電網調度實時數(shù)據(jù)庫的架構

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實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

傳統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫將實時數(shù)據(jù)集中存儲在一臺服務器上，使用者通過實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對外提供的訪問接口對實時數(shù)據(jù)操作。分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是實時數(shù)據(jù)庫技術與網絡技術兩者相互滲透和有機結合的結果［6］。分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在體系結構上與集中式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有很大的不同，具有數(shù)據(jù)分布性、邏輯整體性等特點［7］。數(shù)據(jù)分布性是指實時數(shù)據(jù)庫通過數(shù)據(jù)分片，將實時數(shù)據(jù)存儲在不同的計算機節(jié)點上，使用者不需要關心數(shù)據(jù)的物理位置分布情況，通過服務器間的數(shù)據(jù)定位，完成對實時數(shù)據(jù)的透明訪問；邏輯整體性是指這些存儲在不同節(jié)點的數(shù)據(jù)在邏輯上是互相關聯(lián)的，從邏輯上形成一個數(shù)據(jù)整體。分布式實時數(shù)據(jù)庫采用全局統(tǒng)一管理和區(qū)域分片自治管理結合的原則，由系統(tǒng)根據(jù)實際需要將數(shù)據(jù)進行合理的分片，并通過冗余備份、數(shù)據(jù)同步等手段來保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性。分布式實時數(shù)據(jù)庫結構如圖1所示。廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布性從局域網內不同服務器上的數(shù)據(jù)分布，擴展到廣域網絡內不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)分布，各系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)由本地實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理，具有高度的自治處理能力，能夠自主地完成本地業(yè)務。廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫將分布式實時數(shù)據(jù)庫擴展到廣域系統(tǒng)內，它把廣域網絡內各個獨立的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)邏輯整合成一體化的大型分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如圖2所示。

廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫體系架構

目前的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)一般采用數(shù)據(jù)集中式存儲和處理技術，已不能滿足大電網調度中海量數(shù)據(jù)的實時處理以及分布式存儲、廣域化全局計算的需求。為了更高效、更穩(wěn)定地支撐智能調度業(yè)務，需要改變現(xiàn)有實時數(shù)據(jù)庫的體系架構，研究和設計適用于廣域電網調度的分布式實時數(shù)據(jù)庫體系架構。廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由分布于廣域范圍內多套調度系統(tǒng)間的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所組成，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)操縱和訪問機制，實現(xiàn)對各實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)的透明訪問，使得廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫在使用上可視為一個完整的數(shù)據(jù)庫，而實際上分布在地理分散的多個電網調度系統(tǒng)中。廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構采用面向服務的體系結構，自下而上包括文件系統(tǒng)層、數(shù)據(jù)處理層、網絡連接層、數(shù)據(jù)定位層與應用層，由應用程序接口（API）服務接口、廣域實時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)定位系統(tǒng)、系統(tǒng)內實時數(shù)據(jù)庫服務處理系統(tǒng)等組成。廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫體系架構如圖3所示。該架構中，文件系統(tǒng)層的作用包括存放分布式實時數(shù)據(jù)庫實體、處理廣域系統(tǒng)間數(shù)據(jù)冗余備份和數(shù)據(jù)同步等；數(shù)據(jù)處理層負責處理具體的數(shù)據(jù)訪問請求和數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)加密和冗余系統(tǒng)間數(shù)據(jù)同步；網絡連接層負責處理系統(tǒng)間數(shù)據(jù)安全認證，以及局域網絡、廣域網絡連接管理；數(shù)據(jù)定位層負責廣域數(shù)據(jù)定位、結構化查詢語言（SQL）解析，以及廣域數(shù)據(jù)索引的建立和管理；應用層包括電網調度自動化系統(tǒng)各個上層業(yè)務應用，應用可以通過調用API接口或SQL來訪問實時數(shù)據(jù)庫，訪問的方法包括請求應答與訂閱，是廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的最終使用者。

廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構的關鍵技術

廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫體系架構可以解決調度自動化系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲和訪問的瓶頸問題、調度系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互與共享問題，提升信息處理、計算、存儲和共享的能力，提高系統(tǒng)運行速度和處理能力，更好地為大電網一體化運行服務。該架構的研發(fā)需要重點研究和掌握廣域數(shù)據(jù)標識、廣域數(shù)據(jù)分布式存儲、廣域數(shù)據(jù)服務定位、廣域冗余備份與數(shù)據(jù)同步、廣域數(shù)據(jù)安全訪問等關鍵技術。

1電網設備唯一標識方法

目前實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中設備標識（關鍵字）僅在本系統(tǒng)內唯一，無法滿足廣域范圍系統(tǒng)內調度系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)分布式存儲和共享交互的需求，需要設計一種在廣域系統(tǒng)內唯一的關鍵字實現(xiàn)方法，關鍵字需要增加標識數(shù)據(jù)所屬區(qū)域的信息，用于標識廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的系統(tǒng)區(qū)域。這樣，在整個電網調度自動化系統(tǒng)中，每個設備對應一個廣域范圍內唯一的設備標識。引入了廣域設備唯一標識后，每個子區(qū)域的實時數(shù)據(jù)庫只存儲本區(qū)的記錄，從而實現(xiàn)廣域數(shù)據(jù)的分布式存儲。另外，這種關鍵字的設計也可用于數(shù)據(jù)定位，廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過對關鍵字的解析可以直接定位到該記錄所屬系統(tǒng)，完成廣域數(shù)據(jù)資源定位。

2電網設備統(tǒng)一命名方法

廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內各個系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互方式除了按設備關鍵字交互之外，還可以按設備名稱交互。按設備名稱交互的方式在很大程度上依賴于廣域范圍內電網設備的規(guī)范化命名，保證電網設備名稱全系統(tǒng)唯一，這也是整個調度技術支持體系內數(shù)據(jù)流暢通的基礎。廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中設備的統(tǒng)一命名方法可以參照國家電網公司頒布的《電網設備通用數(shù)據(jù)模型命名規(guī)范》，電網設備命名結構如下：電網．廠站線／電壓．間隔．設備／部件．屬性。通過這種命名規(guī)范，對于一個給定設備名稱，可通過“電網”定位到數(shù)據(jù)所屬系統(tǒng)；通過“廠站線”、“電壓”、“間隔”、“設備”、“部件”定位到子區(qū)域中對應的數(shù)據(jù)；通過“屬性”定位到該數(shù)據(jù)的屬性值。

3實時數(shù)據(jù)分布式存儲技術

廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫的分布式存儲分為2個部分：廣域系統(tǒng)間數(shù)據(jù)分布式存儲和局域系統(tǒng)內數(shù)據(jù)分布式存儲。對于前者，為適應調度系統(tǒng)層次化運行管理的現(xiàn)狀，可以按照數(shù)據(jù)物理存儲位置不同，將實時數(shù)據(jù)庫中的表進行分布式存儲。由于調度系統(tǒng)中對于實時數(shù)據(jù)庫的訪問絕大多數(shù)是來源于本地，因此，在存儲時要把調度系統(tǒng)內的數(shù)據(jù)都存放到本地，同時可在其他調度系統(tǒng)中建立本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的冗余備份。廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表在物理分布上形成一個多層次樹狀結構。該樹的每個結點，對應系統(tǒng)中的一個調度系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，該結點的子結點對應下級調度系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，父結點對應上級調度系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，兄弟結點對應平級調度系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)。以斷路器（breaker）設備表為例，廣域分布式存儲結構如圖4所示。對于后者，可參考MongoDB［8］等分布式數(shù)據(jù)庫的分布式存儲方法，選用關鍵字或者設備統(tǒng)一命名作為分布存儲的鍵值，將數(shù)據(jù)在各個服務器上按照負載均衡動態(tài)透明分布式存儲。

4實時數(shù)據(jù)服務定位技術

廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫服務的定位系統(tǒng)需要對實時數(shù)據(jù)傳入的實時數(shù)據(jù)關鍵字信息進行解析，從給定的信息獲取該實時數(shù)據(jù)所在的區(qū)域信息，如果請求本系統(tǒng)內部的實時數(shù)據(jù)，則可以通過實時數(shù)據(jù)庫本地系統(tǒng)內的局域網獲?。蝗绻L問異地系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，則先判斷出該數(shù)據(jù)所在的具體系統(tǒng)，通過定位服務獲取詳細的網絡信息，最終從遠方系統(tǒng)獲取相應數(shù)據(jù)，使得廣域系統(tǒng)內的各個實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成一個類似的“實時數(shù)據(jù)庫云”，在廣域范圍內實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)的透明訪問。一種可行的廣域數(shù)據(jù)定位實現(xiàn)方法是通過設備關鍵字或設備名字進行定位。不同系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)在存儲時被標上整個廣域系統(tǒng)內唯一的設備標識或設備名稱，API接口根據(jù)應用傳入的設備標識或設備名稱快速定位到電網設備所屬系統(tǒng)。

5實時數(shù)據(jù)索引技術

數(shù)據(jù)庫索引是提高數(shù)據(jù)查詢效率的重要途徑，目前實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的索引技術有B＋樹索引和適用于不同用法的HASH索引［9］等。在廣域分布式存儲的環(huán)境下，索引不僅是提高查詢效率的手段，也是廣域數(shù)據(jù)快速定位的方法。廣域電網設備唯一標識為系統(tǒng)提供按關鍵字定位的方法，廣域設備統(tǒng)一命名為系統(tǒng)提供按設備名稱定位的方法，廣域分布式數(shù)據(jù)索引為系統(tǒng)提供按除關鍵字、設備名稱之外的某些屬性定位的方法。此外，利用索引技術可以為數(shù)據(jù)檢索建立一種緩沖機制，即建立設備統(tǒng)一命名和廣域設備關鍵字之間的一種緩沖索引。在使用上，應用層采用設備統(tǒng)一命名訪問實時庫，而不是使用相對晦澀的關鍵字，實時庫底層數(shù)據(jù)訪問采用關鍵字檢索數(shù)據(jù)。這種訪問方法對于應用層程序來說更方便，并且通過緩存索引又能夠保證訪問的效率。

6實時數(shù)據(jù)冗余備份技術

在廣域系統(tǒng)中，不僅要在系統(tǒng)內不同服務器間構建冗余節(jié)點，還要在系統(tǒng)間構建系統(tǒng)級的冗余機制。廣域系統(tǒng)間的實時數(shù)據(jù)庫冗余備份技術需要實現(xiàn)2套或多套系統(tǒng)之間單、雙向備份。以國調、“三華”電網調度為例，可以采用“1＋3”互為備份機制，構建“一體化互備”系統(tǒng)，如圖6所示。

7實時數(shù)據(jù)同步技術

廣域系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)同步方式分為實時同步和準實時同步。實時同步要求各個冗余系統(tǒng)之間滿足數(shù)據(jù)的強一致性［10］，這種同步方式容易受廣域系統(tǒng)之間的網絡環(huán)境影響，并會降低各個系統(tǒng)之間的自治性，一般情況下不考慮實時同步方式。準實時同步允許各節(jié)點之間的同步異步進行，當某節(jié)點發(fā)生變化時，其他同步節(jié)點可以有一定的時間延遲再同步此變化，這樣就可以減少由于異常因素引起的操作失敗，提高了系統(tǒng)可用性。根據(jù)分布式系統(tǒng)的CAP定理［11］，分布式系統(tǒng)無法同時滿足一致性（consistency）、可用性（availability）和分區(qū)容忍性（partitiontolerance）。對于整個廣域電網調度系統(tǒng)，可用性的保證毋庸置疑；分區(qū)容忍性保證某個子系統(tǒng)在斷網的情況下系統(tǒng)能夠正常使用，這種情況出現(xiàn)頻率較高，也需要保證；在保證可用性和分區(qū)容忍性的前提下，只能通過采取部分犧牲“一致性”的方法來維持CAP之間的平衡。廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在每個系統(tǒng)內部不同冗余節(jié)點之間的數(shù)據(jù)同步可以利用目前單一系統(tǒng)內部的同步方式，而冗余系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)同步在同步方式上選取準實時同步方式，從數(shù)據(jù)同步的結果上來看，并不要求數(shù)據(jù)的強一致性，而只是要求數(shù)據(jù)的弱一致性以及最終一致性［12］。

8實時數(shù)據(jù)安全訪問技術

廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫為廣域系統(tǒng)間多套電網調度自動化系統(tǒng)服務，需要研究廣域環(huán)境下多套系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)安全訪問技術。目前，電網調度自動化系統(tǒng)已構建了3級縱深安全防護體系，不同系統(tǒng)間通過認證裝置加密認證訪問。廣域系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)安全訪問應構建于電網調度自動化系統(tǒng)之上，采用加密、授權、認證等技術手段實現(xiàn)廣域系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)安全訪問。

應用展望

隨著特高壓互聯(lián)大電網的建設，電網一體化安全穩(wěn)定運行的要求越來越高，電網調度廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應用有著重要的意義。1）廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以滿足大電網“一體化”運行的需要。目前，在國／網／省一體化、?。匾惑w化、地／縣一體化等系統(tǒng)的建設中，一體化應用已經體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，包括一體化狀態(tài)估計、一體化網絡分析和一體化調度員仿真等。廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫可以為這些一體化應用提供新的實時數(shù)據(jù)存儲和訪問方式，使得在多個系統(tǒng)之間實時數(shù)據(jù)的共享更為快捷和高效。2）廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫可以滿足電網調度系統(tǒng)容災備份的需要。國內近年來自然災害頻發(fā)，這對電網調度系統(tǒng)的冗余互備能力提出了更高的要求。目前各級調度都在加強備用調度的建設，以提高電網調度的容災能力。廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫的冗余互備功能能夠極大地提高廣域范圍內調度系統(tǒng)之間的互備能力，從而實現(xiàn)調度系統(tǒng)不受地域限制的應用訪問，提高備用系統(tǒng)的可靠性，進而提高整個廣域網內電網調度系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

結語

本文分析了電網調度自動化系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫只能在一個系統(tǒng)的局域范圍提供實時數(shù)據(jù)服務，無法支持系統(tǒng)間廣域范圍的實時數(shù)據(jù)存儲和共享的現(xiàn)狀，介紹了分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特征，提出了一種適應智能電網發(fā)展、滿足互聯(lián)大電網“一體化”運行需要的電網調度廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構，討論了其關鍵技術，給出了應用示例。本文提出的廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系架構在設計上采用面向服務體系結構，是目前實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的廣域分布式延伸，在廣域數(shù)據(jù)分布式處理上滿足調度系統(tǒng)多級管理需求。該架構可以解決各級電網調度自動化系統(tǒng)間實時數(shù)據(jù)交互和共享問題，提高系統(tǒng)間冗余備份能力，從而提高調度特大電網的能力，保證電網安全穩(wěn)定運行。（本文作者：翟明玉、王瑾、吳慶曦、靳晶、魏娜 單位：國電南瑞科技股份有限公司）