整编基于实时数据库PI的电力行业应用可行性研究报告.docx
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整编基于实时数据库PI的电力行业应用可行性研究报告
基于实时数据库PI的电力行业应用可行性研究报告
第1章实时数据库PI介绍
1.1实时数据库背景介绍
1.1.1实时数据库国外发展情况
当今国际国内广泛使用的实时数据库只有三个产品：
⏹a.美国OSI公司的PI（PlantInformationSystem）
⏹b.美国HONEYWELL公司的PHD（ProcessHistoryDatabase）
⏹c.美国AspenTech公司的IP21（InfoPlus.21）
这些实时数据库的价格是非常昂贵的，以百万人民币为单位，但是它们不全是以套也不全是以点（可容纳的数据点）为单位来出售，所以无法数字化的比较其价格。
在此对它们做一个比较。
⏹PI：
采用了旋转门压缩专利技术和独到的二次过滤技术，使进入到PI数据库的数据经过了最有效的压缩，极大地节省了硬盘空间。
据计算，每秒1万点数据存储一年，仅需要4G的空间，即一只普通硬盘也可存贮五到十年的数据。
是效率最高，使用最简单，使用最广泛的实时数据库，因为其杰出的性能，PI已经多次提高了它的价格，确实不坠OSI的名号，而且PI在其文档中公开了她的各种算法，比如上面提到的旋转门压缩和二次过滤。
⏹PHD：
HONEYWELL占据了DCS大部分份额，因此PHD使用得也比较广泛，PHD在内部其实使用了Oracle关系数据库，因此购买PHD就必须先购买Oracle。
因为PHD内部使用Oracle简化了开发量和Oracle的性能限制比较严重，所以PHD的价格在这三种数据库最低，算不上正宗的实时数据库。
但不要以为PHD内部使用Oracle就认为Oracle很强，如果直接使用Oracle，只要两三秒的时间，巨大的数据量就会令它崩溃。
HONEYWELL其志不在实时数据库这一块，而是她的DCS。
⏹IP21：
IP21基本上还未进入中国市场，它正在通过先期赠送的办法打开中国市场。
其软件的安装程序的运行需要一个硬狗，其安装复杂。
管理维护软件非常的复杂。
实时数据库的访问方式
⏹a.使用自己的API，这种方式效率最高，其实也最简单。
⏹b.使用ODBC，这种方式其实没有多大作用，因为实时数据库不同于关系数据库，ODBC没有太大的用武之地，所以在使用ODBC时有非常多的限制，大部分功能并不支持ODBC方式。
⏹c.使用OPC方式（OLEforProcessControl）
因为太多的数据库和DCS使用自己的API方式存取数据，无法做到算法的通用，因为提出了一个标准的存取接口，这就是OPC，如今有超过两百家产商加入到OPC组织中。
1.2实时数据库PI组成
PI主要用于存贮和获取时间序列的实时数据。
PI系统具有最强的装置历史数据应用功能。
PI数据库的所谓"字段"，在大多数情况是代表了现场实际中的"工位号"，用户可以将任意"工位号"加到PI历史数据库中。
这些字段用来修改、维护数据库的信息。
PI工位号数据库为用户提供了六种用户自定义的字段，这样就能保证每一套PI系统都可根据用户的需要完成他们自己的应用，同时PI系统的固定结构也能保证软件维护的统一性。
PI是一个模块化软件系统，主要分为客户端模块和服务器端模块。
1.2.1产品概述
通用数据服务器（UDS）是PI系统的核心，通过PI的信息基础结构获取和发送实时数据
⏹PIActiveView形成数据传递系统的互联网部分，并为用户提供在Web上观察全部功能以及PIProcessBook显示的相互作用。
⏹PIControlMonitor通过监视和显示作为非独立变量的质量变量，以及作为独立变量的控制回路设定点，被测变量和控制输出等，从而保证控制系统正确地起到控制作用。
⏹PIDataAccess软件是一组工具，它协助高级用户观察、结构化和访问PI系统内的数据。
例如：
成套的软件开发工具为访问PI服务器和有关的子系统提供ActiveX编程工具。
1.2.2产品分类说明
1.2.2.1PI服务器端软件
⏹核心子系统：
PI核心子系统主要包括Archive、Snapshot、Update、Base,Message各个子系统。
，在PI系统中，每个点最新的值为Snapshot,Snapshot，子系统根据Snapshot值来确定是否将该Snapshot值送入Archive子系统。
Update子系统将值变化的信息发送给其他的应用。
ØPIDataStorage:
就是PI数据库。
它是时间序列数据库，存储和处理实时数据的数据库，到现在已经过了20多年的不断开发和完善。
ØPIModuleDatabase:
使实时和历史数据更加便于分析和管理，用户可按自己的需要用不同的结构和模型去查看和调用数据。
ØPIServerApplications：
服务器端的应用提供了报警、性能计算、ASMESteamTables等多种计算功能。
分析结果和报警信息都像原始数据一样保存在PI数据库中，可以通过PI客户端、浏览器显示，也可以被其他外部程序调用。
以数据原型存储，保持高精度，便于应用和分析。
长期在线存储，调用数据非常方便。
多个采集点、分布式的方式，效率高并安全。
支持多服务器同时运行，可同时调用多个服务器的数据。
WINDOWSNT/2000和UNIX、OPENVMS平台任选。
操作简单、易学易用、易于维护，易于升级。
数据存储年限：
软件本身可以支持的数据存储年限没有限制。
按照当前的硬件配置，吴泾厂至少可以实现2千点实时数据在线存储5年，氯碱厂至少可以实现2万点实时数据在线存储5年。
磁盘空间要求：
平均单点存储占用磁盘空间约为1KB/24小时。
监视范围：
凡是工厂计算机网络和控制系统能够达到的地方，都可以授权监视；经过授权以后也可以远程登陆网络监视生产情况。
专利的SwingDoor压缩算法，每个采集点的数据压缩率可自行设置；在保证数据精度要求的条件下优化了系统的运行效率，调用数据速度快。
支持多个时区
支持以前的数据插入
PI支持多种数据类型，包括：
Digital,16-bitintegers,32-bitintegers,float16,float32,float64,textandBLOB（binarylargeobject）。
这些包括了常用的模拟量、开关量，以及运行人员对操作的评价等文本信息。
ØPIArchss：
该子系统管理文档，它存储从snapshot子系统接收的新事件并响应文档的访问请求。
并且处理文档间的转换。
ØPISnapss：
该子系统进程管理snapshot和事件队列。
它处理压缩并发送事件给文档。
ØPIUpdMgr：
该子系统提供例外报告和点数据库变化给那些需要更新的应用。
ØPIBasess：
该子系统进程管理点数据库和用户数据库。
它执行所有的安全授权。
ØPIMsgss：
所有的PI进程都发送消息给PI信息子系统进程，然后该子系统进程写消息给PI信息记录。
⏹PI网络管理器：
（PINetworkManager）：
PI网络管理器提供驻留在PIHome节点上的PI子系统之间的连接，同时也管理PI系统和客户端应用之间的连接。
例如：
PI-ProcessBook和利用PI-API编写的程序。
⏹组态和管理应用：
包括PIConfig和PISMT，可用于组态点，监视数据流，管理文档，并组态安全设置。
⏹其它子系统：
ØPISQL执行指向PIServer的SQLstatements。
它使PI看起来像关系数据库一样，保证其他关系数据系统和外部应用程序能够实时调用PI系统的数据。
Ø性能计算模块（PerformanceEquations）可按用户要求自动对参数进行复杂的实时计算，并将计算结果长期保存。
可以进行：
流体属性的计算、热量和物料平衡、装置运行计算、实时成本计算、实时收率计算、间歇操作计算等。
内嵌100多种函数，使用起来更方便，不需要进行编程。
当性能计算所用到的点的值发生变化时，重新计算模块（Recalculator）会自动调整性能计算的值
ØTotalizer在数据压缩前进行计算，可以自动实时计算求和、平均、最大值、最小值、中位数、标准差、值域，还可以按照用户要求对事件进行统计。
SteamTables模块提供两套（英制和公制）各24种计算蒸汽热力学属性的函数。
这些函数是根据ASME’sSteamTables第六版转换为PI中可以直接调用的函数。
ModuleDatabase使实时和历史数据更加便于分析和管理，可以给所有的tag赋予别名、属性，并将整个生产过程的各装置直至各个仪表建成相互关联的树状模型。
用户可按自己的需要用不同的结构和模型去查看和调用数据，而不必知道tag名称。
Ø报警模块（Alarm）可按用户要求自动对数据进行实时分析，产生报警信息，并将全部报警信息长期保存。
可以自动它的主要功能是：
管理报警点，显示当前的条件，优先级，和状态。
可按用户需要监测报警条件；可按用户需要组建不同级别报警点组成的报警组，进行报警管理；报警状态都保存在PI数据库中随时调用；可用客户端或浏览器查看任何报警点的实时和历史状态；报警点性能计算也可触发一系列计算
ØPI-BatchSubsystem：
它是与PI点联合的软件模块，这样数据可以成批存储和检索。
1.2.2.2PI客户端软件
⏹PI-ODBC：
PI系统提供的标准的ODBC接口。
主要用来数据检索和数据录入。
1.2.2.3PI接口软件
接口机一端与控制系统通讯，将数据采集过来，一端与PI服务器通讯，将数据发送到PI服务器。
接口机有自诊断、缓存和自恢复的功能。
当接口机与PI服务器之间的通讯中断或PI服务器进行系统维护等原因不能接收数据时，接口机会自动缓存数据，当通讯恢复时自动将缓存的数据发送至PI服务器，保证数据的完整性。
接口机数据采集更新周期：
最快可达0.1ms，用户可自定义。
数据采集率：
100%；年运行时间：
>8000小时。
采集的数据类型：
各种数字化的数据（模拟量、开关量等）。
近些年来，控制系统厂家大多支持OPC通讯标准（OLEforProcessControl）。
因此，许多控制系统都提供OPCServer。
相应的OSIsoft公司开发了OPCClient，用以支持与各种OPCServer之间的通讯。
理论上讲，这个接口的数据传递可以是双向的。
当然，一般来讲，只用它来向PI发送数据。
PI的接口在采集数据时采用优化的方式，既保证数据精度，又保证不给控制系统增加额外的通讯负担。
它采集数据时要进行Exceptionreport，也就是说，当数据不变，或变化非常微小用户认为没有任何意义时，没有数据传递。
ExceptionReport的参数是根据用户的实际情况逐点定义的，定义的方法是使用系统管理工具进行，通过Excel表将组态要求输入服务器中。
⏹PIITMonitor接口：
通过PIPing，PITCPResponse，PIPerformanceMonitor，PISNMP，PINetFlow，PIPacketCapture各个接口将数据采集到PI数据库中。
这几个接口是PI系统提供的接口程序。
ØITMonitor三类Agent:
（1）ReliabilityAgent（可靠性）:
Ping;TCPResponse
（2）PerformanceAgent（性能）:
PerformanceMonitor;SNMP
（3）SecurityAgent（安全性）:
NetFlow;PacketCapture
⏹PIOPC接口：
PIOPC接口是通过自动化过程控制软件接口标准（OLEforProcessControl）将数据采集到PI数据库中。
OPC定义了一个开放的软件接口，便于交换数据。
PI系统提供了接口程序。
1.2.2.4PI可选组件
⏹应用开发工具-先进计算引擎-PI-ACE
⏹PI-ACE：
如果要在VB的环境下，不需复杂的编程就可以使用PI数据实现复杂的计算，可以选用PI-ACE（先进计算引擎）。
⏹二次开发工具-数据访问包-DAP-Server
DAP-Server：
数据访问包（DAP-Server）可将PI数据实时送到各种外挂的模型或应用程序进行运算，分析结果可供整个企业实时参考。
数据访问包也支持从外部程序将需要的数据存入PI系统，供各部门分析调用。
OSI提供与SAP的R/3ERP系统的连接，产品名称叫RLINK。
RLINK的开发使用了SAP提供的工具和微软的产品。
RLINK在Windows2000环境下运行，使用SQLServer和ActiveX技术，RemoteFunctionCalls（RFCs）和BusinessApplicationProgrammingInterfaces（BAPIs）RLINK与SAP的PP-PI（生产信息）、PM（工厂维护）、QM（质量管理模块）的连接是经过SAP验证的。
1.3PI产品的技术先进性
⏹PI不仅仅是一个数据库，而是生产企业信息系统的基础平台，是安全性能高、标准化、模块化的系统，同时提供了很多应用工具。
⏹实施快速
基于前面的几个技术优势决定了PI在实施时要比其他的软件快速、安全。
系统自带了很多的图表和计算，建立模型和输入数据后即可使用；对于其他的大范围和深入的应用，PI提供了即专业又简单的开发工具，用户通过培训后就能很快地自行开发，由于技术的优势提高了经济效益
⏹节约用户的开发费用，节省项目实施时间，提高了用户的自主性
在以后的使用过程中不在依赖供应商，从而减少在使用过程中的费用。
提倡企业的自主开发和应用是OSI公司的PI产品有别于其他供应商和产品的显著特征，这一点使国内外几千家用户受益匪浅，并且得到了他们的认可。
⏹PI与其他解决方案的区别
PI是一个安全、稳定、标准化、模块化的产品，提供的是一个生产企业信息系统的基础平台，而不仅仅是一个数据库或具体的应用。
我们所提供的软件都是作为一个产品来持续地提供升级和支持。
用户可以用它作出各种自己需要的应用。
PI的开放性、可扩展性好，这在以后的升级换代、使用范围的扩展、增加新的点数和系统维护等方面变得简单易行，而且不会影响原有的数据、系统和生产的正常进行；一般的解决方案基本上无法作到这一点。
PI提倡和鼓励用户利用它所提供的工具自主开发和应用，不是为了做更多的工程和应用而附带着卖一个软件。
而一个具体的解决方案则需要做大量的开发应用的工程，就会带来很多的不确定性和问题。
一个具体的解决方案或定制软件还会在将来的升级当中发生很多由于集成商人员变动等带来的问题。
PI与其他的数据库或解决方案比较起来，第一次的投资可能比较大，但是后续再追加的投资很少。
也就是说投资是递减的，而效益是递增的。
1.4PI基于Windows的应用开发
开放数据连接（ODBC）是微软SQL存取组执行的层面接口标准。
关系型数据库供应商遵循该标准以保证任何标准的ODBC用户应用都可以存取其数据。
OSISoftware公司也遵循ODBC标准并在其产品中应用。
由于OSISoftware公司的用户数据应用和数据压缩等方面的需要，PI历史数据库不是基于关系型数据库结构的。
但是PIODBC服务器使得PI数据在应用和用户感受方面就像是PI数据是存储在关系型数据库的表中一样。
用这种方式，PI系统数据库被设计成可以非常方便地与关系型数据库进行交互，而不必将PI或关系型数据库的数据先复制到某一区域，然后再从这区域由另一个数据库来存取。
简而言之，OSISoftware公司引入了“外部接口”功能，可在基于WINDOWS的PI-ProcessBook这一用户端使用。
这一特性允许用户从PI系统这一端，去观察与ODBC兼容的任意一个数据库中的数据。
由于支持ODBC标准，PI系统就不必要为了提供集成查询能力而扩展或修改其“表”的功能。
我们建议如果用户需要增加信息获取量，可以在用户所选的关系型数据库中自行设计新的“表”。
这样许多现代的报告生成和查询工具就可以跨数据库的查询与结合。
比方说，可以使用微软的查询工具建立查询方式，通过PIODBC服务器的门路，根据PI数据库某些数值的条件，在DB2数据之外去获取数据。
简单地说，PIProcessBook可以从外部关系型数据库获取数据，同时在PI数据库中显示、使用。
这些查询也可以是PI和外部数据库相互交互进行的。
第2章电力行业PI应用背景
2.1行业信息化发展现状
信息化发展的到一定阶段，已经暴露出一些问题；统一与集中是历史的必然。
⏹应用建设局部的条理性与整体的混乱性；
Ø数据资源建设的分散性管理
Ø应用建设的分散性管理
Ø管理的分散性
⏹2应用系统建设时忽视了对共公信息资源的抽取与集中管理
Ø公共信息资源的分类
Ø结构化数据资源
Ø人财物数据资源
Ø空间电网数据资源
Ø实时数据资源
⏹非结构化数据资源
Ø图形
Ø语音、图像等数据资源
2.2电力信息化迫切需要整合（WHY）
⏹通过规划来改变现状
⏹通过整合来改变现状（数据与应用整合）（首先解决数据的一致性、其次解决数据的展现，即解决WHAT和HOW的问题）
Ø人、财、物整合到SAP
Ø电网结构与分析应用整合到GIS
Ø实时数据资源整合到实时数据库中
Ø非结构化数据的整合
2.3实时数据资源的建设原则（HOW）
⏹基础先行、实用优先
规律与效果
⏹整体规划、分布实施
⏹数据与展现分离
Ø专业化应用数据在PI上直接展现
Ø分析应用在GIS展现；
Ø门户界面上展现
2.4实时数据建设内容（WHAT）
针对供电企业，由于电网的各种实时数据量庞大，传统的关系数据库在实时数据面前无能无力，往往采用有损压缩算法，并不能够全部保存实时数据，从而不能够真正地反映电网的实时变化情况；另外，由于实时数据来源很多，能够对全部实时数据进行管理起来，具有重要的意义
具体说来，PI可以采集、保存、提取、加工、分析各种实时数据，并能够为其它应用系统提供统一的接口；供电企业也可以直接利用PI提供的分析工具定制基于实时数据及历史数据的报表及图表；
PI可以在以下系统大展伸手：
⏹各级电网调度自动化系统
⏹变电站自动化系统
⏹换流站计算机监控系统
⏹配电网自动化系统
⏹电能量计量计费系统
⏹实时电力市场的辅助控制系统等
数据经过PI的处理转变为有特定含意的信息，并通过交互式的动态画面按照需要提供给用户。
PI可以存储的数据量几乎是无限制的。
PI3.4版可以达到100万点。
这些数据能够保持采集时的状态与精度，采用独创的压缩算法，高效无失真地保存数据。
有很多客户已经将数据在PI中保存了10年以上。
PI系统使企业的每个人都可以（根据权限）访问实时信息。
有了PI，数据变成有用的信息，信息经过分析能够帮助调度人员、运行人员、经理和高层管理人员进行各级实时决策，帮助企业提高效益，改进生产，从而加快企业的发展步伐。
建立在PI对企业级的实时数据统一管理基础之上，我们可以拓展各种应用系统的使用空间，完成原来不可能完成的分析、监控任务，使各应用系统具有较大的伸缩性与生命力，并避免新数据孤岛的产生。
PI系统配置灵活，可以根据用户的需要配置和扩展。
数据采集点从1000点到15万点；可以同时支持几百个接口和客户端。
接口、客户端和服务器都可以使不同的操作系统；这样既优化了系统结构，又隔离了多种应用程序对控制系统可能产生的干扰。
它的专利的压缩算法和不断改进的软件结构使它能够轻松胜任这一角色。
现在PI在输配电行业已经安装了几百套，在国内，PI已经有50多家用户。
PI在浙江电力（嘉兴）已经具备如下应用
⏹SCADA/EMS
⏹变电所设备监测
⏹用户方的监测
⏹输电线路监测
⏹配电网络监测
⏹IT设备资源监测
⏹电能量监测
2.4.1SCADA系统数据应用
⏹SCADA数据管理
采用XML的文件传输方式，将电网的静态模型以及实时数据均通过TCP/IP方式传输至PI服务器，由于电网静态模型相对比较大，并且变动性不大；而电网的遥测以及遥信数据具有实时性高、数据量大的特点，本系统结合网络情况、数据传输量，将电网静态模型与实时数据有机的分离。
从而解决了因发送的数据量过大而造成阻塞的一系列问题。
⏹SCADA数据初步加工
SCADA数据送入PI数据库后，利用PI数据库的客户端开发工具ProcessBook和ActiveView，结合ASP技术进行二次应用开发，通过门户技术发布地区各厂站的实时数据信息。
实现在线浏览到全市的负荷总加,各厂站的有功\无功实时值（包括主变）,各县局的有功\无功实时值,通过公式计算,可以浏览到网供负荷、年最大负荷、全网总负荷。
通过历史数据可以统计出“昨日网供”、“全市总电量”等负荷预测数据。
⏹一次接线
通过选择具体的厂站，可以浏览到某一厂站的实时数据信息可以浏览到某一线路的有功、无功、电流和母线电压、开关状态等
⏹地理信息：
通过地理图可以了解到全区电网供电关系，电流潮流。
⏹动态棒图：
可以浏览到各个电压等级的母线电压，选择一电压等级，可以浏览到这一电压等级以棒图方式表现的各变电站的主母线，旁母线的电压
⏹动态曲线：
通过动态实时刷新的负荷曲线，可以了解当时各局电网负荷情况，可以根据各局的每日最大负荷和最小负荷做统计，更合理的控制和分配电量
⏹电厂出力：
可以浏览到整个电网的各电厂的输出情况
2.4.2电能量数据接口
⏹档案信息查询：
对厂站级、电表级、计算电量库、计算电量的档案信息进行查询，
⏹电表信息：
厂站名称、电表名称、类型（主变的不同电压等级侧，线路进、出关系与关联母线电压等级）、CT、PT、时段方案、测点1名称、测点2名称、测点3名称、测点4名称
⏹计算电量库：
分局、计算电量库名称
⏹计算电量：
分局、计算电量库名称、计算电量名称
⏹二次电量查询：
对各测点的二次电量（5分钟间隔）进行查询
⏹电表级的查询，所有厂站的分类显示
⏹一次电量查询：
对各测点的一次电量（小时、时段、日、月、年统计）进行查询，电表级的查询，所有厂站的分类显示
⏹计算电量的查询，所有计算电量库的分类显示
⏹日查询显示数据：
小时统计、日总统计、日时段统计
⏹月查询显示数据：
每日总统计、月总统计、月时段统计
⏹年查询显示数据：
每月总统计、年总统计、年时段统计
⏹对重要测点、重要计算数据的设置，一般用来显示相关领导关心的关口总加、各县局总加、大用户总加等
⏹自动显示设置的重要测点、重要计算数据截止前日为止的日、月、年数据
⏹所有显示的数据可进一步跟踪到数据的组成（如日总数据跟踪到日小时、日时段数据的详细情况
⏹业务信息查询：
对换CT、换表、电量追加、旁路代供等业务信息进行综合查询
2.4.3变电所数据接口
设备数据送入PI数据库后，利用PI数据库的客户端开发工具ProcessBook和ActiveView，结合ASP技术进行二次应用开发，通过网页发布地区各变电站直流系统中的设备信息、变压器油色谱和电压合格率设备信息。
主要分目录部分和显示部分两大板块来组织变电站设备信息。
⏹设备信息显示：
对于每个变电站下的直流装置、绝缘监测、蓄电池、变压器油色谱和电压合格率这5种最基本的设备，都根据“基本信息”（台帐）、“实时信息运行监测”和“报警信息”这3部分来组织显示其内容的。
2.4.4
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