探討繼電保護大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)關(guān)鍵理論和技術(shù)

段淑萍 王曉麗

摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了“大數(shù)據(jù)”的概念。“電力大數(shù)據(jù)”是對“大數(shù)據(jù)”概念的擴充。電力大數(shù)據(jù)時代隨之而來的是電力數(shù)據(jù)井噴式的增長，其數(shù)據(jù)量極其宏大、數(shù)據(jù)形式異常復(fù)雜，因此如何儲存紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù)以及從中提取有價值的信息變得至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：繼電保護;NoSQL;電力大數(shù)據(jù);MongoDB

中圖分類號：TP3 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）27-0207-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 緒論

1.1 課題背景及意義

隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展和數(shù)據(jù)的日益復(fù)雜化，數(shù)據(jù)的存儲和管理方式也發(fā)生了很大的變化，在伸縮性和可用性上有了更高的要求，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫面臨著各種壓力和挑戰(zhàn)。繼電保護大數(shù)據(jù)具有大數(shù)據(jù)的普遍特性，其特征可以概括為5個V（Volume、Variety、Velocity、Veracity和Value）。即數(shù)量大、數(shù)據(jù)類型多、處理速度要求快、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求高、價值密度低。在目前的繼電保護數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中，一般都是使用傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫儲存，隨著需要管理的數(shù)據(jù)向大數(shù)據(jù)演進，這些系統(tǒng)在滿足對空間的利用率、海量數(shù)據(jù)存儲支持和數(shù)據(jù)高可靠性等方面的需求時已經(jīng)顯得越來越無能為力。在這種情況下，NoSQL作為云存儲技術(shù)的有效解決方案，在數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域的地位越來越重要。

繼電保護是電力系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，承擔(dān)著切除故障和反映電力設(shè)備不正常運行狀態(tài)的任務(wù)，起著保護電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的作用。隨著國家電力行業(yè)的迅猛發(fā)展，電網(wǎng)容量、電廠裝機容量逐年增加，電網(wǎng)運行方式日益復(fù)雜，對繼電保護可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求越來越高。

1.2繼電保護發(fā)展現(xiàn)狀

電力系統(tǒng)繼電保護最開始的時候使用晶體管來保護電力系統(tǒng)，通過不斷改善和進步，目前為微機保護時代。

微機保護主要有四個特點計算機化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和一體化。

（1）計算機化

計算機化就是將計算機技術(shù)用到繼電保護中，計算機技術(shù)中的數(shù)據(jù)儲存和數(shù)據(jù)快速處理將繼電保護帶向一個新的高度。

（2）智能化

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，利用傳感器對運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控獲取到數(shù)據(jù)后進行整合分析，利用相關(guān)結(jié)果對監(jiān)控點進行實時遠程修正。

（3）網(wǎng)絡(luò)化

新的電力系統(tǒng)常態(tài)下，要求繼電保護數(shù)據(jù)進行共享進行云計算等操作，對繼電保護數(shù)據(jù)進行分析，也就是其正想網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。

（4） 一體化

所謂的一體化，就是將對繼電保護系統(tǒng)在各方位都同步化、一體化。

1.3電力大數(shù)據(jù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，電力行業(yè)正向能源互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型。電力大數(shù)據(jù)的來源主要是電力使用、電力生產(chǎn)和電力管理的各個細節(jié)，可以將其大致分為電網(wǎng)運行和設(shè)備檢測、電力企業(yè)銷售數(shù)據(jù)和電力企業(yè)管理數(shù)據(jù)。

1.4 NoSQL發(fā)展現(xiàn)狀

目前，NoSQL數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)展了足夠多的種類，可將其分為以下幾種。

（如表1所示）。

1.5課題研究主要內(nèi)容

本研究主要工作是針對繼電保護大數(shù)據(jù)5V特性，采用MongoDB分布式儲存的特點，設(shè)計并實現(xiàn)基于MongoDB的繼電保護大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。研究內(nèi)容如下：

1）設(shè)計繼電保護大數(shù)據(jù)模型;

2）在Windows上運行的MongoDB中創(chuàng)建數(shù)據(jù)實體;

3）基于MVC模式、采用Java語言開發(fā)c/s模式的繼保大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng);

4）實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化繼保大數(shù)據(jù)的管理與分析。

2 繼電保護大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)關(guān)鍵理論和技術(shù)

2.1 大數(shù)據(jù)

麥肯錫全球研究所對大數(shù)據(jù)給出如下定義：一種規(guī)模大到在獲取、存儲、管理、分析方面大大超出了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具能力范圍的數(shù)據(jù)集合，具有海量的數(shù)據(jù)規(guī)模、快速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、多樣的數(shù)據(jù)類型和價值密度低四大特征。具體而言，大數(shù)據(jù)包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化類型數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)模型就是對數(shù)據(jù)進行抽象之后的結(jié)果，包括首先對數(shù)據(jù)以某種格式進行儲存在數(shù)據(jù)庫中，其次是對數(shù)據(jù)進行操作，如增加數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)、修改數(shù)據(jù)和查詢數(shù)據(jù)等。最后就是數(shù)據(jù)庫中的每一個數(shù)據(jù)都要有特定的標(biāo)示，保證其唯一性。

2.3 NoSQL相關(guān)知識

2.3.1基本概念及NoSQL系統(tǒng)架構(gòu)

NoSQL不僅僅是傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的意思。在數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)交互爆發(fā)增長時，NoSQL數(shù)據(jù)庫從根源上為儲存和計算大數(shù)據(jù)提供了可行的方案。

NoSQL架構(gòu)在2010年被提出，人們將其歸納為數(shù)據(jù)持久層、分布層、邏輯模型層和接口層。

數(shù)據(jù)持久層：儲存機制是一個數(shù)據(jù)庫的核心之一，數(shù)據(jù)持久層中規(guī)定了NoSQL數(shù)據(jù)庫的儲存機制，其中包含了四個方面的內(nèi)容，有數(shù)據(jù)庫是基于內(nèi)存的、有基于硬盤的、有基于內(nèi)存和硬盤相結(jié)合的以及定制可插拔的。

數(shù)據(jù)分布層：本層中將數(shù)據(jù)的分布結(jié)構(gòu)包括CAP支持、多數(shù)據(jù)中心支持以及動態(tài)部署支持。

數(shù)據(jù)邏輯模型層：本層中涵蓋的是數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的邏輯，也就是數(shù)據(jù)模型中的數(shù)據(jù)儲存結(jié)構(gòu)，其中鍵值型以及文檔型都是常見的儲存結(jié)構(gòu)，MongoDB數(shù)據(jù)Document型數(shù)據(jù)庫。

接口層：本層規(guī)定外界訪問數(shù)據(jù)庫時的各種方式。

2.3.2NoSQL基本理論知識

NoSQL數(shù)據(jù)庫理論包括CAP、BASE和最終一致性。

（1）CAP理論C表示一致性，也就是在數(shù)據(jù)被操作之后，如果有多個訪問同時指向該數(shù)據(jù)，那么得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)該要一致。A表示可用性，它的含義是如果外界有對數(shù)據(jù)庫進行訪問的操作，那么數(shù)據(jù)庫要保證隨時有響應(yīng)。P表示分區(qū)容忍性，其內(nèi)涵為如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中其中一點或多個點出現(xiàn)了故障，那么服務(wù)器也應(yīng)該繼續(xù)工作。

（2）BASE理論

BASE理論包含三個層面的內(nèi)容：其一，基本可用性;其二，軟狀態(tài)（表示在規(guī)定時間內(nèi)運行服務(wù)器不同步）;其三，最終一致性（表示數(shù)據(jù)只要滿足在最后獲取到數(shù)據(jù)是一致的，那么在獲取的過程中不需要時時同步）。

（3）最終一致性

對于其訪問是否能得到最新修改后的數(shù)據(jù)，可以將其一分為二，即強一致性和弱一致性。強一致性就是在數(shù)據(jù)庫在做出任何修改之后，訪問得到的就都是一致的;而弱一致性則不能保證能夠得到一致的結(jié)果。

2.3.3 儲存模型

數(shù)據(jù)庫的儲存模型決定了數(shù)據(jù)庫的性能，NoSQL數(shù)據(jù)庫摒棄了傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中固定的關(guān)系型儲存模型，在面對不同的數(shù)據(jù)是采用不同的儲存機制。目前，NoSQL中主流的儲存模型有Key-Value型、ColumnFamily型和Document型。

2.4 MongoDB數(shù)據(jù)庫

MongoDB文檔型儲存模型，多個Document合并為一個Collection，多個Collection形成一個DB，在MongoDB數(shù)據(jù)庫中，每個DB都是獨立的。Document是MongoDB儲存的和處理的單位，它可以包含N對鍵值對和多個文檔，在文檔和文檔嵌套的過程中，可以有效地處理高數(shù)據(jù)交互的數(shù)值類型。另外，MongoDB中的文件儲存機制中采用GridFS機制，當(dāng)文件大于16M時，數(shù)據(jù)庫將文件分割成多個文件筐并生成“fs.chunks”文件以及“fs.files”文件，前者包含文件內(nèi)容后者包含文件儲存信息。對于繼電保護大數(shù)據(jù)來說，其中包含的大量音頻、圖片和視頻文件非常適合使用MongoDB數(shù)據(jù)來進行儲存和處理。

3 結(jié)束語

本文主要講述了NoSQL數(shù)據(jù)庫的基本框架和基礎(chǔ)理論，并將NoSQL數(shù)據(jù)庫與傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)進行了對比，最后分析了MongoDB數(shù)據(jù)庫的儲存機制說明MongoDB數(shù)據(jù)庫滿足本設(shè)計。

參考文獻：

[1]彭小圣，鄧迪元，程時杰，等.面向智能電網(wǎng)應(yīng)用的電力大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)[J].中國電機工程學(xué)院，2015（3）：1-3.

[2]楊海源，面向大數(shù)據(jù)的電力通信平臺設(shè)計與實現(xiàn)[D].吉林：吉林大學(xué)，2014.

【通聯(lián)編輯：梁書】

作者簡介：段淑萍（1979-），女，甘肅靖遠人，大學(xué)本科學(xué)歷，講師，單位：甘肅機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，主要研究的方向：計算機技術(shù)應(yīng)用;王曉麗（1978-），女，甘肅會寧人，單位：甘肅機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，大學(xué)本科學(xué)歷，副教授，主要研究的方向：電氣自動化技術(shù)。