基于实时分布式数据库的轨道交通电力监控系统研究

1 引言

　　电力监控系统是对分布距离远，生产单位分散的生产系统的一种数据 采集、监视和控制系统。

经过20多年的发展，已经从集中式的检测系统，发展成为了开放、分布式的系统。随着系统功能的不断增多、应用领域的不断拓宽和系统规模的不断增大，电力监控系统对其支撑平台和开发环境的要求也越来越高。特别是随着通讯技术和数据库技术的迅猛发展，给电力监控系统的发展和进步也带来了很大的促进作用。本文通过对现有电力监控技术的分析，指出其不足，并利用分布式实时数据库技术，采用新的架构，对其进行了改进。

2 分布式实时数据库监控系统

2.1 实时数据库的体系结构

实时数据库首先是一个数据库管理系统，它有一般dbms的基本功能，即：永久数据管理包括数据库的定义、存储和维护等；有效的数据存取包括各种数据库操作、查询处理、存取方法和完整性检查；任务的调度与并发控制；存取控制和安全性检查；数据库恢复机制，增强数据库的可靠性。

图1 实时数据库结构

实时数据库管理系统的首要设计目标是满足事务的实时性和高效性，因而实时数据库是传统数据库与实时处理两者功能特性的无缝集成。图1说明了应用程序和实时数据库的关系。由于实时数据库都驻留在计算机内存中，而非磁盘，高速的内存读存取，可以发挥实时数据库的特点。

内存数据库是实时数据库的核心之一，它包括数据库数据模型、数据操作、实时资源管理和网络通信等模块。传统的数据库是一种磁盘数据库，对于事务的处理牵涉磁盘i/o、内外存的数据传递、缓冲区管理、排队等待以及锁的延迟等方面，使得事务的平均执行时间不可估计，不能达到实时事务的高效和可预知的要求。为此，引入了内存数据库，使得数据库的主要工作部分放入内存，使每个实时事务执行过程中避免了磁盘i/o，减少了不确定因素提高了执行效率。

2.2 系统硬件结构

图2 分布式数据库电力监控系统网络

如图2所示网络结构，通过在rtu和网络的各个节点上安装实时分布式数据库，组建电力监控系统。这一系统模型的关键是数据域和广播的通讯方式。rtu本身采用嵌入式数据库技术设计，系统中的每个单元都主动地向网络广播其内部处理信息同时根据各自的需求从网上接收信息。各台设备相互之间没有直接的耦合关系， 不存在瓶颈的问题 。使得系统具有很好的扩展性和容错能力，简化了结构又提高了可靠性。

图3 传统的电力监控系统网络

从图3 可以看出，原有的电力监控系统由: 前置网、后台实时网组成。前置机和现场rtu都连接在实时数据网上。历史服务器、web服务器、操作员站、工程师站共用一个后台高速以太网。

两台互为热备用的前置机挂在前置网上，构成前置数据采集系统，负责与远方rtu通信，进行规约转换，并直接挂接在实时双网上，与后台系统进行通信。

实时网组成后台系统，负责与前置数据采集系统通信，完成电力监控的后台应用。

商用关系数据库系统(oracle或sybase)安装在服务器上，采用多客户/(主、备)服务器模式，数据库服务器节点由一主一备结构构成，以提高系统数据的安全性和可靠性。电力监控的历史数据库和系统参数数据库使用商用数据库。为满足实时性的要求，在前置机上安装实时数据库。利用实时库的快速反应性能，对实时数据进行处理。

可以看出原有的，传统的电力监控系统结构，是实时数据库、商用数据库之间相互结合，通过软件数据总线实现数据联结。可以满足监控系统的技术要求。但其也有缺点，比如系统的可靠性，太多的倚赖服务器的可靠性，冗余度不高，影响了系统的可靠性；硬件需要采用国际知名品牌的服务器、工作站，软件采用昂贵的商用数据库，成本过高。

　　2.3 分布式数据库电力监控系统系统特点

通过对比传统的监控系统结构和利用了分布式数据库技术的监控系统，可以发现，分布式数据库电力监控系统具有以下的优点：

(1) 所有的设备都挂在一个网上，简化了网络结构，提高了可靠性。

(2) 取消了专用的前置机， 消除了系统瓶颈，各台计算机根据各自需要从实时网上获取自身需要的数据。

原先的双冗余前置机配置，虽说可以提高冗余度和可靠性，但分散度不够，系统还是在此有瓶颈。 新的系统结构可以完全消除这种风险。

(3) 对于历史数据服务器， 改进了原有的双机热备冗余配置。 网络上的每台机器可以按照优先级，将其配置为历史服务器，

正常情况下由一台机器进行历史数据记录，在其故障的情况下，自动切换到下一个优先的机器上。可以进行多重冗余配置。

(4) 扩展灵活。 各台机器不需要安装商用数据库的客户端软件，在增加新操作员站或对老的机器进行更新维护时，会更方便。

(5)降低了对运营，维护人员的要求。原有的c/s架构系统，由于采用了冗余软件，商用大型数据库等技术，因此系统的管理维护，需要由具有很深厚技术功底的人员才能够胜任。采用分散数据库技术后，因为系统的可靠性大幅提升，方便的在线扩展性，使得对系统维护人员的要求降低。

2.4 新架构在轨道交通电力监控系统中的应用

基于分散式数据库技术的电力监控系统，系统功能更为分散，冗余度更好，可靠性更高。由于采用了对等式的体系结构，各节点之间是完全平等的，不再过分的倚赖服务器，可以说每个节点都是服务器，很好的达到了功能的分散，同时也分散了风险。而传统系统的服务器一旦故障，整个系统将瘫痪。采用的预先定义优先级，可以保证系统的服务不因为某一台机器的故障而中止，多级配置使得冗余度远大于主备冗余系统。

这样的结构，因为功能的分散和冗余度的提高，可采用一般的工控机，代替了专用的、昂贵的数据服务器，减少了硬件投资。每台工控机都可以承担服务器的角色，采集各个变电站上送的三遥信息，并能对降压站和牵引站的电气设备进行控制管理。减少高档服务器和阵列的采购，能节省很大一笔硬件投资，并且还不影响整个系统的可靠性。

嵌入式数据库的数据压缩技术，使得数据的存储容量要求减少，不需要再采用大型商用数据库，减少了在数据库软件上的投入。

新的架构适用于新建的电力监控系统，便于统一规划，采用新的rtu设备，新的网络通讯技术。老的电力监控系统受通信系统的限制，很多的rtu采用的是串口通信，如果要接入新系统，需要对老rtu进行升级改造。

新建的地铁线路，一般由电力监控系统自己进行光纤以太通讯环网的建设，满足自己通讯的需要。高带宽的以太网，可以很好的和新架构的电力监控系统相融合，满足这种平等架构的网络结构的要求。

控制中心侧的设备和变电站侧的设备都直接连在以太网上，是等同的节点，在hmi上的操作完全由软件来进行权限安全管理。如果rtu采用windows操作系统的hmi，通过远端操作软件可以对rtu进行远端的访问管理，可以节省很多的人力成本。

综合以上所述，采用新架构的电力监控系统，对于提高地铁电力监控系统的可靠性，减少系统建设投入都具有现实的意义。