曹敏，尹福榮，張玉龍

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217;2.昆明能訊科技有限責(zé)任公司，昆明 650051)

0 前言

當(dāng)前我國(guó)電力工業(yè)體制正面臨著重大的改革，建立發(fā)電側(cè)電力市場(chǎng)的工作正在向縱深推進(jìn)。電力企業(yè)作為“電力”這種特殊商品的提供者，要實(shí)現(xiàn)自身的經(jīng)濟(jì)效益必須要保證電力企業(yè)的安全、可靠和穩(wěn)定運(yùn)行，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)則是生產(chǎn)管理者最關(guān)心的對(duì)象［1］。

電力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包含了豐富的電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況信息，它不僅能夠反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前的生產(chǎn)狀況和設(shè)備運(yùn)行狀況，而且通過(guò)對(duì)生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析處理，可以預(yù)知事故的發(fā)生和設(shè)備的健康狀態(tài)，為設(shè)備的預(yù)測(cè)性維修和管理決策提供依據(jù)，從而達(dá)到提高設(shè)備可靠性，減少維修總費(fèi)用，降低電力企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的［2］。

本文在分析了電力系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的重要性和對(duì)比分析當(dāng)前主流的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)引擎的基礎(chǔ)上，選取符合電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需求的最優(yōu)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收/處理方式、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/檢索方式、數(shù)據(jù)訂閱/查詢(xún)方式和不同實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接入方式進(jìn)行研究，得出一個(gè)可行的易于構(gòu)建實(shí)施的面向上層應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，充分實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)資源共享和決策輔助支撐。

1 電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)研究的意義

電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是指能反映電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和分析能夠了解設(shè)備的性能、運(yùn)行狀況和健康狀況，從而保證整個(gè)電力系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包含了豐富的電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況信息，它不僅僅能夠反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前的狀況和設(shè)備運(yùn)行狀況，而且通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的記錄可以得到反映系統(tǒng)和設(shè)備的歷史狀況的歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)歷史同期數(shù)據(jù)的分析比較可以預(yù)知事故的發(fā)生和設(shè)備的狀況，而日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可為輔助決策提供必要的參考依據(jù)。

因此，構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，將電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一歸集，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，能隨時(shí)掌握電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，將問(wèn)題的事后解決變?yōu)槭孪阮A(yù)防，為實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修和預(yù)防性維護(hù)提供基礎(chǔ)，以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性和穩(wěn)定性，保證電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)引擎研究

在數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)中，目前主要有兩種方法來(lái)使用大量的內(nèi)存。一種是在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，增大緩沖池，也就是常說(shuō)的共享內(nèi)存技術(shù)，另一種就是內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。

但是共享內(nèi)存技術(shù)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)由于優(yōu)化的目標(biāo)仍然集中在最小化磁盤(pán)訪(fǎng)問(wèn)上，很難滿(mǎn)足完整的數(shù)據(jù)庫(kù)管理的要求。

而內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)從根本上拋棄了磁盤(pán)數(shù)據(jù)管理的許多傳統(tǒng)方式，在數(shù)據(jù)處理速度一般比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)處理速度快10 倍以上，理想情況甚至可以達(dá)到1 000 倍［3－5］。

2.1 現(xiàn)有內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比分析

現(xiàn)有內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)包括SQLite、Altibase、Berkeley DB、Oracle TimesTen、eXtremeDB、H2 Database，但是從軟件的設(shè)計(jì)成本考慮，Altibase、Oracle TimesTen、eXtremeDB 需要商業(yè)授權(quán)。通過(guò)排除需商業(yè)授權(quán)的數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品，還可用SQLite、Berkeley DB、H2。因此選擇這三種內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行測(cè)試比較，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 Berkeley DB、SQLite、H2測(cè)試對(duì)比表

由上面測(cè)試結(jié)果可以看出Berkeley DB 的性能要高于其他兩個(gè)，且支持原生API 方式訪(fǎng)問(wèn)、存儲(chǔ)格式為key－value 形式完全符合電力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成需求。

2.2 Berkeley DB 研究

Berkeley DB 由四個(gè)主要的子系統(tǒng)構(gòu)成，包括數(shù)據(jù)存取子系統(tǒng)、內(nèi)存池管理子系統(tǒng)、事務(wù)子系統(tǒng)及鎖子系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)存取子系統(tǒng)作為Berkeley DB 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)程包內(nèi)部的核心組件，而其他子系統(tǒng)都存在于Berkeley DB 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)程包的外部。

2.2.1 數(shù)據(jù)存取子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)存取(Access Methods)子系統(tǒng)為創(chuàng)建和訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)文件提供了多種支持，應(yīng)用程序可以從中選擇最適合的文件組織結(jié)構(gòu)。

2.2.2 內(nèi)存池管理子系統(tǒng)

內(nèi)存池(Memory pool)子系統(tǒng)對(duì)Berkeley DB所使用的共享緩沖區(qū)進(jìn)行有效的管理，負(fù)責(zé)將修改后的頁(yè)寫(xiě)回文件和為新調(diào)入的頁(yè)分配內(nèi)存空間。

2.2.3 事務(wù)子系統(tǒng)

事務(wù)(Transaction)子系統(tǒng)為Berkeley DB 提供事務(wù)管理功能。它允許把一組對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的修改看作一個(gè)原子單位，這組操作要么全做，要么全不做。事務(wù)子系統(tǒng)適用于需要事務(wù)保證數(shù)據(jù)的修改的應(yīng)用。

2.2.4 鎖子系統(tǒng)

鎖(Locking)子系統(tǒng)為Berkeley DB 提供鎖機(jī)制，為系統(tǒng)提供多用戶(hù)讀取和單用戶(hù)修改同一對(duì)象的共享控制。該子系統(tǒng)也可被應(yīng)用程序單獨(dú)采用。鎖子系統(tǒng)適用于一個(gè)靈活的、快速的、可設(shè)置的鎖管理器。

3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

在以上對(duì)Berkeley DB 技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收/處理方式、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/檢索方式、數(shù)據(jù)訂閱/查詢(xún)方式和不同實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接入方式，形成基于Berkeley DB 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)方案。

3.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)由三大部分構(gòu)成:實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收/處理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/檢索和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訂閱/查詢(xún)，為了保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成的實(shí)時(shí)性、處理數(shù)據(jù)的高效性，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示:

圖1 平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 數(shù)據(jù)接收/處理

數(shù)據(jù)接收/處理是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成數(shù)據(jù)來(lái)源的唯一途徑，只有對(duì)其接收數(shù)據(jù)及分析數(shù)據(jù)的能力做到快捷、高效，才能保證整個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成的實(shí)時(shí)性，對(duì)此設(shè)計(jì)了圖2 所示的結(jié)構(gòu)圖:

圖2 數(shù)據(jù)接收/處理結(jié)構(gòu)圖

其中每次tcp 連接請(qǐng)求都會(huì)通過(guò)接收服務(wù)來(lái)進(jìn)行處理及驗(yàn)證，若該tcp 連接請(qǐng)求為合法的連接請(qǐng)求，會(huì)話(huà)管理機(jī)制就為其創(chuàng)建一個(gè)會(huì)話(huà)狀態(tài)，該會(huì)話(huà)狀態(tài)只負(fù)責(zé)接收對(duì)應(yīng)的一個(gè)tcp 連接，為了保證數(shù)據(jù)快捷、高效的進(jìn)行處理讓每一個(gè)會(huì)話(huà)狀態(tài)都處于一個(gè)獨(dú)立的線(xiàn)程中?；诖朔N設(shè)計(jì)，每一種實(shí)時(shí)信號(hào)量只可能來(lái)自同一個(gè)地方，而不可能來(lái)自不同的地方，這就使得每一個(gè)tcp 連接傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都不同于其他連接的數(shù)據(jù)，可以不用考慮其他數(shù)據(jù)而直接通過(guò)獨(dú)立的線(xiàn)程來(lái)進(jìn)行處理，保證對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的處理。

3.1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/檢索

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)/檢索是連接數(shù)據(jù)接收/處理和數(shù)據(jù)訂閱/查詢(xún)的中間橋梁，該模塊的性能也是影響實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的一個(gè)重要因數(shù)，為了保障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，本模塊使用Berkeley DB 作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)引擎，采用將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于內(nèi)存中的策略，只有在需要的時(shí)候才同步到硬盤(pán)上，這樣既保證了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)更新效率，也提高了數(shù)據(jù)查詢(xún)效率。為此，從電力系統(tǒng)需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了如下的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/檢索機(jī)制來(lái)提高存儲(chǔ)/檢索效率:存儲(chǔ)/檢索模塊根據(jù)配置文件中定義的節(jié)點(diǎn)和信號(hào)類(lèi)型，為其創(chuàng)建獨(dú)立的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)進(jìn)行管理各個(gè)節(jié)點(diǎn)和信號(hào)類(lèi)型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使得每一種信號(hào)類(lèi)型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都獨(dú)立于其他，可以最大限度的避免Berkeley DB 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)引擎并發(fā)操作時(shí)引起的異常導(dǎo)致整個(gè)庫(kù)鎖死，充分利用多庫(kù)聯(lián)合操作技巧盡量減少Berkeley DB 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)引擎使用鎖子系統(tǒng)時(shí)所占用的時(shí)間。

圖3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/檢索機(jī)制圖

設(shè)計(jì)采用的客戶(hù)機(jī)檢索實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模式如下圖所示:

圖4 客戶(hù)機(jī)檢索數(shù)據(jù)方式圖

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)采取預(yù)先加載客戶(hù)自定義數(shù)據(jù)點(diǎn)配置庫(kù)的形式，客戶(hù)機(jī)需要檢索的數(shù)據(jù)點(diǎn)號(hào)事先由客戶(hù)機(jī)自定義編輯成數(shù)據(jù)點(diǎn)配置庫(kù)，然后在請(qǐng)求數(shù)據(jù)前將該數(shù)據(jù)點(diǎn)配置庫(kù)提交給實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)(實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)將其存放于內(nèi)存中)，以后客戶(hù)機(jī)每次請(qǐng)求數(shù)據(jù)都只需發(fā)送相應(yīng)編號(hào)命令即可檢索到相應(yīng)數(shù)據(jù)，這樣使得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)檢索數(shù)據(jù)更加高效，同時(shí)也降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膸挕?/p>

3.1.3 數(shù)據(jù)訂閱/查詢(xún)

數(shù)據(jù)訂閱/查詢(xún)模塊為最終的終端客戶(hù)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢(xún)及訂閱，該模塊同樣采用tcp 通訊，通訊設(shè)計(jì)沿用數(shù)據(jù)接收模塊的設(shè)計(jì)，但該模塊涉及到可自定義的用戶(hù)查詢(xún)配置，客戶(hù)可自定義訂閱的數(shù)據(jù)類(lèi)型，該模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5:

圖5 數(shù)據(jù)訂閱/查詢(xún)結(jié)構(gòu)圖

在圖5 中，數(shù)據(jù)查詢(xún)依賴(lài)于用戶(hù)提供的自定義查詢(xún)配置文件，用戶(hù)可以將要查詢(xún)的各種信號(hào)key放在一起，提供一個(gè)唯一的查詢(xún)編號(hào)，查詢(xún)時(shí)只需要提供唯一的查詢(xún)編號(hào)即可完成所需實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查詢(xún);數(shù)據(jù)訂閱是類(lèi)似網(wǎng)站rss 訂閱的一種機(jī)制，但也有所不同，該訂閱方式為用戶(hù)可以訂閱需要關(guān)注的信號(hào)，只要訂閱關(guān)注信號(hào)后，一旦數(shù)據(jù)接收模塊接收到信號(hào)數(shù)據(jù)，主動(dòng)把信號(hào)數(shù)據(jù)拷貝給訂閱管理器后，訂閱管理器就會(huì)主動(dòng)將用戶(hù)所關(guān)注的實(shí)時(shí)信號(hào)回發(fā)給訂閱過(guò)該信號(hào)的所有客戶(hù)，即完成實(shí)時(shí)信號(hào)數(shù)據(jù)的訂閱(推送)［6－7］。

3.2 數(shù)據(jù)通訊方式設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)與各系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸流程是通信標(biāo)準(zhǔn)的重要部分。實(shí)時(shí)通信基于面向連接的TCP 通信協(xié)議，使用C/S 模式建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管道及管理管道，下圖簡(jiǎn)要說(shuō)明了實(shí)時(shí)通信的建立過(guò)程。系統(tǒng)啟動(dòng)或重建通信時(shí)，實(shí)時(shí)通信管道未建立，服務(wù)平臺(tái)與各系統(tǒng)的通信過(guò)程分解為若干子通信流程［8－9］。

圖6 實(shí)時(shí)通信建立過(guò)程圖

在上述實(shí)時(shí)通信的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)統(tǒng)一集成接入各個(gè)變電站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，整個(gè)變電站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)特定數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議統(tǒng)一到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，再由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)對(duì)各個(gè)變電站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理及提供數(shù)據(jù)查詢(xún)接口給其他應(yīng)用系統(tǒng)。

圖7 數(shù)據(jù)接入示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收/處理方式、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/檢索方式、數(shù)據(jù)訂閱/查詢(xún)方式和不同實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接入方式的研究，得出一個(gè)可行的易于構(gòu)建實(shí)施的面向上層應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，為今后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)的研究與應(yīng)用提供重要的參考。

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