Memcached 在電能質量實時數據傳輸中的應用研究

胡世昊，連志鵬

（國網江西省電力公司九江供電分公司，江西九江 332000）

0 引言

隨著各行業對電能質量的重視程度越來越高和電能質量監測系統逐步普及，電能質量監測技術已經逐步向網絡化、信息化、標準化方面發展，國內外電能質量監測系統發展十分迅速，在美國，電力士和美國電科院共同開發了PQView系統；新加坡也建立了十分成熟全國性的電能質量監測系統；在國內，江蘇、廣東、云南、河南等地也建立了多個監測點的電能質量監測系統，隨著不同廠家設備不斷加入，各種地市小監測系統、專題電能質量分析系統、省級主站系統都紛紛建立，實時數據的共享和傳輸出現瓶頸。例如讓PMIS、GIS可視化系統快速獲取電能質量實時數據或者不同電能質量廠家互相讀取實時數據，面對快速更新和波形數據時響應速度是最大問題，目前很難達到同一地區所有電能質量分析平臺的實時數據快速傳輸共享的要求。國內解決此類問題的主要方法是制定區域范圍內的標準來規范系統，利用基于WebService的服務來完成，對于早期已經安裝的系統重新執行新的規范，升級系統需要大量的資金和人力物力，而且重新開發新的規約需要很長時間的規范和調試，對于非電能質量系統需要讀取電能質量系統數據的時候，制定的標準往往又很難滿足響應時間和內容要求。本文提出了描述采用Memcached高性能的分布式的內存對象緩存系統，將電能質量常規的實時數據通過Memecached 進行內存映射和，快速的實現不同系統間的數據共享。

1 Memcached的電能質量系統應用

1.1 Memcached介紹

Memcached 是一個高性能的分布式內存對象緩存系統，用于動態Web 應用和快速交換的實時數據以減輕數據庫負載。它通過在內存中緩存數據和對象來減少讀取數據庫的次數，從而提供動態、數據庫驅動系統的速度。Memcached基于一個存儲鍵/值對的hashmap。并通過memcached 協議與守護進程通信。為了提高性能，memcached中保存的數據都存儲在memcached 內置的內存存儲空間中。由于數據僅存在于內存中，因此重啟memcached、重啟操作系統會導致全部數據消失。另外，內容容量達到指定值之后，就基于LRU(Least Recently Used)算法自動刪除不使用的緩存。memcached 本身是為緩存而設計的服務器，因此并沒有過多考慮數據的永久性問題。

1.2 Memcached接口與協議

memcached 是一套分布式的快取系統，memcached API 使用三十二位元的循環冗余校驗（CRC-32）計算鍵值后，將資料分散在不同的機器上。當表格滿了以后，接下來新增的資料會以LRU機制替換掉。由于memcached 通常只是當作快取系統使用，一般只用來接口快速變化的實時數據接口，memcached通信是基于文本行簡單協議，在電能質量系統間通信時，可以使用web 調用、telnet 迅速讀取數據。

1.3 Memcached的應用現狀分析

許多分布式系統應用都將數據保存到RDBMS中，應用服務器從中讀取數據并在瀏覽器中顯示。但隨著數據量的增大、訪問的集中，就會出現RDBMS的負擔加重、數據庫響應惡化、系統顯示延遲等重大影響。memcached一般的使用目的是，通過緩存數據庫查詢結果，減少數據庫訪問次數，以提高動態應用的速度、提高可擴展性。Memcached 目前已經廣泛應用于具有國外mixi、hatena、Facebook、Vox等大型web系統中。隨著Web和WebService服務等在電力系統中的廣泛應用，系統間通訊、實時數據的快速交換無法避免。例如，電能質量監測系統中，當幾百個監測點的三相電壓、電流、諧波、功率、10周波實時波形等數據在系統間實現每3 s 實時交換，數據量十分龐大，勢必引起通訊前置機、系統服務器的延遲，造成實時數據滯后。利用memcached 如何解決電能質量系統間大數據量實時交換問題是本文研究的主要內容。

2 基于Memcached的數據快速傳輸交換

2.1 包含Memcached緩存系統的電能質量系統架構

如圖1，采用memcache 映射固定的內存空間存儲實時數據，并且按照固定周期如3 s 進行快速更新，不同廠家可以快速獲取各自的時時數據。

圖1 基于memcache電能質量系統架構

如圖2，相對于各個廠家而言，自身系統既是客戶端也是服務器端，自身利用分布式算法映射自身系統的數據，滿足其它系統進行數據共享的要求。同時具有客戶端，具備讀取其它系統數據的功能。從而滿足不同廠家、不同應用程序能快速交換和共享實時數據的要求。

圖2 各廠家系統memcached的應用

2.2 Memcached與電能質量部分數據的映射

memcached采取的內存映射來存儲,在實際過程中與平臺和開發語言無關,所有數據只需要知道鍵值和在內存大小即可。表1列舉了部分電能質量數據的的信息，不同平臺可以通過操作鍵值來快速交換數據。

表1 部分常規穩態數據定義

2.3 Memcached在電能質量系統的綜合應用

memcached 采取的內存映射來存儲,在實際使用過程中與平臺和開發語言無關,所有數據我們只需要知道鍵值和在映射內存占位大小即可,同時，所有電能質量數據在計算機系統中都不可能用整數來完整描述，必須用浮點數或浮點數序列來描述，如表1 中舉例，A 相電壓有效值，任何平臺和開發語言直接讀取32 位內存可以直接轉換為實際的浮點數據。

如圖3 體系結構相當容易理解。建立了一個Web 層，例如假設其中包括一些Apache 實例。下一層是應用程序本身。這一層通常運行于Apache Tomcat 或其他開源應用服務器之上。再下面一層是配置memcached 實例的地方，即應用服務器與數據庫服務器之間。在使用這種配置時，需要采用稍微不同的方式來執行數據庫的讀取和寫入操作。

圖3 基于memcache應用程序體系架構

2.4 Memcached的常規操作

2.4.1 讀操作

執行讀取操作的順序是從服務交互層如WEB層獲取請求（需要執行一次數據庫查詢）并檢查之前在緩存中存儲的查詢結果。如果我找到所需的值，則返回它。如果未找到，則執行查詢并將結果存儲在緩存中，然后再將結果返回給服務交互層。

2.4.2 寫操作

將數據寫入到數據庫中時，首先需要執行數據庫寫入操作，然后將之前緩存的任何受此寫入操作影響的結果設定為無效。此過程有助于防止緩存和數據庫之間出現數據不一致性。

2.4.3 安裝操作

Memcached相對而言安裝非常簡單，源文件也非常小比如我們獲取版本為1.4.1 的版本文件，將其放入應用程序目錄下，在代碼中嵌入如下命令即可：

2.4.4 連接操作

上文已經簡單描述過，所有不同系統既是客戶端也是服務器端，不同系統之間都可以簡單的通過telnet命令連接后，即可進行其他所有操作。

2.4.5 啟動操作

會以守護程序的形式啟動memcached，為其分配2GB 內存，并指定監聽localhost，即端口11211(默認)，實際操作過程中可以根據需要修改這些值。

2.4.6 常見命令

set 命令用于向緩存添加新的鍵值對。如果鍵已經存在，則之前的值將被替換。

add 命令僅當緩存中不存在鍵時，add 命令才會向緩存中添加一個鍵值對。

replace命令僅當鍵已經存在時，replace 命令才會替換緩存中的鍵。

get 命令用于檢索與之前添加的鍵值對相關的值。您將使用get 執行大多數檢索操作。

delete 命令是delete。delete 命令用于刪除memcached 中的任何現有值。

2.5 電能質量Memcached的操作實例介紹

在某廠家系統中使用了memcached,現在需要將A相電壓實時數據通過memcached共享其它系統：

如果使用set 命令正確設定了鍵值對，服務器將使用單詞STORED 進行響應。示例向緩存中添加了一個鍵值對，其鍵為RMSVoltagePhaseA，如表1中描述，為A 相電壓有效值，其值為5 948 V。并將過期時間設置為0，這將向memcached 通知希望將此值存儲在緩存中直到刪除它為止。

其它廠家系統需要讀取此數據時，只需要連接memcached，通過命令get RMSVoltagePhaseA,若此值存在，不同開發平臺將會返回不同約定的32位內存值，如本例中的5.948 kV電壓有效值。

3 結語

電能質量實時數據的瀏覽和共享在實際應用比較普遍，本文研究分布式緩存系統memcached 對實時數據快速共享和傳輸的作用,通過對比傳統的WebService 服務等,memcached 具有響應速度快、減輕服務器負載、內存直接共享等優點，在電能質量監測系統中結合memcacahed 與通訊規約、數據庫、操作系統、網絡通訊的聯系進行了深入研究并給出操作方案介紹，可直接應用于系統的開發和擴展中。

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