外文翻译译文-SCADA电力系统的实时数据库管理概述

SCADA电力系统的实时数据库管理概述JianWu,YongCheng,andNoelN.Schulz密西西比州立大学电气与计算机工程系摘要：监督控制和数据采集（SCADA）系统是用来监测，运行和维修电网的能源基础设施的通信和控制系统。相对于传统的应用，SCADA系统对关键的任务有一个苛刻的最后期限。在SCADA系统中使用的实时数据库有特殊的时间限制。SCADA中的实时数据库把传统数据库扩展到包括了内存数据库。这种实时数据库管理是设计在恶劣环境下的实时系统中运行的，对资源利用有严格的要求，并准备提供实际应用要求的性能和可靠性。在这篇论文中，已经介绍了实时数据库主要的原理，讨论了电力系统SCADA的实施，简单介绍了一个示例数据库。关键词：SCADA系统；实时；数据库；内存数据库1.引言监督控制和数据采集（SCADA）系统是用来监测，运行和维修电网的能源基础设施的通信和控制系统。相对于传统的应用，SCADA系统对关键的任务有一个苛刻的最后期限。它有不同的特点：系统必须保持大量的共享数据和控制数据；SCADA系统每次的实时任务都有严格的时间要求，而用来分析和处理的数据是根据时间变化而变化的。实时数据生命周期短，例如：所有远程测量和远程信号的数据必须每隔5秒更新一次，基于过时数据的决定或推论是无效的1,2。因此，用于SCADA系统的数据库是有特殊的时间限制的。该数据库应该能够处理持续静态数据，保持其完整性和一致性，应该能够在处理过程中其时间限制内处理动态数据，确保数据访问的一致和效率3,4。这种数据库被列为实时数据库。数据及其处理实时SCADA数据库有苛刻的时间限制。其精确度不仅仅依赖于业务逻辑的结果，还由合乎逻辑的推论是否在特定的间隔内完成来决定。因此，我们需要结合实时理论和传统的数据库技术来实现在SCADA系统中的实时数据库。2.实时数据库实施中的技术问题如同传统数据库管理系统，实时数据库系统（RTDBMS）作为数据储存库，并提供了有效地存储，负载和数据操纵。他们必须具备一般数据库系统的基本功能。此外，为了满足被管理数据，交易的时间限制和性能的时间上的要求。实时数据库应该支持在线查询，定位，删除和插入。内存数据库通常用来实现速度的要求。实时数据库的功能可以概括如下3,4：提供与整个能源管理系统（EMS）分享数据的平台。提供开放的数据库接口，实现数据库的功能，如：快速加载，输入，删除，查询和存取。提供快照，历史数据存储，复制和再利用。提供有效性检查。提供安全保护。为了实现实时数据库的功能，有几个实时数据库实施的技术问题阐述如下。2.1实时数据库的模型设计与实施关系数据库擅长于数据呈现和管理。当关系学数据库被用于SCADA系统时，它是一个大型的复杂的实时系统，有数据管理，监测，分析和决策的功能，以及一些缺点的暴露。例如，自从电力系统应用的不同厂商独立地开发实时数据库，就没有标准的数据呈现，这就导致了一体化问题。由电力科学研究院（EPRI）提出的公共信息模型（CIM）可以用来解决这个问题5。2.2实时任务调度和并发控制除了像在传统数据库中一样维持数据库一致性，实时数据库系统还必须在时间限制内处理交易。调度实时交易比传统的实时调度更复杂。系统必须保证关键时刻的任务要尽早执行。也就是说，系统应该能够优先调度交易的执行顺序2。2.3数据存储和共享内存管理传统磁盘数据库操作是基于磁盘I/O操作的，但是磁盘I/O操作的时间延迟和不确定性有时对实时任务是致命的。因此，实时数据库的另一个重要问题是消除时间延迟和不确定性。这需要数据库内存的支持。为了确保实时任务访问数据库快速，准确，有两个问题应该得到解决6：保证所有负载和存储的关键任务只在内存中发生。人物之间实现数据共享。2.4数据库的安全和恢复如果数据库系统崩溃，传统的数据库系统会使用日志来使数据库恢复到它崩溃时的状态，但是，实时数据库的恢复由于以下事实而更复杂3：恢复的过程阻碍了访问数据库的实时任务并且导致了实时任务的超时。主动的实时任务有可能访问短暂的数据并做出错误的决定。在实时数据库中很多数据是暂时的，不稳定的。有时，数据的不一致和不正确的影响是暂时的，不连续的。例如：不正确的遥测只会影响在相同时间间隔发生的状态估计，而不会在那个间隔之后。因此，不同类型崩溃的数据的恢复时间取决于所使用数据的应用。3数据对象调度系统分类在实时数据库中建立一个数据模式之前有必要知道数据对象的特点。在SCADA系统中的数据可以分为三种类型的数据对象：实时数据对象，静态数据对象和派生数据对象1,2,3。3.1实时数据对象例如远程测量和遥控信号的实时数据反映了电力系统的状态。数据的共同特点是严格的时间限制。该数据被定期写入实时数据库中。实时数据对象与时间戳和生命周期相关。他们是唯一对响应采样时间有效的。远程终端装置的样本查询任务和写入数据库是由下一节所述的实时任务调度管理来管理的。一旦实时数据对象的值被写入数据库中，就不能被其他任务改变了。新的样本数据将作为一个新的数据对象被储存在一个实时数据库中5。3.2静态数据对象静态数据对象是不变的。在实时数据库中它是一个特殊的数据类型，它的值不会随时间变化。和数据相关的时间戳是系统的创建时间或重建时间。这种类型的数据在SCADA系统中分布广泛，例如输电线路和变压器阻抗参数。3.3派生数据对象派生数据对象是由一组实时数据对象和其他数据对象计算而来的。因此，派生数据对象也有时间戳和生命周期。派生数据对象的时间戳是推导的时间。这种类型数据的生命周期是这种派生时间和下个派生时间之间的时间间隔。数据库中的派生数据对象的值可能被更新。它的值可能被保存或不取决于它的功能。这种类型的数据包括电网网络模型，规模和母线电压的角度，还有从能源管理系统的状态估计中获得的支路电流。数据可以成为一个模块或者某些人物的原始数据的解决方案。4实时数据库系统结构为了支持上述功能，实时数据库可以是传统的关系数据库和集成的内存数据库的结合。总体结构见图11,2。它包括实时任务调度管理，内存数据库的I/O调度和关系数据库。实时应用实时任务调度管理数据库模型管理数据操作实时资源管理网络通信I/0调度关系数据库在内存中的数据库图1实时数据库系统结构实时任务调度管理提供了实时任务活动之间的协调来访问实时数据库。内存数据库存储了内存中数据的主要有效范围来避免磁盘I/O在实时业务的实施，提高实施效率。这就是数据库的核心部分。详细阐述将在第五部分呈现。在这个体系结构中关系数据库可以用作进一步发展的接口，以及内存数据库的存储媒介。I/O调度是负责内存数据库和关系数据库的数据同步，通过它实时数据库就可以天衣无缝的和传统数据库结合起来。4.1实时任务调度管理在SCADA系统里，实时任务之间有嵌套，沟通和合作的关系。一个任务的派生数据对象有可能是另一个任务的输入数据对象。数据对象和任务是相互依赖的。有必要协调实时任务的活动。任务调度管理应该提供下列功能来共享数据库资源和协调冲突8：在固定的世界开始停止任务。允许设置条件来触发任务。指定任务之间的执行顺序。约束全球性任务的实例数。4.2I/0的调度I/0调度负责内存数据库与关系数据库的数据同步。内存数据库和关系数据库有一对一的关系。一个关系数据库中的数据需要自动与内存数据库同步。决定何时将一个关系数据库中的数据写入一个内存数据库以及何时把关系数据库中的数据输出到内存数据库是很重要的。没有一个普遍的解决方法。一个可行的方法就是在一个关系数据库和一个内存数据库之间的双方向中提供定期更新和强制关系的方法。对于不同的应用，根据这两种方法的特点可以用于不同的对象。5内存数据库内存数据库是一个实时数据库的核心部分。它的功能包括数据模型，数据操作，实时资源管理和网络沟通。传统的数据库是基于磁盘的数据库。它的处理时间是非确定性的，因为它涉及磁盘访问，内部和外部存储的数据传输，缓冲区管理，轮候名单和锁定管理。这种特性使传统数据库系统不能实现实时交易的高效率和时间确定性的要求。因此，内存数据库的采用使内存中大多数交易的进行成为了可能，这避免了磁盘I/O实时交易，并降低了不确定性，提高了效率6,8。5.1数据库的数据模型作为关系数据库的扩展，内存数据库和关系数据库相似。表是内存数据库的关键部分。一个表描述了一组同一类型数据对象的整体。在关系数据库中表是二维的，而在内存数据库中表可以是多维的。虽然二维的表的设计和操作看似简单，但是当对历史或某个性能做数据分析时，这需要多个表的复杂的连接5。多维表结构的采用允许内存数据库处理历史或某个性能的数据，并节约内存的存储空间。此外，它加快用户从任何方面访问数据，便于数据分析。5.2实时资源管理5.2.1数据存储形式的分类在数据库中有两种形式的数据存储，它们是在内存数据库中的存储和在磁盘中的存储。在SCADA系统里，数据的数量山谷极其巨大的。不是所有的数据都必须放入内存数据库。根据以下数据特点，数据存储形式可分为3：及时性：在实时数据库中每个数据对象都有一个生命周期生命周期断的数据必须保存在内存数据库。有效性：频繁访问的数据必须存储在内存数据库。关键性质：为了确保系统的效率，关键数据应该保存内存数据库。5.2.2数据库中的数据安全和恢复在恢复过程中实时任务不能被打断，这就意味着数据恢复不应当影响实时系统的运作。通常传统数据库都用回传部分来存储。但是这个方法要满足实时要求是很难的。一种简单可靠的恢复方法是为必要数据创造一个镜像数据库。镜像数据库能够备份本地或其他点网络的整个数据库。当数据在本地站点崩溃时，数据可以存储到备份网点，这增强了必要的数据安全7。5.3数据库操作5.3.1快速访问接口快速数据访问是实时数据库的基本要求。为了增强系统分析和决策软件的操作效率，实时系统需要提供一个快速的数据库访问接口。通过这个借口，数据库访问效率可以和内存变量操作相同。可能的实现是映射数据库整个分区到共享的内存中。通过应用程序接口（API）返回C结构中的结果。这一机制提供了有效的数据处理能力，并环游数据库安全和完整性的检查，这带来了一定程度的风险。然而，实时数据库的这个接口设计的指导路线是得到部分但及时的数据，而不是准确但过时的数据。因此，这种风险是可以容忍的1,2。5.3.2标准I/O为了弥补的快速访问接口的不足，数据库可以提供另一种访问接口-标准I/O。此访问接口需要提供数据库的安全性和数据完整性检查。它也需要提供一个有效的网络访问机制和严格的并发控制。由于数据库中的任何数据操作必须与数据库服务器互动，这种访问机制和快速访问接口相比已经降低了效率。这种机制可用于分布式应用程序，人机界面（HMI）和其他应用程序接口1,2。5.4通信实时数据库网络通信的基本要求是高效率和可靠性。很多机制，如客户机/服务器交互，流式传输，以及在其他站点创建镜像数据库都可以用来实现数据的分布。这些机制有不同的优点和缺点，适用于不同的应用领域7,8,9。5.4.1客户机/服务器交互在客户机/服务器交互通信中，客户端通过本地实时数据库访问远程数据库（服务器）。每次访问都有客户端和远程服务器的一系列交互作用来建立连接。这是用于大多数数据库管理系统的客户机/服务器的典型的应用。由于信息的大小，互动频率高，很容易导致网络负担过重，效率低，服务器过载。客户机/服务器交互的优势是数据库之间没有必要数据同步，并且它适用于少量的实时数据共享。5.4.2流式传输和客户机/服务器交互相似，流式传输根据要求传递数据到客户端。三十流式传输的基本原则是服务器将根据要求通过客户端的首次连接来定期向客户端传递数据。因此，它可以避免客户机/服务器的频繁连接建立过程。还有，服务器可以根据客户端需要来重组信息，从而增加平均信息大小，减小通过网络的框架。因此传输效率就增加了。5.4.3镜像数据库在其他站点的创建不同的镜像数据能够有效地保持数据同步。当大量的数据转移时，特定的程序便可应用了。对镜像数据而言，主要的原则是数据库的某个基本单元，例如，整体数据库，局部数据库或如其它站点表格。用镜像数据库指定其它节点这种技术有利于快速启动一个节点上的SCADA系统。此外，它还能有助实现快速更新远程数据库。6.实时数据库的安装启用由于能源管理系统的设计必须围绕严格的实时性要求，正如以上所述，用特定的专利数据库来适应高交易率，大信息容量，以及能源管理系统环境的数据特征的多样性。同时，使实时数据库插件与应用软件兼容，有必要提供数据访问的标准接口10。个领先实时数据库就是由OSIsoft开发的PI系统。PI系统是一个用来对数据收集，存储和监控的大型实时/历史数据库。PI数据库采用摆动门压缩和特别过滤技术来处理原始数据，然后再进入档案，并实现高效率的归档存储，而不会丢失重要数据。PI系统库平台还通过其数据访问包(DAP)来提供标准数据接口,DAP包括API,SDK,ODBC和OLEDB。117.小结SCADA系统中的实时数据库扩展传统数据库到内存中的数据库。由于能源使用的严格要求，这种实时数据库被设计在艰苦环境中操作，并准备提供性能和在现