基于eDNA數據庫的配電網實時數據統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/準實時監測（控）系統和各類管理信息系統，如負荷控制系統、配電自動化系統、配變監測系統、集抄系統、生產管理系統、地理信息系統[1-5]等。這些系統一般獨立運行，各自覆蓋一定范圍的電網設備，各有1套數據采集體系，存在的主要問題有：（1）存在1處數據多系統（及人工）采集現象；（2）各系統間的數據共享目前基本通過數據庫接口（中間數據庫方式）實現，不同的系統兩兩之間都需要建立數據接口，且一旦數據交換的通道發生故障，數據接口將自動關閉，需人工重新啟動，給運行維護帶來不便，引起數據全局共享和業務應用發生混亂，數據的統一性和一致性難以保證；（3）可供決策的數據分散存儲于各個系統中，各系統所采集數據的利用率不高；（4）各類應用系統目前基本都使用主流關系型數據庫，在應用上未考慮將來智能電網高級應用的需要。鑒于這種現狀，有必要采用一定的技術措施，盡量避免諸如數據重復采集、維護多個數據接口、數據不統一等問題。文獻[6]提出建立統一電能采集平臺和數據交換平臺，文獻[7]通過配置各種設備協議庫的方式來實現變電站級統一的設備數據采集與監控，有效代替原有多種分散設備信息的接入系統，文獻[8]利用eDNA（enterprise distributed network architecture）實時/歷史數據庫與結構化查詢語言（structured query language，SQL）關系數據庫組成安徽省電網電能質量在線監測系統，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據的統一采集和交換問題。文獻[9]利用PI（plant information system）實時數據庫建立了一個地區電網企業實時數據集成和應用平臺，采用接入前置機方式將分布在各級調度的電網數據采集與監控系統（supervisory control and data acquisition，SCADA）系統、電能量系統，分布在用戶需求側的各類監測和控制系統的數據接入，實現了電網和用戶的生產經營實時/歷史數據的集成，但是并沒有很好地解決數據回放速度和平臺的經濟性問題。

本文提出基于實時/歷史數據庫建立配電網實時數據統一采集平臺，對所有實時運行數據進行統一采集和管理。介紹了該平臺的拓撲結構和功能，并對1個基于eDNA實時/歷史數據庫建立的統一采集平臺的設計和實現進行了分析。

1 實時數據統一采集平臺

1.1 eDNA實時/歷史數據庫

實際中，電網調度自動化系統、配網自動化系統、負荷控制系統、配變監測系統、用電信息采集系統的數據量通常會超過200萬點。主流的關系型數據庫只能處理5 000點/s變化的工業實時數據。以10 000個信息點、每個信息點的數據值1天的平均變化次數為500、在線存儲1年所需的存儲空間為例，Oracle數據庫需要32.29 G存儲容量，而eDNA實時/歷史數據庫僅需要0.425 G存儲容量，可見實時/歷史數據庫在不擴充硬件的前提下就可以在線存儲多年的歷史數據。其次，對于數據量較大的系統，在進行后續的數據查詢、計算等操作時，由于關系型數據庫I/O讀寫速率的限制，會出現大量的等待、遲滯、死機、循環現象，為了解決這樣的數據性能瓶頸，一般會要求用戶采用集群并發、負載均衡、存儲陣列等增大硬件投資方式來實現部分I/O讀寫性能的攤銷，但不能從根本上解決大規模海量數據的查詢回放難題，eDNA實時/歷史數據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/歷史數據庫作為配電網實時數據統一采集的數據容器，是一種理想的選擇。

1.2 拓撲結構

根據國家電監會令[2004]第5號《電力二次系統安全防護規定》[15]的規定，供電企業內部基于計算機和網絡技術的業務系統原則上應劃分為生產控制大區和管理信息大區，生產控制大區又可以分為控制區（安全區I）和非控制區（安全區Ⅱ）；控制區內的各業務系統或功能模塊的典型特征為：是電力生產的重要環節，直接實現對電力一次系統的實時監控，縱向使用電力調度數據網絡或專用通道，是安全防護的重點與核心；非控制區內的各業務系統或其功能模塊的典型特征為：是電力生產的必要環節，在線運行但不具備控制功能，使用電力調度數據網絡，與控制區中的業務系統或功能模塊聯系密切；因此，按照傳統的觀念，負荷控制系統、用電信息采集系統、配變監測系統等都不屬于生產控制大區的控制區。然而考慮到智能電網中的用戶互動和智能臺區的雙向互動功能的實現，必然會使智能用電和智能臺區具有下行控制功能，如通過智能電表切斷長期欠費用戶的電力供應、通過臺區智能終端控制無功補償電容器投切等，因此，傳統觀念下的一些應用系統將會從非控制區升級到控制區。本著“允許根據應用系統實際情況，在滿足總體安全要求的前提下，可以簡化安全區的設置，但是應當避免通過廣域網形成不同安全區的縱向交叉連接”的原則，本文將負荷控制系統、配變監控系統等既具有實時數據采集又具有控制功能的系統都歸到控制區，將用電信息采集系統類雖具有實時數據采集功能但不具有控制功能的系統歸到管理信息區，由此對實時數據統一采集平臺可簡化區分為生產控制大區和管理信息大區，總體網絡拓撲如圖1所示。

圖1 實時數據統一采集平臺網絡拓撲Fig.1 Network topology of unified real-time data acquisition platform

位于生產控制大區的各個實時/準實時系統所采集的數據全部“匯集”到以實時數據庫為特征的配電網實時數據統一采集平臺上。由于實時數據庫支持200 000事件/s，使得傳統的實時數據以“s”為采集單位，以“min”為存儲單位的方式可以直接轉變為以“ms”為采集單位，以“s”為存儲單位，如此高速的數據處理性能使得智能電網的自愈控制、及時響應等得以實現；同時，各種實時數據（中壓網運行數據、臺區運行數據、用戶用電信息、分布式電源監控數據）的相對完整性，使得基于整個配電網的優化運行與控制，如全網無功優化控制、分布式電源經濟調度等高級功能不再受缺少數據的限制而難以發揮作用。為充分利用實時數據庫的高速存儲性能，在生產控制區還設置關系型數據庫，用以存儲相對穩定的電網結構數據。

供電企業的其他業務應用如故障搶修、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據和信息，為了滿足此類應用需求，在管理信息大區部署配電網實時數據統一采集鏡像服務器，利用數據橋供不同的管理系統獲取各自感興趣的數據和信息。

這種模式具有以下優點：位于生產控制區的實時系統之間可以實現數據共享，從而為智能配電和智能用電的實現奠定基礎，如電壓無功控制系統可以共享配變臺區監控系統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等。

對于實時/歷史數據庫，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，數據庫的處理性能和容量可以隨著服務器的數量增加而同比增加，能夠針對不同的硬件環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 數據采集接口

為了安全、穩定、快速地實現配網自動化設備、用戶電表、智能臺區數據采集工作，平臺提供包括目前主流生產控制系統、用戶電表以及電氣相關系統的所有接口。當進行相關的系統數據采集時，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，配置相關的接口協議的驅動模塊、參數、I/O點表、IP、權限等內容即可完成數據的采集工作。

采集到的生產實時數據、用戶的用電數據等，通過該接口平臺上傳至實時/歷史數據庫，上傳過程中，對來源不同的數據點進行統一的管理和維護；可配置數據上傳的頻率和方式；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據；考慮到廣域網可能的網絡故障，在接口的發送端，建立數據緩存機制，在網絡傳送出現中斷時，一般可以在線存儲1個月以上的現場數據。

1.3.2 通用軟件工具

實時數據統一采集平臺提供豐富的通用軟件工具，包括Web平臺、生產流程組態畫面平臺、報表平臺、歷史趨勢分析平臺、統計分析平臺、設備層級列表分析平臺等，從而為各應用系統的數據分析、應用提供有效的工具。統一Web發布平臺能實現快速的客戶化定制部署，嵌入靈活的實時、歷史數據查詢工具、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。生產流程組態畫面平臺可以對生產狀況進行實時監視，通過生產模擬圖、趨勢圖、棒狀圖和參數分類表等多種監視方式實時顯示各設備的主要運行參數和設備狀態。歷史趨勢分析平臺可以根據ID號、KKS編碼、標簽描述等進行精確查詢（模糊查詢），實現方便快捷的參數歷史趨勢調用，實現參數的歷史回放、參數曲線生成比較，方便生產人員進行查詢分析。統計分析平臺可以提供各種統計分析工具，供用戶以小時、日、周、旬、月、季、年的時間間隔統計并能查詢越限的運行參數、越限值、越限起止時間和越限頻率。或者以小時、日、周、旬、月、季、年的時間間隔統計并能查詢各設備的啟停次數、啟停起止時間以及累積運行時間。報表平臺根據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/歷史數據與基于關系結構的設備管理數據的索引關聯，提供對各種信息進行面向對象的定義和訪問，實現對數據按照設備、列表、分析模型等組織模式。

2 實例應用

某供電公司現有集抄系統，對900個公用配電臺區和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據庫導入后才能為算費系統和SG186營銷主題分析提供數據支撐；專變負荷監測系統對350個大用戶負荷進行實時監測；線路監測系統對6條10 kV線路上的21臺開關信息進行監測；另有2套配電臺區監測系統分別對45個和10個配電臺區的漏電保護器運行實施監察和監測管理。各系統間相互有數據接口實現數據交換，數據來源既有自動采集的，也有人工采集的，存在抄錄的數據不能同步的現象。另外，該供電公司計劃新上配網自動化系統、覆蓋228個公用配電臺區的智能臺區監控系統及10 000戶的用電信息采集，數據信息點數量超過240萬點。

按照本文提出的實時數據統一采集平臺方案，為該供電公司設計的配電網實時數據統一采集平臺如圖2所示。在生產大區部署實時/歷史數據庫服務器，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、系統維護站、病毒防護服務器等。在管理大區部署實時/歷史數據庫鏡像服務器，并配置相應的功能站、Web服務器，以供各應用系統進行數據訪問、分析等。根據實際需要配置6臺前置機進行數據采集，在每臺前置機端安裝相應的數據采集接口并配置相關協議的驅動模塊、參數、I/O點表、IP、權限等。

所有的數據采集接口通過數據采集接口平臺上傳至實時/歷史數據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均從實時/歷史數據庫服務器中讀取相應的生產實時數據，并實現各自系統的應用。

（1）對已有實時系統（如集抄系統、專變負荷監測系統、線路故障監測系統、配變臺區監測系統）的處理，將其中參與計算的原始數據，同步到實時/歷史數據庫中，真正建立起1個基于統一數據倉庫的敏捷統一數據平臺。在不破壞原有各個系統支撐數據源的前提下，建立1個有效的數據鏡像，融合電表量計、臺區數據、線路開關等實時現場數據的統一數據采集平臺。

圖2 某供電公司實時數據統一采集平臺Fig.2 An example of unified real-time data acquisition platform

（2）對新建實時系統（如配網自動化系統、用電信息采集及臺區監測系統），所有采集點的動態變化信息通過新建前置機（群）采集并存入實時/歷史數據庫中。

上述基于實時/歷史數據庫的實時數據統一采集平臺解決了關系型數據庫在存儲容量、數據回放性能、事務處理等方面的缺陷，便于實現快速、統一的實時數據的采集和交換，同時可以解決應用系統數據分散、數據重復、數據不一致等問題，從而為全網/局部區域電網優化運行分析與控制奠定了基礎。

3 結論

實時/歷史數據庫可以把海量數據存儲起來，為很多高級應用提供數據支撐，解決了長期以來用戶對于數據分析、展現等需求響應速度慢，展現縱深淺和應用系統擴展或變更時帶來的數據接入架構問題。在用電、配電系統擴展或變更時，不需要重新規劃系統的架構，新增1個應用系統，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/歷史數據庫的實時數據統一采集平臺，能夠將已有和新建實時/準實時監測系統的數據用統一的平臺進行采集、存儲和發布，能夠方便地實施智能配電網高級應用，無需與諸多數據庫建立接口，從數據層面消除信息“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提供生產現場的各種基礎數據，是建設智能電網營配一體化模式的基礎。

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