基于實(shí)時(shí)分布式數據庫的軌道交通電力監控系統研究

1 引言

　　電力監控系統是對分布距離遠，生產(chǎn)單位分散的生產(chǎn)系統的一種數據 采集、監視和控制系統。

經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，已經(jīng)從集中式的檢測系統，發(fā)展成為了開(kāi)放、分布式的系統。隨著(zhù)系統功能的不斷增多、應用領(lǐng)域的不斷拓寬和系統規模的不斷增大，電力監控系統對其支撐平臺和開(kāi)發(fā)環(huán)境的要求也越來(lái)越高。特別是隨著(zhù)通訊技術(shù)和數據庫技術(shù)的迅猛發(fā)展，給電力監控系統的發(fā)展和進(jìn)步也帶來(lái)了很大的促進(jìn)作用。本文通過(guò)對現有電力監控技術(shù)的分析，指出其不足，并利用分布式實(shí)時(shí)數據庫技術(shù)，采用新的架構，對其進(jìn)行了改進(jìn)。

2 分布式實(shí)時(shí)數據庫監控系統

2.1 實(shí)時(shí)數據庫的體系結構

實(shí)時(shí)數據庫首先是一個(gè)數據庫管理系統，它有一般dbms的基本功能，即：永久數據管理包括數據庫的定義、存儲和維護等；有效的數據存取包括各種數據庫操作、查詢(xún)處理、存取方法和完整性檢查；任務(wù)的調度與并發(fā)控制；存取控制和安全性檢查；數據庫恢復機制，增強數據庫的可靠性。

圖1 實(shí)時(shí)數據庫結構

實(shí)時(shí)數據庫管理系統的首要設計目標是滿(mǎn)足事務(wù)的實(shí)時(shí)性和高效性，因而實(shí)時(shí)數據庫是傳統數據庫與實(shí)時(shí)處理兩者功能特性的無(wú)縫集成。圖1說(shuō)明了應用程序和實(shí)時(shí)數據庫的關(guān)系。由于實(shí)時(shí)數據庫都駐留在計算機內存中，而非磁盤(pán)，高速的內存讀存取，可以發(fā)揮實(shí)時(shí)數據庫的特點(diǎn)。

內存數據庫是實(shí)時(shí)數據庫的核心之一，它包括數據庫數據模型、數據操作、實(shí)時(shí)資源管理和網(wǎng)絡(luò )通信等模塊。傳統的數據庫是一種磁盤(pán)數據庫，對于事務(wù)的處理牽涉磁盤(pán)i/o、內外存的數據傳遞、緩沖區管理、排隊等待以及鎖的延遲等方面，使得事務(wù)的平均執行時(shí)間不可估計，不能達到實(shí)時(shí)事務(wù)的高效和可預知的要求。為此，引入了內存數據庫，使得數據庫的主要工作部分放入內存，使每個(gè)實(shí)時(shí)事務(wù)執行過(guò)程中避免了磁盤(pán)i/o，減少了不確定因素提高了執行效率。

2.2 系統硬件結構

圖2 分布式數據庫電力監控系統網(wǎng)絡(luò )

如圖2所示網(wǎng)絡(luò )結構，通過(guò)在rtu和網(wǎng)絡(luò )的各個(gè)節點(diǎn)上安裝實(shí)時(shí)分布式數據庫，組建電力監控系統。這一系統模型的關(guān)鍵是數據域和廣播的通訊方式。rtu本身采用嵌入式數據庫技術(shù)設計，系統中的每個(gè)單元都主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò )廣播其內部處理信息同時(shí)根據各自的需求從網(wǎng)上接收信息。各臺設備相互之間沒(méi)有直接的耦合關(guān)系， 不存在瓶頸的問(wèn)題 。使得系統具有很好的擴展性和容錯能力，簡(jiǎn)化了結構又提高了可靠性。

圖3 傳統的電力監控系統網(wǎng)絡(luò )

從圖3 可以看出，原有的電力監控系統由: 前置網(wǎng)、后臺實(shí)時(shí)網(wǎng)組成。前置機和現場(chǎng)rtu都連接在實(shí)時(shí)數據網(wǎng)上。歷史服務(wù)器、web服務(wù)器、操作員站、工程師站共用一個(gè)后臺高速以太網(wǎng)。

兩臺互為熱備用的前置機掛在前置網(wǎng)上，構成前置數據采集系統，負責與遠方rtu通信，進(jìn)行規約轉換，并直接掛接在實(shí)時(shí)雙網(wǎng)上，與后臺系統進(jìn)行通信。

實(shí)時(shí)網(wǎng)組成后臺系統，負責與前置數據采集系統通信，完成電力監控的后臺應用。

商用關(guān)系數據庫系統(oracle或sybase)安裝在服務(wù)器上，采用多客戶(hù)/(主、備)服務(wù)器模式，數據庫服務(wù)器節點(diǎn)由一主一備結構構成，以提高系統數據的安全性和可靠性。電力監控的歷史數據庫和系統參數數據庫使用商用數據庫。為滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求，在前置機上安裝實(shí)時(shí)數據庫。利用實(shí)時(shí)庫的快速反應性能，對實(shí)時(shí)數據進(jìn)行處理。

可以看出原有的，傳統的電力監控系統結構，是實(shí)時(shí)數據庫、商用數據庫之間相互結合，通過(guò)軟件數據總線(xiàn)實(shí)現數據聯(lián)結?？梢詽M(mǎn)足監控系統的技術(shù)要求。但其也有缺點(diǎn)，比如系統的可靠性，太多的倚賴(lài)服務(wù)器的可靠性，冗余度不高，影響了系統的可靠性；硬件需要采用國際知名品牌的服務(wù)器、工作站，軟件采用昂貴的商用數據庫，成本過(guò)高。

　　2.3 分布式數據庫電力監控系統系統特點(diǎn)

通過(guò)對比傳統的監控系統結構和利用了分布式數據庫技術(shù)的監控系統，可以發(fā)現，分布式數據庫電力監控系統具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

(1) 所有的設備都掛在一個(gè)網(wǎng)上，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )結構，提高了可靠性。

(2) 取消了專(zhuān)用的前置機， 消除了系統瓶頸，各臺計算機根據各自需要從實(shí)時(shí)網(wǎng)上獲取自身需要的數據。

原先的雙冗余前置機配置，雖說(shuō)可以提高冗余度和可靠性，但分散度不夠，系統還是在此有瓶頸。 新的系統結構可以完全消除這種風(fēng)險。

(3) 對于歷史數據服務(wù)器， 改進(jìn)了原有的雙機熱備冗余配置。 網(wǎng)絡(luò )上的每臺機器可以按照優(yōu)先級，將其配置為歷史服務(wù)器，

正常情況下由一臺機器進(jìn)行歷史數據記錄，在其故障的情況下，自動(dòng)切換到下一個(gè)優(yōu)先的機器上?？梢赃M(jìn)行多重冗余配置。

(4) 擴展靈活。 各臺機器不需要安裝商用數據庫的客戶(hù)端軟件，在增加新操作員站或對老的機器進(jìn)行更新維護時(shí)，會(huì )更方便。

(5)降低了對運營(yíng)，維護人員的要求。原有的c/s架構系統，由于采用了冗余軟件，商用大型數據庫等技術(shù)，因此系統的管理維護，需要由具有很深厚技術(shù)功底的人員才能夠勝任。采用分散數據庫技術(shù)后，因為系統的可靠性大幅提升，方便的在線(xiàn)擴展性，使得對系統維護人員的要求降低。

2.4 新架構在軌道交通電力監控系統中的應用

基于分散式數據庫技術(shù)的電力監控系統，系統功能更為分散，冗余度更好，可靠性更高。由于采用了對等式的體系結構，各節點(diǎn)之間是完全平等的，不再過(guò)分的倚賴(lài)服務(wù)器，可以說(shuō)每個(gè)節點(diǎn)都是服務(wù)器，很好的達到了功能的分散，同時(shí)也分散了風(fēng)險。而傳統系統的服務(wù)器一旦故障，整個(gè)系統將癱瘓。采用的預先定義優(yōu)先級，可以保證系統的服務(wù)不因為某一臺機器的故障而中止，多級配置使得冗余度遠大于主備冗余系統。

這樣的結構，因為功能的分散和冗余度的提高，可采用一般的工控機，代替了專(zhuān)用的、昂貴的數據服務(wù)器，減少了硬件投資。每臺工控機都可以承擔服務(wù)器的角色，采集各個(gè)變電站上送的三遙信息，并能對降壓站和牽引站的電氣設備進(jìn)行控制管理。減少高檔服務(wù)器和陣列的采購，能節省很大一筆硬件投資，并且還不影響整個(gè)系統的可靠性。

嵌入式數據庫的數據壓縮技術(shù)，使得數據的存儲容量要求減少，不需要再采用大型商用數據庫，減少了在數據庫軟件上的投入。

新的架構適用于新建的電力監控系統，便于統一規劃，采用新的rtu設備，新的網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)。老的電力監控系統受通信系統的限制，很多的rtu采用的是串口通信，如果要接入新系統，需要對老rtu進(jìn)行升級改造。

新建的地鐵線(xiàn)路，一般由電力監控系統自己進(jìn)行光纖以太通訊環(huán)網(wǎng)的建設，滿(mǎn)足自己通訊的需要。高帶寬的以太網(wǎng)，可以很好的和新架構的電力監控系統相融合，滿(mǎn)足這種平等架構的網(wǎng)絡(luò )結構的要求。

控制中心側的設備和變電站側的設備都直接連在以太網(wǎng)上，是等同的節點(diǎn)，在hmi上的操作完全由軟件來(lái)進(jìn)行權限安全管理。如果rtu采用windows操作系統的hmi，通過(guò)遠端操作軟件可以對rtu進(jìn)行遠端的訪(fǎng)問(wèn)管理，可以節省很多的人力成本。

綜合以上所述，采用新架構的電力監控系統，對于提高地鐵電力監控系統的可靠性，減少系統建設投入都具有現實(shí)的意義。

3 結束語(yǔ)

與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和通訊技術(shù)緊密結合的電力監控監控系統，通過(guò)采用新技術(shù)，提高系統的各項性能。以高可靠性，可維護性來(lái)贏(yíng)得用戶(hù)的青睞。降低了系統的投資，減少系統的風(fēng)險，同時(shí)又能提高系統的性能，滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。