電網廣域監測系統的數據庫集成方案

戴則梅，葛云鵬，張珂珩，徐春雷

(1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 210061；2.江蘇省電力公司，江蘇南京 210024)

廣域監測系統（WAMS）[1]基于同步相量測量單元（PMU）和高速通信技術，實現對地域廣闊的電力系統動態行為的監測和分析，已成為保證大電網安全的重要手段，是近十幾年來各國電力公司在電網監測方面投資建設的重點。能量管理系統[2，3]（EMS）基于遠程終端單元（RTU）,其數據特點是低密度、靜態，但布點全，可對系統的靜態安全進行有效監視；P MU的數據特點是高密度、動態，可對系統的動態行為例如低頻振蕩過程進行有效分析；有效整合調度自動化二次系統的信息[4]，構建集E MS穩態信息、PMU動態信息以及故障錄波等暫態信息（簡稱三態數據）于一體的廣域信息集成數據平臺，在此基礎上，就可以將WA MS功能從單純的動態監測擴展到廣域動態監測分析保護控制[5-9]。

數據庫是WAMS系統存儲數據的載體，既是一個系統的數據存儲中心，也是應用軟件進行分析和計算的基礎。因此，數據庫設計的優劣以及性能的高低，對WA MS系統的穩定可靠運行有重要的作用。基于上述考慮，文中提出了綜合利用商用關系型數據庫和動態信息數據庫的解決方案，為調度中心的各個專業部門（調度、運方、保護）提供統一的集成數據平臺，從而為構建現代電力系統安全穩定協調防御體系實現智能輸電網提供重要的數據支撐。

1 WAMS系統數據的特點及存儲訪問要求

WAMS系統的數據可大致分為以下3類。

（1）電網正常運行時實時采集的動態相量數據，即P MU子站以25～100Hz實時上送的動態向量數據，以下簡稱實時動態數據。

（2）電網發生擾動時的三態數據，包括來自E MS系統的穩態數據、PMU采集的基波動態向量數據和擾動過程中P MU記錄的錄波數據或來自故障管理信息系統的故障錄波數據的暫態數據，其中波形瞬時值記錄是電網動態過程的原始信息資源；可用作電力系統中期和長期動態過程異常現象分析，如低頻振蕩[9]、振蕩傳播等，因此這類數據有必要長時間存儲，以下簡稱擾動三態數據。

（3）模型、統計及告警等，包括所有的靜態數據，電網設備、參數、拓撲、圖形、系統配置、告警和事件記錄、歷史統計信息等一切需要永久保存的數據，以下簡稱模型和統計數據。

1.1 實時動態數據的特點及存儲訪問要求

基于GPS同步對時技術的P MU主要是解決跨空間測量的同時性問題，它需要在全局統一時鐘協調下，對各測點的電壓、電流相量作同步測量，確保全局范圍內的測量結果具有同時性，便于分析計算。和RTU數據相比，PMU數據具有以下幾個特點。

（1）海量性：點相對較少，但數據采集密度非常高，其數據量可以說是海量的；

（2）帶時標：時標是數據的重要特征；

（3）快速、連續性：RTU秒級更新，且送變化數據，但PMU以25～100Hz頻率送全數據。

實時基波動態向量數據，25幀 /s、50幀 /s或 100幀/s，可以用來進行實時應用分析（例如功角穩定中的小干擾造成的電網振蕩分析等）。電網正常運行時，為保證事后事故追憶的要求，至少需存貯30d動態監測數據的歷史數據，所有PMU25幀/s的動態數據（按10000個量計算）如果不壓縮，存30d的數據需要的存貯空間約為3.888TB。

這一類數據對數據的存儲有快速、大容量和高效性的要求。首先要保證快速連續的寫入數據庫；其次要實現大容量的存儲；再次要滿足歷史數據查詢檢索的實時性。

怎樣保證數據庫的高效是最具難度的問題，高效性不但要求系統具備快速響應各種查詢的能力，而且要求系統在寫入數據時快速高效，少占用系統I/0資源。但是高效性和大容量又是互相矛盾的，數據庫容量越大，讀/寫效率將越低。由此可見，WA MS主站系統需要實時承受大容量數據寫入，如果數據寫入占用太多的I/0、內存資源，則數據庫無法對外提供快速的數據服務，也即應用程序查詢數據的速度將大大降低。

1.2 擾動三態數據數據的特點及存儲訪問要求

電網發生擾動時的三態數據，包括來自EMS系統的穩態數據、PMU采集的基波動態向量數據和擾動過程中P MU記錄的錄波數據或來自故障管理信息系統的故障錄波數據的暫態數據。這一類數據的特點：

（1）錄波數據（離線）和實時數據（在線），數據點的采集密度不同，實時數據沒有時間段的概念，錄波數據為一段時間的數據。

（2）波形瞬時值記錄是電網動態過程的原始信息資源；可以用來進行電力系統中期和長期動態過程異常現象分析（如超低頻振蕩、振蕩傳播等）,因此這類數據有必要長時間存儲。

動態（小擾動）數據，100幀/s。擾動過程記錄存貯每次觸發事件前1min到最后一次事件的1min以后為止。動態監測數據存貯需要的存儲容量為（故障過程按10s考慮）720MB。

暫態（大擾動）數據、暫態錄波數據，4800幀/s或更高。錄波長度按＞7s，頻率為4800H z，則每個COMT RADE文件的大小約為6M/PMU，錄波數據存貯需要的存貯容量為600MB。

（3）為實現歷史擾動事件的回放和事后分析功能，還需要保存擾動當時的模型，而不是拿現在的模型去匹配過去的運行方式數據。只有使用擾動當時的電網模型、當時的運行方式，這樣分析結果才是有意義的。這部分數據，建議采用增量方式保存，需要的存貯空間和動態方式數據相比可忽略。

1.3 模型和統計數據的特點及存儲訪問要求

模型和統計數據，包括所有的靜態數據，電網設備、參數、拓撲、圖形、系統配置、告警和事件記錄、歷史統計信息等一切需要永久保存的數據等。

模型數據包括電力系統的模型和WAMS系統自身運行需要的模型數據，主要有：維護系統正常運轉的數據字典；系統運行參數和配置信息；描述電力系統結構和元件物理特性的電網設備和參數；電網的靜態拓撲連接信息；采集模型數據：PMU通道、規約、點號、系數等參數；告警定義與計算公式定義；圖形等。

這一類數據的特點是靜態，不更新或很少更新。但這類參數是系統的穩定、可靠、正確運行的基礎數據，需要可靠、穩定的保存。

告警和事件記錄可分為動態電力系統應用的告警（例如低頻振蕩、短路擾動等）和WAMS系統自身運行需要的告警信息（例PMU故障、WAMS某一進程異常等）。前一類主要服務對象是調度運行人員，后一類主要服務對象是自動化系統維護人員。

統計數據包括日、周、月、年的各種統計數據，例如P MU通道的平均延時、平均運行率等。

告警和事件記錄及統計數據，是電力企業的寶貴財富，基于這些信息，可以反演電網運行的歷史情況、進行事故分析等。需要在線保存10年以上。

2 關系型數據庫和時間序列數據庫的比較

時間序列數據庫主要針對帶時間標記的時序數據存儲和檢索而設計，可以很好地滿足實時動態數據是海量（T B級別）、寫入極其頻繁、很高壓縮性能、檢索效率要求特別高的要求。時間序列數據庫雖然提供了歷史數據的高速緩沖區，但本質上是一種純文件系統的存儲方式。商用數據庫例如Oracle在存儲、查詢、分布式訪問、管理上均好于純文件系統。兩種數據庫的比較如表1所示。

3 綜合運用關系型數據庫和時間序列數據庫的實現方案

在WAMS系統中，通過集成商用實時數據庫產品（例如美國OSI soft公司的P I數據庫、美國InSTEP公司的eDNA數據庫或者南瑞的海迅數據庫）來實現時間序列數據庫的功能。主要用于保存不斷變化的P MU實時數據。

時間序列數據庫雖然提供了歷史數據的高速緩沖區，但本質上是一種純文件系統的存儲方式。關系型商用數據庫例如Oracle在存儲、查詢、分布式訪問、管理上均好于純文件系統。Oracle主要用來保存電網設備、參數、靜態拓撲連接、系統配置、告警和事件記錄、歷史統計信息等一切需要永久保存的數據。

在WA MS的體系結構中，應用對數據的訪問是通過支撐平臺的數據訪問服務實現的，即應用本身并不直接和數據庫打交道，而是通過向數據訪問服務提交申請，再由數據訪問服務來訪問具體的數據庫。應用程序或者第三方嵌入式程序無須了解具體的細節，也無須了解各類數據存儲的位置和存儲結構。因此，兩類數據庫的綜合使用并不會給應用帶來使用上的不方便。

數據訪問的流程圖如圖1所示。

（1）WA MS應用程序向支撐平臺的數據訪問服務提交數據讀/寫的申請；

（2）數據訪問服務進程分析所提交的數據類型，如果是PMU動態數據，則調用時間序列數據庫的讀/寫接口；否則可能是電網模型、統計類數據或者是擾動案例數據，則調用關系型數據庫（例如Oracle）的讀/寫接口；

（3）時間序列數據庫通過高效的數據壓縮和高速緩存技術滿足對海量PMU動態數據快速及高效的讀/寫要求，即不僅提供實時響應的讀/寫能力，而且要求寫入數據時，少占用系統I/0資源和存儲空間。關系型數據庫通過事務機制、并行處理軟件RAC等技術保證模型、統計及案例的數據可靠、完整，但相對低速地進行存儲。

（4）考慮到動態數據的海量性及模型類數據的可靠性要求，通常兩類數據庫均將數據存在磁盤陣列上，同一系統可以共用一組陣列。

綜上所述，推薦WA MS系統使用商用關系型數據庫Oracle和商用時間序列數據庫的集成方案，綜合利用兩套數據庫的優點。

如果僅使用時間序列數據庫，對于模型數據及三態數據的處理，只能采用兩種方式，一是將其轉換為時間序列能處理的數據存入數據庫，這樣會影響數據庫的處理效率，也難以保證數據使用的方便性；另外是將其存入私有格式的數據文件（早期的E MS基本都采取這種方式，現在依然有少量系統使用），盡管可能稱為實時數據庫，本質上采用本地硬盤、文件方式管理這些數據，這樣的處理方式下數據的完整性、一致性、主備機的同步性都很難保證。

表1 Oracle和時間序列數據庫比較

圖1 WAMS系統的數據訪問流程

4 集成方案的數據流程

WAMS系統的數據流程如圖2所示，根據各應用功能對數據的需求可將WA MS系統的功能分為4類。

圖2 WAMS系統的數據流程

A類：數據準備類，完成WA MS系統的數據采集、匯集、處理、整合與管理功能，構造電網綜合動態信息數據平臺，包括P MU數據采集處理軟件；擾動時數據整合與管理軟件；優化狀態估計。

B類：在線監視類，主要利用2 5Hz PMU實時動態數據，包括電網動態過程監視；低頻振蕩在線監視；電網擾動識別。

C類：在線分析類，主要利用25 Hz PMU實時動態數據和狀態估計實時數據；包括動態安全評估及預警[10]；極限功率計算軟件；其他線分析應用等。

D類：離線分析類，主要利用三態數據的整合與管理整合后的歷史研究數據，包括故障發生前的狀態估計斷面、故障過程動作序列、故障時P MU采集的2 5幀/s實時動態數據（故障前1 min至故障后1 min）。包括模型和參數校核等；其他離線分析應用等。

5 結束語

結合基于OPEN-3000支撐平臺的WA MS系統的設計、開發和工程實踐經驗，提出了綜合利用商用關系型數據庫和商用時間序列數據庫的集成方案。該方案可以充分發揮兩種數據庫的優點，滿足WA MS系統數據存儲實時性、海量性和安全性的要求。同時應用對數據的訪問都是通過支撐平臺的數據訪問服務實現，兩類數據庫的綜合使用并不會給應用帶來使用上的不方便。這一方案在西北、福建、安徽、甘肅等電網WA MS系統中得到成功應用，同時在華東、南網、江蘇、浙江、寧夏、江西等眾多電網的E MS/WA MS一體化系統中應用，積累了重要的案例數據，推動了WA MS應用從單純的動態監測擴展到廣域動態監測分析保護控制的發展，初步構建了大電網安全防御信息平臺，為智能輸電網的建設提供重要的數據支撐。

[1]張啟平，曹 路，勵 剛，等.廣域測量系統及其在華東電網的應用[J].華東電力，2005（1）：1-5.

[2]于爾鏗，劉廣一，周京陽，等.能量管理系統[M].北京：北京科學出版社，2001.

[3]姚建國，高宗和，楊志宏，等.E MS應用軟件支撐環境設計與功能整合[J].電力系統自動化，2006，30（4）：49-53.

[4]高宗和，戴則梅，翟明玉，等.基于統一支撐平臺的E MS與WA MS集成方案[J].電力系統自動化，2006，30（16）：41-45.

[5]洪憲平.建設電網動態安全防御系統[J].華東電力，2007（3）：45-48.

[6]薛禹勝.時空協調的大停電防御框架.(一)從孤立防線到綜合防御[J].電力系統自動化，2006，30（1）：8-16.

[7]薛禹勝.時空協調的大停電防御框架.(二)廣域信息、在線量化分析和自適應優化控制[J].電力系統自動化，2006，30（2）：1-10.

[8]薛禹勝.時空協調的大停電防御框架.(三)各道防線內部的優化和不同防線之間的協調[J].電力系統自動化，2006，30（3）：1-10.

[9]薛禹勝，徐 偉，Dong Zhao yang，等.關于廣域測量系統及廣域控制保護系統的評述[J].電力系統自動化，2007，31（15）：1-5.

[10]張洪喜.基于P MU的支路電壓穩定指標研究[J].江蘇電機工程，2012，31（2）：59-61.