基于eDNA数据库的配电网实时数据统一采集平台设计与建设

孟晓丽，盛万兴

（中国电力科学研究院，北京市，100192）

0 引言

县级供电公司中通常会存在多个实时/准实时监测（控）系统和各类管理信息系统，如负荷控制系统、配电自动化系统、配变监测系统、集抄系统、生产管理系统、地理信息系统[1-5]等。这些系统一般独立运行，各自覆盖一定范围的电网设备，各有1套数据采集体系，存在的主要问题有：（1）存在1处数据多系统（及人工）采集现象；（2）各系统间的数据共享目前基本通过数据库接口（中间数据库方式）实现，不同的系统两两之间都需要建立数据接口，且一旦数据交换的通道发生故障，数据接口将自动关闭，需人工重新启动，给运行维护带来不便，引起数据全局共享和业务应用发生混乱，数据的统一性和一致性难以保证；（3）可供决策的数据分散存储于各个系统中，各系统所采集数据的利用率不高；（4）各类应用系统目前基本都使用主流关系型数据库，在应用上未考虑将来智能电网高级应用的需要。鉴于这种现状，有必要采用一定的技术措施，尽量避免诸如数据重复采集、维护多个数据接口、数据不统一等问题。文献[6]提出建立统一电能采集平台和数据交换平台，文献[7]通过配置各种设备协议库的方式来实现变电站级统一的设备数据采集与监控，有效代替原有多种分散设备信息的接入系统，文献[8]利用eDNA（enterprise distributed network architecture）实时/历史数据库与结构化查询语言（structured query language，SQL）关系数据库组成安徽省电网电能质量在线监测系统，对于电能质量越限事件的记录时间可以精确到秒，对电压有效值扰动的时间分辨率可以精确到毫秒，但是都没有解决整个配电网实时运行数据的统一采集和交换问题。文献[9]利用PI（plant information system）实时数据库建立了一个地区电网企业实时数据集成和应用平台，采用接入前置机方式将分布在各级调度的电网数据采集与监控系统（supervisory control and data acquisition，SCADA）系统、电能量系统，分布在用户需求侧的各类监测和控制系统的数据接入，实现了电网和用户的生产经营实时/历史数据的集成，但是并没有很好地解决数据回放速度和平台的经济性问题。

本文提出基于实时/历史数据库建立配电网实时数据统一采集平台，对所有实时运行数据进行统一采集和管理。介绍了该平台的拓扑结构和功能，并对1个基于eDNA实时/历史数据库建立的统一采集平台的设计和实现进行了分析。

1 实时数据统一采集平台

1.1 eDNA实时/历史数据库

实际中，电网调度自动化系统、配网自动化系统、负荷控制系统、配变监测系统、用电信息采集系统的数据量通常会超过200万点。主流的关系型数据库只能处理5 000点/s变化的工业实时数据。以10 000个信息点、每个信息点的数据值1天的平均变化次数为500、在线存储1年所需的存储空间为例，Oracle数据库需要32.29 G存储容量，而eDNA实时/历史数据库仅需要0.425 G存储容量，可见实时/历史数据库在不扩充硬件的前提下就可以在线存储多年的历史数据。其次，对于数据量较大的系统，在进行后续的数据查询、计算等操作时，由于关系型数据库I/O读写速率的限制，会出现大量的等待、迟滞、死机、循环现象，为了解决这样的数据性能瓶颈，一般会要求用户采用集群并发、负载均衡、存储阵列等增大硬件投资方式来实现部分I/O读写性能的摊销，但不能从根本上解决大规模海量数据的查询回放难题，eDNA实时/历史数据库的回取速度可以达到200 000事件/s，能够满足智能配电网高级应用的要求，如支持需求侧响应[10-11]和自愈控制[12-14]。因此选用eDNA实时/历史数据库作为配电网实时数据统一采集的数据容器，是一种理想的选择。

1.2 拓扑结构

根据国家电监会令[2004]第5号《电力二次系统安全防护规定》[15]的规定，供电企业内部基于计算机和网络技术的业务系统原则上应划分为生产控制大区和管理信息大区，生产控制大区又可以分为控制区（安全区I）和非控制区（安全区Ⅱ）；控制区内的各业务系统或功能模块的典型特征为：是电力生产的重要环节，直接实现对电力一次系统的实时监控，纵向使用电力调度数据网络或专用通道，是安全防护的重点与核心；非控制区内的各业务系统或其功能模块的典型特征为：是电力生产的必要环节，在线运行但不具备控制功能，使用电力调度数据网络，与控制区中的业务系统或功能模块联系密切；因此，按照传统的观念，负荷控制系统、用电信息采集系统、配变监测系统等都不属于生产控制大区的控制区。然而考虑到智能电网中的用户互动和智能台区的双向互动功能的实现，必然会使智能用电和智能台区具有下行控制功能，如通过智能电表切断长期欠费用户的电力供应、通过台区智能终端控制无功补偿电容器投切等，因此，传统观念下的一些应用系统将会从非控制区升级到控制区。本着“允许根据应用系统实际情况，在满足总体安全要求的前提下，可以简化安全区的设置，但是应当避免通过广域网形成不同安全区的纵向交叉连接”的原则，本文将负荷控制系统、配变监控系统等既具有实时数据采集又具有控制功能的系统都归到控制区，将用电信息采集系统类虽具有实时数据采集功能但不具有控制功能的系统归到管理信息区，由此对实时数据统一采集平台可简化区分为生产控制大区和管理信息大区，总体网络拓扑如图1所示。

图1 实时数据统一采集平台网络拓扑Fig.1 Network topology of unified real-time data acquisition platform

位于生产控制大区的各个实时/准实时系统所采集的数据全部“汇集”到以实时数据库为特征的配电网实时数据统一采集平台上。由于实时数据库支持200 000事件/s，使得传统的实时数据以“s”为采集单位，以“min”为存储单位的方式可以直接转变为以“ms”为采集单位，以“s”为存储单位，如此高速的数据处理性能使得智能电网的自愈控制、及时响应等得以实现；同时，各种实时数据（中压网运行数据、台区运行数据、用户用电信息、分布式电源监控数据）的相对完整性，使得基于整个配电网的优化运行与控制，如全网无功优化控制、分布式电源经济调度等高级功能不再受缺少数据的限制而难以发挥作用。为充分利用实时数据库的高速存储性能，在生产控制区还设置关系型数据库，用以存储相对稳定的电网结构数据。

供电企业的其他业务应用如故障抢修、停电管理、线损分析等不可避免地要利用电网运行的某些实时数据和信息，为了满足此类应用需求，在管理信息大区部署配电网实时数据统一采集镜像服务器，利用数据桥供不同的管理系统获取各自感兴趣的数据和信息。

这种模式具有以下优点：位于生产控制区的实时系统之间可以实现数据共享，从而为智能配电和智能用电的实现奠定基础，如电压无功控制系统可以共享配变台区监控系统的实时信息以便及时采取全网电压无功调整措施，全实时信息状况下对配电网的在线、快速、全景式评估、安全预警等得以实现等。

对于实时/历史数据库，若采用集中式架构会存在传输网络中断后需要补采的问题，而分布式架构采用就地方式，数据库的处理性能和容量可以随着服务器的数量增加而同比增加，能够针对不同的硬件环境特点组合出整体性能最佳的服务部署方式，能够极大地提高软件部署的灵活性和可靠性。

1.3 平台功能

1.3.1 数据采集接口

为了安全、稳定、快速地实现配网自动化设备、用户电表、智能台区数据采集工作，平台提供包括目前主流生产控制系统、用户电表以及电气相关系统的所有接口。当进行相关的系统数据采集时，只需要将该接口平台安装在相应的接口采集前置机设备上，配置相关的接口协议的驱动模块、参数、I/O点表、IP、权限等内容即可完成数据的采集工作。

采集到的生产实时数据、用户的用电数据等，通过该接口平台上传至实时/历史数据库，上传过程中，对来源不同的数据点进行统一的管理和维护；可配置数据上传的频率和方式；如遇前置端传输故障，在网络故障恢复后可以从通讯子站的历史保持中补采故障期间的数据；考虑到广域网可能的网络故障，在接口的发送端，建立数据缓存机制，在网络传送出现中断时，一般可以在线存储1个月以上的现场数据。

1.3.2 通用软件工具

实时数据统一采集平台提供丰富的通用软件工具，包括Web平台、生产流程组态画面平台、报表平台、历史趋势分析平台、统计分析平台、设备层级列表分析平台等，从而为各应用系统的数据分析、应用提供有效的工具。统一Web发布平台能实现快速的客户化定制部署，嵌入灵活的实时、历史数据查询工具、趋势展示工具、生产流程图等展示方式，并能够有效地进行用户权限管理、用户个性化定制等功能。生产流程组态画面平台可以对生产状况进行实时监视，通过生产模拟图、趋势图、棒状图和参数分类表等多种监视方式实时显示各设备的主要运行参数和设备状态。历史趋势分析平台可以根据ID号、KKS编码、标签描述等进行精确查询（模糊查询），实现方便快捷的参数历史趋势调用，实现参数的历史回放、参数曲线生成比较，方便生产人员进行查询分析。统计分析平台可以提供各种统计分析工具，供用户以小时、日、周、旬、月、季、年的时间间隔统计并能查询越限的运行参数、越限值、越限起止时间和越限频率。或者以小时、日、周、旬、月、季、年的时间间隔统计并能查询各设备的启停次数、启停起止时间以及累积运行时间。报表平台根据用户权限分别具备报表生成、报表浏览和报表下载功能。设备层级列表分析平台可以建立基于时间序列的实时/历史数据与基于关系结构的设备管理数据的索引关联，提供对各种信息进行面向对象的定义和访问，实现对数据按照设备、列表、分析模型等组织模式。

2 实例应用

某供电公司现有集抄系统，对900个公用配电台区和110 000户居民客户用电信息进行实时采集，采集的信息需要经中间数据库导入后才能为算费系统和SG186营销主题分析提供数据支撑；专变负荷监测系统对350个大用户负荷进行实时监测；线路监测系统对6条10 kV线路上的21台开关信息进行监测；另有2套配电台区监测系统分别对45个和10个配电台区的漏电保护器运行实施监察和监测管理。各系统间相互有数据接口实现数据交换，数据来源既有自动采集的，也有人工采集的，存在抄录的数据不能同步的现象。另外，该供电公司计划新上配网自动化系统、覆盖228个公用配电台区的智能台区监控系统及10 000户的用电信息采集，数据信息点数量超过240万点。

按照本文提出的实时数据统一采集平台方案，为该供电公司设计的配电网实时数据统一采集平台如图2所示。在生产大区部署实时/历史数据库服务器，设置为双机冗余模式，并配置相应的功能服务器，包括计算站、应用站、系统维护站、病毒防护服务器等。在管理大区部署实时/历史数据库镜像服务器，并配置相应的功能站、Web服务器，以供各应用系统进行数据访问、分析等。根据实际需要配置6台前置机进行数据采集，在每台前置机端安装相应的数据采集接口并配置相关协议的驱动模块、参数、I/O点表、IP、权限等。

所有的数据采集接口通过数据采集接口平台上传至实时/历史数据库的网络通道与软件通道均可以设置冗余模式。所有的客户端主站系统均从实时/历史数据库服务器中读取相应的生产实时数据，并实现各自系统的应用。

（1）对已有实时系统（如集抄系统、专变负荷监测系统、线路故障监测系统、配变台区监测系统）的处理，将其中参与计算的原始数据，同步到实时/历史数据库中，真正建立起1个基于统一数据仓库的敏捷统一数据平台。在不破坏原有各个系统支撑数据源的前提下，建立1个有效的数据镜像，融合电表量计、台区数据、线路开关等实时现场数据的统一数据采集平台。

图2 某供电公司实时数据统一采集平台Fig.2 An example of unified real-time data acquisition platform

（2）对新建实时系统（如配网自动化系统、用电信息采集及台区监测系统），所有采集点的动态变化信息通过新建前置机（群）采集并存入实时/历史数据库中。

上述基于实时/历史数据库的实时数据统一采集平台解决了关系型数据库在存储容量、数据回放性能、事务处理等方面的缺陷，便于实现快速、统一的实时数据的采集和交换，同时可以解决应用系统数据分散、数据重复、数据不一致等问题，从而为全网/局部区域电网优化运行分析与控制奠定了基础。

3 结论

实时/历史数据库可以把海量数据存储起来，为很多高级应用提供数据支撑，解决了长期以来用户对于数据分析、展现等需求响应速度慢，展现纵深浅和应用系统扩展或变更时带来的数据接入架构问题。在用电、配电系统扩展或变更时，不需要重新规划系统的架构，新增1个应用系统，可以随时接入，同时这种接入又不受物理分布的约束。

基于实时/历史数据库的实时数据统一采集平台，能够将已有和新建实时/准实时监测系统的数据用统一的平台进行采集、存储和发布，能够方便地实施智能配电网高级应用，无需与诸多数据库建立接口，从数据层面消除信息“孤岛”，并可以按信息化管理的要求，向电网管理层各应用子系统提供生产现场的各种基础数据，是建设智能电网营配一体化模式的基础。

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