葉 青，蔡德勝，夏國慶，尹文琛

（1.上海電力新能源發(fā)展有限公司，上海 200010；2.南京豐道電力科技有限公司，江蘇南京 210032）

為了應(yīng)對全球氣候變暖問題，世界各國都積極倡導(dǎo)利用可再生能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源。我國作為能源消耗大國，對于可再生能源的研發(fā)更加重視。光伏發(fā)電是一種新型能源發(fā)電方式，能夠很好地利用清潔能源，因此有廣闊的發(fā)展前景[1]。近年來，國家對于光伏發(fā)電投入了大量的人力物力資源，光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模越來越大，數(shù)量逐年增加，然而這也帶來了許多問題，光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模的增加導(dǎo)致密集型大數(shù)據(jù)不斷增多，常規(guī)的處理方法和存儲(chǔ)技術(shù)都無法準(zhǔn)確地完成任務(wù)，因此設(shè)計(jì)有效的存儲(chǔ)系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前光伏領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[2]。

相關(guān)學(xué)者針對光伏發(fā)電系統(tǒng)密集型大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，并設(shè)計(jì)了許多應(yīng)用較廣的系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3]提出基于云平臺(tái)的光伏監(jiān)控系統(tǒng)，利用B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)而成，建立多種數(shù)據(jù)庫，這種方法能夠通過可視化方式展示出各種信息，但是調(diào)試過于復(fù)雜，耗時(shí)過長。文獻(xiàn)[4]研究了基于圖形邏輯分析的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理方法，通過確定不同企業(yè)的用電情況，結(jié)合圖形邏輯完成能量管理，該方法能夠降低用戶日用電消費(fèi)能力，但是僅針對上海市研究，不適用于其他城市。綜上所述，該文基于傳統(tǒng)研究理念，在考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)密集型大數(shù)據(jù)特點(diǎn)后，設(shè)計(jì)了一種新的云存儲(chǔ)系統(tǒng)，對系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行優(yōu)化，并通過實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 云存儲(chǔ)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在確定光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中的狀態(tài)后，得到海量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)更加密集，種類更加繁多。在傳輸過程中可能會(huì)被外來入侵信息攻擊，因此該文在設(shè)計(jì)硬件架構(gòu)時(shí)，根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，將硬件框架分為光伏發(fā)電數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、處理層、存儲(chǔ)層以及應(yīng)用層[5]。按照從上而下的順序處理數(shù)據(jù)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

根據(jù)圖1 可知，系統(tǒng)硬件第一層是數(shù)據(jù)采集層，這一層被稱為大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)層，利用系統(tǒng)中的采集器采集相關(guān)數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)溫度、發(fā)電強(qiáng)度、工作頻率、工作電壓等，分析數(shù)據(jù)的主要來源確定數(shù)據(jù)種類。硬件第二層為數(shù)據(jù)傳輸層，受地理位置限制，傳輸層的云平臺(tái)要同時(shí)連接多個(gè)分布式發(fā)電光伏系統(tǒng)，因此設(shè)置了Hadoop 計(jì)算架構(gòu)，通過計(jì)算架構(gòu)完成數(shù)據(jù)計(jì)算，確保數(shù)據(jù)能夠得到更好地處理，同時(shí)也引入了其他的傳輸模式，傳輸層擁有多種通信模式，實(shí)現(xiàn)信息通信。硬件第三層為數(shù)據(jù)處理層，以分布式方式完成編程處理。硬件第四層為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，存儲(chǔ)層為核心層，應(yīng)用云技術(shù)將數(shù)據(jù)分布存儲(chǔ)，并記錄在文件上，方便后期操控。硬件第五層為數(shù)據(jù)應(yīng)用層，能夠展示得到的數(shù)據(jù)，并利用顯示器展示得到的圖表，以不同的方式顯示出來，讓用戶能夠更直觀地了解數(shù)據(jù)內(nèi)容[6]。

1.1 云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)器

光伏發(fā)電系統(tǒng)中的大數(shù)據(jù)與其他系統(tǒng)相比更多，因此數(shù)據(jù)庫必須要設(shè)置操作程序，確保服務(wù)器能夠順利地完成不同的用戶需求。如果云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)器不能及時(shí)解決問題，就會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷過多，等待時(shí)間會(huì)隨之變長，各種負(fù)荷問題越來越多，因此需要同時(shí)設(shè)置兩臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，通過主操作器控制信息的同步操作，一臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)處理用戶的讀操作，另一臺(tái)服務(wù)器負(fù)責(zé)處理寫操作，信息能夠安全存儲(chǔ)[7]。云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)器的工作原理如圖2 所示。

圖2 云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)器的工作原理

根據(jù)圖2 可知，一臺(tái)云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)主要工作，另一臺(tái)服務(wù)器負(fù)責(zé)配合主服務(wù)器完成工作。

1.2 中心服務(wù)端

中心服務(wù)端利用以太網(wǎng)連接客戶端和服務(wù)端，實(shí)現(xiàn)信息監(jiān)聽。當(dāng)用戶存在不同操作時(shí)，中心服務(wù)端需要對信息進(jìn)行接收，確定不同客戶端的遷移命令，并完成信息整理，建立不同的子線程[8-9]。中心服務(wù)端如圖3 所示。

圖3 中心服務(wù)端

中心服務(wù)端與客戶端配合，通過初始化操作得到兩個(gè)不同的子線程，分別是原始命令處理子線程和操作子線程。如果中心服務(wù)端啟動(dòng)監(jiān)聽狀態(tài)，信息可以自動(dòng)完成遷移，子線程配合中心服務(wù)端完成不同的操作[10-11]。

1.3 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器內(nèi)部裝有DSP 主控芯片，采用的通信方式為異步串行通信模式，配合驅(qū)動(dòng)器和接收器，能夠加強(qiáng)抗干擾能力。存儲(chǔ)器的傳輸速率能夠達(dá)到300 kbps，阻抗能夠提高到100 kΩ。存儲(chǔ)器電路圖如圖4 所示。

圖4 存儲(chǔ)器電路圖

根據(jù)圖4 可知，引入的差分芯片具有較強(qiáng)的抗干擾能力，即使在惡劣的情況下也能夠正常工作，可以有效幫助系統(tǒng)減少EMI，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的密集大數(shù)據(jù)傳輸[12]。

2 云存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)后，應(yīng)用云技術(shù)針對大數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件程序。在大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)前，要將大數(shù)據(jù)創(chuàng)建成子集，光伏發(fā)電系統(tǒng)密集型大數(shù)據(jù)的時(shí)間集設(shè)定為(t1,t2,…,tn)，在存儲(chǔ)過程中，將當(dāng)前的時(shí)間設(shè)置為t，當(dāng)前時(shí)間與時(shí)間集的長度間隔可以表示為(t-t1,t-t2,…,t-tn)，將時(shí)間間隔記錄為子集(T1,T2,…,Tn)，計(jì)算存儲(chǔ)數(shù)據(jù)花費(fèi)的時(shí)間，公式如下：

式中，n表示存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；T表示存儲(chǔ)時(shí)間[13]。

數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)過程中，用戶會(huì)對大數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，針對(T1,T2,…,Tn)時(shí)間集的訪問集記錄為(z1,z2,…,zn)，根據(jù)訪問集計(jì)算訪問頻率，計(jì)算公式如式（2）所示[14]：

根據(jù)存儲(chǔ)頻率和訪問頻率得知，存儲(chǔ)系統(tǒng)花費(fèi)的存儲(chǔ)時(shí)間越長，用戶的訪問頻率越低，根據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間和訪問頻率得到存儲(chǔ)函數(shù)，如式（3）所示：

式中，f(x)表示得到的存儲(chǔ)函數(shù)；D表示數(shù)據(jù)集。

根據(jù)存儲(chǔ)函數(shù)得到存儲(chǔ)空間閾值，設(shè)定閾值為M，分析在存儲(chǔ)過程中數(shù)據(jù)的敏感度，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，最后進(jìn)行云存儲(chǔ)，存儲(chǔ)流程如圖5 所示。

圖5 存儲(chǔ)流程

云存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件在運(yùn)行過程中的環(huán)境為CVAVR 環(huán)境，通過C 語言完成編輯，利用主從應(yīng)答的方式得到數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)幀的間隔時(shí)間為6 ms。在PC 機(jī)內(nèi)部利用DSP 通信，將光伏發(fā)電系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)分為三類，通過告警查詢和事件查詢完成信息顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[15-16]。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)密集型大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)環(huán)境架構(gòu)為Hadoop 架構(gòu)，在主服務(wù)器內(nèi)部擁有一個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，在從服務(wù)器內(nèi)部擁有三個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)選用Dual-Core 雙核CPU，頻率為1.5 GHz，系統(tǒng)硬件內(nèi)存為12 GB，使用的網(wǎng)卡為千兆網(wǎng)卡，Hbase 軟件參量為0.825。

在對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)前，對密集型大數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，得到的數(shù)據(jù)監(jiān)測分布圖如圖6 所示。

圖6 數(shù)據(jù)監(jiān)測分布圖

根據(jù)圖6 可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)共有一萬個(gè)，為確保存儲(chǔ)效果，每隔5 min 就需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行一次記錄。

選用該文系統(tǒng)和傳統(tǒng)的基于云平臺(tái)的光伏監(jiān)控系統(tǒng)、基于圖形邏輯分析的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行對比，得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖7 可知，該文設(shè)計(jì)的云存儲(chǔ)系統(tǒng)響應(yīng)速度始終要優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)共運(yùn)行了6 次，傳統(tǒng)的基于云平臺(tái)的光伏監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中存在多次波動(dòng)，響應(yīng)速度最高為38 Gbps，而響應(yīng)速度最低為10 Gbps，基于圖形邏輯分析的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)速度始終較低，低于10 Gbps，響應(yīng)能力在三種系統(tǒng)中最差，響應(yīng)速度最慢。該文提出的光伏發(fā)電系統(tǒng)密集型大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)響應(yīng)速度最快，在三種系統(tǒng)中工作能力最強(qiáng)，響應(yīng)速度在35 Gbps 之上。造成這種現(xiàn)象的原因是數(shù)據(jù)信息以串行的方式記錄，通過二進(jìn)制的方式存入數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)數(shù)據(jù)信息順利存儲(chǔ)后，主服務(wù)器對引擎發(fā)出命令，從而方便進(jìn)一步工作。

測試三種系統(tǒng)在存儲(chǔ)過程中的平均輸出電壓，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 存儲(chǔ)系統(tǒng)輸出電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖8 可知，在4:00-14:00 電壓產(chǎn)生了較大的波動(dòng)，但是傳統(tǒng)系統(tǒng)的波動(dòng)值明顯大于該文提出的系統(tǒng)波動(dòng)值，由此可見，該文提出的系統(tǒng)在存儲(chǔ)過程中更加穩(wěn)定，而傳統(tǒng)系統(tǒng)在存儲(chǔ)過程中出現(xiàn)很大的波動(dòng)。其原因是當(dāng)信息提交完成后，兩種服務(wù)器都以二進(jìn)制的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行拷貝，所有的拷貝數(shù)據(jù)都要備份處理。利用SQL thread 對服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，通過信息整理，確保主服務(wù)器的數(shù)據(jù)和從服務(wù)器數(shù)據(jù)信息能夠同步。讀寫同步操作可以確保數(shù)據(jù)的負(fù)荷得以減少，解決存儲(chǔ)問題。

綜上所述，該文提出的光伏發(fā)電系統(tǒng)密集型大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快，輸出更穩(wěn)定，整體存儲(chǔ)效果更好，適用于實(shí)際應(yīng)用中。

4 結(jié)束語

光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)維過程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如果不能合理地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，必然會(huì)導(dǎo)致更多的問題。該文利用多層次設(shè)計(jì)了光伏發(fā)電系統(tǒng)密集型大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)，通過不同的協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息傳輸，同時(shí)選擇主從服務(wù)器判斷敏感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息同步分析，使用顯示器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在穩(wěn)定性和速率上優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的存儲(chǔ)能力。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)提供了重要保障，但是該文在數(shù)據(jù)波動(dòng)上的研究較少，未來可以對此進(jìn)行更加深入的研究。