電網(wǎng)廣域監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫集成方案

戴則梅，葛云鵬，張珂珩，徐春雷

(1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 210061；2.江蘇省電力公司，江蘇南京 210024)

廣域監(jiān)測系統(tǒng)（WAMS）[1]基于同步相量測量單元（PMU）和高速通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對地域廣闊的電力系統(tǒng)動態(tài)行為的監(jiān)測和分析，已成為保證大電網(wǎng)安全的重要手段，是近十幾年來各國電力公司在電網(wǎng)監(jiān)測方面投資建設(shè)的重點(diǎn)。能量管理系統(tǒng)[2，3]（EMS）基于遠(yuǎn)程終端單元（RTU）,其數(shù)據(jù)特點(diǎn)是低密度、靜態(tài)，但布點(diǎn)全，可對系統(tǒng)的靜態(tài)安全進(jìn)行有效監(jiān)視；P MU的數(shù)據(jù)特點(diǎn)是高密度、動態(tài)，可對系統(tǒng)的動態(tài)行為例如低頻振蕩過程進(jìn)行有效分析；有效整合調(diào)度自動化二次系統(tǒng)的信息[4]，構(gòu)建集E MS穩(wěn)態(tài)信息、PMU動態(tài)信息以及故障錄波等暫態(tài)信息（簡稱三態(tài)數(shù)據(jù)）于一體的廣域信息集成數(shù)據(jù)平臺，在此基礎(chǔ)上，就可以將WA MS功能從單純的動態(tài)監(jiān)測擴(kuò)展到廣域動態(tài)監(jiān)測分析保護(hù)控制[5-9]。

數(shù)據(jù)庫是WAMS系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)的載體，既是一個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲中心，也是應(yīng)用軟件進(jìn)行分析和計(jì)算的基礎(chǔ)。因此，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的優(yōu)劣以及性能的高低，對WA MS系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行有重要的作用?；谏鲜隹紤]，文中提出了綜合利用商用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和動態(tài)信息數(shù)據(jù)庫的解決方案，為調(diào)度中心的各個專業(yè)部門（調(diào)度、運(yùn)方、保護(hù)）提供統(tǒng)一的集成數(shù)據(jù)平臺，從而為構(gòu)建現(xiàn)代電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定協(xié)調(diào)防御體系實(shí)現(xiàn)智能輸電網(wǎng)提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

1 WAMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及存儲訪問要求

WAMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可大致分為以下3類。

（1）電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)采集的動態(tài)相量數(shù)據(jù)，即P MU子站以25～100Hz實(shí)時(shí)上送的動態(tài)向量數(shù)據(jù)，以下簡稱實(shí)時(shí)動態(tài)數(shù)據(jù)。

（2）電網(wǎng)發(fā)生擾動時(shí)的三態(tài)數(shù)據(jù)，包括來自E MS系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)、PMU采集的基波動態(tài)向量數(shù)據(jù)和擾動過程中P MU記錄的錄波數(shù)據(jù)或來自故障管理信息系統(tǒng)的故障錄波數(shù)據(jù)的暫態(tài)數(shù)據(jù)，其中波形瞬時(shí)值記錄是電網(wǎng)動態(tài)過程的原始信息資源；可用作電力系統(tǒng)中期和長期動態(tài)過程異?，F(xiàn)象分析，如低頻振蕩[9]、振蕩傳播等，因此這類數(shù)據(jù)有必要長時(shí)間存儲，以下簡稱擾動三態(tài)數(shù)據(jù)。

（3）模型、統(tǒng)計(jì)及告警等，包括所有的靜態(tài)數(shù)據(jù)，電網(wǎng)設(shè)備、參數(shù)、拓?fù)?、圖形、系統(tǒng)配置、告警和事件記錄、歷史統(tǒng)計(jì)信息等一切需要永久保存的數(shù)據(jù)，以下簡稱模型和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

1.1 實(shí)時(shí)動態(tài)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及存儲訪問要求

基于GPS同步對時(shí)技術(shù)的P MU主要是解決跨空間測量的同時(shí)性問題，它需要在全局統(tǒng)一時(shí)鐘協(xié)調(diào)下，對各測點(diǎn)的電壓、電流相量作同步測量，確保全局范圍內(nèi)的測量結(jié)果具有同時(shí)性，便于分析計(jì)算。和RTU數(shù)據(jù)相比，PMU數(shù)據(jù)具有以下幾個特點(diǎn)。

（1）海量性：點(diǎn)相對較少，但數(shù)據(jù)采集密度非常高，其數(shù)據(jù)量可以說是海量的；

（2）帶時(shí)標(biāo)：時(shí)標(biāo)是數(shù)據(jù)的重要特征；

（3）快速、連續(xù)性：RTU秒級更新，且送變化數(shù)據(jù)，但PMU以25～100Hz頻率送全數(shù)據(jù)。

實(shí)時(shí)基波動態(tài)向量數(shù)據(jù)，25幀 /s、50幀 /s或 100幀/s，可以用來進(jìn)行實(shí)時(shí)應(yīng)用分析（例如功角穩(wěn)定中的小干擾造成的電網(wǎng)振蕩分析等）。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，為保證事后事故追憶的要求，至少需存貯30d動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)，所有PMU25幀/s的動態(tài)數(shù)據(jù)（按10000個量計(jì)算）如果不壓縮，存30d的數(shù)據(jù)需要的存貯空間約為3.888TB。

這一類數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)的存儲有快速、大容量和高效性的要求。首先要保證快速連續(xù)的寫入數(shù)據(jù)庫；其次要實(shí)現(xiàn)大容量的存儲；再次要滿足歷史數(shù)據(jù)查詢檢索的實(shí)時(shí)性。

怎樣保證數(shù)據(jù)庫的高效是最具難度的問題，高效性不但要求系統(tǒng)具備快速響應(yīng)各種查詢的能力，而且要求系統(tǒng)在寫入數(shù)據(jù)時(shí)快速高效，少占用系統(tǒng)I/0資源。但是高效性和大容量又是互相矛盾的，數(shù)據(jù)庫容量越大，讀/寫效率將越低。由此可見，WA MS主站系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)承受大容量數(shù)據(jù)寫入，如果數(shù)據(jù)寫入占用太多的I/0、內(nèi)存資源，則數(shù)據(jù)庫無法對外提供快速的數(shù)據(jù)服務(wù)，也即應(yīng)用程序查詢數(shù)據(jù)的速度將大大降低。

1.2 擾動三態(tài)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及存儲訪問要求

電網(wǎng)發(fā)生擾動時(shí)的三態(tài)數(shù)據(jù)，包括來自EMS系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)、PMU采集的基波動態(tài)向量數(shù)據(jù)和擾動過程中P MU記錄的錄波數(shù)據(jù)或來自故障管理信息系統(tǒng)的故障錄波數(shù)據(jù)的暫態(tài)數(shù)據(jù)。這一類數(shù)據(jù)的特點(diǎn)：

（1）錄波數(shù)據(jù)（離線）和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（在線），數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集密度不同，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)沒有時(shí)間段的概念，錄波數(shù)據(jù)為一段時(shí)間的數(shù)據(jù)。

（2）波形瞬時(shí)值記錄是電網(wǎng)動態(tài)過程的原始信息資源；可以用來進(jìn)行電力系統(tǒng)中期和長期動態(tài)過程異?，F(xiàn)象分析（如超低頻振蕩、振蕩傳播等）,因此這類數(shù)據(jù)有必要長時(shí)間存儲。

動態(tài)（小擾動）數(shù)據(jù)，100幀/s。擾動過程記錄存貯每次觸發(fā)事件前1min到最后一次事件的1min以后為止。動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)存貯需要的存儲容量為（故障過程按10s考慮）720MB。

暫態(tài)（大擾動）數(shù)據(jù)、暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)，4800幀/s或更高。錄波長度按＞7s，頻率為4800H z，則每個COMT RADE文件的大小約為6M/PMU，錄波數(shù)據(jù)存貯需要的存貯容量為600MB。

（3）為實(shí)現(xiàn)歷史擾動事件的回放和事后分析功能，還需要保存擾動當(dāng)時(shí)的模型，而不是拿現(xiàn)在的模型去匹配過去的運(yùn)行方式數(shù)據(jù)。只有使用擾動當(dāng)時(shí)的電網(wǎng)模型、當(dāng)時(shí)的運(yùn)行方式，這樣分析結(jié)果才是有意義的。這部分?jǐn)?shù)據(jù)，建議采用增量方式保存，需要的存貯空間和動態(tài)方式數(shù)據(jù)相比可忽略。

1.3 模型和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及存儲訪問要求

模型和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括所有的靜態(tài)數(shù)據(jù)，電網(wǎng)設(shè)備、參數(shù)、拓?fù)?、圖形、系統(tǒng)配置、告警和事件記錄、歷史統(tǒng)計(jì)信息等一切需要永久保存的數(shù)據(jù)等。

模型數(shù)據(jù)包括電力系統(tǒng)的模型和WAMS系統(tǒng)自身運(yùn)行需要的模型數(shù)據(jù)，主要有：維護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)字典；系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和配置信息；描述電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和元件物理特性的電網(wǎng)設(shè)備和參數(shù)；電網(wǎng)的靜態(tài)拓?fù)溥B接信息；采集模型數(shù)據(jù)：PMU通道、規(guī)約、點(diǎn)號、系數(shù)等參數(shù)；告警定義與計(jì)算公式定義；圖形等。

這一類數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是靜態(tài)，不更新或很少更新。但這類參數(shù)是系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、正確運(yùn)行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，需要可靠、穩(wěn)定的保存。

告警和事件記錄可分為動態(tài)電力系統(tǒng)應(yīng)用的告警（例如低頻振蕩、短路擾動等）和WAMS系統(tǒng)自身運(yùn)行需要的告警信息（例PMU故障、WAMS某一進(jìn)程異常等）。前一類主要服務(wù)對象是調(diào)度運(yùn)行人員，后一類主要服務(wù)對象是自動化系統(tǒng)維護(hù)人員。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括日、周、月、年的各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，例如P MU通道的平均延時(shí)、平均運(yùn)行率等。

告警和事件記錄及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，是電力企業(yè)的寶貴財(cái)富，基于這些信息，可以反演電網(wǎng)運(yùn)行的歷史情況、進(jìn)行事故分析等。需要在線保存10年以上。

2 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫的比較

時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫主要針對帶時(shí)間標(biāo)記的時(shí)序數(shù)據(jù)存儲和檢索而設(shè)計(jì)，可以很好地滿足實(shí)時(shí)動態(tài)數(shù)據(jù)是海量（T B級別）、寫入極其頻繁、很高壓縮性能、檢索效率要求特別高的要求。時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫雖然提供了歷史數(shù)據(jù)的高速緩沖區(qū)，但本質(zhì)上是一種純文件系統(tǒng)的存儲方式。商用數(shù)據(jù)庫例如Oracle在存儲、查詢、分布式訪問、管理上均好于純文件系統(tǒng)。兩種數(shù)據(jù)庫的比較如表1所示。

3 綜合運(yùn)用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)方案

在WAMS系統(tǒng)中，通過集成商用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品（例如美國OSI soft公司的P I數(shù)據(jù)庫、美國InSTEP公司的eDNA數(shù)據(jù)庫或者南瑞的海迅數(shù)據(jù)庫）來實(shí)現(xiàn)時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫的功能。主要用于保存不斷變化的P MU實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫雖然提供了歷史數(shù)據(jù)的高速緩沖區(qū)，但本質(zhì)上是一種純文件系統(tǒng)的存儲方式。關(guān)系型商用數(shù)據(jù)庫例如Oracle在存儲、查詢、分布式訪問、管理上均好于純文件系統(tǒng)。Oracle主要用來保存電網(wǎng)設(shè)備、參數(shù)、靜態(tài)拓?fù)溥B接、系統(tǒng)配置、告警和事件記錄、歷史統(tǒng)計(jì)信息等一切需要永久保存的數(shù)據(jù)。

在WA MS的體系結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用對數(shù)據(jù)的訪問是通過支撐平臺的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)實(shí)現(xiàn)的，即應(yīng)用本身并不直接和數(shù)據(jù)庫打交道，而是通過向數(shù)據(jù)訪問服務(wù)提交申請，再由數(shù)據(jù)訪問服務(wù)來訪問具體的數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用程序或者第三方嵌入式程序無須了解具體的細(xì)節(jié)，也無須了解各類數(shù)據(jù)存儲的位置和存儲結(jié)構(gòu)。因此，兩類數(shù)據(jù)庫的綜合使用并不會給應(yīng)用帶來使用上的不方便。

數(shù)據(jù)訪問的流程圖如圖1所示。

（1）WA MS應(yīng)用程序向支撐平臺的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)提交數(shù)據(jù)讀/寫的申請；

（2）數(shù)據(jù)訪問服務(wù)進(jìn)程分析所提交的數(shù)據(jù)類型，如果是PMU動態(tài)數(shù)據(jù)，則調(diào)用時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫的讀/寫接口；否則可能是電網(wǎng)模型、統(tǒng)計(jì)類數(shù)據(jù)或者是擾動案例數(shù)據(jù)，則調(diào)用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（例如Oracle）的讀/寫接口；

（3）時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫通過高效的數(shù)據(jù)壓縮和高速緩存技術(shù)滿足對海量PMU動態(tài)數(shù)據(jù)快速及高效的讀/寫要求，即不僅提供實(shí)時(shí)響應(yīng)的讀/寫能力，而且要求寫入數(shù)據(jù)時(shí)，少占用系統(tǒng)I/0資源和存儲空間。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫通過事務(wù)機(jī)制、并行處理軟件RAC等技術(shù)保證模型、統(tǒng)計(jì)及案例的數(shù)據(jù)可靠、完整，但相對低速地進(jìn)行存儲。

（4）考慮到動態(tài)數(shù)據(jù)的海量性及模型類數(shù)據(jù)的可靠性要求，通常兩類數(shù)據(jù)庫均將數(shù)據(jù)存在磁盤陣列上，同一系統(tǒng)可以共用一組陣列。

綜上所述，推薦WA MS系統(tǒng)使用商用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Oracle和商用時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫的集成方案，綜合利用兩套數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點(diǎn)。

如果僅使用時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫，對于模型數(shù)據(jù)及三態(tài)數(shù)據(jù)的處理，只能采用兩種方式，一是將其轉(zhuǎn)換為時(shí)間序列能處理的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，這樣會影響數(shù)據(jù)庫的處理效率，也難以保證數(shù)據(jù)使用的方便性；另外是將其存入私有格式的數(shù)據(jù)文件（早期的E MS基本都采取這種方式，現(xiàn)在依然有少量系統(tǒng)使用），盡管可能稱為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，本質(zhì)上采用本地硬盤、文件方式管理這些數(shù)據(jù)，這樣的處理方式下數(shù)據(jù)的完整性、一致性、主備機(jī)的同步性都很難保證。

表1 Oracle和時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫比較

圖1 WAMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問流程

4 集成方案的數(shù)據(jù)流程

WAMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程如圖2所示，根據(jù)各應(yīng)用功能對數(shù)據(jù)的需求可將WA MS系統(tǒng)的功能分為4類。

圖2 WAMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程

A類：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備類，完成WA MS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、匯集、處理、整合與管理功能，構(gòu)造電網(wǎng)綜合動態(tài)信息數(shù)據(jù)平臺，包括P MU數(shù)據(jù)采集處理軟件；擾動時(shí)數(shù)據(jù)整合與管理軟件；優(yōu)化狀態(tài)估計(jì)。

B類：在線監(jiān)視類，主要利用2 5Hz PMU實(shí)時(shí)動態(tài)數(shù)據(jù)，包括電網(wǎng)動態(tài)過程監(jiān)視；低頻振蕩在線監(jiān)視；電網(wǎng)擾動識別。

C類：在線分析類，主要利用25 Hz PMU實(shí)時(shí)動態(tài)數(shù)據(jù)和狀態(tài)估計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；包括動態(tài)安全評估及預(yù)警[10]；極限功率計(jì)算軟件；其他線分析應(yīng)用等。

D類：離線分析類，主要利用三態(tài)數(shù)據(jù)的整合與管理整合后的歷史研究數(shù)據(jù)，包括故障發(fā)生前的狀態(tài)估計(jì)斷面、故障過程動作序列、故障時(shí)P MU采集的2 5幀/s實(shí)時(shí)動態(tài)數(shù)據(jù)（故障前1 min至故障后1 min）。包括模型和參數(shù)校核等；其他離線分析應(yīng)用等。

5 結(jié)束語

結(jié)合基于OPEN-3000支撐平臺的WA MS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了綜合利用商用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和商用時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫的集成方案。該方案可以充分發(fā)揮兩種數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點(diǎn)，滿足WA MS系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲實(shí)時(shí)性、海量性和安全性的要求。同時(shí)應(yīng)用對數(shù)據(jù)的訪問都是通過支撐平臺的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)實(shí)現(xiàn)，兩類數(shù)據(jù)庫的綜合使用并不會給應(yīng)用帶來使用上的不方便。這一方案在西北、福建、安徽、甘肅等電網(wǎng)WA MS系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用，同時(shí)在華東、南網(wǎng)、江蘇、浙江、寧夏、江西等眾多電網(wǎng)的E MS/WA MS一體化系統(tǒng)中應(yīng)用，積累了重要的案例數(shù)據(jù)，推動了WA MS應(yīng)用從單純的動態(tài)監(jiān)測擴(kuò)展到廣域動態(tài)監(jiān)測分析保護(hù)控制的發(fā)展，初步構(gòu)建了大電網(wǎng)安全防御信息平臺，為智能輸電網(wǎng)的建設(shè)提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

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