qq拼音输入法去广告:变电站综合自动化实时数据库管理系统的研究与开发

1　引言　　
　　为了适应配电系统的可靠性、安全性、经济性的要求，发达国家在80年代末，我国则在近几年兴起了研究配电管理系统的热潮。作为变电站这一层次，为了适合配电管理系统的需要，无论是通讯可靠性还是变电站当地功能方面都提出了更高的要求。变电站监控系统正在向分布式、多功能、高可靠性、大数据量管理的综合自动化方向发展［1］［2］。
　　变电站综合自动化系统就是利用先进的计算机技术以实现提高电能质量和系统的管理水平及自动化水平的，该系统除应具有先进的一次设备和计算机网络系统作为支持外，真正能体现整个系统性能优越性的是各种应用软件，这些软件均需对大量数据信息进行采集、传输、综合、计算等。因而，变电站综合自动化系统实际上是一个对大量数据信息进行综合处理的过程。由于此系统数据信息成为海量，传统的数据处理方法已难以满足要求，必须借助于先进的数据库技术。所以数据库管理系统成为变电站综合自动化的基础。
2　变电站综合自动化系统的数据分析和数据结构设计　　
　　数据库管理系统设计的依据是变电站综合自动化的功能分析和数据分析，所有应用程序要用到的数据的集合即数据库的数据信息。
2．1　变电站综合自动化功能和数据分析
    变电站综合自动化包括以下五大基本功能。
    （1）基本SCADA功能
　　对变电站运行状况进行实时监视和控制，包括数据采集与传送、变电站运行状态监视及基本监控功能等。归纳起来基本SCADA系统的数据信息可分为如下三大类：一是网络管理信息。目前基本SCADA系统均采用分布网络结构。网络系统的安全可靠运行是变电站综合自动化的保障，所以必须　　对网络的运行状态进行实时监视。网络管理信息包括网络硬件和软件配置信息、网络设备运行状态信息、数据采集设备（RTU）配置和状态信息，以及网络通讯设备及状态信息等；二是变电站运行实时信息。包括遥测、遥信、遥控、遥调信息，保护配置信息，报警信息，以及事件顺序记录和事故追忆等信息；三是图形信息。目前广泛采用的是基于地理信息系统的变电站监视与控制SCADA系统，因而存在大量的图形信息。
    （2）高级应用功能
　　要真正提高变电站的供电质量、保证供电可靠性及经济性，必须对变电站进行大量在线综合分析和计算。因而高级应用功能是变电站综合自动化系统的重要组成部分，主要包括：网络重构、无功电压综合控制、故障分析与控制、报警等。其数据信息主要包括网络拓扑信息、设备参数信息及大量的实时运行状态信息等。
2．2　数据分类及数据结构设计
　　由以上变电站综合自动化系统功能及数据分析，可将信息分类如下：
    （1）网络管理信息
　　变电站综合自动化系统就是一个计算机网络系统，必须对计算机网络进行监视。计算机网络管理信息包括计算机配置、软件配置、RTU、杆上FTU，以及相应的运行状态和拓扑信息等。
    （2）实时数据信息
　　实时数据信息即变电站实时运行信息，包括模拟量（遥测）、开关状态量（遥信）、遥调遥控、电度量，以及各种报警信息、保护信息及控制信息等。
    （3）历史数据信息
　　实时数据信息的历史记录，包括定分钟历史数据、整点数据、年月日统计数据及事件顺序记录、事件追忆等。
    （4）图形信息
　　包括图元信息、图形静态数据、图形动态数据、图形定位信息及图形基本信息等，可作自行开发的图形生成系统的数据，亦可作为地理信息系统的数据接口。
    （5）设备信息
　　变电站中包括大量的一次和二次设备。设备信息指这些设备的基本信息和参数信息，如变压器、母线、线路、电容（电抗）器、开关设备、保护装置及负荷等。
    （6）网络拓扑信息
　　描述变电站网络拓扑结构，包括网络接点和支路拓扑关系、设备和负荷关系、王骆拓扑着色等。
    （7）高级应用信息
　　为高级应用软件提供数据信息，并保存相应的结果数据信息，如网络拓扑、参数及实时信息等。实际上是拓扑信息、参数信息及实时信息的二词组和信息。
　　根据上述数据分类即可构成变电站自动化系统实时数据库系统的数据结构，也就是说实时库管理系统包括实时库、历史库、设备库、高级应用库等。各库的具体内容依照各库信息细化其关系，形成各库的库表。这样就形成了变电站综合自动化系统实时数据库管理系统，实现数据共享，保证数据一致性。见图1。

3　实时数据库模型的定义
　　现在最主要的数据库技术是从70年代发展起来的关系数据库，一般商用数据库也采用关系型数据库。
　　实时数据库作为一种数据库有别于一般的商用数据库，其区别主要体现在以下几个方面［3］：
　　1）存储介质：商用数据库一般存放于硬介质上（如硬盘），而实时库则为了满足实时性的要求存放于内存中，所以说实时库又是内存库；
　　2）定义方式：商用数据库一般都是通用数据库，用户可以任意定义自己的库表、字段、关系等。而实时库一般说是为了特殊应用而自行开发的，一般不通用，不提供给用户定义自己的库表、字段、关系等功能，但提供固定的库表和录入程序；
　　3）访问速度：商用数据库一般为秒级，实时库要达到毫秒级甚至微秒级。
　　实时数据库和一般的关系型数据库一样，采用二维关系表的形式组织数据，每个库表都有相应的关键字（ID），以唯一表示一条记录和提高查询速度。
　　由于变电站的层次结构，因此该实时库，采用了层次加关系型的数据库结构；为了提高实时性和编程的方便及易扩展，采用了面向对象的方法来定义数据结构。
4　实时数据库的开发
　　由于关系型数据库在实时性上存在缺陷，并且实时数据库又要满足数据一致性和共享性的要求，所以想全部自行开发一套通用性好、功能强的实时数据库决非易事，且大量离线库如历史库常驻内存也不现实。因此实时信息采用自行开发的实时库，而历史信息采用大型商用数据库开发的历史库。
4．1　软件环境及开发工具
　　实时数据库系统选用了目前最流行的client／server模式，用Visual C＋＋语言在WINDOWSNT操作系统上开发。VisualC＋＋由于继承了C语言的特点，在对系统底层进行操作时有着其他编程语言所没有的优势，故选其来开发实时数据库系统，以满足实时性的要求［4］［5］。
4．2　实时数据库结构设计
　　根据变电站综合自动化的功能和特点以及应用软件要求和需要，设计如下数据库。
    （1）公用字典类数据库
　　该类库是整个数据库的基础，存储内容包括：
实时数据库中每一数据元素的名称、意义、描述、来源、职责、格式、用途及其与其他数据的关系；
    （2）变电站设备类数据库
　　该库是实时数据库的核心组成部分，存储变电站中电器设备的运行参数，运行状态和拓扑连接关系等。主要包括：线路库、开关库、线路类型库、母线库、变压器库、电容器组库、负荷库等；
    （3）SCADA数据库
　　主要有：RTU库、遥测库、遥信库、遥调库、遥控库、电度量库、计算公式定义库、报警库、事件顺序记录（SOE）库等。
    （4）数据库的存储结构
　　数据库定义为类集合，用VisualC＋＋实现层次和关系数据结构并实现记录之间的链接，全部采用哈希方法实现快速检索，并用双向表实现顺序检索。
5　实时库的功能
5．1　数据的录入和维护
　　提供实时数据库的交互式录入和维护功能，主要有：①拓扑结构和设备数据的录入、修改和删除；②SCADA数据的录入、修改和删除；③公用字典库类数据库的维护。
　　变电站的设备发生变动时，可以及时地反映到实时库中，可通过管道实现在线维护。为便于操作，编制了详细的使用手册。
5．2　实时数据库启动和安装
　　实时数据库系统在未启动时是驻留在硬盘上的，以文件的形式存放。启动时将其安装在内存，以保证数据的查找，得到更新的实时性。将硬盘上的数据库文件安装到驻留内存的实时库，由实时库的安装程序来实现。它主要完成：①为数据库分配内存，使之驻留内存；②根据变电站的层次结构，为各库建立层次型的指针连结，即上一层库的记录对下一层数据库相关记录的指针（1对多的关系），并检验层次指针的合理性和层次结构的完整性；③建立管道和主线程序，准备与前置机及应用程序通讯。
5．3　实时数据库和历史数据库
　　历史库主要保存静态数据库和定时由实时库转发备份到历史库的实时数据。所以历史库中有相当一部分数据是实时库数据加上时间标志，并进行一定的统计所得的（如累计、平均和求和等）。历史库是用MicrosoftSQLSever建立在服务器上，实时库通过ODBC与历史库实现数据的定时转储。
5．4　实时数据库与应用程序
　　实时数据库提供与应用程序之间的方便、灵活、快速的传递数据功能。采用的是客户机／服务器方式。数据库为服务器，应用程序为客户机。实时数据库采用多线程与应用程序通讯，应用程序通过管道发送请求，要求实时数据库提供数据，实时数据库根据请求，在库中查找到相应的数据再通过管道发送给应用程序。
5．5　实时数据库的安全和故障恢复功能
　　实时数据库的主／备服务器互为热备用，运行中通过网络定时通信，如主服务器有异常则备用服务器自动接替主服务器工作。实时数据库的维护操作设有权限控制表，用密码控制操作员的权限，使数据的录入、修改和删除不能随意操作，以此来保证数据的安全。
　　实时数据库每五分钟备份一次数据，当发生故障造成系统停止运行时，实时数据库重新启动、安装后，能迅速恢复到故障前的状态，使损失减至最小，满足可靠性要求。
5．6　交互式实时数据监视程序
　　此程序可在线监视全部实时数据的变化，对于因通道或RTU故障等原因不能准确采集、传送测点数据时，可以人工置入数据到实时库。
5．7　表达式分析与计算程序
　　表达式是为某种计算量定义的，用户以字符串输入。本程序具有以下功能：①对表达式进行预先分析，若有错误应给出相应信息，以便于修改；②允许表达式含有＋、－、＊、／、开方和乘方等计算符，并完成相应计算；③允许以标识符来调用实时库中的数据。
5．8　拓扑状态管理程序
　　此程序负责根据实时库中的数据调整系统的拓扑状态，并可向高级应用程序提供拓扑信息供GIS、故障诊断和潮流计算使用。
5．9　实时库的数据操作
　　实时库含有访问实时数据库的函数。实时数据库维护程序，数据库与前置机通讯程序，与应用程序的通讯程序，实时库与历史库通讯程序，变电站拓扑状态管理程序，交互式实时数据监视程序，表达式计算程序等都以客户机／服务器方式通过管道发送请求，调用该类函数访问和操作实时库。
6　该实时数据库的特点
　　该变电站综合自动化系统实时库具有以下特点：
　　（1）采用“层次加关系”数据模型，具有很高的实时响应性和可靠性；
    （2）采用C／S工作方式、多线程、管道和内存
映射文件等技术，实现与应用程序的通讯和数据库的同步更新及实时数据在线监视；
　　（3）数据定义、维护程序与实时库运行程序分离，并通过管道实现在线维护；
　　（4）充分利用VC＋＋5．0提供的数据结构实现了数据的合理组织和快速检索；
　　（5）具有良好的人机节口，操作灵活，使用方便；
　　（6）采用面向对象技术，明显提高了软件的质量、可靠性、可维护性、可扩充性、执行速度和开发速度。
7　结论
　　实时数据库是为了提高系统实时性而自行开发的数据库管理系统，它不但是一个按面向对象的思想和技术设计而成的内存库，而且是一个能够满足各种需要的管理系统。它是配电网自动化系统中的一个层次——变电站监控系统的核心程序，作为整个配网一个节点来实现自动控制。本系统基于Windows NT4．0操作系统平台，采用VC＋＋5．0开发的，已经运行于潍坊配网自动化系统的五个变电站中，效果良好，运行可靠，操作方便。