基于負(fù)載均衡聚合技術(shù)的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息智能化提升研究

黃文杰 秦芳麗 鄧舒遲 葉毓廷 彭任民

摘要：在輸配電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行中，為及時(shí)便捷的追溯配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，必須對(duì)設(shè)備的工作電流、電壓、開關(guān)動(dòng)作和設(shè)備故障指示器等狀態(tài)參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與挖掘分析。隨著配電網(wǎng)智能化、信息化水平的提升和新一代能源自動(dòng)化系統(tǒng)的接入，配電網(wǎng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)規(guī)模倍增。傳統(tǒng)關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫(kù)在海量關(guān)系型數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)、分析處理、數(shù)據(jù)安全等方面存在不足，采用負(fù)載均衡數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)能夠優(yōu)化配電網(wǎng)的管理和分配，消除電網(wǎng)的內(nèi)部負(fù)載不平衡，提高系統(tǒng)異常反應(yīng)的速率和系統(tǒng)總體的性能，同時(shí)提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。利用負(fù)載均衡數(shù)據(jù)技術(shù)，可根據(jù)業(yè)務(wù)量靈活分配電網(wǎng)資源，使得系統(tǒng)管理和擴(kuò)展的能力也得到了提高，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)精益化管理目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)運(yùn)行；負(fù)載均衡；聚合技術(shù)；智能化提升

中圖分類號(hào)：TM761+.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）05-0193-04

Researchonoptimizingdatamanagementtechnologyofdistributionnetworkbasedonloadbalancingtechnology

HUANG Wenjie，QIN Fangli，DENG Shuchi，YE Yuting，PENG Renmin

（Hubei central china technology development of electric power co.，ltd.，Wuhan 430074，China）

Abstract： In the operation of the distribution network system，in order to facilitate the tracing of the status of powergrid equipment，it is often necessary to store and analyze the relevant data of the equipment's current，voltage， switching action，and fault indicator. With the improvement of the intelligent and informatization level of the distri? bution network and the access of a new generation of energy automation system， the data scale of the distributionnetwork operation has doubled. Traditional relational databases have insufficient storage and processing capabilitiesfor massive data，and data security cannot be met. The load balancing technology optimizes the distribution of thedistribution network，eliminates the load imbalance of the power grid，and improves the response speed and overallperformance of the system. Load balancing can monitor the operating status of the power grid，detect abnormal oper? ations in a timely manner，and transfer access requests to other outlets that can work normally，thereby improvingthe reliability of the entire power distribution system. After the load balancing technology is adopted，the power gridcan be flexibly allocated according to the development of business volume，the system's scalability is improved，and management is simplified.

Keywords： distribution network operation；load balancing；reliability

負(fù)載均衡是通過執(zhí)行特定的資源分配方式，協(xié)調(diào)資源實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)任何的并行處理，提升資源利用效率[1]。傳統(tǒng)分布式負(fù)載均衡概念和算法只是將所有能并行處理的設(shè)備和任務(wù)，按照先來先分配的方式處理，保證現(xiàn)有的資源、設(shè)備不會(huì)被占用或者閑置，提升了任務(wù)并行處理的靈活性和效率[2-4]。但是隨著分布式任務(wù)在量級(jí)上的增加以及分布式設(shè)備和資源系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，傳統(tǒng)資源分配和處理方式會(huì)導(dǎo)致大量的任務(wù)處在周期性的等待和處理狀態(tài)，也可能出現(xiàn)大量的資源始終分配給不到新的設(shè)備和任務(wù)。因此必須緊跟配電網(wǎng)發(fā)展步伐，不斷優(yōu)化負(fù)載均衡算法。

1 負(fù)載均衡聚合技術(shù)

目前網(wǎng)絡(luò)聚合負(fù)載均衡聚合解決方案非常多，如軟或硬件網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，全局網(wǎng)/本地網(wǎng)聚合應(yīng)用負(fù)載均衡，更高層的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡以及基于鏈路層的聚合網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡解決技術(shù)[5]。

硬件或軟件負(fù)載均衡的特點(diǎn)是，具有專門的負(fù)載均衡服務(wù)器的裝置，其配置在內(nèi)外負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)之間的總線上，這樣的負(fù)載均衡通常也被稱作專用的負(fù)載均衡器。其優(yōu)勢(shì)在于，在具體的應(yīng)用場(chǎng)合，以及在簡(jiǎn)單的配置條件下，其應(yīng)用具有較大的靈活性，且更經(jīng)濟(jì)，更符合負(fù)載均衡的需要[6]。

全局/本地負(fù)載均衡分為本地與全局兩種負(fù)載均衡。本地的負(fù)載均衡指對(duì)本地的網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器群之間實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡[7]。全局負(fù)載均衡則指在不同的位置，不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不同背景下的服務(wù)器群間實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

更高網(wǎng)絡(luò)層的負(fù)載均衡可應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)的第四或七層，第四層負(fù)載均衡定義是將一個(gè)服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)上合法注冊(cè)為內(nèi)部IP，隨之可映射出多個(gè)內(nèi)部IP 地址，在每一次請(qǐng)求HTTP 網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，都會(huì)被動(dòng)態(tài)地分配給一個(gè)內(nèi)部IP地址[8]，利用負(fù)載均衡技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)控制高層的目的。第七層負(fù)載均衡是直接控制應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的流量和內(nèi)容，它適合應(yīng)用于http 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器群，它會(huì)自動(dòng)地檢測(cè)經(jīng)過服務(wù)器的HTTP 網(wǎng)絡(luò)頭部，并基于頭部中的訪問量以及頭部中的相關(guān)信息，來判斷是否要進(jìn)行一個(gè)應(yīng)用層的負(fù)荷平衡。它的優(yōu)勢(shì)是更為靈活和智能[9-10]。

鏈路聚合技術(shù)的原理是將網(wǎng)絡(luò)上的眾多線路數(shù)據(jù)聚合當(dāng)作一條單一的物理邏輯線路聚合來使用[11]，隨之產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量將由聚合邏輯鏈路共同來承擔(dān)，直接減少某一線路的流量負(fù)荷，從而有效地增大了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容量，使其能更好滿足網(wǎng)絡(luò)帶寬的流量需求。

2 負(fù)載均衡技術(shù)在配電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用和數(shù)據(jù)分析

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的普及和發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器面對(duì)的是用戶服務(wù)請(qǐng)求的壓力也越來越大[12]。面對(duì)這樣的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況，不斷提高和優(yōu)化的物理網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)硬件運(yùn)行性能迫在眉睫。

2.1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與新架構(gòu)的對(duì)比

負(fù)載均衡處理技術(shù)和先進(jìn)的負(fù)載均衡器就一定能有效的解決和改善此類的問題，能有效地改善和提高系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能，做到合理的分配[13]，能有效的縮短服務(wù)請(qǐng)求響應(yīng)的時(shí)間，同時(shí)提高系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)行性能。圖1所示為傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

負(fù)載均衡系統(tǒng)與原服務(wù)器系統(tǒng)的相比，其設(shè)計(jì)架構(gòu)的理念是將進(jìn)出口鏈路的負(fù)載均衡系統(tǒng)設(shè)備完全替代傳統(tǒng)的路由器[14]，先進(jìn)設(shè)備替代路由器傳統(tǒng)的設(shè)備。圖2所示為引入負(fù)載均衡器的運(yùn)行系統(tǒng)，全新的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是將傳統(tǒng)的進(jìn)出口鏈路系統(tǒng)資源利用起來，降低系統(tǒng)運(yùn)行的資源需求和資源占有率[15]。引入負(fù)載均衡系統(tǒng)技術(shù)能夠?qū)⒏哓?fù)載的服務(wù)器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)資源分擔(dān)到一個(gè)原服務(wù)器系統(tǒng)集群的多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，且系統(tǒng)的占用率一直能夠保持在一個(gè)穩(wěn)定的占有率范圍內(nèi)。

2.2負(fù)載均衡技術(shù)的應(yīng)用和數(shù)據(jù)分析

2.2.1 實(shí)驗(yàn)說明

本文采用的負(fù)載統(tǒng)計(jì)算法主要是每0.1 s 對(duì)每個(gè)負(fù)載的集群計(jì)算一次相應(yīng)負(fù)載數(shù)據(jù)l、c和p值，并將其中一個(gè)定義為s=lcp的服務(wù)優(yōu)先級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的服務(wù)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)一個(gè)用戶向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，此用戶服務(wù)需求同時(shí)提供了進(jìn)入服務(wù)器負(fù)載優(yōu)先級(jí)統(tǒng)計(jì)的計(jì)算能力路徑，并與用戶服務(wù)請(qǐng)求和優(yōu)先級(jí)集群數(shù)據(jù)庫(kù)目錄中的所有服務(wù)s 值請(qǐng)求進(jìn)行比對(duì)[16]，找到相應(yīng)的s 值服務(wù)請(qǐng)求大于滿足用戶服務(wù)需求的服務(wù)器，然后通過使用服務(wù)器輪詢的方法將s 值大于用戶的服務(wù)請(qǐng)求發(fā)送到這些請(qǐng)求的服務(wù)器上。

為了有效地應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)分布式軟件自動(dòng)定義的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中存在的擴(kuò)展和數(shù)據(jù)可靠性問題，需要采用自動(dòng)定義相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的分布式信息流量和數(shù)據(jù)采樣的計(jì)算方法[17]，自動(dòng)記錄網(wǎng)絡(luò)流量和數(shù)據(jù)量，以便通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器自動(dòng)查詢信息流量和數(shù)據(jù)采樣情況，為決策提供支撐。圖3所示為單個(gè)服務(wù)器實(shí)際負(fù)載統(tǒng)計(jì)方法。

（1）檢查新建的數(shù)據(jù)發(fā)送分組中的系統(tǒng)人員是否已經(jīng)成功發(fā)送數(shù)據(jù)包并到達(dá)各個(gè)交換機(jī)并同時(shí)檢查系統(tǒng)是否已經(jīng)處于自動(dòng)流量數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)操作的運(yùn)行模式下；

（2）如果符合任何計(jì)數(shù)器的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)路徑操作模式，則對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)路徑分組的對(duì)應(yīng)操作計(jì)數(shù)器進(jìn)行了更新，并將對(duì)應(yīng)操作數(shù)據(jù)分組路徑導(dǎo)向下一個(gè)更新的目標(biāo)數(shù)據(jù)路徑；

（3）如果不完全符合，則控制器查詢數(shù)據(jù)路徑是否完全符合被控制器采樣的數(shù)據(jù)流規(guī)則，如果與其中的某個(gè)數(shù)據(jù)流規(guī)則完全匹配，則將其數(shù)據(jù)路徑引導(dǎo)至控制器的下一個(gè)數(shù)據(jù)路徑并可同時(shí)將信息發(fā)至另一控制器，且會(huì)在現(xiàn)有數(shù)據(jù)路徑表中增加信息以便為控制器后續(xù)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行采樣。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

服務(wù)器的運(yùn)行和負(fù)載取決于性能指標(biāo)，測(cè)量一個(gè)服務(wù)器的負(fù)載和處理性能的一個(gè)特征性數(shù)值，用于測(cè)量和描述一個(gè)服務(wù)器的實(shí)際運(yùn)行和負(fù)荷。常見負(fù)載性能指標(biāo)包括cpu運(yùn)行和處理數(shù)據(jù)的能力，cpu內(nèi)存的利用率，cpu就位隊(duì)列的長(zhǎng)度，內(nèi)存，磁盤容量，網(wǎng)絡(luò)寬帶，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)等。

本文研究了一種系統(tǒng)資源占用率分析方法，同時(shí)與原版系統(tǒng)的負(fù)載指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，通過各種負(fù)載采樣率下的負(fù)載指標(biāo)關(guān)系來分析對(duì)比原版系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能和運(yùn)行效果。在24 h 內(nèi)對(duì)該操作系統(tǒng)在環(huán)境網(wǎng)絡(luò)總的運(yùn)行系統(tǒng)性能和運(yùn)行效果情況進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖4所示，負(fù)載均衡數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)技術(shù)大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理運(yùn)行效率和存儲(chǔ)能力[18-19]，降低了由于系統(tǒng)服務(wù)器高度的負(fù)載而致所導(dǎo)致的系統(tǒng)復(fù)雜性和導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)訪問速度進(jìn)一步大大減慢的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。

從圖4可知，在相同負(fù)載頻次情況下，負(fù)載均衡技術(shù)的系統(tǒng)占有率明顯低于原系統(tǒng)資源占有率；即使達(dá)到高頻次時(shí)，負(fù)載均衡技術(shù)的系統(tǒng)依然保持在30%左右的系統(tǒng)占有率，而原系統(tǒng)基本接近100%的滿負(fù)荷，這樣服務(wù)器整體運(yùn)行性能更加合理，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

從圖5、圖6可以看出，基于負(fù)載均衡技術(shù)的配電網(wǎng)系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)上行速度無論是在最低值還是最高值都明顯優(yōu)于原系統(tǒng)，且隨采樣率的提升，網(wǎng)絡(luò)上行環(huán)比速率同樣優(yōu)于原系統(tǒng)，服務(wù)器的運(yùn)行速率的提升，不僅能提升用戶的滿足感[20]。同時(shí)，可以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理運(yùn)行效率和存儲(chǔ)能力得到提升。

從圖7、圖8可以看出，基于負(fù)載均衡技術(shù)的配電網(wǎng)系統(tǒng)，其CPU 利用率無論是在最低值與最高值，都明顯優(yōu)于原系統(tǒng)，配電網(wǎng)系統(tǒng)CPU 利用率最小值降低至原系統(tǒng)的三分之一，而CPU 利用率最大值降低了20%，我們可以初步判斷出 CPU 利用率越低效率越高，系統(tǒng)壽命越長(zhǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

負(fù)載均衡技術(shù)是一種有效的網(wǎng)絡(luò)管理策略，它可以有效的建立在硬件和軟件之上，使其任務(wù)分擔(dān)到多個(gè)操作單元上進(jìn)行執(zhí)行，共同運(yùn)行或分?jǐn)傄恍┓敝氐臄?shù)據(jù)計(jì)算或網(wǎng)絡(luò)I/O 數(shù)據(jù)處理任務(wù)，從而能以合理的成本及時(shí)消除分支網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，拓展服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)帶寬和增加網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行速率，提高分支網(wǎng)絡(luò)的靈活性和安全性，真正實(shí)現(xiàn)用戶的實(shí)時(shí)需求，高效和無障礙化推進(jìn)，直觀的提升了用戶滿意度。

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