（计算机应用技术专业论文）调度员培训仿真系统中oracle数据库的应用与研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 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 ) 是一套数 字仿真系统。它利用现代计算机软硬件技术，如：现代数据库技术、图形技术等， 并与现代电力系统分析技术相结合，全面地模拟电力系统，为学员提供实时的、 有效的培训。 数据库系统是d t s 的一个重要组成部分，它对整个d t s 的数据进行管理并且 为其它核心模块提供数据通信支持。合理有效地利用数据库对其进行设计管理是 关系到整个d t s 系统能否快速、高效使用的关键因素。o r a c l e 数据库是一种商 用数据库，商用数据库在数据的存储、管理、备份、恢复、安全机制、以及数据 的调用接口可扩展性、方便灵活的优势是很明显的。但是商用数据库也有其明显 的缺陷，主要是实时性不强。随着电力系统的不断发展，决定了d t s 需要一个能 随着数据的不断增长，数据库也能动态变化的数据库管理系统，并且能对其灵活 查询：同时，电力系统的特点，决定了d t s 需要一个能够既能快速存储数据又能 实现数据共享特点的数据库，本课题就是基于此提出的。 本文提出了一种改进的数据库设计实现方法，以u n i x 操作系统为系统平台， 运用o r a c l e 数据库进行数据的管理。 本文介绍了d t s 的总体设计，软硬件的组成，在简单地叙述了数据库的一些 基础理论后，有所侧重地论述了如何在u n i x 环境下运用o r a c l e 数据库进行数据 库的设计与管理，本文针对下列主要技术进行了深入的探讨与研究实现： 运用p r o * c c + + 解决o r a c l e 数据库与u n i x 之间的接口问题，实现两者之间 的相互通信。 针对d t s 的具体要求，对其离线数据库进行规划、设计。提高了存储空间 的利用率，保障了数据库的安全性，优化了数据库的存储、检索等操作。 运用动态散列表技术来组织与管理o r a c l e 历史数据库，便于数据库的扩 充与修改。 运用p r o 术c c 十+ 的动态s q l 技术对所建的历史库进行操作，可以方便地对 数据进行入库、检索，使对数据库的建立、查询等操作的效率大大提高。 山东大学硕士学位论文 提出了运用实时共享库来解决关系数据库不能满足d t s 的实时性要求，以 次来解决商用数据库与实时数据库之间的结合问题。 提出了把索引记录的存储和散列方法结合起来，并且都放在共享存储区 中的方法，用这种方法来实现稠密散列表索引的建立，来提高数据的查询速率。 运用信号量实现了一种改进的写优先算法，并用它来控制d t s 进程之间对 共享区的并发操作。 针对d t s 在u n i x 上使用o r a c l e 时出现的一些故障问题，介绍了优化处 理方法。 关键词：d t s ，离线数据库，动态散列表，实时数据库，实时共享库 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t 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 ( d t s ) s y s t e mi s as u i to fd i g i t a l s i m u l a t i n g s y s t e m i t u s e sa d v a n c e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r e c o m p u t e rt e c h n o l o g y , s u c h a s a d v a n c e dd m a b a s e ，g r a p n c sa n dp o w e rs y s t e ma n a l y t i c a l t e c h n o l o g yt o s i m u l a t e p o w e rs y s t e m ，i to f f e r ss t u d e n t sr e a l - t i m ea n de f f i c i e n c yt r a i nc o n d i t i o n t h ed a t a b a s ei sa ni m p o r t a n ta s p e c to ft h ed t s i tm a n a g e st h ew h o l ed a t ao f t h e d t sa n ds u p p o r t st oc o m m u n i c a t eb e t w e e nt h eo t h e rn u c l e a rm o d u l e s t os e tu p e f f i c i e n c yd t s ，t h ed a t a b a s e i sak e yf a c t o r o r a c l ed a t a b a s ei sac o m m e r c i a l d a t a b a s e t h ec o m m e r c i a ld a t a b a s ei s g o o d a t s t o r a g e ，m a n a g e m e n t ，b a c k u p ， r e n e w i n g ，s a f e t y , e x t e n d i n g a n dc o n v e n i e n c e b u tt h ec o m m e r c i a ld a t a b a s eh a s e v i d e n ts h o r t c o m i n g s i ti sb a da tr e a l - t i m e t h i si s s u ei sa d v a n c e df o rs a t i s f y i n gt h e d e v e l o p m e n t o f t h e p o w e rs y s t e m i ti sf i tf o r r e a l t i m en e e do f t h ep o w e r s y s t e m t h i sp a p e rg i v e sa l li m p r o v e dd e s i g n i n gd a t a b a s em e t h o d t h i ss y s t e mi sb a s e d o nu n i x o p e r a t i o ns y s t e ma n d i tu s e so r a c l ed a t a b a s et om a n a g e i t t h i sp a p e ri n t r o d u c e sd t s sw h o l ed e s i g na n dt h ec o m p o s i n go f s o f t w a r ea n d h a r d w a r e i t s i m p l y i n t r o d u c e ss o m eb a s i ct h e o r i e so fd a t a b a s e a n d i t m o s t l y d i s c u s s e sh o wt od e s i g na n dm a n a g eo r a c l e d a t a b a s ei nu n i xc o n d i t i o n t h i s p a p e rm o s t l y s t u d i e sa n dr e a l i z e st e c h n o l o g i e sa sf o l l o w s ： u s i n g p r 0 8 c c + 十t os e t t l ei n t e r f a c ei s s u eo f o r a c l e a n du n i x i th e l p st o c o m m u n i c a t eb e t w e e nt h e m b a s i n g o nt h en e e do fd t s ，d e s i g n i n ga n dm a n a g i n g t h eo f f - l i n ed a t a b a s e i t i m p r o v e sr a t i oo fs p a c eu s i n g ，a s s u r e ss a f e t yo f d a t a b a s ea n d o p t i m i z e s t h eo p e r a t i o n o ft h es t o r a g ea n ds e a r c h i n go ft h ed a t a b a s e u s i n gd y n a m i c h a s h i n g t a b l et oo r g a n i z ea n dm a n a g eo r a c l e d a t a b a s e i t i se a s yt oe x t e n da n da m e n dd a t a b a s e u s i n gd y n a m i cs q l t e c h n o l o g y t oa d da n ds e a r c hd a t ai nd a t a b a s ee a s i l y b r i n g i n gf o r w a r dr e a l - t i m es h a r e m e m o r yt o s e t t l et h eq u e s t i o no fr e l a t i o n + 一 山东大学硕士学位论文 d a t a b a s eu n s a t i s f y i n gt h er e a l - t i m en e e do f d t s u s i n gt h e h a s ht o s t o r a g e t h ei n d e xr e c o r d sa n dp u t t i n gt h e m i nt h e s h a r e m e m o r y i ti m p r o v e st h es p e e do fs e a r c h i n g t h er e c o r d s u s i n gs e m a p h o r et o r e a l i z et h ei m p r o v e dw r i t e f i r s ta r i t h m e t i ct o c o n t r o l i n t e r c u r r e n t so f p r o c e s s e s g i v i n g s o m em e a n st oo p t i m i z ed a t a b a s e k e y w o r d s ：d t s ，o f f - l i n ed a t a b a s e ，d y n a m i ch a s hs t r u c t u r e ，r e a l - t i m e d a t a b a s e 4 r e a l t i m es h a r e - m e m o r y d a t a b a s e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：! 圣嗵 日期： 扫幺212 三 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 f 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：基撇导师签名：隘日期：竺：竺划! 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 调度员培训仿真系统( d t s ) 的概念及产生背景 1 1 1 调度员培训仿真系统( d t s ) 的概念1 3 1 ， 调度员培训仿真( 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 ) 系统是一 套运用现代计算机技术，结合传统电网数字仿真理论的高级电网应用软件系统。 它运用计算机技术，通过建立实际电力系统的数学模型，再现各种调度操作和故 障后的系统工况，并讲这些信息送到电力系统控制中心的模型内，为调度员提供 一个逼真的培训l 环境，以达到既不影响实际电力系统的运行而使调度员得到身临 其境地实战演练的目的。 国内外也有人把d t s 称为操作员培训仿真( o p e r a t i o nt r a i n i n gs i m u l a t e ， 简称o t s ) 或者称为电力系统仿真器( p o w e rs y s t e ms i m u l a t o r ，简称p s s ) 。 1 1 2 调度员培训仿真系统( d i s ) 产生背景 i o l ”】 电网调度员培训模拟的概念最早在1 9 7 2 1 9 7 3 年美国威思康星电力公司能 量管理系统( e m s ) 的设计中形成了。此时，电力系统电子模拟计算机、数字计 算机及电力系统实时监控系统已经有了坚实的基础。1 9 7 7 年j l a t i m e r 和 r m a s i e l 】0 在电力工业计算机应用( p i c a ) 会议上发表了名为调度员培训模 拟器设计的文章，首次在电力工业界提出了“调度员培训模拟”的概念。1 9 7 7 年7 月1 3 日，纽约发生大停电，造成直接经济损失就高达3 5 亿5 千万美元，同 年佛罗里达发生大停电，造成了灾难性的后果。至此，引起了人们对反事故措施 的研究及调度员培训i 的高度重视。 过去运行人员的经验主要来自实时工作积累，通常的培训方式有跟班学习、 课堂式反事故演习和事故处理经验总结等。但当实际事故出现时，调度员往往仍 不知所措。造成这种问题的原因是：电力系统事故率很小，即使发生事故也往往由 于事故过程很短，很难在一两次事故中积累足够的经验，调度员没有机会在电网 多次异常和事故中得到磨练。在实际事故中调度员仍会束手无策，不知如何应付。 而实际电网是不允许人为制造事故的，这就要求采用其它方式对电力系统进行模 山东大学硕士学位论文 拟。因而d t s 就应运而生并得到快速发展。 1 2 国内外d t s 的研究现状及发展趋势【，1 1 1 0 3 1 1 1 2 1 国外d t s 的研究现状 国外于1 9 7 6 年提出d t s 的概念，1 9 7 7 年研制出第一套d t s ，1 9 7 8 年美国电力 科学研究院( e p r i ) 组织了关i f d t s 的大讨论后，随后d t s 技术得到了飞速的发 展。 ( 1 ) 7 0 年代以c d c 一1 7 为硬件平台的c d c 系统。电力系统模拟基于潮流解法。 ( 2 ) 8 0 年代以小型机为硬件平台。电力系统模拟以长过程仿真为基础。在电 力系统分析技术有两个突破性进展：g e 公司长过程研究的l o t d y s 程序1 9 7 4 年问世；p o 解耦法潮流技术的成熟。同时小型机价格大幅度下降，性能有所 上升，使得d t s 在世界范围内得到很大的发展。 ( 3 ) 9 0 年代初，计算机系统大多以分布式工作站组成开放系统。在软件上美 国等都在致力于把电力系统暂态过程放到d t s 系统中去。 由于电力模拟系统( p o w e rs i m u l a t es y s t e m ，简称p s m ) 是整个d t s 的核心， 下面我们以p s m 为参考点看看d t s 的发展现状。表1 1 为近年来国外开发的几种典 型的调度员培训仿真器实例u s 。 用户硬件配置系统规模p s m 模型时间 法国c o u l ds e l节点2 1 0动态潮流+1 9 8 7 e d f 3 2 8 7发电机1 0 0暂态过程 ( e 恒定) 东京阵列式节点2 6 1发电机四阶模1 9 9 0 电力计算机发电机5 4型、暂态实时 纽约n a s 8 0 6 3节点l o o o暂态过程 1 9 9 0 电力发电机6 0 0 ( e ：恒定) 1 5 s 完成2 s 表1 1 ：国外典型的仿真器实例 1 2 2 国内d t s 的研究现状 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 2 山东大学硕士学位论文 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j l p 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 已经退役，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 与国外相比，我国的d t s 发展速度很快，在十年中从无到有，并成为一个产 业，在全动态过程仿真和与在线e m s 的接口上处于领先，为保证电网的安全运行 起到不可替代的作用，同时也看至u d t s 目前的培训支持功能( t r a i n i n gs u p p o r t f u n t i o n ，简称t s f ) 和运行维护的实用水平比较低。从国内外的情况看，d t s 的 建设和发展有以下几点： ( 1 ) d t s 的结构应一体化系统和独立型异构系统同时发展，前者注意采用组件 技术，不要与支持平台和基础应用软件捆绑得太紧而受制，后者遵循i e c6 1 9 7 0 标准，彻底解决与在线系统的连接问题。 ( 2 ) d t s 的运行要制度化，一开始要有一定的强制性。 ( 3 ) d t s 的维护要有专职化，跟得i - s c a d a 和e m s 等应用软件中网络结构的变 山东大学硕士学位论文 化，用户要加强基础数据的完善和基础参数的管理。 ( 4 ) d t s 的应用要向电力市场拓展，要模拟电力市场环境下电力系统的现象。 ( 5 ) 更加注重电网仿真系统和实时系统的数据接口技术； ( 6 ) 开发功能齐备、操作方便的实时数据库系统，为用户提供可靠完备的电 网仿真平台。 1 3 课题背景 为了提高威海电网的管理水平，适应未来电网发展的需要，截至2 0 0 1 年三 月底，威海所管辖的2 6 座变电站全部实现了无人值班。2 0 0 1 年四月，调度自动 化系统高级应用软件也通过了省局组织的实用化验收。到2 0 0 3 年6 月，对整个 市区配网系统实施自动化管理，增加拉手开关，使配电自动化主站系统的高级管 理功能部分达到实用化。电力调度中心也采用了s c a d a e m s 系统。所以必须开发 一个能够反映威海电网真实运行状况、稳态和动态功能完备、操作灵活、维护简 便、并且与e m s 一体化的新一代d t s 系统，才能更好的培训调度员以适应新一代 的调度系统。 d t s 是一个较复杂的软件系统，其核心包括三个部分： ( 1 ) 电力系统计算模型，它模拟实际的电力系统运行状况。 ( 2 ) 人机接口及控制中心系统，它反映了电力计算模型的计算结果并为其提 供了操作灵活的人机对话接口。 ( 3 ) 数据库支撑平台，它是d t s 数据管理的中心，也为d t s 其它核心模块提 供了数据通信的平台。 本文就是为d t s 系统数据库支撑平台的研制而提出的。首先，电力系统模型 计算需要大量的元件参数数据，网络分析数据，同时培训功能需要大量的数据存 储，修改，交换等。数据的维护最好的办法就是用数据库管理。近年来，在国外 电力系统中有一种新的发展趋势，采用典型商用数据库代替以前使用的层次型数 据库。目前在商用数据库当中，o r a c l e 数据库的存储、管理、备份、恢复、安全 机制、以及数据库的调用接口可扩展性、方便灵活的优势是很明显的，可以跟的 上电力系统的不断发展。因此我们用o r a c l e 数据库来管理d t s 的离线数据。然而， 在实际的应用中，如果仅仅使j 喟o r a c l e 数据库却不能实现较高的存储效率。而d t s 的特点，是既需要一个随着数据的增长变化而相适用的能管理大型数据库的系 山东大学硕士学位论文 统，又要求所建的数据库又能满足实时性的要求。我们的课题就是基于此提出的。 1 4 本文的主要工作 针对威海的d t s 的总体要求，本文主要实现了历史数据库的动态建立与操 作；实时数据库的设计与实现。各章主要内容如下： 第一章：介绍了d t s 的概念、产生、发展及其意义。介绍了国内外d t s 的发 展现状与发展趋势。叙述了课题的产生背景。 第二章：介绍了d t s 的总体结构、软硬件组成。从总体上来说明数据库在 d t s 中的作用与数据库设计原则。指出本文的主要实现部分：离线数据库与实时 数据库，以及它们的组成。 第三章：根据本课题的研究需要，介绍了数据库的一些基本理论与o r a c l e 数据的特点、体系结构等。为下文的一些设计与实现提供理论基础。 第四章：介绍了数据库接口部分的实现，主要介绍o r a c l e 自身带的p r o * c 。 用它来实现对数据库的访问与操作。同时还介绍了在后面要用到的动态s q l 的技 术。 第五章：详细说明了历史数据库的设计与实现。运用动态散列技术来实现对 d t s 历史数据库的建表、查询、修改等操作。最后叙述了数据库的备份与存储策 略。 第六章：详细叙述了实时数据库的设计与实现。用u n i x 的共享内存来实现 进程之间的数据共享，提出了把索引记录的存储和散列方法结合起来，并且都放 在共享存储区中的方法，用这种方法来实现稠密散列表索引的建立，来提高数据 的查询速率；运用信号量来控制d t s 进程之间对共享区的并发操作。 第七章：针对d t s 在u n i x 上使用o r a c l e 时出现的一些故障问题，介绍了 优化处理方法。 第二章d i s 的体系结构 2 1 d i s 的总体介绍 2 1 1 d t $ 的总体结构 整个d t s 的结构如图2 1 嗍 量 鲁 图2 1 ：e m s d t s 一体化系统结构 2 1 2 硬件组成 根据d t s 与在线e m s 系统的关系可分为独立型和结合型。独立型d t s 仅单向地 从e m s 获取数据。结合型d t s 包括一体化和非一体化，一体化d t s 与在线e m s 用统 一平台，维护方便使用方便，但有时会受制于底层支持，非一体化d t s 通过接口 与在线e m s 联结，比较灵活但接口和维护比较麻烦。我们介绍的威海电网d t s 系统 采用全分布式体化体系结构，各个功能模块分配在系统的各个节点上，保证了 系统的可扩充性，局域网采用以太网结构，所有计算机均通过】0 0 l o m b 以太网相 连。配有教员台工作站、学员台工作站、网络h u b 、拨号m o d e m 各1 台。 系统设置教员台工作站和学员台工作站。 a 教员台工作站教员台工作站由一台a 1 1 ) h a 机子承当，安装电力系统模型 软件和教员系统软件，在培训中充当教员台。它配置双网卡，第1 网卡与s d 6 0 0 0 一 s c a d a 相连，成为s c a d a 网的1 个节点，第2 网卡与d t s 网相连，本机成为d t s 网的服 6 山东大学硕士学位论文 务器。每3 0 s 从s d 6 0 0 0 系统的实时数据库中取s c a d a 实时数据断面，完成网络拓扑 和状态估计，在此基础上完成在线教案的自动生成。 b 学员台工作站学员台工作站也是一台a l p h a 机子，安装学员系统软件， 在培训中充当学员台，与d t s 网相连。网络均采用高速以太网。 d t s 系统可以通过接口取得e m s 的实时数据提供培训或分析使用，投影仪充当 模拟盘，投影仪既可以显示学员台的画面，也可以显示教员台的画面。d t s 自成 一个网段，与实时s c a d a e m s 通过网络s w i t c h i 目连，这样既可保证d t s 的运行不增 加实时调度系统的网络负担，又使d t s 与其保持可靠的联系。 2 1 3 软件组成 本d t s 系统的软件模块如图2 2 所示 山东大学硕士学位论文 s c a d a e m s 模型 随+ ) l s c a d a e m s l l实时数据i 【i 刚络通信 竿贝苜牛 仿真时问 if 教员台i 网络通信 l 时钟时间 采集 控制 遥测、遥信遥控、遥测 - l远东系统榜l 型j l 远东系统事件 隔羽。 电力系统仿真 仨 服务器 i 事件表1 l 簇r r 笋h 雠1u 、 ftl 0k 。1 旧黼i 叠橐 圭 鲫h i繁， 图2 2 ：d t s 系统的软件模块结构 学员台通过网络得到模拟后s c a d a e m s 功能；教员台则负责实现仿真支持( 包 括教员操作台、教案的制作与管理、仿真过程控制、事件处理器等功能) 、电力 系统模型、远动系统模型以及仿真运行评估。 山东大学硕士学位论文 2 2 d t s 数据库系统结构设计 2 2 1 数据库的设计要求 数据库在d t s 中的地位和作用是非常重要的，具体体现在： ( 1 ) 存储管理电网模型中所有的静态、动态的数据，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。 设计过程中遵循以下原则： ( 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 掘的结构化、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：数据是面向整个d t s 系统的，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。 ( j ) 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。 22 2d t s 数据库内容 d t $ 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。 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 网络模型参数：定义了网络的拓扑结构和网络参数。 ( 3 ) 系统参数数据：定义了网络的动态参数，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 ) 模拟s c a d a 数据：厂站、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。 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 3 数据库设计方案 d t s 数据库的设计方案采用了大型商用数据库与实时共享库相结合的办法。 包括离线数据库与实时数据库，离线o r a c l e 数据库与实时内存数据库及d t s 各 模块之间数据交换关系如图2 3 所示： 电 1 3 系 统 模 型 p s m 枉 线 计 算 实时 端面 数据 s c a d a e m s 系统 图形 数据 文件 网络 结构 数据 鍪融翌 入厂意露面丽柳一设置 据库厂一 f 定时保存入 i历史库 实时内存数据库 教 员 界 面 学 员 台 界 面 量 数据的交换 图2 3 ：数据库数据交换关系 ( 1 ) 离线数据库 利用商用数据库来管理离线数据库，离线数据库包括电力系统网络数据、图 形数据文件，这些数据是d t s 初始化时实时数据库的信息来源。实时数据库主要 山东大学硕士学位论文 是模拟s c a d a 实时数据库的。 采用o r a c l e 数掘库主要的目的是利用其管理二维关系数据表的强大功能。 电力系统的数据包括图形数据，d t s 的培训信息数据都可以存储为不同关系类型 表中。采用o r a c l e 使维护简便，可靠，数据安全。另外o r a c l e 提供强大的编程 接口使程序设计简单。 利用o r a c l e 来管理离线e m s 数据和实时性要求不高的培训信息数据，使用 o r a c l e 能满足电力系统数据不断增长的需要，能动态建立历史数据库。 离线数据库的设计包括以下几个部分： d t s 数据库的表空间设计：表空间是数据存储的空间，应充分考虑分配较 大的数据空间，提高磁盘操作的效率，应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。 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。 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。 历史数据库的建立采用了o r a c l e 数据库动态建立的，采用动态散列技术来 组织和管理不断增长的数据，来优化数据库的结构，提高数据的效率，更好的检 索、操作数据库。 ( 2 ) 实时数据库 虽然关系型数据库有很多优越性，但也有明显的缺陷，主要是实时陛不好，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 04 至l o5 倍，不能满足d t s 实时计算的需求。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 系数据库打交道，实现其开放性。 u n i x 提供的共享内存机制可以较好的解决数据的共享内存和快速访问的问 山东大学硕士学位论文 题。方面，在程序运行时，数据库中的数据被调入内存中的共享存储器中，因 此无需磁盘操作，速度可达最快( 访f 1 速度为访问本程序内自定义数据的9 8 o ) ， 充分满足实时要求；另一方面，共享内存中的数据可以实现不同进程共享，它可 以作为不同进程数据通信的平台。 实时共享库的设计包括以下几部分： 数据的存储设计：合理的存储结构设计使实时共享库能够有效地利用宝贵 地内存资源，提高内存资源利用率。 数据索引段的设计：良好的索引技术的应用，将大大提高共享存储效率， 尽可能避免在查找上浪费系统宝贵的时间。 并发控制的设计：多进程对共享内存的访问，会涉及到并发访问的问题。 合适的并发控制将保证数据的完整和一致，也可以使系统运行的更加正常，避免 出现意外的冲突。 与o r a c l e 数据库的接口设计：实时共享库与o r a c l e 数据接口使用的是 p r o * c c + + ，进行数据库的操作。 ( 3 ) 离线数据库与实时数据库的关系 为了解决关系数据库的存储效率不高，不适应对实时性要求较高的在线运 算的问题。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。离线数据库与实时数据库之间的关系如图2 3 所示： 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，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来实现。 电力模型计算程序在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是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。 山东大学硕士学位论文 第三章数据库基本概述 3 1 数据文件的组织】 3 1 1 文件组织 所谓文件组织，就是按一定的逻辑结构( 如顺序结构、树结构、h a s h 结构 等) 把有关联的数据组织为文件( 成为逻辑文件) ，并用体现这种逻辑结构的物 理存储形式把文件中的数据存放到存储设备上，使之构成物理文件的机构。物理 文件是数据库物理存在的基本单位，是数据库访问程序的操作对象。对数据库的 任何检索、插入、删除、修改访问，最终都将转换为在物理文件上的相应操作。 文件组织的目标是。根据用户和系统设计的要求，组织时空综合性能最佳、 易于维护的文件，为数据库提供方便、灵活的文件访问。文件性能的衡量包括文 件的存储空间利用率、在文件上执行操作的时间消耗、维护文件和重新组织文件 的耗费等几个方面。 3 1 2 文件组织方法 文件组织按照其数据逻辑组织的结构和操作方法分为简单无索引文件、索引 文件、h a s h 文件。 ( 1 ) 简单无索引文件：例如流水文件，顺序文件属于此类。流水文件是最简 单的文件组织方法，它是按照数据到达文件的时间顺序一次连续地存储数据，记 录的类型即可相同，也可不同。显然对其进行查找操作费时，因为不管记录位于 文件何处，查找一个记录平均要读取半个文件。而顺序文件的记录逻辑上是按主 关键字值的顺序排列地，文件记录的查找可以利用分块。二分法算法查找，这样 更大地提高查询速度，但对于插入一个新的记录却比较困难，因为既要保持文件 记录按主关键字值顺序排列，又要保持向量结构，而向量结构并没有为插入记录 保留空间，所以要把插入点以后地所有记录顺序后移，以便为新记录腾出空间。 因此，插入一个新记录，在找到插入点后平均还要读、写文件中的半数记录，也 是非常的耗费时间。 ( 2 ) 索引文件：索引文件按其组织方法分为：索引顺序文件和索引无序文件。 索引文件就是简单无索引文件的基础上加上一层索引文件和几层索引文件，提高 山东大学硕士学位论文 查询效率。典型的顺序索引文件有i b m 的i s a m ( i n d e x e ds e q u e n t i a la c c e s s m e t h o d ) 和v s a m ( v i r t u a ls t o r a g ea c c e s sm e t h o d ) ，前者依赖于具体的设备， 后者独立于具体的设备。用于组织大型索引文件主要运用了b 一树、b + 树索引文 件。 ( 3 ) h a s h 文件：h a s h 方法较普遍地用于造表，其涵义为“散列”，又成之为 散列表。其思想就是把关键码送给一个散列函数，产生一个散列值，这个值平均 分布在一个适当地整数区间中。散列值被用作存储信息的表的下标。 假定h a s h 文件准备的存储空间分为主数据区与溢出区。设主数据区由m 个 桶( b u c k e t ) 组成，编号为0 、1 、2 、m l 。每个包含一个或多个数据块， 各个桶的体积相等如图3 1 所示： r幢哥魅址 o h - 、一 l 一 _ 一_ 、 hj - 图3 1 散列文件的存储空间 当文件有n 个记录时，h a s h 方法利用记录的主关键字来直接计算它的存储 地址。以记录的主关键字k 为自变量，构造一个h a s h 函数h ( k ) 或h a s h 算法， 该函数之值即为记录存储的桶号。由于h a s h 函数不是一一对应，不同的关键字 可能对应于相同的h a s h 值，即存在：k i k ：，但h ( k 。) = h ( k2 ) 的情况。故处理溢 出是h a s h 文件面临的一个重要问题。传统的解决方法有以下几种： ( 1 ) 开寻地址( o p e na d d r e s s i n g ) 这种方法不设立溢出区，只有主数据区。当记录k 应放入的桶h ( k ) 已满时， 将记录k 放到h ( k ) 以后的第j 个桶中，若桶h ( k ) + j 也满，则放到桶号h ( k ) + 2 j 的桶中，直到把记录k 放下为止。如果出现h ( k ) + n j m l ，则改为按桶号( h ( k ) + n j ) m o dm 存放。 ( 2 ) 分离溢出区 山东大学硕士学位论文 这利1 方法是把溢出桶集中到一个与主数据区相分离的溢出区中，当主数据区 某个桶i 已满，而新记录k ( h ( k ) = i ) 又要放入其中时，选取一个溢出桶存放记录 k ，并在桶i 中填上指向该溢出区桶的指针。如果溢出桶已满则再找一个溢出桶， 把溢出链伸向新的溢出桶。 ( 3 ) 分布式溢出空间 这种方法是把溢出桶分布到主数据区中。在主数据桶有溢出时，把记录放进 紧接于其后的溢出桶中，若溢出桶也溢出，再放到下一个溢出桶中，依此类推。 以上三种方法是传统的解决冲突的办法，在本文的第六章中，结合实时共 享库的设计要求，提出新的实用于实时共享库的解决办法。 3 ，2 关系数据库理论 3 2 1 关系数据结构h i 2 1 1 关系模型的数据结构非常单一，在用户看来，关系模型中数据的逻辑结构 是一张扁平的二维表。但关系模型的数据结构能够表达丰富的语义，描述出显示 世界的实体以及实体间的各种联系。从集合论角度给出关系数据结构的形式化定 义如下。 ( 1 ) 域( d o m a i n ) 定义：域是一组具有相同数据类型的值的集合。 ( 2 ) 笛卡儿积( c a r t e s i a np r o d u c t ) 定义：给定一组域d ，d2 ，d 。，其笛卡儿积为d 。 x d 2 d 。= ( d l ，d2 ，d 。) 1d ，d j ，i 。l ，2 ，n ) 其中每一个元素( d 1 ，d2 ，d 。) 叫做一个n 元组( n t u p l e ) 。 ( 3 ) 关系( r e l a t i o n ) 定义：d ，d ：d 。的子集叫做在域d 。，d2 d 上的关系，用r ( d 。， d ，d 。) 表示。这里r 表示关系的名字，n 是关系的目或度( d e g r e e ) 。 若关系中的某一属性组的值能唯一的标识一个元组，而其真子集不行，则称 酸属性组为候选码( c a n d i d a t ek e y ) 。 若一个关系有多个候选码，则选定其中一个为主码( p r i m a r yk e y ) 。候选码 的属性称为主属性( p r i m ea t t r i b u t e ) 。不包含在任何候选码中的属性称为非码 属性( n o n k e ya t t r i b u t e ) 。 山东大学硕士学位论文 3 2 2 数据库规范化【1 9 l 【2 1 l 数掘库的规范化问题主要设计到数掘依赖，范式( n o r m a lf o r m ) ，模式设计 方法。 ( 1 ) 函数依赖 用u 表示属性集的全集 a 1 ，a 2 ，a n ) ，设r ( u ) 是属性集u 上的关系模 式。x ，y 是u 的子集。若对于