基于實(shí)時分布式數(shù)據(jù)庫的軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)研究

1 引言

　　電力監(jiān)控系統(tǒng)是對分布距離遠(yuǎn)，生產(chǎn)單位分散的生產(chǎn)系統(tǒng)的一種數(shù)據(jù) 采集、監(jiān)視和控制系統(tǒng)。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，已經(jīng)從集中式的檢測系統(tǒng)，發(fā)展成為了開放、分布式的系統(tǒng)。隨著系統(tǒng)功能的不斷增多、應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬和系統(tǒng)規(guī)模的不斷增大，電力監(jiān)控系統(tǒng)對其支撐平臺和開發(fā)環(huán)境的要求也越來越高。特別是隨著通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的迅猛發(fā)展，給電力監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步也帶來了很大的促進(jìn)作用。本文通過對現(xiàn)有電力監(jiān)控技術(shù)的分析，指出其不足，并利用分布式實(shí)時數(shù)據(jù)庫技術(shù)，采用新的架構(gòu)，對其進(jìn)行了改進(jìn)。

2 分布式實(shí)時數(shù)據(jù)庫監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 實(shí)時數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)

實(shí)時數(shù)據(jù)庫首先是一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它有一般dbms的基本功能，即：永久數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)庫的定義、存儲和維護(hù)等；有效的數(shù)據(jù)存取包括各種數(shù)據(jù)庫操作、查詢處理、存取方法和完整性檢查；任務(wù)的調(diào)度與并發(fā)控制；存取控制和安全性檢查；數(shù)據(jù)庫恢復(fù)機(jī)制，增強(qiáng)數(shù)據(jù)庫的可靠性。

圖1 實(shí)時數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

實(shí)時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足事務(wù)的實(shí)時性和高效性，因而實(shí)時數(shù)據(jù)庫是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與實(shí)時處理兩者功能特性的無縫集成。圖1說明了應(yīng)用程序和實(shí)時數(shù)據(jù)庫的關(guān)系。由于實(shí)時數(shù)據(jù)庫都駐留在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，而非磁盤，高速的內(nèi)存讀存取，可以發(fā)揮實(shí)時數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)。

內(nèi)存數(shù)據(jù)庫是實(shí)時數(shù)據(jù)庫的核心之一，它包括數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)操作、實(shí)時資源管理和網(wǎng)絡(luò)通信等模塊。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫是一種磁盤數(shù)據(jù)庫，對于事務(wù)的處理牽涉磁盤i/o、內(nèi)外存的數(shù)據(jù)傳遞、緩沖區(qū)管理、排隊(duì)等待以及鎖的延遲等方面，使得事務(wù)的平均執(zhí)行時間不可估計(jì)，不能達(dá)到實(shí)時事務(wù)的高效和可預(yù)知的要求。為此，引入了內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，使得數(shù)據(jù)庫的主要工作部分放入內(nèi)存，使每個實(shí)時事務(wù)執(zhí)行過程中避免了磁盤i/o，減少了不確定因素提高了執(zhí)行效率。

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖2 分布式數(shù)據(jù)庫電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

如圖2所示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過在rtu和網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點(diǎn)上安裝實(shí)時分布式數(shù)據(jù)庫，組建電力監(jiān)控系統(tǒng)。這一系統(tǒng)模型的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)域和廣播的通訊方式。rtu本身采用嵌入式數(shù)據(jù)庫技術(shù)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中的每個單元都主動地向網(wǎng)絡(luò)廣播其內(nèi)部處理信息同時根據(jù)各自的需求從網(wǎng)上接收信息。各臺設(shè)備相互之間沒有直接的耦合關(guān)系， 不存在瓶頸的問題 。使得系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性和容錯能力，簡化了結(jié)構(gòu)又提高了可靠性。

圖3 傳統(tǒng)的電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

從圖3 可以看出，原有的電力監(jiān)控系統(tǒng)由: 前置網(wǎng)、后臺實(shí)時網(wǎng)組成。前置機(jī)和現(xiàn)場rtu都連接在實(shí)時數(shù)據(jù)網(wǎng)上。歷史服務(wù)器、web服務(wù)器、操作員站、工程師站共用一個后臺高速以太網(wǎng)。

兩臺互為熱備用的前置機(jī)掛在前置網(wǎng)上，構(gòu)成前置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)方rtu通信，進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，并直接掛接在實(shí)時雙網(wǎng)上，與后臺系統(tǒng)進(jìn)行通信。

實(shí)時網(wǎng)組成后臺系統(tǒng)，負(fù)責(zé)與前置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信，完成電力監(jiān)控的后臺應(yīng)用。

商用關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(oracle或sybase)安裝在服務(wù)器上，采用多客戶/(主、備)服務(wù)器模式，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器節(jié)點(diǎn)由一主一備結(jié)構(gòu)構(gòu)成，以提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。電力監(jiān)控的歷史數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫使用商用數(shù)據(jù)庫。為滿足實(shí)時性的要求，在前置機(jī)上安裝實(shí)時數(shù)據(jù)庫。利用實(shí)時庫的快速反應(yīng)性能，對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

可以看出原有的，傳統(tǒng)的電力監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是實(shí)時數(shù)據(jù)庫、商用數(shù)據(jù)庫之間相互結(jié)合，通過軟件數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)結(jié)?？梢詽M足監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)要求。但其也有缺點(diǎn)，比如系統(tǒng)的可靠性，太多的倚賴服務(wù)器的可靠性，冗余度不高，影響了系統(tǒng)的可靠性；硬件需要采用國際知名品牌的服務(wù)器、工作站，軟件采用昂貴的商用數(shù)據(jù)庫，成本過高。

　　2.3 分布式數(shù)據(jù)庫電力監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)特點(diǎn)

通過對比傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和利用了分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)，分布式數(shù)據(jù)庫電力監(jiān)控系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

(1) 所有的設(shè)備都掛在一個網(wǎng)上，簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

(2) 取消了專用的前置機(jī)， 消除了系統(tǒng)瓶頸，各臺計(jì)算機(jī)根據(jù)各自需要從實(shí)時網(wǎng)上獲取自身需要的數(shù)據(jù)。

原先的雙冗余前置機(jī)配置，雖說可以提高冗余度和可靠性，但分散度不夠，系統(tǒng)還是在此有瓶頸。 新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以完全消除這種風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 對于歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器， 改進(jìn)了原有的雙機(jī)熱備冗余配置。 網(wǎng)絡(luò)上的每臺機(jī)器可以按照優(yōu)先級，將其配置為歷史服務(wù)器，

正常情況下由一臺機(jī)器進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)記錄，在其故障的情況下，自動切換到下一個優(yōu)先的機(jī)器上?？梢赃M(jìn)行多重冗余配置。

(4) 擴(kuò)展靈活。 各臺機(jī)器不需要安裝商用數(shù)據(jù)庫的客戶端軟件，在增加新操作員站或?qū)系臋C(jī)器進(jìn)行更新維護(hù)時，會更方便。

(5)降低了對運(yùn)營，維護(hù)人員的要求。原有的c/s架構(gòu)系統(tǒng)，由于采用了冗余軟件，商用大型數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，因此系統(tǒng)的管理維護(hù)，需要由具有很深厚技術(shù)功底的人員才能夠勝任。采用分散數(shù)據(jù)庫技術(shù)后，因?yàn)橄到y(tǒng)的可靠性大幅提升，方便的在線擴(kuò)展性，使得對系統(tǒng)維護(hù)人員的要求降低。

2.4 新架構(gòu)在軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

基于分散式數(shù)據(jù)庫技術(shù)的電力監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)功能更為分散，冗余度更好，可靠性更高。由于采用了對等式的體系結(jié)構(gòu)，各節(jié)點(diǎn)之間是完全平等的，不再過分的倚賴服務(wù)器，可以說每個節(jié)點(diǎn)都是服務(wù)器，很好的達(dá)到了功能的分散，同時也分散了風(fēng)險(xiǎn)。而傳統(tǒng)系統(tǒng)的服務(wù)器一旦故障，整個系統(tǒng)將癱瘓。采用的預(yù)先定義優(yōu)先級，可以保證系統(tǒng)的服務(wù)不因?yàn)槟骋慌_機(jī)器的故障而中止，多級配置使得冗余度遠(yuǎn)大于主備冗余系統(tǒng)。

這樣的結(jié)構(gòu)，因?yàn)楣δ艿姆稚⒑腿哂喽鹊奶岣撸刹捎靡话愕墓た貦C(jī)，代替了專用的、昂貴的數(shù)據(jù)服務(wù)器，減少了硬件投資。每臺工控機(jī)都可以承擔(dān)服務(wù)器的角色，采集各個變電站上送的三遙信息，并能對降壓站和牽引站的電氣設(shè)備進(jìn)行控制管理。減少高檔服務(wù)器和陣列的采購，能節(jié)省很大一筆硬件投資，并且還不影響整個系統(tǒng)的可靠性。

嵌入式數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，使得數(shù)據(jù)的存儲容量要求減少，不需要再采用大型商用數(shù)據(jù)庫，減少了在數(shù)據(jù)庫軟件上的投入。

新的架構(gòu)適用于新建的電力監(jiān)控系統(tǒng)，便于統(tǒng)一規(guī)劃，采用新的rtu設(shè)備，新的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)。老的電力監(jiān)控系統(tǒng)受通信系統(tǒng)的限制，很多的rtu采用的是串口通信，如果要接入新系統(tǒng)，需要對老rtu進(jìn)行升級改造。

新建的地鐵線路，一般由電力監(jiān)控系統(tǒng)自己進(jìn)行光纖以太通訊環(huán)網(wǎng)的建設(shè)，滿足自己通訊的需要。高帶寬的以太網(wǎng)，可以很好的和新架構(gòu)的電力監(jiān)控系統(tǒng)相融合，滿足這種平等架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的要求。

控制中心側(cè)的設(shè)備和變電站側(cè)的設(shè)備都直接連在以太網(wǎng)上，是等同的節(jié)點(diǎn)，在hmi上的操作完全由軟件來進(jìn)行權(quán)限安全管理。如果rtu采用windows操作系統(tǒng)的hmi，通過遠(yuǎn)端操作軟件可以對rtu進(jìn)行遠(yuǎn)端的訪問管理，可以節(jié)省很多的人力成本。

綜合以上所述，采用新架構(gòu)的電力監(jiān)控系統(tǒng)，對于提高地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，減少系統(tǒng)建設(shè)投入都具有現(xiàn)實(shí)的意義。

3 結(jié)束語

與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通訊技術(shù)緊密結(jié)合的電力監(jiān)控監(jiān)控系統(tǒng)，通過采用新技術(shù)，提高系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。以高可靠性，可維護(hù)性來贏得用戶的青睞。降低了系統(tǒng)的投資，減少系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，同時又能提高系統(tǒng)的性能，滿足客戶的需求。