基于云平臺(tái)的水電數(shù)據(jù)中心解決方案研究

徐 丹，王言國(guó)，李 楓

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）

0 引言

水力發(fā)電廠建立了大量的監(jiān)控、監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)來滿足日常運(yùn)行工作需要和解決特定的管理問題。這些系統(tǒng)功能各有側(cè)重，管理的信息既有交集，也存在差異和互補(bǔ)的內(nèi)容。由于建設(shè)時(shí)間、供應(yīng)商和采用技術(shù)的不同，各系統(tǒng)的信息描述、數(shù)據(jù)含義等自成體系，雖然系統(tǒng)之間也有一些點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交互，但總體上形成了信息單獨(dú)存放、共享困難、難以綜合分析利用的信息孤島。

隨著水電廠的發(fā)展和管理要求的提高，各個(gè)專業(yè)應(yīng)用之間、水電廠和上級(jí)管理部門之間的信息共享和協(xié)作要求越來越高。當(dāng)前各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的信息孤島形態(tài)使得數(shù)據(jù)難以得到綜合利用，無(wú)法為多業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)協(xié)同分析提供支持，也無(wú)法為現(xiàn)場(chǎng)一線技術(shù)人員提供業(yè)務(wù)優(yōu)化的平臺(tái)。

計(jì)算機(jī)領(lǐng)域虛擬化和大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)的不斷成熟，為各行各業(yè)數(shù)據(jù)集成項(xiàng)目提供了技術(shù)支撐。虛擬化技術(shù)很好地解決了大規(guī)模系統(tǒng)占用機(jī)房物理空間問題，并給硬件設(shè)備集中運(yùn)維和服務(wù)器動(dòng)態(tài)遷移等帶來了革命性的改變[1]。大數(shù)據(jù)平臺(tái)滿足了傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法處理的半結(jié)構(gòu)化和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，并為后期海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析處理提供了強(qiáng)大的支撐，使得數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)涵蓋全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)領(lǐng)域[2]。

在此背景下，為適應(yīng)水電廠運(yùn)行精細(xì)化管理的要求，迫切需要一個(gè)能整合水電廠現(xiàn)有各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、圖形、文件等各種信息，滿足水電廠各級(jí)部門進(jìn)行實(shí)時(shí)綜合監(jiān)視、高效應(yīng)用分析、支撐各專業(yè)持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)的水電廠一體化數(shù)據(jù)中心[3][4][5]。

1 水電數(shù)據(jù)中心建設(shè)模式

水電站根據(jù)總裝機(jī)容量有小、中、大之分，水電站與梯級(jí)調(diào)度、公司級(jí)調(diào)度職能又不相同，因此水電數(shù)據(jù)中心建設(shè)方案不能一概而論，需要針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景具體分析，設(shè)計(jì)符合實(shí)際情況的方案。本文設(shè)計(jì)了兩種建設(shè)模式，既可滿足需要自行數(shù)據(jù)集成分析的大型水電站要求，又可適應(yīng)涵蓋中小水電站的區(qū)域集控、梯級(jí)調(diào)度和公司級(jí)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)匯總要求。

1.1 大型水電廠數(shù)據(jù)中心模式

本模式適用于大型水電廠數(shù)據(jù)中心建設(shè)。大型水電廠擁有龐大的生產(chǎn)設(shè)備，并分期建設(shè)了大量的監(jiān)控、監(jiān)視、分析和管理系統(tǒng)。需要建設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)中心來打通相互獨(dú)立系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)壁壘，使得不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)可以共享，協(xié)作完成某些特定的應(yīng)用分析，評(píng)估生產(chǎn)設(shè)備的健康狀況，降低全設(shè)備維修檢查的工作量。詳細(xì)的配置圖如圖1所示。

圖1 大型水電廠數(shù)據(jù)中心配置圖Fig.1 Configuration diagram of data center for large hydropower plant

數(shù)據(jù)中心采用目前主流的虛擬化技術(shù)，以增加每臺(tái)服務(wù)器的硬件投入，換取機(jī)房物理空間的占用量。同時(shí)，虛擬化軟件對(duì)所有硬件資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，一體化運(yùn)維，降低了硬件維護(hù)的復(fù)雜度。虛擬化的快速部署和動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)又為系統(tǒng)帶來了可靠性保證，虛擬機(jī)可便捷地將整個(gè)系統(tǒng)（包括虛擬硬件、操作系統(tǒng)和配置好的應(yīng)用程序）在不停機(jī)情況下遷移到不同的物理服務(wù)器上。

數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)來源廣泛，有多種組織形態(tài)：結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化等，因此引入混合存儲(chǔ)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)?；旌洗鎯?chǔ)包含文件服務(wù)器、時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和Hadoop數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)上提供統(tǒng)一的封裝接口，做到應(yīng)用透明；對(duì)下根據(jù)具體的數(shù)據(jù)和應(yīng)用類型，存儲(chǔ)到合適的數(shù)據(jù)庫(kù)中。針對(duì)秒級(jí)結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，便于實(shí)時(shí)交互的統(tǒng)計(jì)查詢；毫秒級(jí)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)，滿足高并發(fā)大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)寫入；針對(duì)海量結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，存入Hadoop平臺(tái)，后期做離線分析和數(shù)據(jù)挖掘使用；文件類的數(shù)據(jù)存入文件服務(wù)器，方便后期快速檢索和獲取。混合存儲(chǔ)平臺(tái)中的組件可以根據(jù)需要任意組合，方便靈活。

整套系統(tǒng)推薦在Ⅲ區(qū)建設(shè)，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)只需部署采集服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)和緩存采集數(shù)據(jù)即可。但也有應(yīng)用場(chǎng)景想把Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)的核心數(shù)據(jù)匯總后先進(jìn)性分析，方便在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)查看分析結(jié)構(gòu)，再將最終結(jié)果轉(zhuǎn)存到Ⅲ區(qū)數(shù)據(jù)中心。此時(shí)就需要在Ⅱ區(qū)建一個(gè)小型的數(shù)據(jù)中心，保存Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)的系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，并疊加相關(guān)的分析應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理。Ⅱ區(qū)數(shù)據(jù)中心單向?qū)?shù)據(jù)同步到Ⅲ區(qū)數(shù)據(jù)中心。

Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)之間都通過正反向隔離裝置進(jìn)行物理隔離，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)數(shù)據(jù)通過正向隔離裝置單向?qū)?shù)據(jù)傳送到Ⅲ區(qū)；Ⅲ區(qū)數(shù)據(jù)只能序列化到文件，放到指定目錄，由反向隔離裝置轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)舰駞^(qū)和Ⅱ區(qū)的指定目錄。Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)之間通過防火墻隔離，Ⅰ區(qū)的安全級(jí)別更高，數(shù)據(jù)一般都是從Ⅰ區(qū)發(fā)往Ⅱ區(qū)，或是Ⅰ區(qū)直接訪問調(diào)用Ⅱ區(qū)的數(shù)據(jù)。

水電廠數(shù)據(jù)中心最后經(jīng)過防火墻和窄帶網(wǎng)絡(luò)將部分?jǐn)?shù)據(jù)上送到區(qū)域和公司級(jí)數(shù)據(jù)中心，以供上級(jí)系統(tǒng)做進(jìn)一步分析和考核。上送的數(shù)據(jù)可根據(jù)用戶需求定制，按需上送，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬資源。

1.2 水電集控和公司級(jí)數(shù)據(jù)中心模式

本模式適用于水電站集控和公司級(jí)數(shù)據(jù)中心建設(shè)。同模式1一樣，采用虛擬化技術(shù)降低機(jī)房物理空間占用率和提高系統(tǒng)整體冗余性，并通過混合存儲(chǔ)方式來處理多樣性的數(shù)據(jù)。整個(gè)模式遵循安全防護(hù)規(guī)定的Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)隔離要求。具體配置圖如圖2所示。

本方案的特點(diǎn)在于Ⅲ區(qū)數(shù)據(jù)中心需要部署前置服務(wù)器和前置網(wǎng)，采集下游各個(gè)水電廠數(shù)據(jù)中心上送的數(shù)據(jù)，存放到集控或公司級(jí)數(shù)據(jù)中心。向下采集的方式可以有兩種，一種是集控或公司級(jí)數(shù)據(jù)中心主動(dòng)發(fā)送報(bào)文請(qǐng)求召喚相關(guān)數(shù)據(jù)；另一種是水電廠數(shù)據(jù)中心根據(jù)規(guī)定，主動(dòng)上送特定的數(shù)據(jù)到集控或公司級(jí)數(shù)據(jù)中心。

圖2 水電集控和公司級(jí)數(shù)據(jù)中心配置圖Fig.2 Configuration of hydropower centralized control station and company data center

由于水電集控或公司級(jí)下屬的很多水電站都是中小型水電站，數(shù)據(jù)量小且資金預(yù)算不足，沒有建設(shè)數(shù)據(jù)中心的必要。因此根據(jù)實(shí)際需要，可在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)選配一個(gè)集控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)采集沒有數(shù)據(jù)中心的中小型水電廠上送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)匯總后轉(zhuǎn)發(fā)到三區(qū)的數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一存儲(chǔ)。Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)集控系統(tǒng)并不是必須，當(dāng)沒有下游中小型水電站數(shù)據(jù)需要采集時(shí)，可以在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)各放置一臺(tái)采集服務(wù)器，負(fù)責(zé)將集控或公司級(jí)Ⅰ區(qū)、二區(qū)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存和轉(zhuǎn)發(fā)到Ⅲ區(qū)數(shù)據(jù)中心。

水電集控和公司級(jí)數(shù)據(jù)中心多一個(gè)DMZ（Demilitarized Zone）區(qū)，該區(qū)主要提供外網(wǎng)Web和手機(jī)App訪問。Ⅲ區(qū)和DMZ區(qū)通過防火墻隔離，Ⅲ區(qū)的數(shù)據(jù)中心將需要外網(wǎng)訪問的歷史數(shù)據(jù)同步到DMZ區(qū)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，供DMZ區(qū)Web和手機(jī)App訪問。有的設(shè)計(jì)方案為了節(jié)約成本，讓DMZ區(qū)應(yīng)用直接訪問Ⅲ區(qū)的數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)，該方案無(wú)法滿足安全防護(hù)的等保測(cè)評(píng)要求，將給三區(qū)數(shù)據(jù)中心帶來隱含。

2 水電數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵技術(shù)

2.1 軟件架構(gòu)

本文介紹的水電數(shù)據(jù)中心融入了眾多自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，形成了一個(gè)既通用、開放，又完善、高效的解決方案，具體軟件架構(gòu)圖如圖3所示。

整個(gè)軟件架構(gòu)推薦部署在虛擬化云平臺(tái)上，將硬件設(shè)備的CPU、內(nèi)存、磁盤和交換機(jī)虛擬化為一個(gè)資源池，按需分配，充分利用硬件資源，并很好地發(fā)揮了虛擬化云平臺(tái)快速部署和動(dòng)態(tài)遷移等優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)整套系統(tǒng)的可靠性。

圖3中最左側(cè)數(shù)據(jù)源端的應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)獲取層中的抽取模塊進(jìn)入消息總線和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，另一部分?jǐn)?shù)據(jù)通過應(yīng)用導(dǎo)出的方式，進(jìn)入數(shù)據(jù)獲取層的文件獲取模塊。消息總線、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和文件隊(duì)列中的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層解析后存入混合存儲(chǔ)平臺(tái)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層中具有通過統(tǒng)一建模工具建的全景數(shù)據(jù)模型，各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的每一個(gè)設(shè)備在全景模型中具有唯一標(biāo)識(shí)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層是整個(gè)數(shù)據(jù)中心的核心，匯聚了所有應(yīng)用系統(tǒng)的模型和數(shù)據(jù)，有些經(jīng)過初加工生成報(bào)表。有些數(shù)據(jù)經(jīng)過智能算法的分析，挖掘出關(guān)聯(lián)規(guī)則，形成設(shè)備健康評(píng)估報(bào)告等，反過來指導(dǎo)生產(chǎn)決策。

架構(gòu)的最上層是元數(shù)據(jù)信息庫(kù)，保存了整個(gè)數(shù)據(jù)中心的元數(shù)據(jù)單元，包括技術(shù)元數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)，是后面建模和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基礎(chǔ)，并加入了安全信息單元，滿足越來越嚴(yán)格的安防要求。

元數(shù)據(jù)信息庫(kù)下層是數(shù)據(jù)校驗(yàn)信息庫(kù)，該庫(kù)中保存了各種校驗(yàn)規(guī)則，通過校驗(yàn)規(guī)則的組合生成新的規(guī)則，并可通過校驗(yàn)生成結(jié)果報(bào)告，供上層使用者參考。

圖3 水電數(shù)據(jù)中心軟件架構(gòu)圖Fig.3 Software architecture diagram of hydropower data center

由于數(shù)據(jù)中心復(fù)雜的功能結(jié)構(gòu)，后期運(yùn)維一直是數(shù)據(jù)中心的痛點(diǎn)。南瑞繼保水電數(shù)據(jù)中心提供了完善的系統(tǒng)運(yùn)維工具，包括集建模、數(shù)據(jù)編輯和統(tǒng)計(jì)分析為一體的統(tǒng)一運(yùn)維平臺(tái)、供系統(tǒng)整體災(zāi)備和災(zāi)后恢復(fù)的備份還原工具、對(duì)各種分散系統(tǒng)資源集中監(jiān)視的資源監(jiān)視平臺(tái)等。借助這些工具，運(yùn)維人員可以快速地掌握數(shù)據(jù)中心的日常運(yùn)維工作。

2.2 基于云平臺(tái)的分布式架構(gòu)

云平臺(tái)的虛擬化和動(dòng)態(tài)遷移屬性要求應(yīng)用系統(tǒng)可以根據(jù)需要靈活分布在指定計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)上。分布式系統(tǒng)需要強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)中間件支撐，本方案水電數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中間件屏蔽網(wǎng)絡(luò)通信的細(xì)節(jié)，為系統(tǒng)內(nèi)的所有應(yīng)用提供統(tǒng)一的透明的靈活易用的網(wǎng)絡(luò)支撐平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)中間件能夠在運(yùn)行于冗余配置的網(wǎng)絡(luò)之上的程序間形成快速、精確的連接，而不管程序所在的位置。當(dāng)由于系統(tǒng)故障切換或網(wǎng)絡(luò)問題發(fā)生通信故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中間件能夠通過其他可選的網(wǎng)絡(luò)路徑快速重新建立連接。另外，依據(jù)全國(guó)電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)總體框架的“三層四安全區(qū)”，采取整體規(guī)劃設(shè)計(jì)，保證了電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠。

一個(gè)完整的應(yīng)用功能在計(jì)算機(jī)中由多個(gè)進(jìn)程（任務(wù)）和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組成。分布式系統(tǒng)中完整的應(yīng)用功能可以被分配到網(wǎng)絡(luò)上任意一臺(tái)節(jié)點(diǎn)中運(yùn)行，不管應(yīng)用功能分布在哪個(gè)節(jié)點(diǎn)上，用戶通過外部接口和界面訪問分布式系統(tǒng)都是一樣的，做到對(duì)上層使用者透明。靈活的分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)突破了以往主備服務(wù)器概念，按應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行分布，實(shí)現(xiàn)了一主多熱備，提高了系統(tǒng)可靠性，同時(shí)廣泛適應(yīng)不同類型的應(yīng)用需求，提高集成系統(tǒng)整體運(yùn)行效率。

數(shù)據(jù)中心分布在各個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)通過和值班機(jī)進(jìn)行版本校核保證數(shù)據(jù)一致性，徹底解決了分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)不一致問題。具體而言，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的一致性處理分兩個(gè)階段：數(shù)據(jù)庫(kù)啟動(dòng)時(shí)和運(yùn)行過程中。啟動(dòng)時(shí)采用文件同步方式，根據(jù)版本對(duì)不一致的分區(qū)實(shí)施一致性處理；運(yùn)行過程中的同步問題發(fā)生在更新操作后，更新操作先對(duì)主本進(jìn)行，發(fā)出同步事件，各復(fù)本的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器接受并處理同步事件，完成數(shù)據(jù)的一致性處理。分布式系統(tǒng)支持服務(wù)器/客戶端訪問模式，避免了傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)需要把數(shù)據(jù)庫(kù)分布到所有節(jié)點(diǎn)造成的同步負(fù)載過高的問題。分布式客戶端節(jié)點(diǎn)優(yōu)先訪問本機(jī)資源，當(dāng)本機(jī)沒有應(yīng)用時(shí)自動(dòng)連接負(fù)載較輕的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)。靈活分布式系統(tǒng)架構(gòu)可以滿足系統(tǒng)集成規(guī)模不斷擴(kuò)大的需要，獨(dú)立子系統(tǒng)構(gòu)成集群運(yùn)行，同時(shí)保證共享信息的同步效率。

2.3 面向?qū)ο髮?shí)時(shí)庫(kù)

水電數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)面向?qū)ο蟮姆植际綄?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品。它采用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型，支持類之間的繼承、聚集關(guān)系以及對(duì)象標(biāo)識(shí)等面向?qū)ο蟮奶匦?，能夠?gòu)造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型，支持用戶自定義數(shù)據(jù)類型和方法。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型，不僅易于描述水電相關(guān)系統(tǒng)及其拓?fù)潢P(guān)系，更能直接定義類結(jié)構(gòu)，不需要任何映射，是最容易接納標(biāo)準(zhǔn)，并適應(yīng)其版本變化的數(shù)據(jù)模型。采用面向?qū)ο竽Ｐ涂梢悦馊ツＰ娃D(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)映射的麻煩，既可以遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，又能保持實(shí)時(shí)庫(kù)的高訪問效率。具有開放性和實(shí)時(shí)性的完美統(tǒng)一。

在面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型中，每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)在系統(tǒng)內(nèi)唯一不變的標(biāo)識(shí)符，稱為對(duì)象標(biāo)識(shí)符，簡(jiǎn)稱OID。OID的生成和管理既是面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)不可缺少的重要組成部分，也是開放系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交換的需要。對(duì)于實(shí)時(shí)應(yīng)用，導(dǎo)航查詢占查詢的主要部分，必須保證OID 定位到相應(yīng)的對(duì)象的速度。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的OID采用物理對(duì)象標(biāo)識(shí)符與邏輯對(duì)象標(biāo)識(shí)符相結(jié)合的表示方法，OID結(jié)構(gòu)及其索引是高效的對(duì)象訪問基礎(chǔ)。

采用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型，為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)允許應(yīng)用利用模式定義工具自定義數(shù)據(jù)類型，具體有結(jié)構(gòu)類型、數(shù)組類型和枚舉類型。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)支持不同程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的同一數(shù)據(jù)集進(jìn)行并發(fā)訪問。其中與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接對(duì)應(yīng)用而言是透明的，應(yīng)用通過連接管理可以與分布于系統(tǒng)中任何結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的透明訪問。并采用先進(jìn)的連接池技術(shù)對(duì)連接進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)連接的復(fù)用，大大降低系統(tǒng)的開銷。在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器故障情況下，系統(tǒng)將根據(jù)連接分發(fā)策略自動(dòng)重連到負(fù)載較輕的服務(wù)器；一旦本地服務(wù)器恢復(fù)可用，連接又將轉(zhuǎn)至本地，保持高的數(shù)據(jù)訪問速度。在以上技術(shù)的支撐下，單個(gè)實(shí)時(shí)庫(kù)的數(shù)據(jù)處理能力達(dá)到100萬(wàn)條每秒，通過分布式擴(kuò)展方式，最多可支持1000萬(wàn)條/s。

2.4 混合存儲(chǔ)平臺(tái)

水電數(shù)據(jù)中心中需要存儲(chǔ)的類型包括標(biāo)準(zhǔn)化編碼后的全景模型數(shù)據(jù)、各業(yè)務(wù)系統(tǒng)抽取的結(jié)構(gòu)化低頻數(shù)據(jù)（秒和分鐘級(jí)數(shù)據(jù)）、業(yè)務(wù)系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)發(fā)的結(jié)構(gòu)化高頻數(shù)據(jù)（毫秒級(jí)數(shù)據(jù)）、經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析后結(jié)果數(shù)據(jù)、視頻和文件等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。水電數(shù)據(jù)中心綜合考慮各種數(shù)據(jù)類型的特性和數(shù)據(jù)量，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)混合存儲(chǔ)框架，用于滿足不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)要求，如圖4所示。

元數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，后期數(shù)據(jù)增、刪、改等操作較少，且沒有實(shí)時(shí)更新和改寫的要求，但是對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性要求較高，數(shù)據(jù)都是結(jié)構(gòu)化類型，因此傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)更適合，能滿足性能和可靠性要求。

各業(yè)務(wù)系統(tǒng)抽取的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，變化大、實(shí)時(shí)性要求高（秒級(jí)和分鐘級(jí)），且隨著業(yè)務(wù)發(fā)生量的不斷增加而增大。用戶需要實(shí)時(shí)的對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行交互查詢和統(tǒng)計(jì)分析，因此數(shù)據(jù)處理的響應(yīng)時(shí)間需要在秒級(jí)以內(nèi)，在數(shù)據(jù)量不超過PB級(jí)別的情況下，傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)集群就可以滿足存儲(chǔ)和查詢要求；但如果數(shù)據(jù)量增長(zhǎng)到PB級(jí)以上時(shí)，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)就有些力不從心了，需要引入大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)來解決海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)和分析等工作。

特殊業(yè)務(wù)系統(tǒng)的毫秒級(jí)采樣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)精度和速度的要求非常高，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)無(wú)法支持如此高頻的數(shù)據(jù)插入，需引入時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫(kù)針對(duì)性處理。時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫(kù)省去了關(guān)系庫(kù)的復(fù)雜校驗(yàn)和關(guān)聯(lián)性檢查，大大縮短了具有時(shí)間序列數(shù)據(jù)的處理時(shí)間，且通過壓縮技術(shù)降低了所需的存儲(chǔ)空間。

對(duì)于文件和視頻類非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，例如序列化記錄文件、報(bào)表、報(bào)告、結(jié)算單等，文件數(shù)量巨大，需要引入Redis等高速緩存數(shù)據(jù)庫(kù)來解決數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)文件檢索功能，通過將索引信息存儲(chǔ)在高速緩存中，通過索引快速定位文件存儲(chǔ)路徑，從而達(dá)到快速獲取文件的要求。

圖4 混合存儲(chǔ)平臺(tái)數(shù)據(jù)類型圖Fig.4 Data type diagram of mixed storage platform

每種數(shù)據(jù)庫(kù)都有各自的特性和適用范圍，對(duì)于水電數(shù)據(jù)中心這類數(shù)據(jù)類型復(fù)雜的系統(tǒng)，沒有哪種數(shù)據(jù)庫(kù)可以通吃，因此我們?cè)O(shè)計(jì)了混合存儲(chǔ)平臺(tái)，時(shí)序庫(kù)、關(guān)系庫(kù)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)、文件服務(wù)器等組件可以通過自由組合的方式，部署所需的組件，滿足水電各類數(shù)據(jù)中心的建設(shè)要求。

2.5 基于海量規(guī)約庫(kù)的分布式采集

水電廠數(shù)據(jù)中心以統(tǒng)一的方式全面采集各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，為各類應(yīng)用提供信息支撐。以靈活的分布式數(shù)據(jù)采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)全廠監(jiān)控信息、二次設(shè)備運(yùn)行信息、電能計(jì)量等的采集與交換，通過統(tǒng)一的服務(wù)總線為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

水電廠數(shù)據(jù)中心前置采集采用分布式擴(kuò)展設(shè)計(jì)，可以根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)和規(guī)模為第三方系統(tǒng)接入建立獨(dú)立前置采集應(yīng)用，采集進(jìn)程啟動(dòng)時(shí)傳入第三方系統(tǒng)應(yīng)用名稱。前置與第三方接入應(yīng)用采用多對(duì)多設(shè)計(jì)，例如：一套振擺在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用，可以部署兩個(gè)數(shù)據(jù)中心前置應(yīng)用，提高處理效率；也可以用兩個(gè)前置應(yīng)用，對(duì)應(yīng)兩套振擺在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用。靈活分布式采集，可以有效解決跨安全區(qū)采集和不同通道性質(zhì)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集問題。

水電數(shù)據(jù)中心支持CDT、IEC60870、TASE.2、Modbus TCP等各類通信規(guī)約庫(kù)，并可以根據(jù)需求進(jìn)行自定義擴(kuò)充。添加新的規(guī)約插件不需要修改原有程序架構(gòu)，只需開發(fā)新的規(guī)約插件庫(kù)即可，新的規(guī)約插件即插即用。

2.6 定制化駕駛艙

水電廠運(yùn)行駕駛艙是數(shù)據(jù)中心的人機(jī)交互層，以水電廠關(guān)鍵運(yùn)行指標(biāo)為主線，依托數(shù)據(jù)中心匯集和萃取的各類運(yùn)行信息，綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、態(tài)勢(shì)感知等技術(shù)，提供面向用戶的指標(biāo)監(jiān)視、預(yù)警、信息挖掘、決策分析和控制功能，為運(yùn)維人員駕馭電廠提供一個(gè)綜合、直觀、閉環(huán)的友好環(huán)境。

水電數(shù)據(jù)中心運(yùn)行駕駛艙提供統(tǒng)一的展示層，對(duì)外提供展示服務(wù)，可以支持桌面終端、移動(dòng)終端和Web終端的瀏覽，方便用戶進(jìn)行跨終端監(jiān)視。水電廠內(nèi)現(xiàn)有系統(tǒng)眾多，數(shù)據(jù)中心也相應(yīng)集成了多種類型的數(shù)據(jù)，對(duì)于不同的數(shù)據(jù)，駕駛艙采用曲線、表格、儀表盤、水位計(jì)、餅圖、棒圖等多種展示方式，并結(jié)合報(bào)表進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、查詢和可視化展示。

運(yùn)行駕駛艙圍繞電廠關(guān)鍵指標(biāo)，能夠直觀反映電廠運(yùn)行各環(huán)節(jié)的狀態(tài)，支持領(lǐng)導(dǎo)管理決策，提升關(guān)鍵運(yùn)行崗位人員監(jiān)視與控制的效率，增強(qiáng)管理者的態(tài)勢(shì)感知能力，并提供輔助決策。廠內(nèi)關(guān)鍵指標(biāo)的制定遵循統(tǒng)一的運(yùn)行指標(biāo)體系，提供指標(biāo)管理、監(jiān)視及預(yù)警功能，其展示采用智能告警和可視化結(jié)合的方式，方便用戶快速、有效定位異常、輔助決策、控制。通過對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)的監(jiān)視能夠?qū)崟r(shí)反映電廠運(yùn)行中的隱患或異常，支持快速定位具體的異常指標(biāo)，并通過自動(dòng)或手動(dòng)方式觸發(fā)預(yù)定義的輔助分析決策功能，為用戶及時(shí)干預(yù)系統(tǒng)運(yùn)行提供決策依據(jù)。

3 水電數(shù)據(jù)中心應(yīng)用前景

水電數(shù)據(jù)中心通過全廠數(shù)據(jù)整合，實(shí)現(xiàn)了物理設(shè)備的模型化、數(shù)字化，為電廠運(yùn)行人員提供了數(shù)據(jù)共享、知識(shí)流動(dòng)的平臺(tái)，完善了綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)提升工作效率的機(jī)制。通過多個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)綜合分析，從而解決單系統(tǒng)分析無(wú)法完成的任務(wù)，借助數(shù)據(jù)中心將優(yōu)秀技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)固化為數(shù)據(jù)中心的專家?guī)?，從而提升全廠人員水平，實(shí)現(xiàn)全員高效。

以抽水蓄能電站靜止變頻器（SFC）的綜合分析為例：SFC啟動(dòng)機(jī)組時(shí)，首先要準(zhǔn)確檢測(cè)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的初始轉(zhuǎn)子位置，從而為SFC輸出初始啟動(dòng)力矩提供大小及方向依據(jù)。SFC進(jìn)行轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)時(shí)，通過機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)子電壓突變，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，電機(jī)定子將感應(yīng)三相電壓，SFC根據(jù)該電壓信號(hào)計(jì)算轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的位置。而SFC設(shè)備運(yùn)行中，因?yàn)檗D(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)不準(zhǔn)確引起的啟動(dòng)失敗時(shí)有發(fā)生，卻缺乏有效的監(jiān)測(cè)和分析手段。

SFC設(shè)備轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)算法依賴監(jiān)控、勵(lì)磁及SFC設(shè)備之間的時(shí)間配合，來進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)時(shí)的啟動(dòng)檢測(cè)、施加勵(lì)磁階躍、開啟感應(yīng)電壓采集窗口及轉(zhuǎn)子位置計(jì)算等。當(dāng)初始啟動(dòng)階段發(fā)生啟動(dòng)失敗時(shí)，由于SFC及勵(lì)磁設(shè)備錄波及事件記錄配置不完善、各系統(tǒng)相互獨(dú)立，加上各系統(tǒng)不在同一時(shí)標(biāo)下，無(wú)法對(duì)各系統(tǒng)的行為時(shí)序進(jìn)行比對(duì)，難以快速實(shí)現(xiàn)故障分析及定位。

水電數(shù)據(jù)中心集成了包括SFC本體、各機(jī)組勵(lì)磁、監(jiān)控系統(tǒng)（包括同期）故障前后的運(yùn)行信息，統(tǒng)一時(shí)標(biāo)，能快速明確故障發(fā)生時(shí)的各系統(tǒng)時(shí)序是否正常，實(shí)現(xiàn)故障原因快速定位。日常運(yùn)行中也可以對(duì)多次轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)時(shí)各系統(tǒng)的時(shí)序及時(shí)間差進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)繼電器、勵(lì)磁電流反饋回路及勵(lì)磁電流上升情況、感應(yīng)電壓情況的監(jiān)測(cè)。如圖5所示，將啟動(dòng)令、勵(lì)磁狀態(tài)、勵(lì)磁電流給定指令、勵(lì)磁電流測(cè)量反饋及機(jī)端感應(yīng)電壓等與轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)相關(guān)信息集中收集、統(tǒng)一時(shí)標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)故障時(shí)快速定位問題原因。

圖5 SFC綜合信息展示圖Fig.5 SFC comprehensive information display

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合水電站數(shù)據(jù)集成的應(yīng)用背景，提出了基于云平臺(tái)的水電數(shù)據(jù)中心總體架構(gòu)和技術(shù)方案，可經(jīng)濟(jì)、有效地整合水電廠各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)據(jù)建模、駕駛艙等技術(shù)提供標(biāo)準(zhǔn)化、開放性的智能應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)?；谝陨霞夹g(shù)方案研制了南瑞繼保水電數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品，將為“智能電廠”“智慧電廠”建設(shè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電廠運(yùn)行和管理水平提升，具有良好應(yīng)用前景。