終端通過通信設(shè)備，同配電主站進行連接，將信號遠傳，同時接受配電主站的控制命令，規(guī)約采用IEC104或者平衡式IEC101。

該終端自2008年在北京地區(qū)投運以來，為運行單位提供了大量歷史數(shù)據(jù)：如保護動作信號、開關(guān)位置信號、電壓合格率、不平衡率。積極促進了配電網(wǎng)故障隔離、故障恢復(fù)、電壓質(zhì)量的改進，保證了配電網(wǎng)安全穩(wěn)定可靠的運行，提高了電網(wǎng)公司的生產(chǎn)效率，為建設(shè)智能電網(wǎng)起到了良好的示范作用。

圖3 開閉站結(jié)構(gòu)圖

7 結(jié)論

本文提出了Berkeley DB在配電終端的設(shè)計思路，并且成功實現(xiàn)在配電終端的研發(fā)上。和傳統(tǒng)的配電終端相比，采用嵌入式數(shù)據(jù)庫不僅占用CPU資源很少、系統(tǒng)開銷較低、和應(yīng)用緊密結(jié)合、系統(tǒng)健壯、伸縮性良好等特點，而且能夠滿足用戶日益多樣化的需求。本文提出基于Berkeley DB設(shè)計的配電終端，已經(jīng)成功在北京、山東、青海等地使用，為用戶提供了大量歷史數(shù)據(jù)，減少了用戶工作量，提高用戶工作效率。

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