實時數據庫在用電信息采集系統中的應用研究

賈東梨，孟曉麗

(中國電力科學研究院，北京市，100192)

0 引言

電力用戶用電信息采集系統是對電力用戶的用電信息進行采集、處理和實時監控的系統，實現用電信息的自動采集、計量異常和電能質量監測、用電分析和管理，具備電網信息發布、分布式能源的監控、智能用電設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的建設，可實現地區用電信息采集的自動化和互動化，實現為農網電力客戶提供多種繳費方式，實現用電信息實時監測、預警，解決電力用戶用電安全難題，提高電力公司服務水平和質量［5-6］。用電信息采集系統將為智能電網建設奠定基礎。

現有用電信息采集系統采集的信息需經中間數據庫導入營銷與配電自動化等高級應用系統，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，新建用電信息采集系統應兼容原有集抄及營銷與配電自動化系統［7］?，F有用電信息采集系統大多采用數據抽取方式(如Oracle數據庫)，但是我國電網數據采集點規模大、采集密集，在高級應用開發過程中，若仍采用數據抽取方式，必然會影響用電信息采集系統的工作效率。本文基于實時數據庫建立了用電信息采集系統。

1 需求分析

作為智能電網重要組成部分的用電信息采集系統，是實現電能信息“全采集、全覆蓋、全預付費”的基礎，是建設智能電網的重要組成部分［8］。用電信息采集系統的需求如下:

(1)用電信息采集系統需對用戶用電信息數據進行實時采集、存儲和發布，并按信息化管理的要求，向電網管理層各應用子系統提供準確實時的用電數據。

(2)在用電信息采集系統的基礎上，要求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”。

具體來說，用電信息采集系統采集到的數據主要應用在如下方面:

(1)追溯過程，追憶事故。

(2)所有的模擬量與開關量都來源于與儀控相關的設備，電網運行管理人員可以根據指令與完成指令的長期實時跟蹤來提前發現故障，從而提高儀控系統可靠性。

(3)經濟安全運行的要求不僅僅是簡單的數字化映像，更需要數據分析的工具和解決方案。

(4)管控一體化要求對數據進行在線分析并提供有價值的分析結果［9］。

可以看出，電網的這些應用對數據的實時性、歷史數據的分辨率都要求很高，管理這部分數據應該選擇一種實時性強、歷史數據組織合理(基于時間流，便于大規模歷史數據的查詢)以及有豐富的過程數據監視、分析手段的數據庫系統。

2 實時數據庫及其優勢

實時數據庫(real-time database，RTD)是一套用來自動采集、存儲和顯示工廠實時數據的、基于C/S架構的計算機軟件，主要應用于電力、化工、鋼鐵等行業。采用實時數據庫，可以實現海量實時數據的接入、數據壓縮、數據圖形化顯示、報警處理、報表管理、數據分析、數據存儲、數據查詢等功能［10-12］。

由于智能電網對系統自愈、互動、安全、電能質量等方面要求更高，因此對實時數據采集也產生了較高的要求，以往所用內存數據庫將不能再滿足系統運行的需要。預計未來幾年實時數據庫系統在“堅強智能電網”領域的應用將會呈現較大的增長［13］?？偟膩砜?，電網領域的實時數據庫應用前景較為樂觀。

以10 000個信息點、1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［14-16］，而實時數據庫需要0.425 G存儲容量［17］，可見實時數據庫具有關系數據庫不可比擬的數據存儲優勢，在不擴充硬件的前提下就可以在線存儲多年歷史數據。其次，由于后續有許多的數據查詢、計算等操作，對于數據量較大的系統，在進行復雜的查詢、統計時往往速度很慢，而實時數據庫的回取速度可以達到200 000事件/s［17］。

3 用電信息采集系統建設方案

3.1 用電信息采集系統組成

整個系統由主站、通信網絡、現場終端及電力用戶組成。

主站:根據系統管理的規模可以由1臺或網絡連接的多臺計算機及外設組成，負責管理整個系統，通過通訊網絡發出數據采集、存儲、分析、管理的各種指令。

通訊網絡:系統可以支持多種通訊網絡，如230 MHz/GPRS/CDMA/光纖/短消息/以太網/公用電話網絡等多種數據通信種類。

現場終端:負責各信息采集點的電能信息的采集、數據管理、數據雙向傳輸以及執行控制命令和轉發主站下發的各種電網信息的設備。智能采集終端按應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)、智能分布式能源監控終端等類型［2-4］。

電力用戶:按照電網電力用戶性質和營銷業務需要，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 技術架構

為了構建高可用性、安全性、可靠性、可伸縮性和擴展性的用電信息采集系統，采用成熟、標準的J2EE企業平臺架構搭建，基于多層的分布式應用模型、組建再用、一致化的安全模型及靈活的事務控制，使系統具有更好的移植性［18-19］，以適應用電信息采集系統應用環境復雜、業務規則多變、信息發布以及系統將來擴展的需要。原則上，系統的技術路線遵循基于J2EE的分布式多層架構體系，但考慮到用電信息采集系統的特點，在部分模塊中，也可以根據實際情況采用其他技術。系統的軟件層次如圖1所示。

圖1 系統軟件層次Fig.1 Hierarchy of system software

3.3 數據庫部署方案與建設模式

數據庫在開發完成并經過試運行后的最重要工作就是安裝部署，并作相應的環境及參數配置，最終交付給用戶。用戶數量少的時候，可以手工完成這些工作，但當用戶數龐大的時候，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跨越生產區和管理區，數據庫部署尤其重要。

在生產區網絡安裝實時數據庫服務器，并配置相應的功能服務器，包括計算站、應用站、系統維護站等;在管理區網絡安裝實時數據庫鏡像服務器，并配置相應的功能站、Web服務器，以供各終端用戶、算費系統、GIS系統、營銷與配電一體平臺、績效考核系統等應用系統進行數據訪問、分析等。系統的整體拓撲結構如圖2所示。

基于時數據庫的用電信息采集系統已應用在浙江、天津、陜西，結合其實際情況，用戶信息采集系統建設模式可分為戶表集中式和戶表分散式2類。系統主站與配電臺區的通信方式可分為:光纖模式和無線公網(GPRS)模式，配電臺區與智能采集終端采用微功率無線網(WSN)通信模式。每種方案中的繳費方式、互動內容根據實際情況有所不同。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建設模式分別如圖4、5所示。

圖2 整體拓撲結構Fig.2 Overall topology

3.4 技術特色與創新點

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

(1)提升數據采集的可靠性。在總體方案中，實時數據庫的分布可以是動態的、可伸縮的。在用電、配電系統擴展或變更時，實時數據庫的分布可以是動態的、隨機的。不需要重新規劃系統的架構，新增的系統，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)提升數據應用的敏捷性。由于電網海量數據、長時間在線存儲的特性，報表、高級應用等面向用戶的數據調用要求能夠及時響應。分布式實時數據庫技術的引入，解決長期以來用戶對于數據分析、展現等需求響應速度慢，展現縱深淺的問題。

(3)即插即用的數據接口通用性。電網設備種類復雜，數量眾多，分布廣泛。本方案中采用的分布式實時數據庫技術將采用通用接口平臺的工具，實現基于驅動的數據采集即插即用。

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

(5)獨特的數據保姆功能。分布式實時數據庫技術以各種測量裝置的歷史數據為支撐，嵌入基于歷史數據規律的在線裝置狀態監測工具，以既有的裝置數據為模型，實時監控各種前端裝置的實時運行狀態，靈活實現預警、調差，真正實現數據保障現場運行的目標。

4 結語

實時數據庫在用電信息采集系統中的應用為營銷及算費系統提供基礎數據支撐，是加強精益化管理、提高優質服務水平的必要手段，是延伸電力市場、創新交易平臺的重要依托，也是實現電網與電力用戶的雙向互動，引導用戶主動參與市場競爭，實現有效的“需求側響應”的必然選擇。

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