【摘 要】实时历史数据库平台是支持发电厂SIS 系统的计算机、数据网络与通信设备、各种技术标准和实时历史数据库软件的有机组合。由于目前数据库技术发展非常快，而电厂SIS 应用在实时历史数据库选择没有完整确定的标准。为适应我国发电企业SIS 建设的需要，保证生产安全稳定运行，根据以有SIS 系统的实施的经验，本文从系统结构、事务特征、网络架构以及设计实施等几个方面为SIS 用户、厂商、集成商建立实时历史数据库平台的提供一般性的功能指南和建议。
【关键词】实时历史数据库 SIS 事务特征 信息化 实时数据 历史数据
前言
实时历史数据库平台是支持发电厂SIS 系统的计算机、数据网络与通信设备、各种技术标准和实时历史数据库软件的有机组合。实时历史数据库平台按照标签点的形式通过定时地收集、存储电厂控制系统带有时间序列性质数据、离线手工数据、或者其他外部应用数据，并针对这些数据和数据库平台提供实时管理和应用能力。实时历史数据库平台提供数据实时分布采集、经济存储、方便管理、可扩展的协同应用。
实时历史数据库平台要符合相关国内外技术标准和行业标准，满足软件平台、硬件平台的兼容及各子系统间的互联要求。实时历史数据库平台的结构设计、系统配置、软件编制，应满足对电厂发电可靠运行的要求。实时历史数据库平台必须保证生产过程数据采集过程的实时性、数据的完整性。从系统安全的角度考虑，实时历史数据库平台需要保证系统及其数据的安全，采用适当的加密防护措施、数据备份措施，提供严格的用户认证、权限管理和审计手段，并考虑信息保密的时效性。从开放性和可扩展性考虑，实时历史数据库平台采用应开放式体系结构
和分布式系统设计，以满足未来SIS应用和企业信息综合应用的要求。
总的说来，实时历史数据库平台至少应具备数据实时分布采集、经济存储、灵活管理、可扩展的协同应用等四个组成部分：
• D1：数据接口与数据采集（Data Acquisition and Collection）
• D2：数据归档与存储（Data Archives and Storage）
• D3：数据组态与数据库管理（Data Configuration and Administration）
• D4：数据应用（Data Application Integration）
D1数据接口与数据采集
D1 的功能是采集水、煤、灰、机、电等控制系统过程数据以及通过相应功能或者开发接口实现对手工输入数据、手持设备或者其它信息系统的数据采集。网络架构上支持通过硬件扩展、网络连接、通过接口站或者控制系统上位计算机完成控制系统数据采集；软件上应支持通过OP C 服务器或者XML 方式采集控制系统的数据源。为了平衡控制系统的数据通讯负载，需要考虑D1 支持针对过程数据特性针对每个标签点采集频率、采集相位进行独立或者批量定义。D1 可以采集的数据类型包括数字量、模拟量、字符串等。考虑到网络中断或者D2 部分因为某些原因无法及时响应D1数据发送请求，D1要求支持数据缓存功能，能够在D1部分将过程数据暂存于本地，网络恢复正常或者D1响应后后将数据送入数据库。数据缓存区的大小可按需配置。
支持同类数据库系统的数据复制功能。D2数据归档与存储D2的主要功能是支持对历史数据归档文件的管理，包括创建、复制、删除、备份的功能。数据库平台应该提供面向过程数据经济存储或者优化存储的手段，并且提供数据压缩方法以及用户可对压缩能力选择的途径。提供计算引擎或者计算接口，支持数据的二次计算-存储能力，既可直接存储过程数据又可存储过程数据中间计算结果。计算引擎以及接口支持统计功能包括最大值、最小值、平均值和累计值计算功能。
D2针对每条过程数据记录包含如下内容：标签点名称、标签点时间标签、标签点描述、数据源地址、数据点工程单元、数据类型、扫描周期、量程范围、数据时间标志、数据值、数据状态（含数据质量或者其它数据点状态信息）等。
考虑系统扩容和更新，D2应能提供针对已有历史数据的移植和扩容方案。
D3数据组态与数据库管理
D3部分是指系统管理员对整个实时历史数据库平台的管理和系统组态，它包括如下几个方面的内容：用户权限管理：
1. 实时历史数据库平台支持基于角色的用户权限管理，可以对每个用户指定具体的操作权限，确保其只能进行权限范围内的操作。
2. 数据组态：单独或者批量组态数据点：创建、更新、删除、查询数据点以及相关属性。离线和在线两种方式进行数据库组态和配置，所谓在线方式是指系统运行过程中修改数据库配置避免数据库停机时间（Downtime）和重装（Reload）的修改。
3. 运行管理：设置系统参数和系统运行监视。（系统参数如：采集规模、归档文件、压缩策略、采集接口、负载、并发用户、系统报警和系统消息等）。
4. 备份与恢复：通过手工方式或者自动方式备份数据库系统配置信息和历史归档数据， 并可从备份文件恢复数据。
5. 审计功能：记录和追踪数据库配置信息与数据修改。
6. 日志功能：记录数据库系统运行中的操作信息、警告信息、错误信息等。
7. 远程维护：支持Web方式远程维护。
D4数据应用
D4 部分提供面向D2 的多用户、多应用的并发访问的机制（接口工具）：
1. 针对用户各种应用在数据回取（Data Retrieve）或访问时的权限管理，如根据权限运行服务器、配置标签点、读写数据。
2. 提供数据回取时的统计计算能力：计算最大最小值、计算指定时间范围均值、计算累计、计算记录个数或者次数、最大最小值发生时间等。
3. 提供采样数据回取能力：指定间隔时间的采样数据回取、指定采样数目的数据回取。
4. 为开发SIS 数据应用提供二次开发工具，以API 或者SDK的方式提供函数调用接口，支持的函数应包括：面向服务器管理和状态信息的查询、面向数据点管理和状态信息的查询、面向接口站和数据采集的管理和状态信息的查询、面向数据的查询、更改、统计计算。
5. 提供ODBC或OLE DB接口，支持SQL SELECT子集，以SQL语句实现面向服务器信息的查询、面向数据点属性的查询、面向接口站和数据采集信息的查询、面向数据信息的查询（计算方式或者采样方式）。
6. 提供具备图形化的应用开发界面， 实现生产流程图动态再现、关键性能指标参数（KPI: Key Performance Index）动态计算、趋势显示与分析工具。
7. 支持Web访问解决方案：生产流程图动态再现、KPI动态再现、趋势显示与分析工具。
8. 提供以报表开发手段：专门报表开发工具、Excel加载宏或者其它形式的报表功能。
实时历史数据库事务特征
事务是指一组作为一个单元成功执行或者失败的相关任务或者操作。从数据库事务处理的角度考虑，实时历史数据库以事务为单位分配CPU、数据等资源，进行优先级的分配、调度处理等。
实时数据库的事务与传统数据库事务的本质区别就在于其有定时限制，通过在事务处理方面应满足定时性、语义相关性（结构一致性，数据一致性，功能替代/结构补偿）要求来达到定时限制的事务比率最大的事务处理目标。
除了在吞吐量方面追求数据库性能以外，对单个事务定时限制的最大满足是实时历史数据库事务特征的最突出的特征。由于传统数据库事务的原子性和可串行化限制了实时系统的事务执行的并发度，对于满足定时限制是不利的，所以实时历史数据库平台应该保证数据的时态
一致性方面，至少应该满足如下条件：
• 确保实时历史数据库中数据值的时间戳与现场中物理值的时间戳相差不超过预定义的最大时间间隔。
• 确保实时历史数据库平台中计算点的时间戳在允许的范围之内。
• 分布数据源的采集后标记时间戳的一致性。
实时事务的正确性包括数据库状态正确性和事务执行正确性。数据库状态正确性包含内部一致和时间一致；事务执行正确性则包含其结果正确性、行为正确性、结构正确性和时间正确性。实时历史数据库事务处理按照关键性分类（也就是按事务超截止期对系统带来的影响分类）如下：
• 硬（截止期/ 实时）事务超截止期会导致恶果（价值函数取大且可能不断增加的负值）。它对应于安全危急性活动。
• 软（截止期/ 实时）事务超截止期仍有一定的价值，且价值不断下降，直到某一时刻（称为最终有效时间）降到零，此后保持为零（不会为负）。
• 固（截止期/ 实时）事务一旦到达截止时间，其价值立即降为零，此后固定为零（也不会为负）。
实时历史数据库事务处理按照按事务功能分类如下：
• 数据接收事务：用来记录电厂控制系统现实状态或发生的事件到数据库中。包括新数据的写入和已有数据修改。为了保持数据库的“外部一致”和跟踪记录，它应是短的、周期的，且应是被立即执行（不能等待和阻塞）的硬实时事务。
• 数据处理事务：类似传统数据库的事务。它用来恢复已违反了一致性（可能由于数据接收事务的结果）的数据库的状态。这种事务可看作维护正常运行的监控器，它可能是“长寿”的。
__• 控制事务：引起对外部或者数据库内部中有关活动的执行。像数据接收事务一样，这种事务是很短的，尽管所引起的现实活动可能要执行很长时间。它通常也是硬实时的。这种事务还可以作为数据处理事务的子事务而被调用， 而它本身也可以触发子事务， 比如以一子事务来检测所引起的现实活动。实时历史数据库事务处理按照按数据处理方式分类如下：
• 数据更新事务：数据更新事务包含的操作有：事务开始、更新数据时间、更新数据值、检查数据状态、设置数据状态、事务结束。
• 数据计算事务：即二次计算点的数据更新，其包含的操作有：事务开始、获取二次计算所需的数据点值及其对应时间、产生计算结果、更新二次计算点的数据时间、更新二次计算点的数据值、检查数据状态、设置数据状态、事务结束。
• 数据回取事务：其包含的操作有：事务开始、按照指定条件获取数据、事务结束。实时历史数据库平台为了保证持久性，即系统必须保持提交的事务所产生的影响，并且从以下的单点失败中恢复之后确保数据库的一致性：
• 持久介质出现不可恢复的失效。
• 系统或者部分子系统失效。
• 内存或者部分内存失效。
• 突然断电。
实时历史数据库平台性能指标针对实时历史数据库的性能可以通过事务吞吐量、数据新鲜度、数据压缩能力、单机采集规模、采集速度等几个指标来评价。
事务吞吐量：采用TPS（Transactions Per Second）来衡量，即每秒事务能够处理的事务数量：
• 每秒数据读事务吞吐量：仅执行数据更新任务时，数据库系统的事务吞吐量。
• 每秒数据写事务吞吐量：仅执行数据回取任务时，数据库系统的事务吞吐量。
• 每秒混合事务吞吐量：按照各自50%比例同时进行数据更新和数据回取任务时，数据库系统的事务吞吐量。
• 事务响应时间：一个事务从成功提交到并且客户端得到了输出结果所花费的时间。准确表述如下：RT=T2–
T1，其中T1 是事务请求在客户端发送第一个字节之前的时间标记；T2是事务执行结果的最后一个字节达到客户端之后的时间标记。为了满足高精度分析的需求，在某些场合时间标记的分辨率要达到毫秒级。数据新鲜度：满足标签点的时间戳与当前时间之间的差值不大于用户定义的最大采样间隔条件的标签点在所有标签点中所占的比例。数据压缩能力：以给定的正弦曲线和随机数为例，计算达到指定数据精度的情况下，每标签点每小时或者每标签点每天的磁盘空间占有率。数据网络、计算机及局域网络系统实时历史数据库平台使用电力系统SIS专用网络，以满足数据网络安全的要求。同时，为了保证数据网络的整体性和连通性， 下一级数据网络的技术体制必须与上一级兼容。
实时历史数据库平台各子系统之间的网络全防护要支持防火墙、虚拟专网、入侵检测等安全方案。系统网络架构的设计遵循国际开放标准和规范以及要考虑到电力系统的特殊安全要求。
网络设计必须满足以下基本原则：硬件配置满足系统功能和性能的要求，必须保证系统运行的实时性、可靠性、稳定性和安全性；计算机和网络设备必须是标准化设备，开放性能好，满足不断优化、平滑升级和投资保护的需要；系统中的关键部分满足冗余配置。
局域网络核心数据交换机的选型必须满足网络系统的高速性能、可靠性、可扩展性、开放性、安全性和先进性。
客户端访问通过数据网络或拨号网络与SIS 应用系统服务器相连。主系统具备接收拨号访问的功能，可采用模块化的配置和先进技术以满足系统升级。
实时历史数据库平台的工程设计
在SIS 系统设计和规划过程中，在切实了解目标电厂的生产系统情况、信息化应用情况、SIS 应用期望等因素后，针对数据库部分应该做如下考虑。
在D1部分：
• 现有控制系统是否符合开放性标准（如提供OPC Server或者ODBC 等工具），如果不支持这些开放性标准，则与控制系统提供商协商给出合适的系统数据接口建议。
• 根据要采集数据性质、规模以及采集速度，提出数据采集接口站数据缓存的能力（硬盘缓冲区大小）建议。
在D2 部分：
• 给出采集数据的性质、规模、保存时间、压缩精度等要求，以便用户计算预估存储能力和服务器的处理能力。
• 根据数据规模，给出归档文件配置建议。
• 针对老系统的扩容和升级，应考虑数据移植方案。
在D3 部分：
• 提出并发访问用户数。
• 提出访问角色与权限建议。
• 根据用户要求或者是实时历史数据库能力给出数据备份建议。
• 提出审计内容建议。
在D4 部分：
• 面向SIS 应用，提供实现平台要求，如：计算、报表、系统扩展工具、Web应用。
• 面向MIS 应用的数据访问方式。
针原有的生产数据相关的信息应用，则要考虑在新的实时历史数据库平台投运后，保障原有应用的正常运行。实时历史数据库平台的工程实施实时历史数据库的工程实施过程可以针对SIS 需求的不同而有所不同。但基本上都经过控制系统调研、建立接口站、安装数据库、采集数据的过程。
控制系统调研：
采集数据源的控制系统的类型、规模、网络结构、接口方式、扩展方式、负载分析。
在建立接口站要注意以下方面：
• 采用单独的接口计算机承担数据采集任务，接口计算机至少配置两块网卡分别连接SIS 网络和控制系统网络，避免SIS 网直接与控制系统网络相连。
• 在控制系统侧，尽量选用运行非关键任务的工作站承担数据发送任务，而且可能情况下，将数据发送任务设置为较低优先级。承担数据发送任务的工作站CPU负载低于40%，否则调整数据采集频率直至负载满足要求。尽量不使用工程师站承担数据发送任务。
• 接口计算机应关闭www、ftp、telnet、email 等无关的网络服务。尽量避免直接使用超级用户
（administrator 或者root）直接登录，而使用受限用户登录。接口计算机在不使用时，应注销用户，而不是简单地锁定计算机。
• 依据数据规模，设置数据缓存区，并测试是否能正确缓存与恢复数据。
• 有条件的情况下，接口计算机安装软件防火墙。除开通数据发送和接收所需要的端口外，关闭其余端口。
安装和管理数据库：
• 按照建点规则整理测点清单，并在数据库中建立标签点。
• 根据预先设计的数据访问与管理策略，创建数据库用户并进行相关的权限管理。
• 查看数据库运行日志，监视数据库系统运行状态，必要时调整运行参数。
采集数据：
• 根据运行情况调整数据压缩比例，缓冲区设置。
• 整理二次计算点数据，核对计算公式，并在数据库中创建并调试计算点。尤其调试重新计算功能能否正常工作。
• 创建与调试系统备份策略，包括异地备份策略。应用开发：
• 设计、绘制和调试生产过程监视画面、KPI指标显示、趋势图显示报表等应用。
• 分析已有信息应用所需的过程数据，采取数据接口或者其它合适的方式，保障已有信息应用的正常运行。
实时历史数据库应用是一个过程，不会一步到位。系统的配置、压缩的比例、数据采集的范围等都需要根据现场的动态变化和应用的动态变化而动态调整才能使整个系统平台达到最佳的性能表现。
结束语
电厂信息化建设是一个长时间的任务，目前数据库技术发展非常快，而电厂SIS 应用在实时历史数据库选择没有明确的标准。在未来电力信息化加速发展的时期，为适应我国发电企业SIS 建设的需要，保证生产安全稳定运行， 本着“ 面向市场、服务产业、自主制定、适时推出、及时修订、不断完善”的原则制定有关标准和规范，并充分考虑标准和规范的时效性、技术协调性和知识产权。政府部门和行业协会应该着力推进技术体制性的全局协调性的标准制定工作，奠定基础。
开放推动创新，融合促进应用。SIS 数据库平台和应用越来越显示出跨专业，跨领域的特性。在同一种产品中集成多种信息技术使原有标准化的专业分工受到挑战。只有通过加强各个领域之间，各个专业之间的密切交流沟通和协调，深入把握不同产品的技术功能特征来规划、设计、选型实时历史数据库才可以最大限度的满足用户的需求，并不断提升SIS 价值。
