（电力系统及其自动化专业论文）dts数据库中数据的快速存取研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 调度员培训仿真系统( d t s ) 对实时性要求较高，本文通过优化基于o r a c l e 的数 据库支撑平台来提高d t s 的仿真速度。在进程间通信方面，采用同时具有读写功能 的共享内存方法来实现数据大批量、频繁地交换。对于离线o r a c l e 数据库接口的开 发，比较了几种通用数据库访问技术和o r a c l e 数据库专用访问技术，并从中选出 o c l 直接路径加载技术快速加载仿真数据。通过分析o c l 的加载机制，在编程实 现方面对其进行改进，使之更加适合d t s 数据加载的特点，提高存储效率。在d t s 的网络通信方面，提出了具有主动送数功能的服务线程，并对网络通信模式进行了 改进，减少了网络间的冗余操作。最后本文对离线的o r a c l e 数据库进行物理结构优 化和逻辑结构优化，使o r a c l e 离线数据库在读写方面的性能达到最优。 关键词：d t s ，实时性，o r a c l e 数据库，o c l a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，d a t as u p p o r tp l a t f o r ms u p p o s e db yo r a c l ed a t a b a s ei so p t i m i z e di n o r d e rt os p e e du pt h es i m u l a t i o ni nd i s p a t c h e rt r a i n i n gs i m u l a t o r ( d t s ) ，w h i c hd e m a n d h i g hr e a lt i m er e q u i r e m e n t i nt e r m so fi n t e r - p r o c e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h es h a r e dm e m o r y , w h i c hc a nb ew r o t ea n dr e a d ，i su s e dt oe x c h a n g eam a s so fd a t ac o n t i n u a l l y w es e l e c t t h ed i r e c tp a t hl o a dm e t h o do fo c lt ol o a dt h es i m u l a t i o nd a t a ，t h r o u g hc o m p a r i n g s e v e r a lk i n d so fm e t h o db e t w e e nc o m m o nd a t a b a s ea c c e s st e c h n o l o g ya n dt e c h n o l o g y f o ro r a c l eo n l y a n dt h eo c l t e c h n o l o g yi si m p r o v e di np r o g r a m ，s oa st oi tc a ns u i tt h e c h a r a c t e r i s t i co fd a t ai nd t sa n ds p e e du pl o a ds i m u l a t i o nd a t a i nt e r m so fn e t w o r ko f d t s ，i no r d e rt or e d u c et h er e d u n d a n c yi nn e t w o r k ，s e r v e rt h r e a d ，s e n d i n gd a t at oc l i e n t o ni t so w l li n i t i a t i v e ，i sp r e s e n t e d ，a n dt h em o d eo fc o m m u n i c a t i o ni nn e t w o r ki s i m p r o v e d a tl a s t ，t h eo r a c l ed a t a b a s e ，w h i c hi so p t i m i z e di np h y s i c a ls t r u c t u r ea n dl o g i c s t r u c t u r e ，r e a c hi t sb e s tp e r f o r m a n c ei nr e a d i n ga n dw r i t i n g w a n gj u n z h u a n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i c ) d i r e c t e db yp r o f c h a n gx i a n r o n g k e yw o r d s ：d t s ，r e a l t i m e ，o r a c l ed a t a b a s e ，o r a c l ec l a s sl i b r a r y 士= q明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 d t s 数据库中数据的快速存取研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者躲一珥扛日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 第一章引言 电网调度员培训仿真系统( d i s p a t c h e rt r a i n i n gs i m u l a t o r ，简称d t s ) 是一套运用 先进计算机技术模拟实际电网运行、用于电网调度员培训的数字仿真系统。d t s 通 过模拟实际电力系统的运行环境，帮助调度人员获得系统在正常状态下和紧急状态 下的运行和操作经验。电网调度员培训模拟自7 0 年代末在美国出现以来，以其在 培训、电网研究、事故分析等各方面的卓越功能在全世界电力行业中得到了广泛的 应用【1 1 。 作为完整的d t s 系统有许多复杂的数据对象，包括元件模型参数、网络模型参 数、系统参数、模拟s c a d a 数据、培训支持数据、图形数据等。因此，数据维护 的最好办法就是采用数据库管理。近年来，在国内外电力系统中有一种新的发展趋 势，就是采用关系数据库代替以前使用的层次型数据库。目前在商用数据库中， o r a c l e 数据库在存储、管理、备份、恢复、安全机制、以及数据库的调用接口可扩 展性等方面的优势很明显，能够适应电力系统的快速发展，所以o r a c l e 数据库在电 力系统得到了广泛的应用( 2 l 。然而，d t s 模拟的是真实电网的运行情况，对实时性 要求较高，无论是模拟正常运行，还是事故处理都需要有较快的响应速度，要求数 据库有很快的查询和更新速度。仿真计算开始之前，需要在很短时间内完成从数据 库大量的数据中查找出所需的数据，进行电力系统模拟计算；在仿真计算过程中需 要把大批量的计算结果存入历史数据库并在相应的画面上显示。如果仅仅使用 o r a c l e 数据库是不能实现如此高速度的读取和写入操作的。为满足各项要求，在实 际工程研究中采用的办法是在o r a c l e 数据库的基础上，开发一个实时内存数据库来 支持实时应用的快速访削引。 实时数据库是d t s 系统的重要组成部分，也是整个d t s 系统的枢纽，实时数 据库的稳定性和实时性的好坏直接决定了仿真系统的稳定性和运行效率。国外实时 数据库技术的研究起步较早，在八九十年代已经在工业控制领域得到了大规模应 用。目前比较流行的实时数据库产品有美国w o n d e r w a r e 公司的i n d u s t r i a ls q l ， o s l s o f t 公司的p i ，美国a s p e n t e c h 公司的i n f o p l u s 等，其中一些已经在国内大型电 厂s i s 系统、电网实时监控管理系统、电力交易平台同步监管系统以及一些仿真系 统中得到应用。但国外的实时数据库产品价格昂贵，并且在某些方面并不适合我国 电力企业自身特点，所以国内的一些大学和企业也在研发具有自主产权的实时数据 库系统，如中国国家电力公司自动化研究所开发的n s i s 石油化工生产实时数据库 产品，大庆金桥信息技术工程有限公司开发的c o n r t d b 系统，北京三维天地计算 华北电力大学硕士学位论文 技术开发有限公司开发的s u p e r l n f o 系统等【4 j 。 d t s 数据库支撑平台的优劣将对d t s 功能的扩展和软件系统的生命力有很大 的影响，一个结构合理、通用性好的数据库支撑系统对d t s 功能的拓展和完善有促 进作用。由于在电网的暂态过程仿真时会产生大量的仿真数据，并且d t s 对实时性 要求较高，所以现在还没有公认的适合d t s 的数据库系统。 1 2d t s 的研究现状及发展趋势【2 】【5 】【6 】 调度员培训仿真系统自从上世纪7 0 年代提出以来，随着计算机软硬件技术的 进步而得到了飞速发展。与国外相比，我国的d t s 发展速度很快，在十几年中从无 到有，并成为一个产业，为保证电网的安全运行起到不可替代的作用。 1 2 1 国外d t s 发展历史 调度员培训仿真的概念是w i s s c o s i n 公司于1 9 7 3 在e m s 软件设计中形成的。 1 9 7 7 年美国连续发生了多次大预积停电事故，引起了人们对d t s 系统的重视。1 9 7 8 年美国电力科学研究院( e p r i ) 组织了第一次d t s 研讨会，随后d t s 技术得到了飞 速发展。 d t s 技术的发展经历了以下几个阶段： ( 1 ) 7 0 年代采用c d c 1 7 为硬件平台，电力系统模拟子系统主要应用潮流解法。 ( 2 ) 8 0 年代以小型机为硬件平台，逐步以中长期动态过程为基础仿真电力系统。 ( 3 ) 9 0 年代硬件平台主要采用分布式工作站组成的开放系统，对电力系统的模拟已 逐步向考虑暂态过程的d t s 系统发展。 i 2 2 国内d t s 研究现状 目前国内d t s 用户主要为网、省调和大中型地调，其中有少量进口系统。国产 d t s 根据与s c a d a e m s 的关系，可分为统一平台的一体化系统和不同平台的异构 系统。异构系统中有与国外e m s 系统接口的，有与国内不同e m s 厂家接口的。国 内d t s 的最早产品是东北网调d t s 、华北网调d t s 和华东网调d t s ，前二者可以 认为是第一代的，分别由清华大学和中国电科院开发。华东网调d t s 由于加入了全 网继电保护的逻辑判断和电力系统全动态过程仿真，可认为是第二代的，由南京电 自院开发。这三套系统都是在引进系统上另外开发的独立型d t s ，包括静态仿真和 动态仿真，并都通过了鉴定，为国内d t s 的研究和建设取得了宝贵的经验。目前， 早期的东北和华北的d t s 己经退役，华东d t s 升级后还在运行，成为华东电网联 合反事故演习不可缺少的工具。从这几套系统的运行情况看，异构系统数据维护和 教案生成比较困难，需要开发单位协助用户的专责维护人员才能正常使用d t s 。另 外，从效果看，尽管网调d t s 需要进行动态仿真，但采用动态潮流和频率计算加按 2 华北电力大学硕士学位论文 逻辑动作的保护仿真的静态仿真能满足大部分培训仿真和反事故演习项目的要求。 不仅仅是电网调度员需要培训，变电站和电厂的值班员、一般的电力职员和高 校电力专业的学生等也需要培训。因此，d t s 又同时向变电站仿真、电力培训中心 和电力高校教学培训仿真发展，并且有许多成功的实例。 随着各类d t s 系列产品的出现，出现了将几种仿真工具组合在一起的联合仿 真系统，增强了上下级调度和厂站值班员之间的联合培训功能。也有的d t s 厂家在 研究电力市场条件下的d t s 的设计和建设。 1 2 3d t s 的发展趋势【7 】 现代d t s 技术的发展有以下趋势： ( 1 ) 模块化 随着软件技术的不断发展，面向对象技术( o o p ) 被广泛应用于电力系统的各个 领域。面向对象建模具有模块性、可扩充性和重用性的特点。由于电力系统元件类 型复杂，经常增加新设备( 尤其是控制系统) 。因此为易于更新和扩展，现代d t s 软 件逐渐采用面向对象的方法。目前，在d t s 中往往包括机电暂态仿真部分，与中长 期动态接口成为重要问题。应用面向对象技术建立元件在不同动态阶段的模型，可 以很好地实现系统不同阶段的转化，这将是d t s 研究的重要方向。同时，为便于新 元件模型的形成，应建立便于用户掌握的自定义模块接口，提高仿真的灵活性。 ( 2 ) 可视化 现代电力系统的发展不仅要求调度员保证电能质量和系统安全，防止系统向不 安全状态转化，而且要使系统处于经济运行状态，以适应电力市场的要求。因此有 必要在d t s 中加入重要的分析和研究功能，使调度员建立电力系统的基本概念，提 高对系统安全性、可靠性、经济性方面的理解。为使学员得到更多的信息，考虑到 人对图形和色调的感觉比对数字敏感，培训环境可用图象、动画等表现。这样的新 型培训仿真成为可视化调度员培训仿真v d t s ( v i s u a l i z i n gd t s ) 。 采用v d t s 技术 可以通过图形系统表现更丰富的系统运行状态信息，包括参数大小、相互关系、分 布、超界情况、不安全度、流向等。例如在系统单线图上，以活动箭头表示潮流方 向和大小，母线和线路颜色表示电压等级，饼图显示正常、警告和超限状态等。通 过v d t s 直观地反映系统潮流优化、稳定运行等问题，将抽象的概念简明地表现出 来，这是可视化仿真独特的优点。 ( 3 ) 自适应化 在分析电力系统动态过程时，把动态过程分成暂态和中长期动态已被人们广为 接受，但模型之间的转换始终没有得到很好地解决。研究暂态稳定的模型比较复杂， 且计算步长不能过大，因此计算量很大，通常的仿真方法很难满足实时仿真的要求。 因此需要根据元件状态自适应地变换模型，合理解决计算精度和时间复杂度之间的 3 华北电力大学硕士学位论文 矛盾。 ( 4 ) 硬件通用化 在计算机硬件飞速发展的今天，硬件技术的提高推动了d t s 水平的发展。但是 快速的硬件系统更新在提高仿真效率的同时，也带来了兼容性的问题。因此开发时 应保证硬件不相同时，画面、警报等与现场基本一致。目前的d t s 多与s c a d a 系 统相连，而s c a d a 硬件往往远远落后于当前计算机水平，s c a d a 系统改造势在必 行，这样就不必要与现场强求一致。但是要保证硬件的通用性，便于系统的接口。 1 3 数据库技术的发展 数据库支撑系统是d t s 支持系统的核心。d t s 的研究和发展与数据库技术是紧 密联系的。传统的数据库分为层次数据库、网状数据库和关系数据库。目前关系数 据库系统已经逐渐淘汰了网状数据库和层次数据库，成为当今流行的商用数据库系 统。但传统的基于磁盘的关系数据库系统不能满足实时近实时数据访问的要求，而 内存数据库系统则可以很好地满足各种应用系统的实时数据管理需求。 1 3 1 关系数据库【8 】 支持关系数据模型的关系数据库系统是第二代数据库系统，它由e ec o d d 于 1 9 7 0 年提出。关系型数据库建立在集合论的数学基础之上，是集合论在数据组织领 域中的应用。它与层次数据库和网状数据库相比，具有数据模型简单灵活、数据独 立性较高、能提供良好性能的语言接口等优点，是目前最为流行的数据库系统。 在关系型数据库中，现实世界实体以及实体之间的联系均用关系来表示。在用 户看来，关系型数据库中数据的逻辑结构是一张二维表。关系是一个行与列交叉的 二维表，每一个交叉点都必须是单值的，每- n 的所有数据都是同一类型的，每一 列都有唯一的列名。在关系数据模式设计中，为了避免由依赖引起的数据冗余和更 新问题，需要对关系数据模式进行合理分解，使关系满足一定的规范化。关系型数 据库在计算机数据管理的发展史上是一个重要的里程碑，这种数据库具有数据结构 化、最低冗余度、较高的程序与数据独立性、易于扩充、易于编制应用程序等优点。 从关系数据库出现后，它逐渐替代网状、层次模型数据库系统而成为主流数据库系 统。 到目前为止，已出现了许多商用关系数据库产品，如早期的d b a s e 、f o x b a s e 等中小型系统，到目前大型的o r a c l e ，s q l d s ，d b 2 和s y b a s e 以及i n g r e s 等 著名的系统。随着计算机技术的发展，数据库被应用到许多新的领域，如c a d c a m 、 c i m 、c a s e 、o i s ( 办公信息系统) 、g i s ( 地理信息系统) 、知识库系统、实时系统 等。这些领域要求数据库能存储和处理复杂对象。这些对象不仅内部结构复杂，很 4 华北电力大学硕士学位论文 难用普通的关系结构来表示，而且相互之间的联系也有复杂多样的语义，支持复杂 的数据类型：包括抽象数据类型、半结构或无结构的超长数据、时间和版本数据等。 还要具备支持用户自定义类型的可扩展能力；关系数据库系统的性能在要求快速计 算的各种应用类型( 如计算机辅助设计和程序语言环境中的仿真程序) 中是不可接受 的。在面向对象程序设计语言的启示和推动下，把面向对象思想与数据库技术相结 合，可以解决这些新的应用领域的新要求，因而在2 0 世纪8 0 年代后期开始了对面 向对象数据库( o o d b ) i 拘研究并逐渐形成高潮。 1 3 2 内存数据库【4 】【9 】 实时数据库的研究起源于2 0 世纪8 0 年代中期。1 9 8 8 年发表a c ms i g m o d r e c o r d 的实时数据库专刊，揭示了r t d b s 研究领域的诞生。特别是1 9 8 8 年3 月召 开的第一届国际实时数据库系统的专题研讨会以后，很多学者都对其进行了大量的 研究，较系统地发表了许多有价值的有关实时数据库的论文。1 9 8 8 年9 月r o b e r t k a b b o t t 和h e c t o rg a r c i a m o l i n a 在第1 4 届v l d b 会议上的论文 s c h e d u l i n gr e a l t i m et r a n s a c t i o n s ：ap e r f o f i n a n c ee v a l u a t i o n h 是实时数据库领域中第 一篇重要论文，这篇论文提出了数据库系统中的事务可以具有实时限制，并提出了 与之相关的一系列的c p u 及i o 调度算法、并发控制协议等等。在此之后实时数据 库技术随着应用的要求逐渐得到更多人的了解和重视，实时数据库的研究也因此不 断深入，产生了若干种新的模型及协议算法。r a r n a m r i t h a m 提出了实时数据库中的 数据实时特性，指出事务执行必须满足严格的时间约束，对实时数据库领域的发展 起到了奠基作用，之后l a m 评估了r t d b 的特性，又提出了各种实时事务的正确性 准则。9 0 年代中期，爱尔兰的r h o d e 大学以及美国麻省理工学院开始重点研究实时 s q l 语言。 实时数据库系统是企业智能化和信息化的基础。在商品化的实时数据库产品开 发上，国外有许多著名公司在原来的主营业务上推出了相应的实时数据库产品，澳 大利亚的m o t h e r w e l li n f o r m a t i o ns y s t e m 公司于1 9 8 2 年较早地推出了m a c r o v i e w 产 品：美国o s i 公司于8 0 年代中期推出了p l a n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称p i 产品： 还有美国a s p e nt e c h 公司的i n f o p l u s 2 1 系统；美国h o n e y w e l l 公司的u n i f o r m a n c e ( p h d ) 系统；英国w o n d e r w a r e 公司的i n d u s t r i a ls q ls e r v e r 产品等。这些软件产 品在技术、设计和解决方案上多数依赖其公司主营业务的发展历史，其产品一般归 为工程类实时数据库。 国内研究起步于2 0 世纪9 0 年代初，随着国内工业界对数据库技术的大量引进 和应用，国内科技教育界率先开始研究实时数据库理论。国内的实时数据库系统理 论研究的基本方向是在传统关系数据库理论上增加时间限制的要求，这使得数据库 的设计变得更加复杂，复杂的算法使系统资源的开销加大。这些又影响了系统的实 5 华北电力大学硕士学位论文 时性，需要对实时数据库的技术进行简化。这些矛盾使得实时数据库的发展远远落 后于非实时数据库系统。随着中国的入世，从增强企业自身的竞争力角度出发，国 内的实时数据库及其管理系统的需求量也在迅猛增长。目前国内实时数据库及其管 理系统的技术水平已经与国外同类产品相接近，已有成功的实验系统，但是在某些 方面还有明显差距，如在数据模型、可预测性事务执行、恢复、i o 管理、超载处 理、操作系统支持、工具支持、分布式系统支持、数据存取速度等方面。 目前，国内已相继出现了一些面向专用领域的商品化实时数据库系统。如中国 国家电力公司自动化研究所1 9 9 2 年开发的n s i s 石油化工生产实时数据库产品：中 国大庆金桥信息技术工程有限公司1 9 9 3 年开发的c o n r t d b 系统：中国北京三维天 地计算技术开发有限公司开发的s u p e r l n f o 系统：中国北京合利时系统工程股份有 限公司的r e a l m i s 系统；中国北京时林电脑公司开发的s l r s 实时数据库产品等。 1 3 3 数据库技术在d t s 中的应用 随着电力系统的日趋庞大和复杂，功能不断完善，d t s 所要处理的数据信息成 为海量，对数据信息的可靠性、一致性、共享性、实时性提出了更高的要求。高效、 高质量、无差错、快速地处理这些数据成为建立一个高效完善的d t s 系统的关键。 国内外在d t s 的研究中普遍认为仅仅采用传统的关系型数据库不能满足当今d t s 的各方面的要求，并且随着d t s 研究的深入发展，传统的关系型数据库暴露出许多 问题，并严重制约着d t s 的发展。 d t s 使用的关系型数据库在存储和管理永久性、非短暂数据方面，有着广泛的 应用，有高性能的事务吞吐量、高可靠性、管理工具功能强大等显著优点。但由于 关系型数据库主要把数据存储在慢速的外部存储设备，执行时间不可预测，数据存 取速度还不理想，并且数据访问耗时较多，没有定时性，利用它管理实时数据显然 存在严重的不足。因而进行d t s 实时数据库系统方面的研究是非常必要的，也是现 代d t s 领域的一个热点问题。然而，实时数据库并非是数据库和实时系统两者的简 单结合，它需要对一系列的概念、理论、技术、方法和机制进行研究开发，如数据 模型及其语言，数据库的结构和组织，事务的模型与特性，事务的优先级分配、调 度和并发控制协议与算法，数据和事务特性的语义及其一致性等等，这些问题彼此 高度相关。实时数据库是现代数据库领域正在研究的新技术，将实时数据库技术真 正运用到d t s 系统中，还有很多有待解决的问题。目前还没有一种公认的比较好的 适合d t s 的实时数据库模型。 1 4 本文的主要内容 本文针对d t s 数据库自身的特点和要求，合理构建离线数据库与实时数据库的 6 华北电力大学硕士学位论文 数据交换模式，加快离线数据库的读写速度；改进实时数据库和学员台模块的网络 通信机制，减少网络冗余操作，最终提高d t s 仿真的实时性。具体工作如下： 1 、设计基于o r a c l e 的离线数据库和基于内存的实时数据库，并设计二者之间的接 口；对比a d o 、o d b c 、o c l 等数据库开发技术，从中找出最快的数据加载方 法。 2 、优化基于多进程线程的实时数据库的程序结构，使进程线程的调度更加合理。 3 、以v c + + 6 0 作为开发工具，采用c s 模式组建局域网，连接实时数据与客户端 模块，改进现有的c s 模式，减少网络间的冗余操作，提高网络的通信效率。 4 、从内存优化、共享池的高级优化、缓冲区高速缓存的优化、i o 争用的优化等方 面对离线数据库进行优化，提高o r a c l e 数据库的读写效率，使o r a c l e 数据库更 加适合d t s 。 华北电力大学硕士学位论文 第二章数据库支撑平台的构建 2 1d t s 数据库结构设计f 2 】【1 0 】l 2 1 i 设计要求 数据库在d t s 中的地位和作用非常重要，具体体现在： ( 1 ) 存储管理电网模型中所有的静态、动态数据，即用户对数据的查询、更新、备 份、恢复等维护工作。 ( 2 ) 为所有的功能模块提供数据来源，提供数据存储地。功能模块可通过数据库进 行数据的交换，由数据库对所有的数据进行统一调度。 ( 3 ) 图形库提供对图形数据的编辑、保存、再现等功能。 ( 4 ) 由数据库提供对e m s 系统的接口，是d t s 与e m s 实现一体化的关键。因此， 数据库的设计要以最佳方式组织数据，达到维护、扩充方便、操作简单、使用 效率高的要求。 2 1 2 设计原则 ( 1 ) 数据结构化、规范化、标准化：数据库的数据必须是高度结构化的，数据的结 构化、规范化和编码的标准化，是建立数据库和进行信息交换的基础，数据库 的设计应遵循国家标准和行业标准。 ( 2 ) 数据的独立性：数据库的数据必须具有独立性，数据的存储对应用程序具有独 立性，它的改变不影响程序。 ( 3 ) 数据共享：数据面向整个d t s 系统，应为系统中各个应用所使用，多个用户共 享数据库时，必须维护数据的完整性和一致性。 ( 4 ) 支持权限管理、冗余配置、多种数据库和数据类型。 ( 5 ) 采用内、外存映射机制保存最新数据库断面，使系统重启时可以恢复数据。 ( 6 ) 保证数据的安全可靠：要保证数据不为非法用户访问、病毒侵扰和软硬件故障 的破坏，必须采取相应的防护措施。 ( 7 ) 动态交换数据放入实时内存库，加快数据存取速度。 2 1 3d t s 数据库的内容 d t s 数据库内容一般包括以下几个方面： ( 1 ) 元件模型参数：发电机、调速器、励磁机、原动机、负荷、输电线、变压器、 电容、电抗、静止补偿器、母线、开关、继电保护、自动装置等。 ( 2 ) 网络模型参数：网络的拓扑结构和网络参数。 8 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 系统参数数据：网络的动态参数，如锅炉、汽轮机、水轮机、调速器、励磁机、 发电机动态参数及电网负、零序参数，系统的保护与自动装置定值等。 ( 4 ) s c a d a 数据：模拟量、数字量、变位记录信息等，应与电网实时监控系统的数 据库一致。 ( 5 ) 培训支持数据：培训信息表、事件记录表、电气操作记录、电气越限表、电气事 故表、运行历史曲线、动态曲线等。 ( 6 ) 图形数据：描述s c a d a e m s 系统的厂站图和系统图的图形数据。 ( 7 ) 这些数据有静态参数和动态数据，根据数据的性质和各功能模块所需，分别进 行离线数据库设计和实时数据库设计。 2 2 离线数据库的设计 由于商用o r a c l e 数据库维护简单方便，数据安全可靠，具有强大的二维关系数 据表管理功能，并且提供强大的编程接1 2 1 使程序设计简单，所以采用o r a c l e 数据库 来管理d t s 的离线数据库。离线数据库包括电力系统网络数据、图形数据文件、培 训表等对实时性要求不高的数据信息，这些数据是d t s 初始化实时数据库的信息来 源。 2 2 1 离线数据库的数据类型 离线数据库实质上是d t s 服务器外存上的一系列有格式的数据文件。一方面， 离线数据库存有全套的电力系统网络数据、负荷数据、发电数据、设备参数、继电 保护和自动装置设置等数据，以及培训任务表、事件表，主要用于系统数据的离线 修改。另一方面，电网计算的仿真结果也要定期的存入到离线数据库中，形成历史 库。其中仿真结果包括发电机功率、转速、功角、电势，负荷功率、节点电压、相 角、频率，线路首末端功率。这些仿真结果的历史数据来自于实时数据库。由于实 时数据库只保存当前的仿真结果，所以要在一个仿真步长的计算结束之后把仿真结 果存入到离线数据库中，形成历史数据表，用于离线数据的应用，比如绘制历史曲 线等。离线数据库表单中的数据类型如图2 1 所示【7 1 。 ，历史数据o 发电机数据、负荷数据、节点数据、线路数据 f 揪据 黝张一陷数糕瓣滋戮鼯数 ii 培训信息。培训任务表、事件表 图2 - 1 离线数据库数据类型 9 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 离线数据库表空间设计 离线数据库表空间的设计包括以下几个部分： ( 1 ) d t s 数据库的表单设计：表是数据存储的空间，应充分考虑分配较大的数据空 间，提高磁盘操作的效率；考虑不同的表空间的不同存储特性，将临时表空间 和回滚段表空间单独存放。 ( 2 ) d t s 数据库的数据段对象设计：d t s 数据段对象包括回滚段、表段、索引段以 及簇段的设计。回滚段力争使损失减到最小；表段的设计可以使数据库规范化： 索引段的设计可以使数据库加快检索的速度，提高检索效率。簇段设计可以减 少读盘的次数，提高查询效率。 ( 3 ) d t s 数据库的备份和恢复设计：备份和恢复是数据库管理非常重要的部分，采 用合理的备份和恢复策略将有利于数据的安全。 2 3 实时数据库的设计 虽然关系型数据库有很多优越性，但也有明显的缺陷，主要是实时性不好，存 储效率低。因为所有的数据都存储在磁盘中，而从磁盘读取数据比从内存中读取数 据慢很多，相差约1 0 4 至1 0 5 倍，不能满足d t s 的实时性要求。为了解决这个问题， 我们在实际工程中采用的办法是在关系型数据库的基础上，开发一个实时内存数据 库，来支持实时应用的快速访问。而对用户操作来说，仍以s q l 为界面和关数据库 打交道，实现其开放性。 2 3 1 实时数据库的数据类型 实时数据库中的数据由事件信息和仿真结果组成，如图2 2 所示。对于事件信 息，采用的数据结构是队列，使用数组方式存储。对于仿真数据，采用面向对象的 方法构建对象数据库，其中类中的数据成员就是时间和该时间所对应的断面数据。 时间是对象的唯一标识，而类中的成员函数就是对数据库的查询操作。将仿真数据 按照索引( 如发电机号) 组成数组，即以索引作为数组的下标，用数组下标查询下 标所对应的数据。 事件信息包括故障信息、操作信息和保护动作信息。故障信息来自教员台的培 训表，是事先设置的故障，这些信息在仿真开始前从离线数据库读入实时数据库。 故障按照故障发生的时刻在实时数据库排序，当仿真时刻到达故障时刻，数据库管 理程序就把故障信息发送给暂态计算程序。故障发生后，学员针对不同的故障类型 在图形界面上进行相应的操作，便形成操作信息。操作信息先经以太网传输到实时 数据库，再由实时数据库传给暂态计算程序。虽然故障信息和操作信息一个来自于 教员台的培训表，一个来自于学员台的实时操作，但对于暂态计算程序来说没有区 l o 华北电力大学硕士学位论文 别，因为这两者都会引起网络结构和参数的变化。二者的不同之处在于故障信息是 按照故障时间逐个传给暂态计算程序的，而操作信息是在学员操作之后立刻传给暂 态计算程序。实时数据库记录下所有的故障信息和操作信息并在离线数据库中形成 故障信息表和操作信息表，用于对学员的评估。 发电机数据发电机有功、无功功率、 转速、功角、电势 图2 - 2 实时数据库数据类型 2 3 2 实时数据库的并发控制与接口 实时数据库程序是基于多进程线程的，会涉及到多线程之间的并发访问控制问 题。合适的并发控制将保证数据的完整和一致，也可以使d t s 系统运行的更加高效 和稳定，避免出现意外的冲突。合理的调度实时数据库各线程，使它们之间的工作 更加协调，避免线程之间的互相等待时间，是提高d t s 整体性能的一个重要途径。 实时数据库和暂态计算模块之间、实时数据库和离线数据库之间都有大量的数 据需要交换。采用何种结构、何种通信方式实现这两个数据接口在很大程度上影响 d t s 整个系统的实时性。经过分析比较，对于第一个数据接口本文采用共享内存的 方法实现实时数据库和暂态计算模块之间的数据交换；对于第二个数据接口，采用 基于o r a c l e 数据库的o c l 技术实现仿真数据的快速加载。 实时数据库多线程的并发控制与接口的具体实现本节不再叙述，详见后续章 节。 2 4 离线数据库和实时数据库的关系 离线数据库与实时数据库的关系如图2 3 所示。我们在关系数据库面向记录的 数据模型上，增加一层面向对象的实时数据模型。数据的定义、存档、记录以及原 始参数，如电力系统结构参数、培训事件表、图形文件、操作记录、历史数据等， 率 短舱 安节 功 相眺 凡骨 d 功 单姊 件哭 冶 率 无 、冉 懈眦 研 率 频 及 路虮 棚制 “ 功 、 功 短鼬 淮戮 腓 功 角有 相她 发吲 喊 无相端 两础 民劐 胴 功 压 、 路硼 吲# 主 灌 有 电 首 短p 谨骨 湍 荷 点路 相“ 嗍衔 满 一 一 一 一一 一一 一 据据据 肿 寻 傩 数数徵 信 信 舯 荷点路 障 作 蚝， 耄| 一一 一 一 一 华北电力大学硕士学位论文 统一由关系数据库管理。实时数据部分，经实时数据库管理系统初始化后常驻内存， 形成完整的实时数据库，以支持各种实时应用( 教员台、学员台的实时刷新显示) 。 实时数据的变化将及时返回关系数据库，以保证数据的完整性，并定时自动生成历 史数据库，提供各种离线应用( 教员台、学员台的数据统计显示，曲线的生成，报表 等) 。教员台的离线设置和初始化是通过修改离线数据库中对应的数据表实现。暂态 计算程序从离线库调入所需初始模型参数后，计算数据全部从内存数据库输入或输 出。教员台、学员台的程序从内存库获得模型计算结果并实时显示在图形上。教员 台、学员台的实时操作及在线设置也实时修改内存库中对应的数据，并由电力系统 模型程序在线读入进行计算并实时控制。实时断面的数据定时的保存在o r a c l e 数据 库中形成历史数据表，为各种离线应用( 快照的回放、曲线的生成、报表等) 提供数 据。可见d t s 中实时数据库和离线库之问是相互补充、相互依存的关系。 电 力 系 统 模 型 实 时 断 面 数 据 s c a d 觚m s 系统 图 形 编 辑 模 块 网 络 结 构 数 据 培 训 教 案 模 块 垒复刽离线o r l e 数据库 定时保存入历史库 在线计算 实时内存数据库 初始化 一 设置 数据的交换 学教 员员 厶厶 口口 界界 面面 图2 - 3 数据库数据交换关系 2 5 数据库与学员台的通信 为了构建以数据库为核心的d t s 数据支撑平台，同时考虑到d t s 的实时性要 求，必须提高d t s 的网络通信效率，减少冗余操作，节省服务器的c p u 资源。其 中最主要是实时数据库与学员台上的绘制曲线模块和界面显示模块数据之间的通 1 2 华北电力大学硕士学位论文 信，关系如图2 4 所示。 绘 绘制曲线请求 - l 制 数 曲 一 应答 据 仿真结果 j 线 库 暂 系 态 界 界面显示请求 统 计 面 一算 界面操作信息 r 显 界面操作信息 一 不 应答 图2 - 4 实时数据库与学员台的通信 虽然绘制曲线和界面显示都是对实时数据的查询，但是二者的数据量、查询方 式是不同的。对于绘制曲线模块来说，如画一台发电机的功角曲线，那么实时数据 库需要向该模块发送每个时刻的功角数据，可见发送频率高，但每次发送的数据量 小；对于界面显示模块来说，如显示某厂站图上所有节点、线路的电压、潮流，那 么实时数据库需要向该模块发送某个时刻的电压、潮流数据，发送频率低，但每次 发送的数据量较大。针对以上两种不同的传输需求，分别搭建不同的网络通信模式。 2 5 1 实时数据库与绘制曲线模块的通信 d t s 有绘制实时波形曲线的功能，可以观测某些测点的电压或功率的波形。所 谓实时波形曲线是指在仿真计算的同时绘制曲线，绘制曲线所需数据从实时数据库 获得。由于实时数据库对实时性要求高，本文针对绘制实时曲线模块的特点，对传 统的基于w i n s o c k e 编程机制进行了改进，提出了“主动性 的客户端服务器模式。 绘制曲线模块作为客户端，在第一次查询之后，无需再次查询，实时数据库将主动 给客户端传送曲线数据。 绘制曲线模块发送的查询请求以及实时数据库的应答表结构分别如图2 5 和图 2 - 6 所示。当学员站确定所要绘制的曲线后，把相关信息发送到实时数据库。实时 数据库接收到绘制曲线请求之后，首先对请求信息进行解析，分析出所要绘制的曲 线，及所要输送的变量。之后实时数据库根据解析结果向绘制曲线模块发送应答， 把数据通过网络传给绘制曲线模块。因为在整个绘制曲线的过程中，发送请求的内 容不变，所以客户端只需发送一次请求就可以了。服务器端按照解析的结果在每个 步长的仿真结束之后向把实时数据库中的数据发送到客户端。 华北电力大学硕士学位论文 卜一j 堕型塑塑叫卜些型幽 卜一卜叫卜卜= _ 二二二二二二叫 图2 5 曲线绘制模块请求的表结构 图2 - 6 服务器端应答的表结构 由于每个步长的仿真时间为8 0 m s ，那就意味着实时数据库1 秒钟向绘制曲线模 块发送1 2 5 次数据，但每次发送的数据量很小，这就会加大网络通信时间和实时数 据库的处理时间。为解决这个问题，本文设置为实时数据库5 个步长才送一次数据， 一次送5 个步长的数据。对于绘制实时曲线来说，每次画5 个步长的数据，和每次 画一个步长的数据没有本质区别，只是有5 * 8 0 m s 的延迟，对曲线显示没有影响。 c ：l i e n t s o c k e t ( ) s o c k e t ( ) b i n d ( ) l i s t e n ( ) a c c e p t ( ) c o n n e c t ( ) r e c v ( ) s e n d ( ) s e n d ( ) r e c v ( ) c l o s e ( )c l o s e ( ) ( b ) 服务线程的管理 图2 7 服务线程的自动监测功能 1 4 华北电力大学硕士学位论文 作为服务器的实时数据库是基于多线程的，一个绘制曲线的请求到来后，服务 器端就会为之动态开辟一个线程。若客户端( 绘制曲线模块) 退出，那么为之服务 的线程也应该退出。可以通过s o c k e t s 的阻塞机制来自动监测客户端的退出，s o c k e t s 的通信机制和服务器端自动监测功能的实现原理如图2 7 所示。当客户端退出时， 就没有r e c v 0 函数来接收服务器端的s e n d ( ) 函数发送来的数据，此时s e n d ( ) 就会阻塞， 产生s o c k e te r r o r 错误，进而导致服务器线程的退出。该机制能够及时结束服 务器端的无用线程，避免服务器因开启线程过多而浪费宝贵的c p u 资源。 2 5 2 实时数据库与界面显示模块的通信 对于实时数据库与界面显示模块之间的通信，其通信机制和实时数据库与绘制 曲线模块的通信大体一样，也具有主动送数和自动退出功能。但由于界面数据的信 息量比较大，而且也没有必要每个步长都给界面显示模块送数。因为如果界面刷新 频率过高，反而使人分不清厂站图界面上显示的数据。所以不像绘制曲线模块那样 每个步长的数据都要传输，而是每间隔3 0 个步长( 即3 0 8 0 m s = 2 4 秒) 才给界面显 示模块送一次数。 界面显示模块发送的请求的表结构和应答的表结构分别如图2 8 和图2 - 9 所示。 i 发电机个别发电机号i 发电机号l l 发电机号i 节点个数l 节点号l 节点号fi 节点号i 鱼壁鱼!鱼2鱼! l 塑!l奠!奠2lm ni 线路个数l线路号l 线路号ll 线路号l负荷数i负荷号l 负荷号l i负荷号l l nll l l l 2 l l n l l n i l i i l 2 i 一一j _ 一l j 图2 8 界面显示模块请求的表结构 2 6 小结 图2 - 9 服务器端应答的表结构 本章对d t s 的离线数据库和实时数据库进行设计，阐述了二者之间的关系。由 于d t s 在仿真过程中产生的数据量大且对实时性要求高，所以采用共享内存技术实 现暂态计算模块和实时数据库之间的进程通信，采用o c l 快速加载技术开发离线数 据库的数据接口。为了提高d t s 与学员台之间的网络通信效率，减少冗余操作，提 1 5 华北电力大学硕士学位论文 出了具有主动送数功能的服务线程，当学员台的客户端退出之后，与之对应的服务 线程会自动退出，避免服务器因开启线程过多而浪费宝贵的c p u 资源。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 第三章o r a c l e 数据库的快速加载方法 随着w i n d o w s 系列操作系统的广泛使用，采用v i s u a