PI实时数据库在福建电网WAMS的应用研究

FUJIAN DIAN LI YU DIANG ONG
第28卷第2期2008年6月
IS S N 1006-0170CN 35-1174/
TM
PI 实时数据库在福建电网WAMS 的应用研究
陈雪净
郭其秀
（福建电力调度通信中心，福建福州350003）
摘要：为建设福建电网广域测量系统，对数据规模进行了分析；针对系统海量和快速数据处理能力的需求，对PI 实时动态数据库的特性进行分析；研究利用PI 实时数据库提升福建电网WAM S 整体性能的方案。

关键词：广域测量系统（WAM S ）；PI 实时数据库；SCADA 系统；网络通信流量；历史库存储容量中图分类号：TM73
文献标识码：B
文章编号：1006-0170（2008）02-0030-041引言
广域测量系统（Wide-Area M easurement System,WAM S ）的出现，给大规模互联电网的运行和控制提供了新视角，一定程度上缓解了大规模互联电网动
态监视、分析与控制的困难。

WAM S 的外部基本单元为基于全球定位系统（Glo bal Positioning System,GPS ）的同步相量测量单元（Phaso r M easurement Unit ，PM U ）和连接各PM U 的实时通信网络，其核心是中心数据站及其上的应用。

借助高速计算机和高速通信网络，在同一参考时间框架下，高精度捕捉大规模互联电网的实时动态数据，再通过主站软件对电力系统动态行为进行监视、分析并最终实现协调控制。

与传统的监控与数据采集（Superviso ry Control and Data Acquisition ，SCADA ）系统相比，WAM S 采集和处理的是高密度带时标的数据，因此，需有高效的实时数据库对数据进行处理，以确保动态数据监测功能的实现。

国内之所以通常采用传统的关系数据库（如Oracle ）作为动态信息的历史数据库，是由于EM S 系统中的商用数据库一直是关系数据库，且尚未发现更适用于PM U 动态数据的商用数据库。

本文尝试从分析福建电网WAM S 数据规模和PI 实时数据库特性入手，研究将PI 实时数据库应用于福建电网WAM S 的方案。

2福建电网WAMS 的数据规模及特点
接入W MS 主站的数据点估算
根据规划，“十一五”期间福建省将有5座MU 子站接入W M S 主站。

其中，5V 变电站座、220kV 变电站18座、接入500kV 电网的电厂8座（共26台机组）、接入220kV 电网的电厂10座（共34台机组）。

在进行估算时，厂站的平均规模按
如下考虑：500kV 变电站按20回线路、2台主变计算，220kV 变电站按10回线路、2台主变计算，电厂按8回线、3台机组计算。

按《电力系统实时动态监测系统技术规范》的规定，每条线路及每台主变需采集的数据点有：三相电压、电流相量（共6个相量）；每台机组需采集的数据点有：机端三相电压、电流相量，发电机内电势相量（共7个相量），发电机的励磁电压、励磁电流、发电机功角、转速（共4个模拟量）。

表1为福建省WAMS 数据点估算。

由表1知，福建电网WAMS 从PMU 采集的数据将近5000点，加上主站后期处理得到的数据和虚拟数据，总数据点规模应按10000点考虑。

鉴于密度达到25～100帧/s 的海量数据，系统必须在10～40ms 内完成每次的数据处理，对通信网络和数据中心站提出了很高的要求。

2.2
网络通信流量测算
当WAM S 正常工作时，在主站和子站之间存在两条用于传输实时数据和命令的逻辑通信通道（TCP 连接）———数据流管道和管理管道。

数据流管道是子站和主站之间实时传输同步测量数据的通道，其数据传输方向是单向的（从子站到主站）；对于主站、子站之间的TCP 连接，主站为服务端，子站为客户端。

管理管道是子站和主站之间用于传输管理命令的通道，其数据传输方向是双向的；对于主站、子站之间的T 连接，子站为服务端，主站为客户端。

32.1
A 0P A 00k 14CP 0--
在管理管道和数据流管道之外，主站和子站之间另有一条TCP连接作为离线数据的传输管道，即离线文件管道。

因此，PM U子站与WAM S主站的通信流量包括管理管道流量、实时数据管道流量和离线文件管道流量。

由于离线管道的流量可控（通常控制在100 kB/s左右），且管理管道的数据流量很小，故在对整个PM U通信流量进行估算时，以考虑实时数据管道中的流量为主。

实时数据管道流量的计算公式为实时数据管道流量=每帧报文长度×帧率每帧报文长度=固定字节+相量数×4+模拟量×2
公式说明：
（1）固定字节包括报文头（SOC、SMPCNT、STAT、CRC、频率和频率变化率，20Byte）及TCP/IP协议报文头（58Byte），共78Byte；
（2）每个相量占用4Byte，每个模拟量占用2 By te；
（3）帧率可以整定为25、50、100帧/s。

计算WAM S实时数据通信总流量，见表2。

由表2可得：共有50个子站，帧率为25帧/s的实时数据总流量为4375.2kb/s、帧率为50帧/s的实时数据总流量为8753.4kb/s、帧率为50帧/s的实时数据总流量为17500kb/s。

由表2还可看出：在子站侧任一单独接入调度数据网的厂站，2M b/s的带宽充分满足PM U子站以100帧/s的帧率与主站通信。

但在主站侧，考虑到网络带宽要留有一定的裕度（《电力系统实时动态监测系统技术规范》中PM U通信裕度系数K=1.5），目前调度数据骨干网的8M b/s带宽仅能满足全部PMU 子站同时以25帧/s的帧率与主站通信。

假如要使全部PM U子站同时以100帧/s的帧率与主站通信，至少要保证主站侧接入调度数据网的带宽大于25Mb/s，需进行网络升级或者对PM U数据进行压缩。

2.3WAM S历史库存储容量估算
WAM S主站历史库需要存储的海量历史数据通常分正常循环记录的历史数据和扰动发生时记录的扰动数据。

正常循环记录的历史数据主要用于重演、追忆等，虽然PM U装置也保存历史数据，但是若在主站追忆时召唤多个PM U的数据，就显得过于低效而且占用传输通道带宽。

此外，历史数据在PMU
装置保存一至两周，而主站
系统历史库数据则要保存数
月至数年，因此主站系统进
行历史数据连续保存是必须
的。

在进行历史数据量估算
时，扰动数据的历史记录持
续时间均为分钟级，每次记
录通常都在几十M B到几百
M B之间，且扰动并不时常
发生。

较之每月数百GB到
数TB的循环记录的历史数
据，扰动数据的历史记录可
不纳入估算范围。

历史数据
31
--
长度的计算公式为
历史数据长度=总数据点×单位数据点长度×帧率×秒
说明：单位数据点长度按10字节计算（加上时标、数值、标识等信息）。

计算得出循环记录历史数据长度，见表3。

由表3看出：对于2TB 的WAM S 历史数据库容量，使用传统关系数据库存储25帧/s 的数据仅能存储一个月，而100帧/s 数据仅能存储一周。

因此，在WAM S 历史库的设计上，既要保证历史数据的稳定性，又要满足海量数据存储的要求，并解决海量数据存储和高效检索的矛盾。

3PI 实时数据库特性分析
OSI 公司的PI 实时数据库是专为有效处理和
储存实时数据而设计。

与关系数据库不同，PI 系统
的时间序列数据库规模扩展自如，可在线存储大量准确的、一致性的运行数据达数年，且数据存储分辨率可为分钟级、秒级或毫秒级，甚至达到微秒级，而系统性能不会恶化。

PI 系统特有的先进储存算法，保证了所提取的是能反映实际过程中的准确值，而非推算值。

此外，PI 系统独特的数据库和数据基础架构，保证了系统可在几十秒钟内完成访问一周前或十年前的数据。

作为WAM S 实时数据库和历史数据库，PI 数据库具有诸多传统关系数据库无法比拟的优势，主要表现在其数据组织的时间序列特性、访问的快速性和存储的海量性。

3.1
时序性
PI 实时数据库是一个基于时间序列的三维数据库。

按时间组织存储，和PM U 的数据带时标的特色一致，适应相量数据的特点，检索访问历史数据快速、方便。

因此，可直接利用PI 数据库实现PM U 量测数据的实时处理和历史数据保存。

I 数据库内部机制为文件方式，按照时间序列保存数据，不管任何数据都是带时标保存。

因此，对时标的检索无论是同一时间段面的全数据，还是一个点的一段时间范围内的数据，其检索访问效率都
非常高。

3.2
快速性
PI 数据库具有极其优越的数据读写操作性能，所有历史数据均按时间组织存储成文件，每个文件保存了一段时间数据，且有时间索引，因此数据查询和检索速度非常快。

读取速度不受用户数的影响，无论是1个用户还是100个用户，读取某PM U 量测点过去3个月全采集数据到表格的耗时均为秒级。

PI 数据库的核心为RtBaseline ，每个RtBaseline 支持超过百万数据点的规模，在进行数据存储和检索时，具有每秒高达80000事件的吞吐量，在PI 的最新版（3.4版）中，经测试每秒高达250000事件的
吞吐量。

可直接处理1344规约的实时数据，每秒可处理8万个浮点数据。

3.3
海量性
PI 系统采用两层压缩算法。

第一层是数据从接
口机（Interface No de ）写入SNAP 数据库（实时数据库）前，采用数据死区值决定是否需要存储该数据；第二层是在数据从SNAP 数据库写入QUEUE （历史数据库写入队列）内存时，采用旋转门技术。

通过这些高精度的压缩技术，不仅保证了数据的还原精度，还可在相同的硬盘空间下保存更多数据。

多个工程实际表明，对EM S 的数据，其压缩比可达40∶1，其数据存储空间要明显小于传统关系型数据库（PI 数据库每个数据存储空间为2～5字节，关系型数据库为26字节）。

使用PI 数据库，可以实现实时数据库和历史数据库的一体化，为检索和访问提供方便。

可以将每秒100帧的扰动数据和暂态录波数据按照时间序列直接存入到历史库中，易于实现三态数据的整合。

4基于PI 实时数据库的WAMS 方案
福建省电力调度通信中心考虑到福建电网
WAM S 的特点，参考了其他WAM S 建设方案，提出采用PI 实时数据库并纳入到EM S 统一数据平台的WAM S 方案。

此方案能充分利用PI 数据库和Oracle 数据库的优点，达到WAM S 最优化。

PI 数据库作为WAM S 实时/历史数据平台，是WAM S 系统的核心，提供包括数据存储在内的通用数据服务。

其主要功能包括：存储具有时间序列标志的数据；对实时历史数据提供高速访问；高效地对数据进行分析。

M U 的动态电网数据上传至W M
S
3P /P A 2--
主站，经过PI数据库快照和队列送至WAM S实时库，供WAM S监视分析应用，同时写入PI历史库。

来自EM S统一数据平台的稳态信息、故障信息系统的暂态信息、WAM S的动态信息按事件触发进行三态数据整合后，也存入WAM S历史库中。

WAM S纳入到EMS统一数据平台中，通过EM S统一数据平台的接口完成WAM S所需描述信息的读写以及所生成的历史告警事件记录和历史统计数据存储，将这些数据存入关系型数据库Oracle 数据库中。

采用PI数据库的WAM S数据流，如附图所示。

5结语
随着福建电网PM U子站布点的逐步增加以及数据采集范围的扩大，要求WAMS实时数据传输具有高速和大容量特性。

传统关系型数据库处理速度一般每秒不超过1万点数据，很难满足WAM S数据
处理的要求。

而PI数据库实时性强，数据处理速度可达每秒15万点数据，在秒级时间内，可从2年或3年的历史数据中取到1000点数据(Oracle、Sybase 等需30～50min)。

同时，该数据库还具备旋转门压缩技术、二次过滤技术，可节省大量的硬盘空间，基本可以解决WAM S海量数据的快速读取和保存的问题。

因此，福建电网基于PI实时数据库的WAM S方案是合理可行的。

PI数据库目前主要用于电厂，在WAMS中的应用还处于研究阶段，国内外可借鉴的经验还很少。

由于PI数据库主要考虑数据值，基本不考虑数据的质量位，而WAM S的数据质量比较重要，给存储和使用带来麻烦；WAM S系统的实时数据、扰动数据是海量的，尽管PM U的量测点少，但其数据采集密度大，如此高密度数据的处理、保存和访问，PI数据库的性能至今还没有测试结果。

因此，技术上还需要一个不断探索的过程。

参考文献
［1］国家电网公司.Q/GDW131—2006电力系统实时动态监测系统技术规范［S］.北京：2006.
［2］常乃超，兰州，甘德强，倪以信.广域测量系统在电力系统分析及控制中的应用综述［J］.电网技术，2005，（5）.
（收稿日期：2008-03-20）
附图采用PI数据库的WAMS数据流图
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美国中西部独立输电系统运营者完成
第一轮辅助服务市场的全面试验
美国中西部独立输电系统运营者（ISO）成功进行了第一期实验实施辅助服务市场（ASM）的全面试验，该市场具有提前协调、平衡管理的功能。

在第一期试验中，ISO的股东们可以模拟交易过程，了解数据处理情况。

到2008年，ISO将具有平衡管理功能，对辅助服务市场进行更好的操控。

第一期试验的目标是：对辅助服务市场进行仿真；演示ISO具有平衡管理功能所需的基础设施；检验ISO与市场参与者间的相互作用；评估潜在的数据处理问题。

试验持续了2周，ISO根据试验结果提出适用于新管理条例、旋转备用和辅助服务产品的发电指导意见。

未来交易市场可以在每1~2s内提出1次调度安排，而原来的电力市场是每5min提出1次。

ISO还将进行一系列相关市场运作试验，新的辅助服务市场建立后，每年ISO可节省1.15~2.05亿美元，中西部ISO也将成为北美第二大具有平衡管理权限的独立系统运营机构。

[摘自《中国电力》2008，（3）]
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美国大西洋城的节能新计划
美国大西洋城提出一项宏大计划，投资新技术和新举措，以帮助用户控制其能源使用，进而减少总的能源成本，保护环境。

该计划具体包括安装智能读表系统和为用户提供降低能源使用及其成本的各种优化方案，从而提高可靠性，减少温室气体排放，且使用户轻松面对账单。

该智能读表系统可使电力公司远方确定故障位置，使电力用户了解其用电价格和用电信息，并在电价高峰期选择优化的用电方案。

例如，用户可获得激励性的、有折扣的用电价目表，并据此安排其空调或热泵的启停。

该计划还强调增加可再生能源的利用。

通过各公司间合作，鼓励公司车队使用柴油与乙醇的混合燃料，并对此举进行跟踪评估，以号召更多的电力公司参与其中。

[摘自《中国电力》，（3）]
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