實時數(shù)據(jù)庫在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

賈東梨，孟曉麗

(中國電力科學(xué)研究院，北京市，100192)

0 引言

電力用戶用電信息采集系統(tǒng)是對電力用戶的用電信息進行采集、處理和實時監(jiān)控的系統(tǒng)，實現(xiàn)用電信息的自動采集、計量異常和電能質(zhì)量監(jiān)測、用電分析和管理，具備電網(wǎng)信息發(fā)布、分布式能源的監(jiān)控、智能用電設(shè)備的信息交互等功能［1-4］。通過電力用戶用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)，可實現(xiàn)地區(qū)用電信息采集的自動化和互動化，實現(xiàn)為農(nóng)網(wǎng)電力客戶提供多種繳費方式，實現(xiàn)用電信息實時監(jiān)測、預(yù)警，解決電力用戶用電安全難題，提高電力公司服務(wù)水平和質(zhì)量［5-6］。用電信息采集系統(tǒng)將為智能電網(wǎng)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

現(xiàn)有用電信息采集系統(tǒng)采集的信息需經(jīng)中間數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入營銷與配電自動化等高級應(yīng)用系統(tǒng)，才能為計算電費和營銷主題分析提供支撐。近年來，各地供電局基本都建立了不同通信方式的集抄系統(tǒng)，新建用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)兼容原有集抄及營銷與配電自動化系統(tǒng)［7］。現(xiàn)有用電信息采集系統(tǒng)大多采用數(shù)據(jù)抽取方式(如Oracle數(shù)據(jù)庫)，但是我國電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集點規(guī)模大、采集密集，在高級應(yīng)用開發(fā)過程中，若仍采用數(shù)據(jù)抽取方式，必然會影響用電信息采集系統(tǒng)的工作效率。本文基于實時數(shù)據(jù)庫建立了用電信息采集系統(tǒng)。

1 需求分析

作為智能電網(wǎng)重要組成部分的用電信息采集系統(tǒng)，是實現(xiàn)電能信息“全采集、全覆蓋、全預(yù)付費”的基礎(chǔ)，是建設(shè)智能電網(wǎng)的重要組成部分［8］。用電信息采集系統(tǒng)的需求如下:

(1)用電信息采集系統(tǒng)需對用戶用電信息數(shù)據(jù)進行實時采集、存儲和發(fā)布，并按信息化管理的要求，向電網(wǎng)管理層各應(yīng)用子系統(tǒng)提供準(zhǔn)確實時的用電數(shù)據(jù)。

(2)在用電信息采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，要求能夠方便地實施智能配電網(wǎng)高級應(yīng)用，無需與諸多數(shù)據(jù)庫建立接口，從數(shù)據(jù)層面消除信息“孤島”。

具體來說，用電信息采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)主要應(yīng)用在如下方面:

(1)追溯過程，追憶事故。

(2)所有的模擬量與開關(guān)量都來源于與儀控相關(guān)的設(shè)備，電網(wǎng)運行管理人員可以根據(jù)指令與完成指令的長期實時跟蹤來提前發(fā)現(xiàn)故障，從而提高儀控系統(tǒng)可靠性。

(3)經(jīng)濟安全運行的要求不僅僅是簡單的數(shù)字化映像，更需要數(shù)據(jù)分析的工具和解決方案。

(4)管控一體化要求對數(shù)據(jù)進行在線分析并提供有價值的分析結(jié)果［9］。

可以看出，電網(wǎng)的這些應(yīng)用對數(shù)據(jù)的實時性、歷史數(shù)據(jù)的分辨率都要求很高，管理這部分?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)該選擇一種實時性強、歷史數(shù)據(jù)組織合理(基于時間流，便于大規(guī)模歷史數(shù)據(jù)的查詢)以及有豐富的過程數(shù)據(jù)監(jiān)視、分析手段的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

2 實時數(shù)據(jù)庫及其優(yōu)勢

實時數(shù)據(jù)庫(real-time database，RTD)是一套用來自動采集、存儲和顯示工廠實時數(shù)據(jù)的、基于C/S架構(gòu)的計算機軟件，主要應(yīng)用于電力、化工、鋼鐵等行業(yè)。采用實時數(shù)據(jù)庫，可以實現(xiàn)海量實時數(shù)據(jù)的接入、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)圖形化顯示、報警處理、報表管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢等功能［10-12］。

由于智能電網(wǎng)對系統(tǒng)自愈、互動、安全、電能質(zhì)量等方面要求更高，因此對實時數(shù)據(jù)采集也產(chǎn)生了較高的要求，以往所用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫將不能再滿足系統(tǒng)運行的需要。預(yù)計未來幾年實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在“堅強智能電網(wǎng)”領(lǐng)域的應(yīng)用將會呈現(xiàn)較大的增長［13］。總的來看，電網(wǎng)領(lǐng)域的實時數(shù)據(jù)庫應(yīng)用前景較為樂觀。

以10 000個信息點、1個信息點的數(shù)據(jù)值1天的平均變化次數(shù)為500、在線存儲1年所需的存儲空間為例，Oracle數(shù)據(jù)庫需要 32.29 G 存儲容量［14-16］，而實時數(shù)據(jù)庫需要0.425 G存儲容量［17］，可見實時數(shù)據(jù)庫具有關(guān)系數(shù)據(jù)庫不可比擬的數(shù)據(jù)存儲優(yōu)勢，在不擴充硬件的前提下就可以在線存儲多年歷史數(shù)據(jù)。其次，由于后續(xù)有許多的數(shù)據(jù)查詢、計算等操作，對于數(shù)據(jù)量較大的系統(tǒng)，在進行復(fù)雜的查詢、統(tǒng)計時往往速度很慢，而實時數(shù)據(jù)庫的回取速度可以達到200 000事件/s［17］。

3 用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)方案

3.1 用電信息采集系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)由主站、通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場終端及電力用戶組成。

主站:根據(jù)系統(tǒng)管理的規(guī)模可以由1臺或網(wǎng)絡(luò)連接的多臺計算機及外設(shè)組成，負責(zé)管理整個系統(tǒng)，通過通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)出數(shù)據(jù)采集、存儲、分析、管理的各種指令。

通訊網(wǎng)絡(luò):系統(tǒng)可以支持多種通訊網(wǎng)絡(luò)，如230 MHz/GPRS/CDMA/光纖/短消息/以太網(wǎng)/公用電話網(wǎng)絡(luò)等多種數(shù)據(jù)通信種類。

現(xiàn)場終端:負責(zé)各信息采集點的電能信息的采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)雙向傳輸以及執(zhí)行控制命令和轉(zhuǎn)發(fā)主站下發(fā)的各種電網(wǎng)信息的設(shè)備。智能采集終端按應(yīng)用場所分為專變智能采集終端、智能集中抄表終端(包括低壓集中器、低壓采集器)、智能分布式能源監(jiān)控終端等類型［2-4］。

電力用戶:按照電網(wǎng)電力用戶性質(zhì)和營銷業(yè)務(wù)需要，將電力用戶劃分為6種類型［2］，如表1所示。

表1 電力用戶分類Tab.1 Classification of power user

3.2 技術(shù)架構(gòu)

為了構(gòu)建高可用性、安全性、可靠性、可伸縮性和擴展性的用電信息采集系統(tǒng)，采用成熟、標(biāo)準(zhǔn)的J2EE企業(yè)平臺架構(gòu)搭建，基于多層的分布式應(yīng)用模型、組建再用、一致化的安全模型及靈活的事務(wù)控制，使系統(tǒng)具有更好的移植性［18-19］，以適應(yīng)用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜、業(yè)務(wù)規(guī)則多變、信息發(fā)布以及系統(tǒng)將來擴展的需要。原則上，系統(tǒng)的技術(shù)路線遵循基于J2EE的分布式多層架構(gòu)體系，但考慮到用電信息采集系統(tǒng)的特點，在部分模塊中，也可以根據(jù)實際情況采用其他技術(shù)。系統(tǒng)的軟件層次如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件層次Fig.1 Hierarchy of system software

3.3 數(shù)據(jù)庫部署方案與建設(shè)模式

數(shù)據(jù)庫在開發(fā)完成并經(jīng)過試運行后的最重要工作就是安裝部署，并作相應(yīng)的環(huán)境及參數(shù)配置，最終交付給用戶。用戶數(shù)量少的時候，可以手工完成這些工作，但當(dāng)用戶數(shù)龐大的時候，這些工作特別繁瑣，而且特別容易出錯［19］。而用電信息采集系統(tǒng)跨越生產(chǎn)區(qū)和管理區(qū)，數(shù)據(jù)庫部署尤其重要。

在生產(chǎn)區(qū)網(wǎng)絡(luò)安裝實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并配置相應(yīng)的功能服務(wù)器，包括計算站、應(yīng)用站、系統(tǒng)維護站等;在管理區(qū)網(wǎng)絡(luò)安裝實時數(shù)據(jù)庫鏡像服務(wù)器，并配置相應(yīng)的功能站、Web服務(wù)器，以供各終端用戶、算費系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)、營銷與配電一體平臺、績效考核系統(tǒng)等應(yīng)用系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)訪問、分析等。系統(tǒng)的整體拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

基于時數(shù)據(jù)庫的用電信息采集系統(tǒng)已應(yīng)用在浙江、天津、陜西，結(jié)合其實際情況，用戶信息采集系統(tǒng)建設(shè)模式可分為戶表集中式和戶表分散式2類。系統(tǒng)主站與配電臺區(qū)的通信方式可分為:光纖模式和無線公網(wǎng)(GPRS)模式，配電臺區(qū)與智能采集終端采用微功率無線網(wǎng)(WSN)通信模式。每種方案中的繳費方式、互動內(nèi)容根據(jù)實際情況有所不同。各種方案的綜合示意如圖3所示。用戶表集中式和戶表分散式電信息系統(tǒng)建設(shè)模式分別如圖4、5所示。

圖2 整體拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall topology

3.4 技術(shù)特色與創(chuàng)新點

圖5 戶表分散式用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)模式Fig.5 Construction model of electric energy data acquire system with distributed user table

(1)提升數(shù)據(jù)采集的可靠性。在總體方案中，實時數(shù)據(jù)庫的分布可以是動態(tài)的、可伸縮的。在用電、配電系統(tǒng)擴展或變更時，實時數(shù)據(jù)庫的分布可以是動態(tài)的、隨機的。不需要重新規(guī)劃系統(tǒng)的架構(gòu)，新增的系統(tǒng)，可以隨時接入，同時這種接入又不受物理分布的約束，可以就地新增，也可以直接接入主站。

(2)提升數(shù)據(jù)應(yīng)用的敏捷性。由于電網(wǎng)海量數(shù)據(jù)、長時間在線存儲的特性，報表、高級應(yīng)用等面向用戶的數(shù)據(jù)調(diào)用要求能夠及時響應(yīng)。分布式實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)的引入，解決長期以來用戶對于數(shù)據(jù)分析、展現(xiàn)等需求響應(yīng)速度慢，展現(xiàn)縱深淺的問題。

(3)即插即用的數(shù)據(jù)接口通用性。電網(wǎng)設(shè)備種類復(fù)雜，數(shù)量眾多，分布廣泛。本方案中采用的分布式實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)將采用通用接口平臺的工具，實現(xiàn)基于驅(qū)動的數(shù)據(jù)采集即插即用。

(4)創(chuàng)新性的數(shù)據(jù)流應(yīng)用展現(xiàn)。本次方案中引入的分布式實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)以數(shù)據(jù)回放的方式將畫面、報表、狀態(tài)、報警等信息結(jié)合起來，以數(shù)據(jù)流為紐帶，帶動各種高級應(yīng)用以動態(tài)、直觀、無損的方式直接播放。便于管理，易于查找問題。

(5)獨特的數(shù)據(jù)保姆功能。分布式實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)以各種測量裝置的歷史數(shù)據(jù)為支撐，嵌入基于歷史數(shù)據(jù)規(guī)律的在線裝置狀態(tài)監(jiān)測工具，以既有的裝置數(shù)據(jù)為模型，實時監(jiān)控各種前端裝置的實時運行狀態(tài)，靈活實現(xiàn)預(yù)警、調(diào)差，真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)保障現(xiàn)場運行的目標(biāo)。

4 結(jié)語

實時數(shù)據(jù)庫在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用為營銷及算費系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，是加強精益化管理、提高優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平的必要手段，是延伸電力市場、創(chuàng)新交易平臺的重要依托，也是實現(xiàn)電網(wǎng)與電力用戶的雙向互動，引導(dǎo)用戶主動參與市場競爭，實現(xiàn)有效的“需求側(cè)響應(yīng)”的必然選擇。

［1］Q/GDW373—2009電力用戶用電信息采集系統(tǒng)功能規(guī)范［S］.北京:中國電力出版社，2009.

［2］李雅君.天津市電力公司用電信息采集管理系統(tǒng)設(shè)計研究［D］.天津市:天津大學(xué)，2010.

［3］宋思揚.電力營銷中用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2011.

［4］袁靜.無線傳感網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］. 計量與測試技術(shù)，2010，37(8):5-7.

［5］李炳，宋海燕.無線傳感網(wǎng)技術(shù)與無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能電網(wǎng)用電采集系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.華東電力，2010，38(6):812-816.

［6］金榮江，陳企楚，沈昌國，等.基于雙數(shù)據(jù)庫結(jié)合技術(shù)的用電信息采集終端［J］. 電力系統(tǒng)自動化，2010，34(9):109-111.

［7］廖勤武.基于載波與無線結(jié)合的居民集中抄表系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)通信，2010，31(10):21-23.

［8］劉青.基于J2EE體系和Struts架構(gòu)的電力營銷系統(tǒng)設(shè)計思路分析［J］. 貴州電力技術(shù)，2010，13(8):35-37，45.

［9］曹瑞峰，黃峰，程傳良，等.火電廠實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)置方法:中國，0095408.2［P］.2006-07-12.

［10］吳晶.實時數(shù)據(jù)庫在電能量集成系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電力信息化，2010，8(7):93-96.

［11］拓廣忠，慕群.實時數(shù)據(jù)庫原理及其壓縮技術(shù)分析［J］.華北電力技術(shù)，2004(6):17-20.

［12］方明霞.PI數(shù)據(jù)庫在浙江電網(wǎng)的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望［J］.浙江電力，2010(4):51-54.

［13］孟曉麗，盛萬興.基于eDNA數(shù)據(jù)庫的配電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺設(shè)計與建設(shè)［J］. 電力建設(shè)，2011，32(3):32-36.

［14］王金玉，劉小斌，李夢達，等.實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)在變電站微機線路保護領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9(11):2903-2906.

［15］梁芝賢，魏明海，王劍.西安地區(qū)智能電網(wǎng)通信傳輸網(wǎng)架建設(shè)規(guī)劃［J］. 電力系統(tǒng)通信，2010，31(8):12-18.

［16］孫風(fēng)棟.Oracle數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007:183-197.

［17］肖迎元.分布式實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2009:26-35.

［18］張文生，孫永忠.SOL Server2000數(shù)據(jù)庫部署的C實現(xiàn)方法［J］. 電腦編程技巧與維護，2010(2):59-61，86.

［19］孫強，朱海峰，徐晨，等.基于ADF7020和LPC2134的WSN電力抄表系統(tǒng)［J］. 電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(3):110-113，135.