程 立 李少卿 朱中華 王文龍 繆楠林

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100）

隨著國網公司對智能電網的建設與推廣，配網作為智能電網的重要組成部分，越來越受到重視[1]。配電終端作為信息的采集、控制單元，扮演著越來越重要的作用。同時也集成了越來越多的功能：①集成測量、控制、保護功能；②集成通信管理裝置的功能: 能夠實現配網電能表、電壓無功控制器、監(jiān)測儀等智能設備的接入與信息的轉發(fā)；③集成光纖以太環(huán)網功能：可以支持以太環(huán)網（100M），可以直接接入光纖構成以太環(huán)網[2]；④集成電壓無功控制（VQC）功能：可以實現電容器的自動投切，提高電壓質量；⑤集成歷史數據、統(tǒng)計數據管理功能：提供多種數據歷史量和統(tǒng)計分析值的分類存儲、查詢、召喚。

在配電終端中，對于歷史數據，往往需要大容量的數據存儲，而且要做到數據的快速存儲、查詢和刪除等操作。傳統(tǒng)的配電終端往往采用簡單文件的存儲方式，直接將歷史數據寫入文件中。由于沒有對歷史數據進行排序和建立索引表，查詢、刪除等操作采用遍歷文件的方式，檢索效率極其低下，難以做到在大容量數據條件下的快速操作。本文給出了基于Berkeley DB嵌入式數據庫的配電終端的設計方案，實現了大容量數據的可靠存儲和快速操作。

1 系統(tǒng)需求分析

隨著國網公司兩批試點城市配網建設的開展，配電終端的功能需求越來越趨于多樣化。尤其對終端的變位數據、操作記錄、統(tǒng)計數據的存儲需要越來越強烈。配電終端對變位數據和操作記錄的存儲時間要求不小于3個月，而對統(tǒng)計數據，如日/月電壓、電壓（電流）極大（小）值、整點值、合格率、不平衡率等，存儲時間不小于6個月，部分數據（如月電壓合格率）等甚至需要存儲不小于9個月。這些存儲數據要求實現如下功能：

1）可靠存儲：大量的數據能夠快速存儲到數據庫中，做到不丟失、不差錯。

2）快速查詢：能夠支持不同方向上數據的快速查詢，不同方向包括遠方配電主站、當地調試終端等。

3）快速刪除：根據存儲的時間、條目等要素，進行數據庫的定期刪除。

2 Berkeley DB簡介

Berkeley DB是Sleepycat軟件公司開發(fā)的一款健壯的，高速的工業(yè)級開源式嵌入式數據庫系統(tǒng)，支持C、C++、Java等編程語言。Berkeley DB本身不到300K，卻能管理多達256TB的數據。不支持復雜的SQL語言，避免了大量解析和處理開銷，適用于實時系統(tǒng)、嵌入式應用等。Berkeley DB函數庫和應用程序運行在同一地址空間，不存在服務器概念，具有零管理性，通過API訪問數據。同時支持日志管理、數據壓縮、備份和恢復等功能。此外，Berkeley DB支持開源，使用者可以免費下載到源代碼，根據自己的需求對其進行裁減[3]。

3 系統(tǒng)總體設計

3.1 系統(tǒng)結構

軟件的系統(tǒng)結構分為保護測控模塊、實時庫模塊、歷史庫模塊、組態(tài)配置模塊、VQC模塊等，如圖1所示。其中保護測控等對實時性有著極為嚴格要求的模塊運行在中斷中，而實時庫、歷史庫、VQC模塊、組態(tài)配置等組件運行在任務中。各個模塊之間松散耦合，通過注冊機制建立聯系，同時各個模塊之間通過消息或者管道進行數據交換。

圖1 系統(tǒng)結構

1）保護測控模塊

保護測控模塊分為兩部分：中斷執(zhí)行部分和任務執(zhí)行部分。中斷每0.833ms運行一次，測量采用24點采樣、并進行開入和開出的計算。保護采用傅立葉算法，設置三段式保護和零序保護。任務執(zhí)行部分進行PT斷線、線路失壓、過負荷、電池管理、遙測等計算。

2）實時數據庫模塊

實時數據庫模塊：該模塊包括實時數據庫、調度端數據引用表的創(chuàng)建，運行時提供快速入庫、快速提取數據操作。實時數據庫還提供了對SOE、遙信變位、步位置變化等異步事件的支持。

3）歷史數據庫模塊

歷史庫訂閱實時庫的變位信息，操作記錄和統(tǒng)計數據。歷史庫就采用Berkeley DB的數據庫來實現。BDB支持不同類型的存儲，如線性表、哈希表、B樹等。在本文的系統(tǒng)中，采用了B樹的設計方法。歷史數據庫采用多個任務來實現，支持同步和異步兩種方式，每種方式下實現數據的存儲、檢索、刪除等操作[4]。

4）組態(tài)管理模塊

組態(tài)管理模塊：①生成和維護所連裝置信息名表；②配置和維護一次間隔信息；③配置和維護板卡和規(guī)約信息；④配置和維護對時源；⑤生成和維護送往調度的轉發(fā)信息表、并對規(guī)約需要的參數進行設置；⑥進行信息合成（遙測、遙信、步位置信息計算轉換）；⑦程序文件的下裝、配置文件上裝和下裝[5]。

5）對上、對下規(guī)約模塊

對上規(guī)約模塊負責配電終端同遠方主站進行數據通信，常用的有IEC101[6]、IEC104[7]、CDT[8]等規(guī)約。對下規(guī)約模塊負責同電能表、電壓無功控制器、監(jiān)測儀等智能設備通信，常用的有CDT[8]、IEC103[9]、MODBUS等規(guī)約。

6）VQC模塊

VQC根據測控裝置采集的開關刀閘遙信進行主接線拓撲分析， VQC在每個運行周期的開始對接線關系進行一次拓撲分析，能實時的反映拓撲關系的變化，從而保證VQC調節(jié)建立在實時的系統(tǒng)拓撲基礎之上，從而改善電壓質量[10]。

7）顯示模塊

負責與實時庫通信，將實時數據顯示在液晶屏，并且將用戶操作（修改定值、遙控開關）傳遞給實時庫，負責完成人機交互。同時查看歷史信息，包括操作記錄、歷史事件等。

3.2 歷史庫模塊劃分

如圖2所示，歷史庫由三個模塊組成：變位事件歷史庫、操作記錄歷史庫、統(tǒng)計數據歷史庫。實時庫發(fā)布訂閱的信息給歷史庫，通過一個歷史信息過濾器，丟棄掉無效數據，過濾出所需信息，分別發(fā)布給變位事件歷史庫、操作記錄歷史庫和統(tǒng)計數據歷史庫，最終由這三個數據庫來完成數據的存儲。對上規(guī)約模塊和組態(tài)模塊通過歷史信息操作器對數據進行操作，歷史信息操作器提供操作接口，用以實現數據的快速檢索和刪除[11]。

圖2 歷史庫模塊圖

4 歷史庫功能模塊實現

4.1 歷史信息過濾器模塊

實時庫發(fā)布數據信息，歷史庫對這些數據信息進行處理。當實際系統(tǒng)觸發(fā)一個變位事件（如開關變位、保護動作等），實時庫會向歷史庫發(fā)布這個事件。事件參考IEC103規(guī)約中通用分類服務的格式，其中信息的關鍵字包括：裝置地址、組號、條目號、時標、分合位置[9]。類似地，當遠方調度或者當地（如液晶、調試終端）發(fā)出控制開關分合指令，實時庫也會觸發(fā)一個操作信息，通知歷史庫，信息的關鍵字包括：命令來源、裝置地址、組號、條目號、時標、分合類型等。統(tǒng)計數據也是類似，但不同的是統(tǒng)計數據通過實時庫內部的一個專門任務來實現，定時對數據進行掃描，其信息關鍵字包括：裝置地址、組號、條目號、起始時間、終止時間、統(tǒng)計數值（通常是浮點數）。

當這些數據真正進入數據庫存儲之前，先要經過歷史信息過濾器，過濾器的目的在于信息的刪減和分類。過濾器按照內部約定好的格式，對數據進行下列檢測：①對數據類型進行檢驗，如果發(fā)布的數據不屬于變位事件、操作記錄、統(tǒng)計數據，過濾器會做丟棄處理；②根據所屬數據類型，進行長度驗證，如果不符合，也做丟棄處理。當數據檢測過后，符合完整性要求，過濾器負責對數據進行分發(fā)，根據不同的類型分別交給變位事件歷史庫、操作記錄歷史庫、統(tǒng)計數據歷史庫來處理。至此，過濾器將外部的數據經過“凈化處理”交給歷史庫。

4.2 歷史數據存儲模塊

在嵌入式裝置中，必須考慮裝置意外掉電或者系統(tǒng)崩潰的情況。在意外掉電或系統(tǒng)崩潰的情況下，數據往往還沒有來的及寫入或者剛剛部分數據寫入了flash，此時數據庫往往記錄數據發(fā)生錯誤，嚴重時可能破環(huán)數據庫的完整性，造成數據庫損壞。對于用戶而言，丟失大量存儲信息，造成不必要的損失。因此，在設計歷史數據存儲模塊時，必須充分考慮這些情況。Berkeley DB提供了一種Transaction事務機制，當意外掉電或者系統(tǒng)崩潰的情況下，保證數據庫信息的完整性。

為了應用Transaction機制，我們必須先建立一個environment環(huán)境，并且設置為線程安全，其次在這個environment下，指定數據庫的創(chuàng)建方法，在這里我們采用BTree機制，并且指定數據的排序方法。在這里，我們先創(chuàng)建一級庫(primary db)，對于變位事件歷史庫、操作記錄歷史庫、統(tǒng)計數據歷史庫均按照裝置地址、時間、組號、條目號的優(yōu)先級創(chuàng)建排序方法，其次創(chuàng)建二級庫(secondary db)（在4.3節(jié)中詳細介紹）。當過濾器完成信息處理后，歷史數據庫就來進行數據的存儲了。數據庫要調用txn_begin函數啟動事務機制，將數據put進主庫，接著commit提交數據，最后再調用sync同步二級庫（secondary db）。

4.3 歷史數據操作模塊

Berkeley DB中，二級庫（secondary db）提供了對數據庫的多種檢索方式。比如說，在DB1中，我們存儲了key為員工ID，data為員工籍貫、工資等信息，而DB中存儲了key為員工名字，data為員工ID，我們如果想要將幾張表結合起來操作，就要用到二級庫。

歷史數據庫創(chuàng)建后，應用模塊需要對數據庫進行操作，歷史信息操作器就提供了相應的接口。對于三個歷史庫需要實現不同的檢索/刪除方式，具體來說：①變位歷史數據庫：按照時間跨度檢索/刪除、按照事件類型+時間檢索/刪除、按照FIFO順序進行檢索/刪除；②操作記錄歷史數據庫：按照時間跨度檢索/刪除、按照事件類型+時間檢索/刪除、按照FIFO順序進行檢索/刪除；③統(tǒng)計數據歷史庫：按照時間跨度檢索/刪除、按照統(tǒng)計類型+時間檢索/刪除。要實現以上需求，必須用到Berkeley DB的二級庫（secondary db）。

為了實現以上功能，單獨創(chuàng)建一個任務來完成。首先，將檢索條件生成關鍵字 key，然后通過創(chuàng)建游標cursor使用DB_SET_RANGE方法定位查詢點，依次通過DB_NEXT的方法獲得數據，直到檢索區(qū)間越限。將檢索到的數據采用同步或者異步的方式返回給應用模塊。刪除的方法也是類似，在此不再贅述。

5 測試

基于Berkeley DB的配電終端研制過程中做了各種測試對其性能進行驗證。與傳統(tǒng)的用簡單文件結構方式進行存儲的方式比較，具有明顯的優(yōu)勢。筆者選擇了10000條數據進行測試，其中檢索、刪除選擇其中的100條。硬件平臺:CPU為PowerPC，主頻400M；內存64M；Flash為128M，操作系統(tǒng)為VxWorks。試驗數據摘錄見表1所示。

表1 數據庫試驗結果摘錄

由此可以看出，在檢索時間、刪除時間、CPU需求方面，Berkeley DB遠遠超出簡單的數據結構的存儲方式。雖然在內存需求方面，由于Berkeley DB采用了復雜的數據結構，內存占用稍多一些，但對于64M的內存配置來說，完全可以忽略。

6 現場運行

本文設計的配電終端成功應用北京的開閉站中，典型的北京開閉站應用如圖3所示：保護管理機對下接入10kV保護裝置，采集遙信、遙測，實現遠方遙控，對上接入配電終端，規(guī)約采用平衡式IEC101。低壓表、網絡表計及一些低壓信號也接入配電終端，規(guī)約采用 MODBUS。配電終端通過通信設備，同配電主站進行連接，將信號遠傳，同時接受配電主站的控制命令，規(guī)約采用IEC104或者平衡式IEC101。

該終端自2008年在北京地區(qū)投運以來，為運行單位提供了大量歷史數據：如保護動作信號、開關位置信號、電壓合格率、不平衡率。積極促進了配電網故障隔離、故障恢復、電壓質量的改進，保證了配電網安全穩(wěn)定可靠的運行，提高了電網公司的生產效率，為建設智能電網起到了良好的示范作用。

圖3 開閉站結構圖

7 結論

本文提出了Berkeley DB在配電終端的設計思路，并且成功實現在配電終端的研發(fā)上。和傳統(tǒng)的配電終端相比，采用嵌入式數據庫不僅占用CPU資源很少、系統(tǒng)開銷較低、和應用緊密結合、系統(tǒng)健壯、伸縮性良好等特點，而且能夠滿足用戶日益多樣化的需求。本文提出基于Berkeley DB設計的配電終端，已經成功在北京、山東、青海等地使用，為用戶提供了大量歷史數據，減少了用戶工作量，提高用戶工作效率。

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[3]劉巍巍,徐成,李仁發(fā).嵌入式數據庫 Berkeley DB 的原理與應用[J].科學技術與工程,2005,5(2):86-90.

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[7]中華人民共和國國家經濟貿易委員會.DL/T 634.5104—2002(idt IEC60870—5—104:2000)遠動設備及系統(tǒng)第5—104部分:傳輸規(guī)約采用標準傳輸協(xié)議子集的IEC60870—5—101網絡訪問[S].北京:中國電力出版社,2002.

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