（电力系统及其自动化专业论文）电网监控中的主动实时数据库理论和技术.pdf

t h e t h e o r y a n d t e c h n o l o g y o f a c t i v er e a l t i m ed a t a b a s ef o rp o w e rm o n i t o rs y s t e m m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e m a n di t sa u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t e ：g uy o n g p e n g a d v is o t ：z h o ub u x i a n g t h ec e a s e l e s sd e v e l o p m e n to ft h ep o w e rs y s t e mm a k e st h ep o w e rt o p o t o g y m o r ec o m p l e x ，a n dn e e dh i g h e rd e p e n d a b i l i t yo nt h ep o w e rs y s t e mm o n i t o ro n l i n e t h et r a d i t i o n a lr e l a t i o n a ld a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e mc a n t f u l f i l lt h en e e do f t i m e s c r i t i c a la p p l i c a t i o n s s u c ha sp o w e rs y s t e mm o n i t o r 1 h ea c t i v e r e a t - t i m e t e c h n o l o g ye m e r g e sa st h et i m e sr e q u i r e ，b a s e do n t h ea c t u a lc h a r a c t e r i s t i c s ，i nt h i s a r t i c l e ，w ea p p l yt h et e c h n o l o g yo f a c t i v er e a l - t i m et ot h ep o w e rs y s t e mm o n i t o r , t o m e e tt h ed e m a n do nt h ec o n s i s t e n c ya n dq u i c kr e s p o n d e n c eo f t h er e a l t i m ed a t a w e a l s ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i b i l i t yt h r o u g hw h i c hw ei m p l e m e n tap r a c t i c a l p o w e r m o n i t o rs y s t e m ， i no r d e rt os e tu dt h ea r c h i t e c t u r em o d e lf o ro u rp o w e rm o n i t o rs y s t e mb a s e d o n a c t i v er e a l t i m ed a t a b a s e t e c h n o l o g y , a f t e r c u r r e n ta c t i v er e a l - t i m ed a t a b a s e t e c h n o l o g yw a se x a i n i n e d t h e a c t i v er e a l - t i m em o n i t o rw a st h e o r i z e da n dt h e f u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c d a t am o d e la n de v e n tm o d e l i n t h ea c t i v er e a l - t i m es y s t e m w e r ea n a l y z e d t h er e a l t i m ed a t ac h a r a c t e r i s t i ca n dt r a n s a c t i o nc h a r a c t e r i s t i cw a s e x a m i n e di 1 1d e t a i l as e to fr e a l - t i m ed a t am o d e lc o n s i s t so f as e to fd a t ao b j e c t ，a l s o t h er e s t r i c t i o no ni ta n dm a n i p u l a t i o no fi t t h ee v e n tm o d e li 1 1a c t i v er e a l - t i m e s y s t e mi n c l u d e st h ec a t e g o r y , d e s c r i p t i o na n dm a n i p u l a t i o n o f i t o nt h eb a s i so fa c t i v er e a l t i m et h e o r y , w ea n a l y z et h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h ea c t i v er e a l t i m ed a t a b a s et e c h n o l o g yt ot h ep o w e rm o n i t o rs y s t e m i nt h ea r t i c l e ， t h ea r c h i t e c t u r eo ft h ep o w e ra c t i v er e a l t i m em o n i t o rs y s t e mw a sp r e s e n t e d ，t h e n t h r e ek e yt e c h n o l o g yw a sd i s c u s s e di nd e t a i ls u c ha sa c t i v er e a l - t i m et r a n s a c t i o n d i s p a t c h i n g ，t kc o n c u r r e n c yc o n t r o la n dt h ee v e n td e t e c t i n ga n dh a n d l ei na c t i v e r e a l - t i m ed a t a b a s e i nt h ee n d ，w i t ht h ep o w e ra c t i v er e a l t i m em o n i t o rs y s t e mw e h a v e d e v e l o p e d ， w es u m m a r i z e dt h ec o n s i d e r a b l ep r a c t i c a lv a l u eo ft h ea c t i v er e a l - t i m em e o r ya n d t e c h n o l o g yi nt h ep o w e rs y s t e mm o n i t o r , f o l l o w e db y ab r i e f d e s c r i p t i o n t h a ti th a sa p r o m i s i n gp r o s p e c t si no t h e rp o w e r r e a l - t i m ei n f o r m a t i o n s y s t e m k e y w o r d ：p o w e r m o n i t o r s y s t e m r e a l t i m es y s t e ma c t i v er e a l - t i m ed a t a b a s e 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 第一章绪论 1 1 目的和意义 电力工业在整个国民经济建设中起着举足轻重的作用。随着社会的进步、 经济的腾飞，我国的电力工业取得了长足的发展。电力系统在不断发展的同时， 其结构越来越复杂，互联电网规模越来越庞大。特别是随着城市和农村电网的 建设和改造工程的实施，对电力生产及调度监控系统的要求也越来越高。为了 保证电网安全稳定的运行，以计算机、通信技术为基础的电网实时监控管理系 统对系统运行的可靠性、数据的一致性和安全性尤其是对实时数据响应的快速 性提出了更高的要求。 电网监控系统作为能量管理系统( e m s ) 的核心组成部分，用于监控电网 的运行状态，保证电网运行的经济性和可靠性。电力系统在运行时，为了进行 运行的监视和控制，以及在线的安全分析和经济调度等，都要求有在线的数据 采集，传输以及调度端对数据的存储、分析并产生相应的控制指令。电力系统 运行状态的参数通过遥测得到存放于数据库中，并集中到各级调度中心；调度 中心的电网监控系统通过用户或应用程序显式地请求来访问实时数据库，并完 成相应的监控功能。这种应用一方面需要维护大量共享数据和控制知识，另一 方面其应用活动具有很强的时间限制，要求在一定的时刻或一定的时间期限内 自外部环境采集数据，按彼此问的联系存取处理已获得的数据并及时作出响应。 但传统的数据库系统旨在处理永久性数据，其设计与开发主要强调维护数据的 完整性、一致性，提高系统的吞吐量和降低系统代价，根本不考虑与数据及其 处理相关联的定时限制，这样就影响了调度响应的实时性：而电网监控的实时 性又直接影响整个系统的性能。由此可见，传统的d b m s 技术对于要求存取大 量主动实时数据( 如越限告警数据、变位告警数据等) 的应用，显得无能为力。 随着计算机科学领域中数据库技术的不断发展，为了更有效地发挥电力系 统计算机实时应用的作用和功能，就要求从理论上和实践上应用数据库技术的 成果，结合电力系统实时应用的特点，建立和使用合乎要求的数据库。 主动实时数据库技术的出现为实现电网主动实时监控提供了可能。主动实 时数据库其事务和数据具有定时特性和显式的定时限制，它能够主动地监视由 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 各种事件所引起且由一定的条件来判别的情形，当情形出现时，调度相关任务 并使其满足实时性和一致性要求，这些都无须用户干预。采用主动实时数据库 技术的电网监控系统的实时性和可靠性必将得到较大的提高。 1 2 历史发展和研究动态 1 2 1 电网监控发展历程 电力系统自动化技术沿着元件自动化一子系统自动化一管理系统的方向发 展。 5 0 年代，我国开始研制远动设备，并在东北、华北、华东等电网试用。虽 性能较差，但在电网发生事故时起了作用。此时计算机多是用作离线计算，为 系统制定运行方式而进行潮流、稳定和短路等计算工作。 7 0 年代，由于计算机技术的发展，接口、外围设备以及软件方法有了很大 的提高。于是调度控制中心采用计算机和遥测系统结合，进行系统运行方式在 线实时监视，完成越限报警，打印报表等工作。同时运用系统工程理论将现代 控制理论的技术成果有机地组织在一起便形成了能量管理系统( e m s ) ，并随电 力工业的改革而发展。 随着微型计算机的普及，8 0 年代开始从国外引进并自行开发自动化系统， 出现了一批性能较好、功能较全的电网监控系统，在保证电网安全运行方面作 用良好，促进了电网调度自动化工作的开展。其时多采用单机或备用双机系统， 其典型结构如图1 1 所示。然而这种单机( 备用双机系统) 常常因为存储容量、 软件的兼容性和数据库等因素，使用的范围受到了很多的限制： 系统功能性差 由于各种功能集中于一台称为“主机”( m a i nf r a m e ) 的计算机上运行，c p u 负载集中，预见性差，且容易出现瓶颈： 系统扩充性差 由于大量采用了计算机厂家和e m s 厂家的专有技术，集中式设计，当用户 有新的要求或容量增加时，难以进行扩充和升级。 系统兼容性差 由于不支持多计算机平台，且缺少标准接口，无法或难于和用户已有的或 四川大学硬士学位论文( 2 0 0 3 ) 新建立的其他管理系统互联 进入9 0 年代以来，随着计算机、通信技术的不断发展，调度自动化系统已 从单机集中式的系统发展成为开放、分布式的系统。典型结构如图2 所示。 其中后台系统中的l 撑至耐机可分别用作图形和状态数据显示、实时数据库、历 图1 1 典型双计算机系统 史数据库、参数数据库和各种p a s 高级应用软件等。其时的发展趋势为： 广泛采用国际标准，由封闭、专用型向开放型转变 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 开放的系统是按照开放的接口、服务和支持的规范而实现的系统。开放的 系统具有可移植性、可伸缩性和可互操作性的优点。 分布式的体系结构 分布式系统采用标准的接口和介质，把整个系统按功能解裂分布在网络的 各个节点上，数据实现冗余分布，提高了系统的整体性能，降低了对单机的性 能要求，同时提高了系统的安全性和可靠性。并且系统的可扩充性增强，使局 部功能升级成为可能。 采用面向对象技术 面向对象技术由面向对象分析( o o a ) 、面向对象设计( o o d ) 和面向对 象实现( o o p ) 三部分组成。面向对象的技术以其独特的封装性、继承性和多 态性为软件工程带来了一场变革，同以前的结构化技术相比，它具有更好的抽 象现实世界、高效率的软件开发、高可靠的软件运行、方便的软件调试、维护 和扩充等优点。面向对象技术较好地解决了7 0 年代的软件危机，该技术的广泛 应用导致了软件工程的一次深刻变革。由于对象具有数学模型较稳定、接口简 单、规范等特征，且开发出的软件的可复用性、可扩充性和可靠性都有明显的 提高，所以面向对象技术适合于大型软件系统的开发。 ；i # 计算机ll2 # 计算机lln # 计算机l ； llf l ! l 前置机 后台系统 前置系统 r t u ir t u 2 r r 【矗 图1 2 分布式s c a d a e m s 结构示意图 与计算机发展水平相适应，数据库管理系统在体系结构上经历了集中式、 分布式和客户服务器( c l i e n t s e r v e r ) 的阶段，在数据结构上经历了从网状、层 次到关系型的变化。 调度中心处理的所有数据包括一部分必须实时处理的实时数据，如通过远 4 四川大学硕士学位论文 2 0 0 3 ) 动通道或计算机通信接受的各种遥测遥信量等，以显示当前电网运行状况；另 一部分是非实时数据，如历史数据，这种数据的存储量非常大，通常要保存三 个月，甚至一年。因此，数据库管理系统必须同时满足海量处理和即时响应的 要求。e m s 系统中广泛采用商用关系型数据库。但在当前的软硬件环境下，直 接使用商用数据库还不能满足电网实时系统的快速响应要求。因此为了既保证 实时性又满足与外部系统接口的标准性和开放型，现阶段，在国内外的电力调 度自动化软件产品中。各厂商多采取了商用关系型数据库与实时数据库集成开 发的策略。其中，实时数据库用以支持应用程序对数据访问的实时性，商用库 用以支持实时库的一致性、支持电力系统模型数据和历史数据的存储与恢复、 报表、曲线、棒图、饼图与历史数据的接口。 1 2 2 当今研究动态 1 2 2 1 电力监控组件模型技术的运用 随着i n t e r n e t i n t r a n e t 的普及，监控系统提出了跨平台分布式应用的要求 需要一种既能实现软件复用，又符合分布式计算应用要求的新的软件开发方法。 组件模型技术应运而生【l ”。组件是一晕巾可重用的软件构件，它是预先构建的一 段封装起来的应用程序代码，可以和其他一些组件及手写代码组合在一起，快 速生产一个定制韵应用程序，应用程序开发者通过一组外部性质值来定制组件 以适合应用程序的特殊需要。组件模型定义组件的基本体系结构，规定组件接 口的结构和该组件容器及其他组件交互的各种机制。 目前被广泛接受的组件模型主要由3 种：微软公司的c o m 仍c o m c o m + ， o m g 组织推出的c o r b a 以及s u n 公司的e n t e r p r i s e j a v a b e a n 。 c o m ，d c o m c o m + c o m 是m i c r 6 s o f t 提出的组件模型，它是构造二进魁兼容软 牛组件的规范。 c o m 采用面向接口的编程方法。一个c o m 接口是一组逻辑上相互关联的操作， 这些操作定义了某种行为。接口的定义只是一组操作的规范，并非任 可特定的 实现。接口定义代表了接口调用者和实现者之间的一种约定。如果一个组件实 现了一个特定的接口，则调用者可以期待该组件遵从该接口的规范。d c o m 增 强了c o m 的分布处理性能，支持多种通信协议，加强组件通信的安全保障， g q 川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 把基于认证的i n t e m e t 安全机制同基于w i n d o w sn t 的c 2 级安全机制集成在一 起。它使得局域网上不同计算机间的c o m 可以迸行通信。d c o m 的主要技术 特点有：位景独立性、语言平台独立性、可连接的管理、可伸缩性、高效的网 络性能、网络安全性。d c o m 的体系结构如图1 3 所示。c o m + 是由c o m 发展 而来。在w i n d o w $ 2 0 0 0 版本中，微软把c o m 、d c o m 和m t s 集合在一起称 为c o m + ，它是基于m t s 和c o m 扩展的一组服务。 客户端 服务器端 图1 3d c 叫体系结构 c o r b a c o r b a ( c o m m o no b j e c t r e q u e s t b r o k e r a r c h i t e c t u r e ) 是由o m g ( o b j e c t m a n a g e m e n tg r o u p ) 组织制定的一个标准。c o r b a 包含5 个重要组成部分：o r b 核心、接口定义语言、动态调用接口、接口池、对象适配器。c o r b a 2 0 的体 系结构如图1 4 所示。c o r b a 提供了一种o r b ( o b j e c tr e q u e s tb r o k e r ) 机制， 通过这种机制，对象问可以透明地进行通信和访问。c o r b a 的o r b 是一种应 用框架使得异地机器、异质平台、异种语言开发的对象之间通过这个框架连 接起来o r b 承担了异质平台和系统之间统一数据格式，查找并启动实现功能 模块等功能。 e n t e r p r i s ej a v a b e a n s 由s u n 公司发布的e n t e r p r i s e j a v a b e a n s ( e b ) 规范为j a v a b e a n 定义一个 服务器组件模型。一个企业j a v a 组件能够通过它的性质表及各种定制方法来潦 纵和定制。e j b 组件模型定义企业j a v a 组件和企业j a v a 组件容器之间的关系。 四川i 大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 图1 4c o r b a 体系结构 通过增加对e j b 规范中定义的服务的支持，任何一个应用程序执行系统都能够 改造以支持e j b 。e j b 服务器提供一个标准服务集来支持企业j a v a 组件。因为 e j b 是事务处理的，e j b 服务器必须提供到一个分布的事务管理服务的访问。 它还必须为企业j a v a 组件提供一个容器，称为e j b 容器。e j b 容器实现对e j b 类的管理和服务。它还提供下列服务：生存周期服务、事务控制、持续管理、 透明的分布服务、安全服务。e j b 提供3 种与远程对象交互的机制：通过j d b c 数据库协议访问数据库服务器：通过i i o p 访问c o r b a 服务器，通过远程方法 调用( r m i ) 访问j a v a 服务器。r m i 的体系结构如图1 5 所示。 围1 5r m i 体系结构 1 2 2 2 实时数据库的研究 实时数据库系统就是其事务和数据都可以具有定时特性或显式的定时限制 的数据库系统，系统的正确性不但依赖于逻辑结果，而且依赖于逻辑结果产生 的时间。近年来，实时数据库系统受到了数据库和实时系统两个研究领域的科 技工作者的极大关注。电网监控系统包含了大量的“短暂有效”的数据，并往 往需要对特定数据进行“定时”存取。其一方面需要维护大量的共享数据和控 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 制知识，另一方面其动作的执行有很强的时间性，要求在某个时间点上或一个 时间期限内自外部环境采集数据，对该数据作出及时的响应，并按彼此间的联 系存取相应的数据。在这个过程，所获得的数据有一部分是“短暂”的，即只 在一个时限内有效，过时则对当前的推导或决策无效。传统数据库关注的重点 是处理永久性数据，其设计和开发主要强调维护数据的完整性( 包括实体完整 性、参照完整性和自定义完整性) 、一致性，数据处理的并发控制、，提高系统 的单位时间吞吐量和降低系统代价等，根本不考虑与数据相关联的处理的定时 限制。因此传统的商务应用型和管理事务型d b m s 不能满足这种实时应用的需 求。另一方面，传统的实时系统虽然支持数据及其处理的定时限制，但它们典 型地是针对具有简单结构与联系、稳定和可预报数据( 或资源) 要求的任务的、 不涉及维护大量共享数据的完整性和一致性以及数据访问的并发控制，这对于 存有大量电网模型、拓扑结构、设备参数数据以及历史数据的电网监控系统来 说，是不能满足要求的。因此。只有将数据库与实时系统两者的概念、技术、 方法与机制有机到集成到一起的实时数据库系统才能同时支持定时性和一致性 的要求。为此，广大科技人员对电网监控系统中实时数据库的应用做了大量的 研究工作。 电网监控系统中实时数据库研究主要集中在以下关键技术： 实时数据库模型的设计和实现： 传统的关系型数据库具有易于表达和管理的优点，但是在用于电网监控这 样一个集管理、监控、分析和决策于一身的大型复杂的实时系统时就暴露出明 显的缺点，有许多问题有待解决。另外，由于实时数据库具有专用性，一般由 各个厂商独立开发，因此，系统的开放性和互操作性都存在问题。随着我国电 网规模的扩大和电网运营市场化的深入开展，不同地区的电力部门需要交换的 数据，在种类和内容上都将越来越多。为了克服不同系统之间数据的配合和集 成的困难，电力系统的实时数据模型的标准化已经提上日程。i e c 已经提出了 电力系统的公用信息模型( c d “) ，如何使实时数据库很好地表达该模型已经成 了一个紧迫的课题。 实时任务的处理及其并发控制： 电网监控系统的任务具有时问限性，系统必须保证时间限制较强或较紧急 的任务具有较高的权限，能够较早地得到执行。比如，s c a d a 系统的后台数据 8 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 采集和规约转换任务必须保证处于最高优先级，即确保r t u 有报文上传时能优 先访问实时库。另一方面，传统的可串行化并发控制过严，需要提出新的并发 控制概念和实现方法。 数据存储与共存内存管理： 传统的磁盘数据库的操作基于磁盘存取，而磁盘存取的时间延时及其不确 定性往往对实时任务有致命的影响。因此实时数据库的又一关键问题是如何减 少这种延时和不确定性，这需要“内存”数据库的支持。要保证实时任务能快 速、准确地存储和访问数据库，应着重解决两个问题：保证关键任务存取都在 内存中进行和实现任务间数据共享。 跨平台的解决方案： 跨平台的解决方案是技术发展的必然趋势。当今电网监控系统所使用的主 流操作系统大致分为两类，u n i x 和w i n d o w sn t ，两者各有优劣。为了保护用 户的投资和开发的延续性，系统必须提供跨平台的解决方案，其关键在于解决 内存数据库的实现机制和跨平台的通信等问题。 数据的安全和恢复： 数据库系统中的数据若受到破坏，传统数据库采用日志和覆盖的技术手段。 但实时数据库的恢复显得更复杂，其原因为：恢复过程影响到处于活动中的实 时任务，使得实时任务访问因受阻而超时或访问到过渡状态得出错误结论：实 时数据库中的许多数据不是持久的，是变化的，有时数据的非一致性和不正确 性的影响是“短暂”的和“非延续性”的。 1 2 2 3 面向对象技术与实时熬灌库的结合 常用的电网监控应用软件是专用支撑平台提供的实时数据库管理系统为核 心建立起来的( 如图1 6 所示) 。应用软件对数据库的所有操作都是以支撑平台 提供的应用程序接口( a p i ) 实现的。不同的支撑平台和不同的a p i 会带来应用 软件编程方式和程序结构的不同。同样的应用程序与实时数据库的接口也多种 多样，这样软件在移植的过程中存在着大量的程序编写和调试工作。 随着面向对象技术应用的不断推广，在实时数据库、关系数据库、磁盘文 件等各种外部数据源与应用软件之间，设计数据库对象类来管理应用软件所使 用的外部数据源实体成为可能衅】。这种对象类有2 个主要功能：一是封装应用 o 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 软件与外部数据源之间的编程接口，使应用软件通过数据库对象实现对各种外 部数据源的访问：二是封装外部数据源实体相对应的数据库对象实例，如图1 7 图1 6 常规电网监控系统应用软件结构 所示。按此结构，应用软件是围绕数据库对象而不是外部数据源建立起来的。 因此，对任意的外部数据源，只要将其访问按口封装在数据库对象类的方法之 中，应用软件就能获得与外部数据源实体相对应的数据库对象实例，因此可实 现应用软件的即插式连接和移植，而不会因为外部数据源的变化而带来应用软 件内部结构的变化。 引入的数据库对象使应用软件与外部数据源分离从而将应用软件由直接 操作外部数据源转移到操作数据库对象，因此应用软件本身不会随外部环境发 生变化，不存在平台之间软件的重新移植和编写问题。在与具体s c a d a 环境 连接或集成时，所要做的仅有两项工作：一是将平台提供的a p i 封装在数据库 对象类的方法中；二是根据具体编程环境和应用软件功能，使用模块化的数据 库对象和软件模块对象集成及组装可执行的应用程序。整个过程是简单、清晰 的。 此外，由于通过引入数据库对象将实时数据库、关系数据库、磁盘文件等 外部数据源统一起来，使各种外部数据源通过其对应的接口函数按相同的数据 结构映射到数据库对象的数据成员之中，因此应用软件不仅能方便地安装到各 种环境中，而且应用软件之间的数据管理和数据交换也非常灵活、便捷。例如， 用户可以先在关系数据库上定义数据库。进行数据库校验，然后通过数据库对 象将经过数据校验的数据库传送到实时数据库；在运行中，可以通过数据库对 象与磁盘文件之阔的接口函数将各种实时和研究方式保存到磁盘文件中，今后 在研究模式下可以根据需要在取回使用等等。 l o 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 图1 7 增加了数据库对象的电网监控系统应用 1 3 本文所做工作 综合当前研究动态，研究人员的研究热点主要集中在如何实现分布式计算 和面向对象的解决方案上，以实现软件的平台无关性、通用性以及可移植性i 数据库解决方案主要是如何实现实时数据库的开放性和互操作性。本文首次提 出了将主动数据库与实时数据库结合起来。以进一步增强电嘲监控系统中实时 数据的快速响应能力。本文关注点主要在主动实时数据库技术与电网监控系统 的结合实现上，至于面向对象的分布式计算，可在此基础上作进一步扩展。 文中在阐述了传统数据库技术在电网实时监控系统所起作用的局限性的基 础上，结合电网监控系统的实际情况和特点，设计了基于主动实时数据库技术 的电网监控系统，主要完成了如下工作： 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 首先研究了当前的主动实时数据库技术成果，详细阐述了主动实时系统的 功能特征、数据模型和事件模型。 在此基础上，分析了主动实时数据库技术在电网监控系统的具体应用，给 出了电网主动实时监控系统的体系结构，详细讨论了该体系机构中的主动实时 事务调度、主动实时数据库的并发控制以及事件的探测和处理三大关键技术的 实现。 结合主动实时数据库理论及其具体实现，设计了一套电网监控系统。经过 该系统的实际运行，现已经实现了电网监控的安全性和稳定性要求，极大的提 高了经济效益和社会效益。 最后，通过对电网主动实时监控系统的研究，进一步论证了该系统具有极 高的实用价值和推广前景。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 第二章主动实时监控理论 2 1 概述 关系型数据库在实时性上有很大的缺陷性，而电网监控系统既对实时性有 较高的要求，又要满足数据的一致性和共享性，但是全部自行开发一套通用性 好、功能强的实时数据库决非易事，且大量离线库如历史库常贮内存也不现实， 所以一般电网监控系统中实时数据库采用自行开发的实时库，而历史信息采用 大型商用数据库开发的历史库。 对于传统数据库，其事务具有a c i d ( a t o m i c i t = y , c o n s i s t e n c y , i s o l a t i o n d u r a b i l i t y ) 特征，即强调一致性、可恢复性和永久性；事务无内部构造，彼此 之间无合作( 交互作用、通信) ：进行不可预报的数据存取，故其执行时间不可 预测；无“时间维”，更不显式地考虑时间。所以，事务的原子性和可串行化是 普遍接受的正确性、一致性标准。而在实时数据库系统中，则有根本性的不同， 其事务由下列特性确定：可见性：事务执行时可查看另一执行事务的操作结 果的能力；正确性：事务本身的正确性及提交事务所产生的数据库状态的一 致性；可恢复性：发生故障时使数据库成为某种被认为是正确状态的能力； 永久性：事务记录其结果到数据库及识别其中数据的有效期的能力：可预 报性：事先预测一个事务是否会满足其时限的能力。因此，在实时应用环境下 数据库的处理必须支持： 传统的平坦原子事务模型已不适用，要求“复杂”事务； 事务合作、协调而并发地执行，即要求事务间的直接交互作用和通信； 及时性比正确性更重要的性能标准，有时宁愿要求及时而部分正确的 信息，而不愿得到完全正确但是过时( 无效) 的信息； “识时”协议和“时间正确”的调度与并发控制。 数据的时间相关性。即数据存储、组织与存取都是“识时”的，并非 所有数据都是永久的，许多是短暂的，甚至不一定要求记录到永久数 据库中。 恢复不一定就是数据库状态的完全复原，要有特殊的提交与恢复机制。 实时数据库可以大大提供应用系统的实时性，但是它与传统数据库一样， 【；! ! i 川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 仍然是“被动”的，即仅当用户或应用程序“要它动时，它才动”，它所能提供 的信息都是“过去”或“当前”的。而在电网实时监控过程中，许多功能包含 了数据主动服务的要求，即一些应用功能是由数据的变化而引起的，如越限告 警、变位告警等。为了提高系统实时响应的能力，追切需要实时数据库本身能 根据主动服务数据状态的改交主动地作出相应决策。 存取如上所述的，具有主动服务数据的应用的一个共同要求是d b m s 能监 视关于数据库( 或非数据库) 的事件和条件，当条件满足时，能自动、适时地 作出相应的反应( 执行特定的活动) 。要确定数据库中数据的改变是否会使某种 希望的数据库状态出现或使某种条件满足从而采取相应的行动，必须由用户自 外部发询问。为了能及时地探测到和响应有关的状态或条件，只有两种办法： 周期地不断查询和嵌入条件评价与活动调用到应用程序中。这两种方法都不理 想，前者除引起“抖动”、浪费大量资源，因而影响整个系统性能和及时性外， 更重要的是为了及时地探测和响应要监视的情形，用户必须确定查询的周期， 而这依赖于多种参数其中许多是动态的、彼此关联的，如事件的类型及发生 的频率、情形的及时性要求( 即情形可能出现的时间间隔) 等；后者则不仅转 移有关定义事件与条件、表示条件查询、决定条件评价及其时机的负担给应用 程序员，且损害软件模块性和可重用性：对事件、条件及活动的任何修改都将 要求相关应用程序的修改。 应用的发展和要求对传统的“被动”数据库系统提出了挑战，同时促进了 所谓“主动”数据库技术的发展。主动数据库可为实时应用提供有力支持，可 与实时数据库紧密结合起来，因为主动数据库除了存储数据外，还存储了规则 或控制知识和过程，这种知识说明特定情形出现( 指明的事件发生且预定的条 件成立) 时，就调用相应的过程( 采取相应的行动) ，这种机理模型正好适合于 通常用来实现电网监控过程的实时数据库系统。实时过程往往是动态变化的， 正需要不断地迸行动态监视和事件驱动控制。 鉴于实时数据库、主动数据库系统与传统数据库在概念、原理、结构、算 法等方面都存在很大的差剐，下面详细讨论了应用于电网监控系统中的实时系 统的特征和数据模型，主动数据库的特征、执行机制及事件模型。 2 2 实时系统的特征 1 4 i 】1 1 川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 从数据库的角度看，一个实时系统典型地由三个紧密结合的子系统组成： 被控系统、执行控制系统和数据系统。被控系统就是所考虑的应用过程，称为 物理世界；执行控制系统监视被控系统的状态，协调和控制它的活动，称为逻 辑世界；数据系统有效地存储、操纵和管理实时( 准确和及时) 信息，成为内 部世界。执行控制系统和数据系统统称控制系统。内部世界的状态是物理世界 状态在控制系统中的映像，执行控制系统通过内部世界状态而感知物理世界状 态，且基于此而与被控系统交互使用，所有这些都与时间紧密相联。因而实时 数据库系统的特征主要表现在数据和事务的时间相关上。 2 2 1 r t d b 的数据特征 在r t d b 系统中，数据只在一定时间内是“有效”的，其值随外部环境状 态变化而频繁地改变，所以人们不能只考虑数据库内部状态的一致性：也不能 认为使用数据时，简单地提供其最新值就是最合适的，还必须考虑它与其他被 使用数据间的“时间一致性”【2 8 】。 定义2 1 一个r t d b 的数据对象为一个三元组d ：( v ，e v i ，印) 。其中d 为标 识符，分量d ，、d 。、屯。分别为d 的当前状态或值；观测时标，即采样d 对应 的现实世界对象的值的时i a j ；外部( 或绝对) 有效期，即自d t o 算起d 。具有外部 或绝对有效性的时间长度。 2 2 1 1 内部一致性 内部一致性就是传统意义下的数据库内部的一致性，即： 定义2 _ 2 数据d 是内部( 逻辑) 一致的，当且仅当d 。满足所有对其预先定 义的数据库内部的完整性限制和一致性要求。 数据库的变更都是以事务的形式进行的，因而事务操作的完整性检验和可 串行化能提供内部一致性保证。 2 2 1 2 外部一致性 在r t d b 系统中，数据库依靠逻辑世界与物理世界的频繁交互作用来获取 1 5 西川大学硬士学位论文( 2 0 1 3 3 ) 准确、及时的数据，故一个正确的数据库状态必须与物理世界当时的状态一致。 即事务所使用的数据库中的值d 。是在其有效时间范围以。内。 定义2 3 数据d 是外部( 或绝对) 一致的，当且仅当 f c - d 。) s d 。( f 。为 当前检测时间) 。 数据的外部有效期吃。可以通过足够多的物理世界对应参数的采样来获得。 外部一致性与时间限制相联，它已不能用可串行化实现。因为现有的确保可串 行化的并发控制协议都是基于封锁或回退的，封锁会导致优先级颠倒( 低优先 级事务阻塞高优先级事务) ，而回退会浪费大量系统资源从而引起事务超时。 2 2 1 3 相互一致性 一组相关数据被使用时，存在着它们之间在时间上的相互( 或相对) 一致 性问题。 定义2 4 用来作决策或导出新数据的组相关数据称为一个相互( 相对) 一致集每一这样的数据集r 都有一与之相联的相互有效期，记为r 。t 定义2 5 设r 是一个相互一致集，d r 。d 是相互( 或相对) 一致的，当 且仅当 v d r k 一吒s 氐。 相互一致性保证了用来做决策或导出新数据的一组数据是在公共的有效时 间范围内彼此接近地产生的。r 。的获得则不像d 。那么简单，它们之f 可存在着 相关性，各数据中的t 。最小值对矗。起着决定作用a 2 2 1 3 数据库状态正确性 数据库状态正确性意味着内部一致性、外部一致性和相互一致性的全部。 定义2 6 若一个数据既是外部一致又是相互一致的，则说它是时间一致 的。 外部一致性和相互一致性都与时间紧密相关，故统称为时间一致性。要实 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 现时间一致性，系统必须使用“识时协议”处理事务的定时性。 当且仅当一个数据同时是内部一致和时间一致的，它才有正确状态。而数 据库有正确状态则意味着其中每一数据都有正确状态。 2 2 2r t d b 的事务特征 由于实时任务往往有内部结构和相互之间的联系，传统的“原子的、平淡 的数据库操作序列”的事务概念及模型对实时事务不适合。实时数据库事务表 现出了许多不同的特征。 2 2 2 1 定时性 实时应用中事务的定时性来源于两方面：一是外部环境显式给出的反应时 间要求，如截止期等；二是由于系统中的数据随时间变化而转嫁来的。 定时性包括了两方面的含义：定时限制事务的执行具有显式的时限，如期 限、截止时间等。这是由于控制系统要随时紧紧地跟踪被控系统而引起的，它 要求实时数据库必须有时间处理机构。时限还可有软硬之分。 定时正确性事务能按合适的时间要求正确执行。这是由于要求数据对于控 制系统的各种决策活动随时有效而引起的，它要求权衡定时限制与数据一致性 等多方面因素，提供合适的调度算法。 实时事务有不同的定时限制，其中最重要的有： 截止时间即实时事务完成的最后期限 它可以有硬、软之分，具有硬截止时间的事务( 称为硬实时事务) ，必须在其 截止时间以前完成，否则将带来灾难性的后果，故到达其截止时间还不能完成 的硬实时事务必须夭折。具有软截止时间的事务( 称为软实时事务) ，应该在其截 止期完成，但超过其截止时间也还有一定意义( 尽管其意义不断下降) ，故软实时 事务到达其截止时间后不必立即夭折它。 到达时间事务在系统中生成的时间 它可以是可预报的，也可以是不可预报的。可预报的到达时间可显式地给 出或者作为一个导出函数，如周期事务的到达时间是可预报的。不可预报的到 达时间是指当相应事务到达系统时才能知道，非周期事务的到达时间就是不可 预报的。 删川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 期望执行时间估算的最坏情况执行时间 由于各种不可预见性因素，它很难做到准确，估算的最坏情况执行时间可 能与实际情况相差很大。然而，为了合理地得到事务的截止时间及适当地调度 以使其满足，又必须事先较准确地估算其执行时间。 2 2 ，2 2 语义相关性 实时数据库事务之间存在着各种关系。包括结构关系、数据与通信关系、 时间关系等，这些关系带来了事务间的各种相关性。 1 结构相关 它来自于复杂事务模型的结构特征，用来建模复杂事务内部并发事务行为 的一种约束。不同的复杂事务模型有不同的结构相关性，但它们可以通过事务 间的“执行依赖性”来定义，实时嵌套事务中基本的事务依赖有： 子事务对父事务的开始依赖( b d ) ：子事务开始前父事务已经开始： 父事务对于事务的提交依赖( c d ) ：父事务提交前子事务已经结束( 提交 或夭折) ： 子事务对父事务的夭折依赖( a d ) ：父事务夭折则予事务一定天折。 2 数据相关 数据相关就是不同事务间的共享数据联系，但此“共享”概念比传统的具 有更广的意义：实时嵌套事务中的予事务共享父事务数据，子事务提交时其对 数据库的更改委托给父事务，只有父事务提交时才能真正地写入数据库。 3 功能替代结果补偿 一个实时应用常常由若干任务组成。而一个任务有时可以通过不同途径来 实现。一个应用建模为一个事务，一个任务则建模为一组功能等价的子事务、 称为该任务的替代集。若一个任务的替代集中的子事务之一能成功执行，则该 任务是可完成的。若对应一个事务的所有任务可完成，则该事务是成功的( 可提 交) 。功能替代导致了事务执行路径的不确定性，即一个事务成功执行的路径依 赖于执行过程中( 子事务) 失败的发生，且即使某些子事务失败了，事务仍可能顺 利提交。这还体现了实时事务的健壮性，即有的事务( 任务) 不能失败。 由于前面所述的事务的结构复杂性和功能替代性，因此，事务的执行经历 不确定，一个子事务的执行直到提交时还不能确定它是否需要。若个( 子) 事务 四川火学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 提交后，发现它是不需要的，该怎么办? 另一方面，一个实时事务可以物理改变 现实世界的状态，换句话说，事务可以启动各种活动，这些活动在它提交前就 已经影响了现实世界，因而当这种事务天折时，不能进行传统意义上的“还原” ( u n d o ) ，于是需要一种“补偿”活动抵消它所有的影响，这种补偿活动也是事务。 对于一个( 子1 事务，若存在能抵消它提交后所产生的所有影响的( 子) 事务则称 其为是可补偿的，否则是不可补偿的。当然，不是每一个( 子) 事务都是可补偿的 不可补偿的( 子) 事务在知道它确实是需要之前，一定不能提交。 2 3 实时数据模型 一个r t d b 包含了建模现实世界对象的不同数据对象集，它是物理世界的 映射，且频繁地直接与物理世界交互作用以获得准确、及时的数据。r t d b 由 具有定时限制的周期、非周期和零星事务以及通过传感器直接自物理世界采集 并写入数据库的信息流组合而成。实时数据库必须满足时间一致性。 一个数据模型由一组对象及