一种大型集控实时数据分布式管理的实现与应用

陈　鹏，蔡　杰

（南京南瑞集团公司，江苏 南京 210003）

一种大型集控实时数据分布式管理的实现与应用

陈鹏，蔡杰

（南京南瑞集团公司，江苏 南京 210003）

摘要：针对现有集控中心监控系统已逐渐无法管理日益扩展的实时数据，引入分区的概念，提出了一种数据采集半分布，数据应用半集中的管理机制。并介绍了该系统构建过程中的关键和特点。

关键词：实时数据管理；分区；hash；动态加载

0　前言

一些大型的集控中心随着接入电厂数量的不断增加和信息化水平的逐步提升，实时数据的规模已经越来越大。进而带来了诸多的问题急待解决：①数据处理分析和储存的压力增大，硬件配置和软件设计无法满足实际需求的情况日渐明显；②网络数据流量急剧上升，网络延时增长，已经严重影响到了实时数据的传输和管理；③子站分期投运或改造对集控中心系统的影响增大，维护的风险和压力逐渐增加。如何能够有效的解决这些问题，是设计该实时数据管理系统的主要目的。

1　架构研究

通常，大多数监控系统都会采取集中式或者分布式这两种方式中的一种来对实时数据进行管理。这两种方式在整个监控系统的发展过程中都担任过重要的角色。

集中式实时数据管理方式对于小型的监控系统来说非常实用，访问数据的效率也非常的高。缺点也显而易见，就是当实时数据的数量巨大时，占用的内存非常的多，尤其是对于大型的甚至巨型的集控中心而言，有许多数据可能永远不会被访问到，内存的使用效率很低。而且，在对局部进行配置修改的时候，牵一发而动全身，维护工作风险较高。

分布式实时数据管理方式比较适合于建立庞大的系统，结构灵活、可扩展性好、并且经济性能优越，对于非实时系统来说是再好不过的选择。但是，对于集控中心这样的实时性要求相对较高的系统来说，分布式的管理方式也存在网络数据流量大，数据获取实时性不高的问题。

在决定系统架构之前，需要考虑图1中的这4个评估因素。深入研究实时数据管理系统的数据分配方式，发现可以细分为3种：①分割式，即实时数据被放置在网络的各个节点上，且每个数据只有一份；②全复制式，即所有的实时数据在网络的各个节点上都重复的存储；③混合式，即实时数据被分成一系列可以相交的子集，在网络的各个节点上进行存储，但是每个点上未必都保存全部的实时数据。其中，分割式对应分布式，全复制式就是常说的集中式，这两种方式都是混合式的特殊情况。而混合式就是介于它们之间的一种方式，相信一定能在存储代价、可靠性、更新代价和检索代价这几个矛盾因素之间找到平衡。

图1实时数据管理评估因素

2　主要功能设计

大型集控监控系统，就是一个实时数据管理系统，主要功能是接收下属电站的所有数据信息，然后进行集中监控处理，最终实现对所有电站的监视、控制、分析和管理调配。在集控监控系统中，大部分的应用对实时性的要求都比较高，并且大量关键性的数据需要进行长时间的历史记录，以供查询分析。同时，集控中心还存在需要不断接入新电站和机组，或者是改造已接入电站的特点。

考虑到大型集控监控系统的这些特点，本文引入分区的概念。在系统设计和规划时，并不将系统的结构固定，而是可以根据功能需求和实际情况自由修改和调整，以达到最优的性能，可以是全集中或全分布，也可以是一部分集中一部分分布。图2所示为实时数据分区管理的一个示例。分区的划分非常的灵活，可以依据功能划分，可以通过电站的地域划分，也可以通过电站的类型划分。

图2首先依据功能将整个集控的所有分区分为两类：数据采集分区和数据应用分区。其中分区1至分区N就是数据采集分区，主要用于接收各个电站的数据信息；而分区M就是数据应用分区，主要用于综合运算分析，历史记录，监控和维护。

再者，数据采集分区中又依据地域和类型对电站进行了分区的划分。其中，分区1中的电站存在着地域上的联系；分区2中的电站只需要进行监视，或者相对来说装机容量比较小，数据量也比较的小，所以将它们放置在同一个分区；而其余的分区N就是需要控制的电站，数据量大，装机容量也大，所以为了以后维护方便，将一个电站就做为了一个分区。

分区的划分只是为了将数据分布开来，减轻软硬件等各方面配置的压力，避免了全集中式管理的缺点。有分散就有集中，为了避免数据过于分散带来的网络数据量大和实时性不高的弊端，在应用端使用实时数据时也可以进行灵活的配置。

如图2分区M中的服务器可以根据需要向跨分区实时总线注册，获取相应区域的信息，包括：节点状态、实时数据、报警信息等，并且允许向此分区发送包括控制和设定值在内的控制信息。注册之后，服务器上就会得到其注册分区数据的完整拷贝。这样在数据应用时体验到的就是集中式系统而不是分布式系统。

3　关键技术

本文提供的实时数据管理的实现方式，能够灵活的对整个集控的实时数据进行分区，并且在数据应用端可以根据自定义提前注册动态加载所需分区的数据。如此将全集中式和全分布式的优势集于一身，遵循数据采集半分布，数据应用半集中的原则，还可以根据实际使用情况任意的调整，以达到最优的性能和效果。

分区架构的使用不仅提升了系统的灵活性，而且在很大程度上降低了整个集控中心监控系统的耦合度，也就降低了整体的复杂性和依赖性，从而能够有效的将故障节点的影响范围控制在本分区以内；虽然降低了系统的耦合度，但是丝毫不会破坏其整体性，合理的分区划分可以做到这一点；只要分区划分的合理，分区与分区之间可以达到互不影响，同一时间可以同时展开工作，这样不仅提高了系统维护的便利性，而且还增强了系统的健壮性；当然系统的扩展性也变得更好，尤其是对于像集控这样需要不断扩充和接入新厂站的监控系统，分区内部可以先调试完毕，最终一次性无扰的接入系统，并且不会给原系统带来任何负担和压力。

但是，分区架构的引入也同样会对系统的安全性、实时性、可靠性和一致性带来一定的影响，这就需要靠另外两个关键技术来保障：①采用hash表作为内存数据库的索引数据结构；②跨分区注册和动态加载管理机制。

图2实时数据分区管理示例

每个节点中都会存有实时数据的内存结构，或本地的，或其余分区的。hash表索引就是负责管理和存储内存数据库的，并且同时给数据应用提供高效的访问机制。hash表的引入大大降低了数据存储和查询所消耗的时间，并且为本地内存数据库动态加载其他分区数据结构提供了基础。

由于是实时监控系统，所以数据的实时性和一致性就显得非常的重要，动态加载的管理机制直接决定了整个系统的安全性和可靠性。以图2中的操作员站N为例，在功能分配时，定义它监视和控制分区N的厂站。操作员站N启动后，首先加载本区域的实时数据结构，然后注册接收分区N的，这时就会收到分区N数据结构的完整的拷贝，并且还可以查看分区N发布的测点数据和各种状态信息，以及对分区N进行控制。在运行维护过程当中，分区N难免会对本地数据结构进行修改，而修改完后所有的注册接收分区N数据的服务器都会收到通知，并重新加载分区N的实时数据结构。

这一系列的过程都是依靠动态加载管理机制来完成的，动态加载管理机制具有以下的功能与特点：

（1）跨分区注册具有安全审核机制，确保接入节点的安全性。

（2）分区数据结构版本信息的发布采用组播方式，确保版本发布的及时性。

（3）分区数据结构的发布采用多进程，并且采用TCP方式，确保数据传输的可靠性。

（4）分区内采用主从冗余的方式管理本分区内的数据库，并且只有为主的节点才能够对外发布数据，确保信息发布的权威性。

（5）在接收其他分区数据结构时采用二次校验和错误重传机制，确保所接收数据结构的正确性。

（6）在数据结构更新过程当中，测点信息会保持原有状态不变，并且控制信息无法下发，确保系统运行的稳定性。

4　结束语

本文针对大型集控在发展过程当中，在实时数据管理方面遇到的问题进行了分析，并提出了一种有效的解决思路和管理方式。这种管理方式的实施不需要对原有的硬件配置甚至网络结构做任何的调整。

目前，该实时数据管理方式已经在华能澜沧江集控中心得到了应用。澜沧江集控接入的总装机容量已经超过了1 600万kW，其中小湾：6×700MW，功果桥：4×225 MW，漫湾：1×300 MW、4×250 MW，1×120 MW，糯扎渡：9×650MW，龙开口：5×400MW、瑞丽江：6×100MW，景洪：5×350MW，石林10MW。

参考文献：

[1]张仁贡.开放式分层全分布水电站计算机监控系统设计[J].水电能源科学，2008，26（4）：133-135.

[2]孙其强，周薇，狄方春，等.针对大电网的并行实时数据库设计研究 [C]//2012年中国电机工程学会年会论文集，2012.

[3]於建林.应用于电网调度自动化系统的实时数据库的设计与实现[D].北京：北京邮电大学软件学院，2005.

[4]胡金初.分布式处理在实时应用系统中的实现[J].计算机工程，2003，29（z1）：168-173.

中图分类号：TP274

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）07-0018-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.005

收稿日期：2015-04-30

作者简介：陈鹏（1986-）男，助理工程师，从事水电厂自动化的工作。