电网调度实时数据库的架构

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实时数据库系统

传统的实时数据库将实时数据集中存储在一台服务器上，使用者通过实时数据库系统对外提供的访问接口对实时数据操作。分布式实时数据库系统是实时数据库技术与网络技术两者相互渗透和有机结合的结果［6］。分布式实时数据库系统在体系结构上与集中式实时数据库系统有很大的不同，具有数据分布性、逻辑整体性等特点［7］。数据分布性是指实时数据库通过数据分片，将实时数据存储在不同的计算机节点上，使用者不需要关心数据的物理位置分布情况，通过服务器间的数据定位，完成对实时数据的透明访问；逻辑整体性是指这些存储在不同节点的数据在逻辑上是互相关联的，从逻辑上形成一个数据整体。分布式实时数据库采用全局统一管理和区域分片自治管理结合的原则，由系统根据实际需要将数据进行合理的分片，并通过冗余备份、数据同步等手段来保证数据的完整性和一致性。分布式实时数据库结构如图1所示。广域分布式实时数据库系统的数据分布性从局域网内不同服务器上的数据分布，扩展到广域网络内不同系统间的数据分布，各系统上的数据由本地实时数据库管理系统管理，具有高度的自治处理能力，能够自主地完成本地业务。广域分布式实时数据库将分布式实时数据库扩展到广域系统内，它把广域网络内各个独立的实时数据库系统逻辑整合成一体化的大型分布式实时数据库系统，如图2所示。

广域分布式实时数据库体系架构

目前的实时数据库系统一般采用数据集中式存储和处理技术，已不能满足大电网调度中海量数据的实时处理以及分布式存储、广域化全局计算的需求。为了更高效、更稳定地支撑智能调度业务，需要改变现有实时数据库的体系架构，研究和设计适用于广域电网调度的分布式实时数据库体系架构。广域分布式实时数据库系统由分布于广域范围内多套调度系统间的实时数据库系统所组成，通过统一的数据操纵和访问机制，实现对各实时数据库系统数据的透明访问，使得广域分布式实时数据库在使用上可视为一个完整的数据库，而实际上分布在地理分散的多个电网调度系统中。广域分布式实时数据库系统架构采用面向服务的体系结构，自下而上包括文件系统层、数据处理层、网络连接层、数据定位层与应用层，由应用程序接口（API）服务接口、广域实时数据库数据定位系统、系统内实时数据库服务处理系统等组成。广域分布式实时数据库体系架构如图3所示。该架构中，文件系统层的作用包括存放分布式实时数据库实体、处理广域系统间数据冗余备份和数据同步等；数据处理层负责处理具体的数据访问请求和数据，以及数据加密和冗余系统间数据同步；网络连接层负责处理系统间数据安全认证，以及局域网络、广域网络连接管理；数据定位层负责广域数据定位、结构化查询语言（SQL）解析，以及广域数据索引的建立和管理；应用层包括电网调度自动化系统各个上层业务应用，应用可以通过调用API接口或SQL来访问实时数据库，访问的方法包括请求应答与订阅，是广域分布式实时数据库系统的最终使用者。

广域分布式实时数据库系统架构的关键技术

广域分布式实时数据库体系架构可以解决调度自动化系统中数据存储和访问的瓶颈问题、调度系统间的数据交互与共享问题，提升信息处理、计算、存储和共享的能力，提高系统运行速度和处理能力，更好地为大电网一体化运行服务。该架构的研发需要重点研究和掌握广域数据标识、广域数据分布式存储、广域数据服务定位、广域冗余备份与数据同步、广域数据安全访问等关键技术。

1电网设备唯一标识方法

目前实时数据库系统中设备标识（关键字）仅在本系统内唯一，无法满足广域范围系统内调度系统间的数据分布式存储和共享交互的需求，需要设计一种在广域系统内唯一的关键字实现方法，关键字需要增加标识数据所属区域的信息，用于标识广域分布式实时数据库系统中的系统区域。这样，在整个电网调度自动化系统中，每个设备对应一个广域范围内唯一的设备标识。引入了广域设备唯一标识后，每个子区域的实时数据库只存储本区的记录，从而实现广域数据的分布式存储。另外，这种关键字的设计也可用于数据定位，广域分布式实时数据库系统通过对关键字的解析可以直接定位到该记录所属系统，完成广域数据资源定位。

2电网设备统一命名方法

广域分布式实时数据库系统内各个系统间的数据交互方式除了按设备关键字交互之外，还可以按设备名称交互。按设备名称交互的方式在很大程度上依赖于广域范围内电网设备的规范化命名，保证电网设备名称全系统唯一，这也是整个调度技术支持体系内数据流畅通的基础。广域分布式实时数据库系统中设备的统一命名方法可以参照国家电网公司颁布的《电网设备通用数据模型命名规范》，电网设备命名结构如下：电网．厂站线／电压．间隔．设备／部件．属性。通过这种命名规范，对于一个给定设备名称，可通过“电网”定位到数据所属系统；通过“厂站线”、“电压”、“间隔”、“设备”、“部件”定位到子区域中对应的数据；通过“属性”定位到该数据的属性值。

3实时数据分布式存储技术

广域分布式实时数据库的分布式存储分为2个部分：广域系统间数据分布式存储和局域系统内数据分布式存储。对于前者，为适应调度系统层次化运行管理的现状，可以按照数据物理存储位置不同，将实时数据库中的表进行分布式存储。由于调度系统中对于实时数据库的访问绝大多数是来源于本地，因此，在存储时要把调度系统内的数据都存放到本地，同时可在其他调度系统中建立本系统数据的冗余备份。广域分布式实时数据库的数据表在物理分布上形成一个多层次树状结构。该树的每个结点，对应系统中的一个调度系统的实时数据，该结点的子结点对应下级调度系统的实时数据，父结点对应上级调度系统的实时数据，兄弟结点对应平级调度系统的实时数据。以断路器（breaker）设备表为例，广域分布式存储结构如图4所示。对于后者，可参考MongoDB［8］等分布式数据库的分布式存储方法，选用关键字或者设备统一命名作为分布存储的键值，将数据在各个服务器上按照负载均衡动态透明分布式存储。

4实时数据服务定位技术

广域分布式实时数据库服务的定位系统需要对实时数据传入的实时数据关键字信息进行解析，从给定的信息获取该实时数据所在的区域信息，如果请求本系统内部的实时数据，则可以通过实时数据库本地系统内的局域网获取；如果访问异地系统的实时数据，则先判断出该数据所在的具体系统，通过定位服务获取详细的网络信息，最终从远方系统获取相应数据，使得广域系统内的各个实时数据库系统组成一个类似的“实时数据库云”，在广域范围内实现对实时数据的透明访问。一种可行的广域数据定位实现方法是通过设备关键字或设备名字进行定位。不同系统的实时数据在存储时被标上整个广域系统内唯一的设备标识或设备名称，API接口根据应用传入的设备标识或设备名称快速定位到电网设备所属系统。

5实时数据索引技术

数据库索引是提高数据查询效率的重要途径，目前实时数据库系统中的索引技术有B＋树索引和适用于不同用法的HASH索引［9］等。在广域分布式存储的环境下，索引不仅是提高查询效率的手段，也是广域数据快速定位的方法。广域电网设备唯一标识为系统提供按关键字定位的方法，广域设备统一命名为系统提供按设备名称定位的方法，广域分布式数据索引为系统提供按除关键字、设备名称之外的某些属性定位的方法。此外，利用索引技术可以为数据检索建立一种缓冲机制，即建立设备统一命名和广域设备关键字之间的一种缓冲索引。在使用上，应用层采用设备统一命名访问实时库，而不是使用相对晦涩的关键字，实时库底层数据访问采用关键字检索数据。这种访问方法对于应用层程序来说更方便，并且通过缓存索引又能够保证访问的效率。

6实时数据冗余备份技术

在广域系统中，不仅要在系统内不同服务器间构建冗余节点，还要在系统间构建系统级的冗余机制。广域系统间的实时数据库冗余备份技术需要实现2套或多套系统之间单、双向备份。以国调、“三华”电网调度为例，可以采用“1＋3”互为备份机制，构建“一体化互备”系统，如图6所示。

7实时数据同步技术

广域系统间的数据同步方式分为实时同步和准实时同步。实时同步要求各个冗余系统之间满足数据的强一致性［10］，这种同步方式容易受广域系统之间的网络环境影响，并会降低各个系统之间的自治性，一般情况下不考虑实时同步方式。准实时同步允许各节点之间的同步异步进行，当某节点发生变化时，其他同步节点可以有一定的时间延迟再同步此变化，这样就可以减少由于异常因素引起的操作失败，提高了系统可用性。根据分布式系统的CAP定理［11］，分布式系统无法同时满足一致性（consistency）、可用性（availability）和分区容忍性（partitiontolerance）。对于整个广域电网调度系统，可用性的保证毋庸置疑；分区容忍性保证某个子系统在断网的情况下系统能够正常使用，这种情况出现频率较高，也需要保证；在保证可用性和分区容忍性的前提下，只能通过采取部分牺牲“一致性”的方法来维持CAP之间的平衡。广域分布式实时数据库系统在每个系统内部不同冗余节点之间的数据同步可以利用目前单一系统内部的同步方式，而冗余系统之间的数据同步在同步方式上选取准实时同步方式，从数据同步的结果上来看，并不要求数据的强一致性，而只是要求数据的弱一致性以及最终一致性［12］。

8实时数据安全访问技术

广域分布式实时数据库为广域系统间多套电网调度自动化系统服务，需要研究广域环境下多套系统间的数据安全访问技术。目前，电网调度自动化系统已构建了3级纵深安全防护体系，不同系统间通过认证装置加密认证访问。广域系统间的数据安全访问应构建于电网调度自动化系统之上，采用加密、授权、认证等技术手段实现广域系统间的数据安全访问。

应用展望

随着特高压互联大电网的建设，电网一体化安全稳定运行的要求越来越高，电网调度广域分布式实时数据库系统的应用有着重要的意义。1）广域分布式实时数据库系统可以满足大电网“一体化”运行的需要。目前，在国／网／省一体化、省／地一体化、地／县一体化等系统的建设中，一体化应用已经体现出巨大的优势，包括一体化状态估计、一体化网络分析和一体化调度员仿真等。广域分布式实时数据库可以为这些一体化应用提供新的实时数据存储和访问方式，使得在多个系统之间实时数据的共享更为快捷和高效。2）广域分布式实时数据库可以满足电网调度系统容灾备份的需要。国内近年来自然灾害频发，这对电网调度系统的冗余互备能力提出了更高的要求。目前各级调度都在加强备用调度的建设，以提高电网调度的容灾能力。广域分布式实时数据库的冗余互备功能能够极大地提高广域范围内调度系统之间的互备能力，从而实现调度系统不受地域限制的应用访问，提高备用系统的可靠性，进而提高整个广域网内电网调度系统的稳定性和安全性。

结语

本文分析了电网调度自动化系统实时数据库只能在一个系统的局域范围提供实时数据服务，无法支持系统间广域范围的实时数据存储和共享的现状，介绍了分布式实时数据库系统的特征，提出了一种适应智能电网发展、满足互联大电网“一体化”运行需要的电网调度广域分布式实时数据库系统架构，讨论了其关键技术，给出了应用示例。本文提出的广域分布式实时数据库系统体系架构在设计上采用面向服务体系结构，是目前实时数据库系统的广域分布式延伸，在广域数据分布式处理上满足调度系统多级管理需求。该架构可以解决各级电网调度自动化系统间实时数据交互和共享问题，提高系统间冗余备份能力，从而提高调度特大电网的能力，保证电网安全稳定运行。（本文作者：翟明玉、王瑾、吴庆曦、靳晶、魏娜 单位：国电南瑞科技股份有限公司）