電網(wǎng)調(diào)度實時數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)

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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(wù)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(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兩者相互滲透和有機結(jié)合的結(jié)果［6］。分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)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(guān)心數(shù)據(jù)的物理位置分布情況，通過服務(wù)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(guān)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(jié)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(jié)構(gòu)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(wǎng)內(nèi)不同服務(wù)器上的數(shù)據(jù)分布，擴展到廣域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)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(wù)。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(nèi)，它把廣域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)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(gòu)

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(shù)，已不能滿足大電網(wǎng)調(diào)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(diào)度業(yè)務(wù)，需要改變現(xiàn)有實時數(shù)據(jù)庫的體系架構(gòu)，研究和設(shè)計適用于廣域電網(wǎng)調(diào)度的分布式實時數(shù)據(jù)庫體系架構(gòu)。廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由分布于廣域范圍內(nèi)多套調(diào)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(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)中。廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構(gòu)采用面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，自下而上包括文件系統(tǒng)層、數(shù)據(jù)處理層、網(wǎng)絡(luò)連接層、數(shù)據(jù)定位層與應(yīng)用層，由應(yīng)用程序接口（API）服務(wù)接口、廣域?qū)崟r數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)定位系統(tǒng)、系統(tǒng)內(nèi)實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)處理系統(tǒng)等組成。廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫體系架構(gòu)如圖3所示。該架構(gòu)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(zé)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(wǎng)絡(luò)連接層負責(zé)處理系統(tǒng)間數(shù)據(jù)安全認證，以及局域網(wǎng)絡(luò)、廣域網(wǎng)絡(luò)連接管理；數(shù)據(jù)定位層負責(zé)廣域數(shù)據(jù)定位、結(jié)構(gòu)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(yīng)用層包括電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)各個上層業(yè)務(wù)應(yīng)用，應(yīng)用可以通過調(diào)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(yīng)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(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)

廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫體系架構(gòu)可以解決調(diào)度自動化系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲和訪問的瓶頸問題、調(diào)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(wǎng)一體化運行服務(wù)。該架構(gòu)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(wù)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(guān)鍵技術(shù)。

1電網(wǎng)設(shè)備唯一標識方法

目前實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中設(shè)備標識（關(guān)鍵字）僅在本系統(tǒng)內(nèi)唯一，無法滿足廣域范圍系統(tǒng)內(nèi)調(diào)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(shè)計一種在廣域系統(tǒng)內(nèi)唯一的關(guān)鍵字實現(xiàn)方法，關(guān)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(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)中，每個設(shè)備對應(yīng)一個廣域范圍內(nèi)唯一的設(shè)備標識。引入了廣域設(shè)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(guān)鍵字的設(shè)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(guān)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(wǎng)設(shè)備統(tǒng)一命名方法

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

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(nèi)數(shù)據(jù)分布式存儲。對于前者，為適應(yīng)調(diào)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(diào)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(diào)度系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)都存放到本地，同時可在其他調(diào)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(jié)構(gòu)。該樹的每個結(jié)點，對應(yīng)系統(tǒng)中的一個調(diào)度系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，該結(jié)點的子結(jié)點對應(yīng)下級調(diào)度系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，父結(jié)點對應(yīng)上級調(diào)度系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，兄弟結(jié)點對應(yīng)平級調(diào)度系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)。以斷路器（breaker）設(shè)備表為例，廣域分布式存儲結(jié)構(gòu)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(guān)鍵字或者設(shè)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(wù)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(wù)定位技術(shù)

廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)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(guān)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(nèi)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(nèi)的局域網(wǎng)獲??；如果訪問異地系統(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(wù)獲取詳細的網(wǎng)絡(luò)信息，最終從遠方系統(tǒng)獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，使得廣域系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)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(shè)備關(guān)鍵字或設(shè)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(nèi)唯一的設(shè)備標識或設(shè)備名稱，API接口根據(jù)應(yīng)用傳入的設(shè)備標識或設(shè)備名稱快速定位到電網(wǎng)設(shè)備所屬系統(tǒng)。

5實時數(shù)據(jù)索引技術(shù)

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(shù)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(wǎng)設(shè)備唯一標識為系統(tǒng)提供按關(guān)鍵字定位的方法，廣域設(shè)備統(tǒng)一命名為系統(tǒng)提供按設(shè)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(guān)鍵字、設(shè)備名稱之外的某些屬性定位的方法。此外，利用索引技術(shù)可以為數(shù)據(jù)檢索建立一種緩沖機制，即建立設(shè)備統(tǒng)一命名和廣域設(shè)備關(guān)鍵字之間的一種緩沖索引。在使用上，應(yīng)用層采用設(shè)備統(tǒng)一命名訪問實時庫，而不是使用相對晦澀的關(guān)鍵字，實時庫底層數(shù)據(jù)訪問采用關(guān)鍵字檢索數(shù)據(jù)。這種訪問方法對于應(yīng)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(shù)

在廣域系統(tǒng)中，不僅要在系統(tǒng)內(nèi)不同服務(wù)器間構(gòu)建冗余節(jié)點，還要在系統(tǒng)間構(gòu)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(shù)需要實現(xiàn)2套或多套系統(tǒng)之間單、雙向備份。以國調(diào)、“三華”電網(wǎng)調(diào)度為例，可以采用“1＋3”互為備份機制，構(gòu)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(shù)

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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)調(diào)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(wǎng)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(nèi)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(nèi)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(jié)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(shù)

廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫為廣域系統(tǒng)間多套電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)服務(wù)，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(shù)。目前，電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)已構(gòu)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(yīng)構(gòu)建于電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)之上，采用加密、授權(quán)、認證等技術(shù)手段實現(xiàn)廣域系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)安全訪問。

應(yīng)用展望

隨著特高壓互聯(lián)大電網(wǎng)的建設(shè)，電網(wǎng)一體化安全穩(wěn)定運行的要求越來越高，電網(wǎng)調(diào)度廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)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(wǎng)“一體化”運行的需要。目前，在國／網(wǎng)／省一體化、省／地一體化、地／縣一體化等系統(tǒng)的建設(shè)中，一體化應(yīng)用已經(jīng)體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，包括一體化狀態(tài)估計、一體化網(wǎng)絡(luò)分析和一體化調(diào)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(yīng)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(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)容災(zāi)備份的需要。國內(nèi)近年來自然災(zāi)害頻發(fā)，這對電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的冗余互備能力提出了更高的要求。目前各級調(diào)度都在加強備用調(diào)度的建設(shè)，以提高電網(wǎng)調(diào)度的容災(zāi)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(nèi)調(diào)度系統(tǒng)之間的互備能力，從而實現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)不受地域限制的應(yīng)用訪問，提高備用系統(tǒng)的可靠性，進而提高整個廣域網(wǎng)內(nèi)電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

結(jié)語

本文分析了電網(wǎng)調(diào)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(wù)，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(yīng)智能電網(wǎng)發(fā)展、滿足互聯(lián)大電網(wǎng)“一體化”運行需要的電網(wǎng)調(diào)度廣域分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構(gòu)，討論了其關(guān)鍵技術(shù)，給出了應(yīng)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(gòu)在設(shè)計上采用面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)，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(diào)度系統(tǒng)多級管理需求。該架構(gòu)可以解決各級電網(wǎng)調(diào)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(diào)度特大電網(wǎng)的能力，保證電網(wǎng)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）