新一代分布式面向对象实时数据库管理系统

作者与出处

本文题为《新一代分布式面向对象实时数据库管理系统》，由姚阳春、柴世友、吕行、陆鑫、王艳蓉联合撰写。文章发表于《电网技术》（Power System Technology）第 31 卷增刊 2（2007 年 12 月）。作者分别来自南瑞继保电气有限公司（江苏省南京市）和乌鲁木齐石化公司（新疆乌鲁木齐市），致力于电力系统实时数据库及相关技术领域的研究。

研究背景与目的

能源管理系统（Energy Management System，EMS）是高度复杂的分布式异构集成系统，担当实时监控的重要角色。实时数据库管理系统是 EMS 的核心支撑平台，其实时性、可靠性和开放性直接影响 EMS 的整体性能。然而，传统关系型或层次型数据库在速度、拓扑描述能力及可维护性方面表现出局限性，难以满足 EMS 的需求。例如，传统通用关系型数据库虽然逻辑灵活，但操作效率偏低，无法满足 EMS 高频数据库操作的要求。同时，近年来国际电工委员会（IEC）制定的 IEC 61970 EMS-API 系列标准，引入了基于面向对象模型的公共信息模型（Common Information Model, CIM），推动 EMS 实现开放性和即插即用功能。

因此，本文针对以上问题，设计并实现了新一代分布式面向对象的实时数据库管理系统——RCS-9001，满足现代 EMS 对实时数据库的多重需求，并探索其具体的系统结构、性能特点及工程应用。

系统设计与主要技术

文章对 RCS-9001 的设计与实现进行了详细阐述，主要包含以下几个方面：

1. 系统体系结构

RCS-9001 的实时数据库采用四层信息存储架构：

• 全局数据字典：记录数据库的分布、模式版本及运行状态，在每个节点上部署并实时同步，确保全局信息一致性。
• 实时数据库：可以单机或分布式同步运行，由元数据文件和分区数据文件组成。
• 元数据文件：存储表结构及域结构的描述信息，为数据库访问提供依据。
• 分区数据文件：存储对象的索引信息和实际数据，通过分区划分，优化访问性能，同时提高版本同步效率。

2. 分布式性能设计

RCS-9001 的分布式实时数据库通过一主多备策略实现了高实时性和高可靠性：

• 数据同步机制：主数据库修改完成后，通过事件触发将变化数据发布到副本节点，副本节点实时更新同步数据。应用程序直接访问本地数据库获取最新数据。
• 高实时性保障：
  • 数据库启动时将文件映射至内存，避免磁盘访问延时；
  • 数据库灵活部署在需要数据的节点上，减少网络通信延迟；
  • 数据访问通过紧耦合方式实现高效查询。
• 高可靠性保障：
  • 一主多备机制确保主副本切换平稳，副本故障时可自我修复；
  • 可靠的版本管理和实时自检功能确保系统完整性。

3. 数据模型与数据接口

RCS-9001 基于面向对象的 CIM 模型，支持类间属性继承和对象间各种复杂关系（如简单联系、合成聚集、共享聚集）。此外，符合组件接口规范（CIS）的数据访问接口通过 XML 格式实现与外部系统的信息交互，促进 EMS 系统的开放性和互操作性。

4. 离线维护与在线装库策略

传统实时数据库的维护通常需要停机，影响系统运行。RCS-9001 创新性提出离线维护在线装库技术：

• 用户在维护库上进行模型修改和验证；
• 更新的变化数据通过事件发布到在线运行库；
• 在线库接收到变化后完成快速切换（1 秒内），实现连续运行及高稳定性。

5. 混合平台解决方案

为适配不同操作系统的字节序差异，RCS-9001 通过元数据信息实现了数据库文件及报文的字节转换，支持 UNIX 服务器与微机工作站等异构平台的混合部署。

6. 系统配套工具

为便于应用，RCS-9001 提供了一系列配套工具，包括模式定义工具、数据库检索器、数据输入/输出工具、基于 SQL 的访问引擎、备份恢复工具，以及支持 XML 格式的导入/导出工具等。

性能测试与应用成果

作者对 RCS-9001 系统进行了性能测试，测试电力模型包含 200 个厂站、1,200 个母线、10 万个模拟量和状态量，部署在两台 Sun Blade-1000 服务器和两台 Dell 微机组成的网络中。结果显示：

• 本地紧耦合查询：每秒 500 万次；
• 本地松耦合查询：每秒 100 万条；
• 同步插入：每秒 3 万条；
• 同步更新：每秒 5 万条。

基于该系统开发的多个 EMS 和配电管理系统（DMS）已经成功应用于工程项目，例如，南网在线稳定决策系统覆盖 670 个厂站，每次状态估计耗时仅 2~3 秒。

结论与意义

实时数据库是 EMS 的核心支撑平台，面对系统对性能与开放性逐步提升的要求，基于分布式面向对象技术的 RCS-9001 本质上代表了新一代 EMS 的发展方向。通过兼容 IEC 61970 标准，RCS-9001 提供了良好的扩展性和互操作能力，满足了电力系统复杂监控的需求。

研究亮点

• 创新性提出离线维护在线装库技术，增强了系统维护的灵活性与稳定性；
• 采用符合 CIM 的面向对象数据模型，促进了 EMS 系统的开放性；
• 通过混合平台字节序转换技术，实现了异构系统的无缝对接。

总体评价

本文提出并实现的新一代分布式面向对象实时数据库管理系统，不仅解决了传统数据库系统的局限性，还在技术创新、工程应用等多方面作出了显著贡献，具有较高的学术和应用价值。