畢業(yè)設計（論文）外文翻譯譯文：SCADA電力系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫管理概述

畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯學院：計算機工程學院專業(yè)：通信工程姓名：學號：外文出處：ConferenceProceedings-IEEESOUTHEASTCON，2006，P62-66附件：1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。指導教師評語：該生的英文翻譯原文是一篇關于實時數(shù)據(jù)庫管理的科研論文，具有一定的科技含量和專業(yè)深度，符合畢業(yè)設計的要求，這篇文章的翻譯有助于做好該生的畢業(yè)設計，且可以檢驗該生的專業(yè)英語水平。該生的翻譯文章語句通順，譯文與原文意思一致，達到了畢業(yè)設計英文翻譯的要求。年月日簽名：SCADA電力系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫管理概述JianWu,YongCheng,andNoelN.Schulz密西西比州立大學電氣與計算機工程系摘要：監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)是用來監(jiān)測，運行和維修電網(wǎng)的能源基礎設施的通信和控制系統(tǒng)。相對于傳統(tǒng)的應用，SCADA系統(tǒng)對關鍵的任務有一個苛刻的最后期限。在SCADA系統(tǒng)中使用的實時數(shù)據(jù)庫有特殊的時間限制。SCADA中的實時數(shù)據(jù)庫把傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫擴展到包括了內(nèi)存數(shù)據(jù)庫。這種實時數(shù)據(jù)庫管理是設計在惡劣環(huán)境下的實時系統(tǒng)中運行的，對資源利用有嚴格的要求，并準備提供實際應用要求的性能和可靠性。在這篇論文中，已經(jīng)介紹了實時數(shù)據(jù)庫主要的原理，討論了電力系統(tǒng)SCADA的實施，簡單介紹了一個示例數(shù)據(jù)庫。關鍵詞：SCADA系統(tǒng)；實時；數(shù)據(jù)庫；內(nèi)存數(shù)據(jù)庫引言監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)是用來監(jiān)測，運行和維修電網(wǎng)的能源基礎設施的通信和控制系統(tǒng)。相對于傳統(tǒng)的應用，SCADA系統(tǒng)對關鍵的任務有一個苛刻的最后期限。它有不同的特點：系統(tǒng)必須保持大量的共享數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)；SCADA系統(tǒng)每次的實時任務都有嚴格的時間要求，而用來分析和處理的數(shù)據(jù)是根據(jù)時間變化而變化的。實時數(shù)據(jù)生命周期短，例如：所有遠程測量和遠程信號的數(shù)據(jù)必須每隔5秒更新一次，基于過時數(shù)據(jù)的決定或推論是無效的[1,2]。因此，用于SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫是有特殊的時間限制的。該數(shù)據(jù)庫應該能夠處理持續(xù)靜態(tài)數(shù)據(jù)，保持其完整性和一致性，應該能夠在處理過程中其時間限制內(nèi)處理動態(tài)數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)訪問的一致和效率[3,4]。這種數(shù)據(jù)庫被列為實時數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)及其處理實時SCADA數(shù)據(jù)庫有苛刻的時間限制。其精確度不僅僅依賴于業(yè)務邏輯的結(jié)果，還由合乎邏輯的推論是否在特定的間隔內(nèi)完成來決定。因此，我們需要結(jié)合實時理論和傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術來實現(xiàn)在SCADA系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)庫。實時數(shù)據(jù)庫實施中的技術問題如同傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（RTDBMS）作為數(shù)據(jù)儲存庫，并提供了有效地存儲，負載和數(shù)據(jù)操縱。他們必須具備一般數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本功能。此外，為了滿足被管理數(shù)據(jù)，交易的時間限制和性能的時間上的要求。實時數(shù)據(jù)庫應該支持在線查詢，定位，刪除和插入。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫通常用來實現(xiàn)速度的要求。實時數(shù)據(jù)庫的功能可以概括如下[3,4]：①提供與整個能源管理系統(tǒng)（EMS）分享數(shù)據(jù)的平臺。②提供開放的數(shù)據(jù)庫接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的功能，如：快速加載，輸入，刪除，查詢和存取。③提供快照，歷史數(shù)據(jù)存儲，復制和再利用。④提供有效性檢查。⑤提供安全保護。為了實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫的功能，有幾個實時數(shù)據(jù)庫實施的技術問題闡述如下。2.1實時數(shù)據(jù)庫的模型設計與實施關系數(shù)據(jù)庫擅長于數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和管理。當關系學數(shù)據(jù)庫被用于SCADA系統(tǒng)時，它是一個大型的復雜的實時系統(tǒng)，有數(shù)據(jù)管理，監(jiān)測，分析和決策的功能，以及一些缺點的暴露。例如，自從電力系統(tǒng)應用的不同廠商獨立地開發(fā)實時數(shù)據(jù)庫，就沒有標準的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，這就導致了一體化問題。由電力科學研究院（EPRI）提出的公共信息模型（CIM）可以用來解決這個問題[5]。2.2實時任務調(diào)度和并發(fā)控制除了像在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中一樣維持數(shù)據(jù)庫一致性，實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)還必須在時間限制內(nèi)處理交易。調(diào)度實時交易比傳統(tǒng)的實時調(diào)度更復雜。系統(tǒng)必須保證關鍵時刻的任務要盡早執(zhí)行。也就是說，系統(tǒng)應該能夠優(yōu)先調(diào)度交易的執(zhí)行順序[2]。2.3數(shù)據(jù)存儲和共享內(nèi)存管理傳統(tǒng)磁盤數(shù)據(jù)庫操作是基于磁盤I/O操作的，但是磁盤I/O操作的時間延遲和不確定性有時對實時任務是致命的。因此，實時數(shù)據(jù)庫的另一個重要問題是消除時間延遲和不確定性。這需要數(shù)據(jù)庫內(nèi)存的支持。為了確保實時任務訪問數(shù)據(jù)庫快速，準確，有兩個問題應該得到解決[6]：①保證所有負載和存儲的關鍵任務只在內(nèi)存中發(fā)生。②人物之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。2.4數(shù)據(jù)庫的安全和恢復如果數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)崩潰，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)會使用日志來使數(shù)據(jù)庫恢復到它崩潰時的狀態(tài)，但是，實時數(shù)據(jù)庫的恢復由于以下事實而更復雜[3]：①恢復的過程阻礙了訪問數(shù)據(jù)庫的實時任務并且導致了實時任務的超時。主動的實時任務有可能訪問短暫的數(shù)據(jù)并做出錯誤的決定。②在實時數(shù)據(jù)庫中很多數(shù)據(jù)是暫時的，不穩(wěn)定的。有時，數(shù)據(jù)的不一致和不正確的影響是暫時的，不連續(xù)的。例如：不正確的遙測只會影響在相同時間間隔發(fā)生的狀態(tài)估計，而不會在那個間隔之后。因此，不同類型崩潰的數(shù)據(jù)的恢復時間取決于所使用數(shù)據(jù)的應用。3數(shù)據(jù)對象調(diào)度系統(tǒng)分類在實時數(shù)據(jù)庫中建立一個數(shù)據(jù)模式之前有必要知道數(shù)據(jù)對象的特點。在SCADA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可以分為三種類型的數(shù)據(jù)對象：實時數(shù)據(jù)對象，靜態(tài)數(shù)據(jù)對象和派生數(shù)據(jù)對象[1,2,3]。3.1實時數(shù)據(jù)對象例如遠程測量和遙控信號的實時數(shù)據(jù)反映了電力系統(tǒng)的狀態(tài)。數(shù)據(jù)的共同特點是嚴格的時間限制。該數(shù)據(jù)被定期寫入實時數(shù)據(jù)庫中。實時數(shù)據(jù)對象與時間戳和生命周期相關。他們是唯一對響應采樣時間有效的。遠程終端裝置的樣本查詢?nèi)蝿蘸蛯懭霐?shù)據(jù)庫是由下一節(jié)所述的實時任務調(diào)度管理來管理的。一旦實時數(shù)據(jù)對象的值被寫入數(shù)據(jù)庫中，就不能被其他任務改變了。新的樣本數(shù)據(jù)將作為一個新的數(shù)據(jù)對象被儲存在一個實時數(shù)據(jù)庫中[5]。3.2靜態(tài)數(shù)據(jù)對象靜態(tài)數(shù)據(jù)對象是不變的。在實時數(shù)據(jù)庫中它是一個特殊的數(shù)據(jù)類型，它的值不會隨時間變化。和數(shù)據(jù)相關的時間戳是系統(tǒng)的創(chuàng)建時間或重建時間。這種類型的數(shù)據(jù)在SCADA系統(tǒng)中分布廣泛，例如輸電線路和變壓器阻抗參數(shù)。3.3派生數(shù)據(jù)對象派生數(shù)據(jù)對象是由一組實時數(shù)據(jù)對象和其他數(shù)據(jù)對象計算而來的。因此，派生數(shù)據(jù)對象也有時間戳和生命周期。派生數(shù)據(jù)對象的時間戳是推導的時間。這種類型數(shù)據(jù)的生命周期是這種派生時間和下個派生時間之間的時間間隔。數(shù)據(jù)庫中的派生數(shù)據(jù)對象的值可能被更新。它的值可能被保存或不取決于它的功能。這種類型的數(shù)據(jù)包括電網(wǎng)網(wǎng)絡模型，規(guī)模和母線電壓的角度，還有從能源管理系統(tǒng)的狀態(tài)估計中獲得的支路電流。數(shù)據(jù)可以成為一個模塊或者某些人物的原始數(shù)據(jù)的解決方案。實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為了支持上述功能，實時數(shù)據(jù)庫可以是傳統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫和集成的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的結(jié)合?？傮w結(jié)構(gòu)見圖1[1,2]。它包括實時任務調(diào)度管理，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的I/O調(diào)度和關系數(shù)據(jù)庫。實時應用實時應用實時任務調(diào)度管理數(shù)據(jù)庫模型管理數(shù)據(jù)操作實時資源管理網(wǎng)絡通信I/0調(diào)度關系數(shù)據(jù)庫在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)庫圖1實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實時任務調(diào)度管理提供了實時任務活動之間的協(xié)調(diào)來訪問實時數(shù)據(jù)庫。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫存儲了內(nèi)存中數(shù)據(jù)的主要有效范圍來避免磁盤I/O在實時業(yè)務的實施，提高實施效率。這就是數(shù)據(jù)庫的核心部分。詳細闡述將在第五部分呈現(xiàn)。在這個體系結(jié)構(gòu)中關系數(shù)據(jù)庫可以用作進一步發(fā)展的接口，以及內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的存儲媒介。I/O調(diào)度是負責內(nèi)存數(shù)據(jù)庫和關系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)同步，通過它實時數(shù)據(jù)庫就可以天衣無縫的和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)合起來。4.1實時任務調(diào)度管理在SCADA系統(tǒng)里，實時任務之間有嵌套，溝通和合作的關系。一個任務的派生數(shù)據(jù)對象有可能是另一個任務的輸入數(shù)據(jù)對象。數(shù)據(jù)對象和任務是相互依賴的。有必要協(xié)調(diào)實時任務的活動。任務調(diào)度管理應該提供下列功能來共享數(shù)據(jù)庫資源和協(xié)調(diào)沖突[8]：①在固定的世界開始停止任務。②允許設置條件來觸發(fā)任務。③指定任務之間的執(zhí)行順序。④約束全球性任務的實例數(shù)。4.2I/0的調(diào)度I/0調(diào)度負責內(nèi)存數(shù)據(jù)庫與關系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)同步。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫和關系數(shù)據(jù)庫有一對一的關系。一個關系數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)需要自動與內(nèi)存數(shù)據(jù)庫同步。決定何時將一個關系數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)寫入一個內(nèi)存數(shù)據(jù)庫以及何時把關系數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)輸出到內(nèi)存數(shù)據(jù)庫是很重要的。沒有一個普遍的解決方法。一個可行的方法就是在一個關系數(shù)據(jù)庫和一個內(nèi)存數(shù)據(jù)庫之間的雙方向中提供定期更新和強制關系的方法。對于不同的應用，根據(jù)這兩種方法的特點可以用于不同的對象。5內(nèi)存數(shù)據(jù)庫內(nèi)存數(shù)據(jù)庫是一個實時數(shù)據(jù)庫的核心部分。它的功能包括數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)操作，實時資源管理和網(wǎng)絡溝通。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫是基于磁盤的數(shù)據(jù)庫。它的處理時間是非確定性的，因為它涉及磁盤訪問，內(nèi)部和外部存儲的數(shù)據(jù)傳輸，緩沖區(qū)管理，輪候名單和鎖定管理。這種特性使傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不能實現(xiàn)實時交易的高效率和時間確定性的要求。因此，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的采用使內(nèi)存中大多數(shù)交易的進行成為了可能，這避免了磁盤I/O實時交易，并降低了不確定性，提高了效率[6,8]。5.1數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型作為關系數(shù)據(jù)庫的擴展，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫和關系數(shù)據(jù)庫相似。表是內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的關鍵部分。一個表描述了一組同一類型數(shù)據(jù)對象的整體。在關系數(shù)據(jù)庫中表是二維的，而在內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中表可以是多維的。雖然二維的表的設計和操作看似簡單，但是當對歷史或某個性能做數(shù)據(jù)分析時，這需要多個表的復雜的連接[5]。多維表結(jié)構(gòu)的采用允許內(nèi)存數(shù)據(jù)庫處理歷史或某個性能的數(shù)據(jù)，并節(jié)約內(nèi)存的存儲空間。此外，它加快用戶從任何方面訪問數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)分析。5.2實時資源管理5.2.1數(shù)據(jù)存儲形式的分類在數(shù)據(jù)庫中有兩種形式的數(shù)據(jù)存儲，它們是在內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中的存儲和在磁盤中的存儲。在SCADA系統(tǒng)里，數(shù)據(jù)的數(shù)量山谷極其巨大的。不是所有的數(shù)據(jù)都必須放入內(nèi)存數(shù)據(jù)庫。根據(jù)以下數(shù)據(jù)特點，數(shù)據(jù)存儲形式可分為[3]：①及時性：在實時數(shù)據(jù)庫中每個數(shù)據(jù)對象都有一個生命周期生命周期斷的數(shù)據(jù)必須保存在內(nèi)存數(shù)據(jù)庫。②有效性：頻繁訪問的數(shù)據(jù)必須存儲在內(nèi)存數(shù)據(jù)庫。③關鍵性質(zhì)：為了確保系統(tǒng)的效率，關鍵數(shù)據(jù)應該保存內(nèi)存數(shù)據(jù)庫。5.2.2數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)安全和恢復在恢復過程中實時任務不能被打斷，這就意味著數(shù)據(jù)恢復不應當影響實時系統(tǒng)的運作。通常傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫都用回傳部分來存儲。但是這個方法要滿足實時要求是很難的。一種簡單可靠的恢復方法是為必要數(shù)據(jù)創(chuàng)造一個鏡像數(shù)據(jù)庫。鏡像數(shù)據(jù)庫能夠備份本地或其他點網(wǎng)絡的整個數(shù)據(jù)庫。當數(shù)據(jù)在本地站點崩潰時，數(shù)據(jù)可以存儲到備份網(wǎng)點，這增強了必要的數(shù)據(jù)安全[7]。5.3數(shù)據(jù)庫操作5.3.1快速訪問接口快速數(shù)據(jù)訪問是實時數(shù)據(jù)庫的基本要求。為了增強系統(tǒng)分析和決策軟件的操作效率，實時系統(tǒng)需要提供一個快速的數(shù)據(jù)庫訪問接口。通過這個借口，數(shù)據(jù)庫訪問效率可以和內(nèi)存變量操作相同?？赡艿膶崿F(xiàn)是映射數(shù)據(jù)庫整個分區(qū)到共享的內(nèi)存中。通過應用程序接口（API）返回C結(jié)構(gòu)中的結(jié)果。這一機制提供了有效的數(shù)據(jù)處理能力，并環(huán)游數(shù)據(jù)庫安全和完整性的檢查，這帶來了一定程度的風險。然而，實時數(shù)據(jù)庫的這個接口設計的指導路線是得到部分但及時的數(shù)據(jù)，而不是準確但過時的數(shù)據(jù)。因此，這種風險是可以容忍的[1,2]。5.3.2標準I/O為了彌補的快速訪問接口的不足，數(shù)據(jù)庫可以提供另一種訪問接口-標準I/O。此訪問接口需要提供數(shù)據(jù)庫的安全性和數(shù)據(jù)完整性檢查。它也需要提供一個有效的網(wǎng)絡訪問機制和嚴格的并發(fā)控制。由于數(shù)據(jù)庫中的任何數(shù)據(jù)操作必須與數(shù)據(jù)庫服務器互動，這種訪問機制和快速訪問接口相比已經(jīng)降低了效率。這種機制可用于分布式應用程序，人機界面（HMI）和其他應用程序接口[1,2]。5.4通信實時數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡通信的基本要求是高效率和可靠性。很多機制，如客戶機/服務器交互，流式傳輸，以及在其他站點創(chuàng)建鏡像數(shù)據(jù)庫都可以用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布。這些機制有不同的優(yōu)點和缺點，適用于不同的應用領域[7,8,9]。5.4.1客戶機/服務器交互在客戶機/服務器交互通信中，客戶端通過本地實時數(shù)據(jù)庫訪問遠程數(shù)據(jù)庫（服務器）。每次訪問都有客戶端和遠程服務器的一系列交互作用來建立連接。這是用于大多數(shù)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的客戶機/服務器的典型的應用。由于信息的大小，互動頻率高，很容易導致網(wǎng)絡負擔過重，效率低，服務器過載?？蛻魴C/服務器交互的優(yōu)勢是數(shù)據(jù)庫之間沒有必要數(shù)據(jù)同步，并且它適用于少量的實時數(shù)據(jù)共享。5.4.2流式傳輸和客戶機/服務器交互相似，流式傳輸根據(jù)要求傳遞數(shù)據(jù)到客戶端。三十流式傳輸?shù)幕驹瓌t是服務器將根據(jù)要求通過客戶端的首次連接來定期向客戶端傳遞數(shù)據(jù)。因此，它可以避免客戶機/服務器的頻繁連接建立過程。還有，服務器可以根據(jù)客戶端需要來重組信息，從而增加平均信息大小，減小通過網(wǎng)絡的框架。因此傳輸效率就增加了。5.4.3鏡像數(shù)據(jù)庫在其他站點的創(chuàng)建不同的鏡像數(shù)據(jù)能夠有效地保持數(shù)據(jù)同步。當大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移時，特定的程序便可應用了。對鏡像數(shù)據(jù)而言，主要的原則是數(shù)據(jù)庫的某個基本單元，例如，整體數(shù)據(jù)庫，局部數(shù)據(jù)庫或如其它站點表格。用鏡像數(shù)據(jù)庫指定其它節(jié)點這種技術有利于快速啟動一個節(jié)點上的SCADA系統(tǒng)。此外，它還能有助實現(xiàn)快速更新遠程數(shù)據(jù)庫。6.實時數(shù)據(jù)庫的安裝啟用由于能源管理系統(tǒng)的設計必須圍繞嚴格的實時性要求，正如以上所述，用特定的專利數(shù)據(jù)庫來適應高交易率，大信息容量，以及能