實時數據庫在企業能源管理系統（EMS）中的應用研究

摘要：實時數據庫（RTDB－Real Time DataBase）做為企業信息化管理系統中的核心和中樞，在企業信息化的建設中起著至關重要的作用。本文結合（企業能源管理系統EMS）項目特點，對實時數據庫在EMS中的應用進行了研究，研究結果對EMS項目實施具有重要參考價值。

關鍵詞：RTDB 實時性 EMS 數據壓縮

0 引言

實時數據庫（RTDB－Real Time DataBase）是數據庫系統發展的一個分支，是數據庫技術結合實時處理技術產生的。上世紀90年代，源于以太網的逐步普及，實時數據庫在流程工業全世界范圍內大行其道，主要應用于工業監控、控制和公用工程。到了2000年之后，國內的實時數據庫逐漸嶄露頭角，如ESP-iSYS、Agilor等與國外的PI、InfoPlus類似，均屬于大型分布式網絡實時數據庫。規模相對較小的，如PHD、ConRTDB、SuperInfo，也在國內開始應用。

隨著經濟的快速發展，能源問題已經日益成為中國經濟發展中的重要制約因素，而能源管理系統（Energy Management System，簡稱EMS）則是實現系統節能的一個重要途徑，自2009年起國家在鋼鐵行業大力推廣能源管理系統，目前正推廣到石化、機械、有色金屬等重點用能行業。

EMS項目一般都是覆蓋企業全廠，甚至是企業集團的多個廠區，其中的一個難點就是系統集成：系統涉及面廣，數據接口種類眾多，接口復雜，數據量大，采集周期及響應速度要求高，模型預測數據要求高，大量測量數據需實時處理與分析。本文重點論述在EMS工程中實時數據庫的解決方案及可能存在的問題。

1 實時數據庫概述

1.1 實時數據庫定義

實時數據庫是數據和事務都有定時限制的數據庫，適用于處理不斷更新的快速變化的數據及具有時間限制的事務處理，是數據庫系統發展的一個重要分支。通俗地講，實時數據庫是一種采集、存儲和分析隨時間快速變化的海量數據的軟件產品，是現代工業生產信息化的核心基礎軟件。

實時數據庫系統的主要內容包括：

實時數據庫模型。

實時事務調度：包括并發控制、沖突解決、死鎖等內容。

容錯性與錯誤恢復。

內存組織與管理。

訪問準入控制。

I/O與磁盤調度。

主內存數據庫系統。

不精確計算問題。

放松的可串行化問題。

實時SQL。

實時事務的可預測性。

1.2 實時數據庫介紹

1.2.1 實時數據庫的特征和功能

RTDB的特征主要表現在數據的時效性和事務的定時限制上：數據實時性就是現場IO數據的更新周期，作為實時數據庫，必須考慮數據實時性。一般數據的實時性主要受現場設備的制約，特別是對于一些比較老的系統而言，更是如此。事務實時性是指數據庫對其事務處理的速度。它可以是事件觸發方式或定時觸發方式。事件觸發是指該事件一旦發生則立刻獲得調度，這類事件可以得到立即處理，但是比較消耗系統資源；而定時觸發是指在一定時間范圍內獲得調度權。作為一個完整的實時數據庫，必須同時提供兩種調度方式來保證系統的穩定性和實時性。

①RTDB的數據特征：時效性

RTDB中的一個數據對象三個屬性組成，它們分別為當前值、采樣時間、采樣頻率。對于RTDB中的每一數據對象，它的時效性包括內部一致性、外部一致性和相互一致性。

②RTDB的事務特征：定時限制

定時限制即事務的執行有顯式的時限，如指定的開始時間、截止時間等，它要求RTDB必須有時間處理機制。

定時正確性即事務能按指定的時間要求正確執行，它要求權衡定時限制與數據一致性要求等多方面因素，提供合適的調度與并發控制算法。

1.2.2 實時數據庫的功能

實時數據庫不同于傳統數據庫，它具有以下功能：

數據庫狀態的實時性，即盡可能地保持數據庫的狀態為不斷變化的實際當前最真實狀態。

數據值的時間一致性，即確保事物讀取的數據是時間一致的。

事物處理的實時性，即確保事物的及時處理，使其定時限制尤其是執行的截止期得以滿足。

集成各種通訊協議的數據源，形成統一的訪問實時數據接口。

完成對實時數據的集中海量存儲。

支持實時數據讀寫操作和歷史數據的高效查詢。

提供實時計算、實時分析處理等功能。

實時數據的組織和訪問權限管理。

1.3 實時數據庫與傳統關系數據庫關系與比較

傳統的數據庫系統主要處理永久、穩定的數據，強調維護數據的完整性、一致性，其性能目標是高的系統吞吐量和低的代價，而不考慮有關數據及其處理的定時限制，所以，傳統的數據庫管理系統（DBMS）不能滿足實時應用的需要。而傳統的實時系統（RTS）雖然支持任務的定時限制，但它針對的是結構與關系很簡單、穩定不變和可預報的數據，不涉及維護大量共享數據及它們的完整性和一致性，尤其是時間一致性。因此，只有將兩者的概念、技術、方法與機制\"無縫集成\"（SeamlessIntegration）的實時數據庫（RTDB）才能同時支持定時和一致性。

實時數據庫與關系數據庫這兩類產品的設計理念及應用場合是完全不同的。

實時數據庫不但利用了內存的特性，而且考慮到工控行業的應用特性，將關系數據庫的表結構和表關系簡化，以進行性能的優化，并針對工控行業的數據特性，對數據進行壓縮處理。

實時數據庫與關系數據庫的差別，如表1所示：

以上的比較，指標并不全面，也并不是說，實時數據庫一定比關系數據庫好，只能說，需要針對不同應用的不同需求，做出綜合決策，選擇最適合自己需要的數據庫產品。

2 實時數據庫在EMS中的作用

企業能源管理系統（Energy Management System，簡稱EMS）是一套自動化信息化管控一體化系統，是能源管控中心行使管控職能的載體和平臺。能源管理系統通過采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業能源系統的生產、輸配和消耗環節實施集中、扁平化的動態監控和管理，改進和優化能源平衡，實現系統性降耗。

在自動化技術和信息技術基礎上的能源調度技術和能源管理技術，以客觀數據為依據的能源生產和消耗評價體系，是冶金企業先進能源管理領域最基本的理念之一。改變傳統的分散的能源生產管理方式為公司扁平化的高效管理方式，是現代大型鋼鐵企業先進的、被證明是行之有效的重大管理措施，正成為各大鋼鐵公司各級管理者的共識。建設企業能源管理系統（EMS）的基本目的就是要在提高能源系統的運行、管理效率的同時，為企業提供一個成熟的、有效的、使用方便的能源系統整體管控一體化解決方案，一套先進的、可靠的、安全的能源系統運行、操作和管理平臺，并實現安全穩定、經濟平衡、節能減排、優質環保的基本目標。

EMS系統從功能上可分為三大部分，分別為：能源綜合監控系統、能源預測和優化調度系統以及基礎能源管理系統，各部分的功能如下所述：

2.1 能源綜合監控系統

主要完成能源數據采集與處理、潮流及設備狀態監視、設備遠程控制與調整、事件及故障處理、數據歸檔預處理，支持調度人員完成日常調度、巡檢、點檢等工作。

2.2 能源預測和優化調度系統

主要完成電力負荷預測、用電量預測、煤氣平衡預測、多介質平衡優化調度等功能，利用能源管控中心系統的數據和控制平臺，建立能源主要介質的產銷預測模型，并通過能源綜合平衡分析，給出能源系統優化調度方案，為用戶的調度及管理提供決策依據，實現能源系統的平衡優化運行，達到節能降耗的目的。

2.3 基礎能源管理系統

該系統支持管理人員完成能源計劃管理、實績管理、平衡管理、生產運行管理、質量管理、成本管理、用能設備管理以及綜合分析等功能。

EMS應用架構如圖1所示：

如上所示，多協議、多接口，大量實時數據的采集與處理，預測與分析，數據存儲與展示是EMS集成的關鍵。

實時數據庫通過對大量實時數據的采集和存儲，既為企業保留了極為重要的歷史數據，也為企業提供了及時和有效的實時信息；在對歷史數據和實時數據分析的基礎上，可以對工廠實施監控及管理，如流程優化、質量控制、設備維護、故障預警等；通過實時數據庫可集成產品計劃、維護管理、專家系統、模擬與優化等應用程序，在計劃管理和實時生產之間起到橋梁作用；實時數據庫成為企業能源管理系統中數據的“生產中心”，在整個能源信息系統建設中起著關鍵作用。

3 EMS中的實時數據庫應用方案

3.1 EMS中的IO數據分析

一個大型工業企業的EMS通常建立在上萬個信號點(I/O Tag)的基礎上，電力系統的電量、電壓、頻率等，動力系統的流量、壓力、柜位等，水道系統的流量、壓力、水位等主要能源生產潮流，均納入EMS監視范圍；電力系統的開關等，動力系統的加壓機、放散塔、煤氣柜等，水道系統的泵等重要能源設備，進行EMS遠方操作控制和實時調整。

對于作為監控使用的信號點來說，系統要求這種類型的信號點具備快速響應的特征，能夠在畫面上至少以秒級的速率進行刷新顯示（有的系統甚至要求畫面刷新率在500ms）。另外，對于應用于控制的信號點，在快速響應的前提下，還需要有可靠性保證，即對于數據電文，理論上既不允許丟包，也不允許損壞（避免拒動和誤動）。

另外，對于EMS模型預測分析系統使用的信號點來說，系統要求數據點時效性高，所需能源實績數據、設備狀態、異常等數據及3個月以上SCADA穩定運行的生產數據作為建模使用，數據讀寫頻度較高。

因此，使用實時數據庫處理隨時間快速變化的海量數據，在企業能源管理系統的應用中是很重要的，它可以為用戶提供高速、及時的實時數據服務，能夠對快速變化的實時數據進行長期高效的歷史存儲，是現代企業能源信息化的核心基礎軟件。

3.2 實時數據庫應用方案

在目前國內EMS建設中，大多數鋼鐵企業采用了Proficy iHistorian或inSQL等實時數據庫，數據庫應用架構如圖2所示：

針對不同行業不同類型的企業，實時數據庫的數據來源方式也各不相同。總的來說數據的主要來源有DCS控制系統、由組態軟件+PLC建立的控制系統、數據采集系統（SCADA）、關系數據庫系統、直接連接硬件設備和通過人機界面人工錄入的數據。

根據采集的方式方法可以分為：支持OPC協議的標準OPC方式、支持DDE協議的標準DDE通訊方式、支持MODBUS協議的標準MODBUS通信方式、通過ODBC協議的ODBC通信方式、通過API編寫的專有通信方式、通過編寫設備的專有協議驅動方式等等。

其中PLC包括：西門子、AB、施耐德等；DCS包括橫河、Ovation、浙大中控等；電度表包括：許繼、威盛、東方電子等。

3.3 以Proficy Historian為例實時數據庫配置方案

①Proficy Historian的組件有：

數據采集器

服務器

管理器

客戶端

API

SDK

②其硬件集成架構如圖3所示：

③在配置實時數據庫前考慮的因素

a在應用之前，歸檔管理方案必需先進行設計

b在應用程序需要的基礎上確定關鍵參數

c要考慮到的一些因素：

有多少數據需要一直在線？

每個歸檔需要多大？

實現歸檔備份的頻率是多少？

歸檔備份是怎樣實現的？

儲存備份的介質是什么？

④配置數據庫

以某大型鋼鐵廠EMS系統為例，該項目中I/O TAG約15000點，按照TAG點的不同應用，在實時數據庫中，2000點每秒鐘存儲一次，10000點每兩分鐘存儲一次，3000點每5分鐘存儲一次，通過計算和實際運行，每個歸檔文件的大小設為2G。實際運行下來，大約4到5天自動生成一個歸檔。維護人員每半年用移動存儲介質備份。

⑤歸檔文件壓縮策略

歸檔文件壓縮分：無壓縮存儲和壓縮存儲兩種。

數據壓縮過程：

IF采樣數據質量 = 緩沖采樣數據質量

IF新數值為BAD

扔掉該值避免重復 BAD是扔掉新BAD值還是舊BAD值?

ELSE

確定新值是否超過歸檔壓縮死區

ELSE

// 數據質量變化，將緩沖值刷新到盤文件中

IF 已經超過死區或質量位變化

// 將緩沖中舊采樣值保存到歸檔文件

// 用新采樣值與寫到盤文件中的數值設置新的死區

4 結束語

實時數據庫目前在國內主要應用于電力、石油、化工、鋼鐵、環保等行業，在非流程工業和流程工業的信息化的實時監控體系建設中有著舉足輕重的作用。由于實時數據庫在存儲能力、讀取速度，分析展示等性能方面的優勢，近年來實時數據庫應用快速增長，隨著工業化與信息化兩化融合以及節能減排的深入推廣，實時數據庫在EMS的應用將逾漸廣泛，并且逐步從大中型工業企業向中小型企業拓展。本文希望對同類項目的實施起到一定的借鑒作用。

參考文獻：

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