探討繼電保護大數據管理系統關鍵理論和技術

段淑萍 王曉麗

摘要：隨著互聯網行業的發展，產生了“大數據”的概念。“電力大數據”是對“大數據”概念的擴充。電力大數據時代隨之而來的是電力數據井噴式的增長，其數據量極其宏大、數據形式異常復雜，因此如何儲存紛繁復雜的數據以及從中提取有價值的信息變得至關重要。

關鍵詞：繼電保護;NoSQL;電力大數據;MongoDB

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）27-0207-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 緒論

1.1 課題背景及意義

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

繼電保護是電力系統中最重要的組成部分之一，承擔著切除故障和反映電力設備不正常運行狀態的任務，起著保護電力系統安全穩定運行的作用。隨著國家電力行業的迅猛發展，電網容量、電廠裝機容量逐年增加，電網運行方式日益復雜，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繼電保護發展現狀

電力系統繼電保護最開始的時候使用晶體管來保護電力系統，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、網絡化和一體化。

（1）計算機化

計算機化就是將計算機技術用到繼電保護中，計算機技術中的數據儲存和數據快速處理將繼電保護帶向一個新的高度。

（2）智能化

隨著智能電網的發展，利用傳感器對運行狀態進行實時監控獲取到數據后進行整合分析，利用相關結果對監控點進行實時遠程修正。

（3）網絡化

新的電力系統常態下，要求繼電保護數據進行共享進行云計算等操作，對繼電保護數據進行分析，也就是其正想網絡化發展。

（4） 一體化

所謂的一體化，就是將對繼電保護系統在各方位都同步化、一體化。

1.3電力大數據發展現狀

目前，電力行業正向能源互聯網轉型。電力大數據的來源主要是電力使用、電力生產和電力管理的各個細節，可以將其大致分為電網運行和設備檢測、電力企業銷售數據和電力企業管理數據。

1.4 NoSQL發展現狀

目前，NoSQL數據已經發展了足夠多的種類，可將其分為以下幾種。

（如表1所示）。

1.5課題研究主要內容

本研究主要工作是針對繼電保護大數據5V特性，采用MongoDB分布式儲存的特點，設計并實現基于MongoDB的繼電保護大數據管理系統。研究內容如下：

1）設計繼電保護大數據模型;

2）在Windows上運行的MongoDB中創建數據實體;

3）基于MVC模式、采用Java語言開發c/s模式的繼保大數據管理系統;

4）實現結構化、非結構化繼保大數據的管理與分析。

2 繼電保護大數據管理系統關鍵理論和技術

2.1 大數據

麥肯錫全球研究所對大數據給出如下定義：一種規模大到在獲取、存儲、管理、分析方面大大超出了傳統數據庫軟件工具能力范圍的數據集合，具有海量的數據規模、快速的數據流轉、多樣的數據類型和價值密度低四大特征。具體而言，大數據包括結構化數據、半結構化類型數據和非結構化數據。

2.2 數據模型

數據模型就是對數據進行抽象之后的結果，包括首先對數據以某種格式進行儲存在數據庫中，其次是對數據進行操作，如增加數據、刪除數據、修改數據和查詢數據等。最后就是數據庫中的每一個數據都要有特定的標示，保證其唯一性。

2.3 NoSQL相關知識

2.3.1基本概念及NoSQL系統架構

NoSQL不僅僅是傳統關系型數據庫的意思。在數據量和數據交互爆發增長時，NoSQL數據庫從根源上為儲存和計算大數據提供了可行的方案。

NoSQL架構在2010年被提出，人們將其歸納為數據持久層、分布層、邏輯模型層和接口層。

數據持久層：儲存機制是一個數據庫的核心之一，數據持久層中規定了NoSQL數據庫的儲存機制，其中包含了四個方面的內容，有數據庫是基于內存的、有基于硬盤的、有基于內存和硬盤相結合的以及定制可插拔的。

數據分布層：本層中將數據的分布結構包括CAP支持、多數據中心支持以及動態部署支持。

數據邏輯模型層：本層中涵蓋的是數據庫中數據的邏輯，也就是數據模型中的數據儲存結構，其中鍵值型以及文檔型都是常見的儲存結構，MongoDB數據Document型數據庫。

接口層：本層規定外界訪問數據庫時的各種方式。

2.3.2NoSQL基本理論知識

NoSQL數據庫理論包括CAP、BASE和最終一致性。

（1）CAP理論C表示一致性，也就是在數據被操作之后，如果有多個訪問同時指向該數據，那么得到的結構應該要一致。A表示可用性，它的含義是如果外界有對數據庫進行訪問的操作，那么數據庫要保證隨時有響應。P表示分區容忍性，其內涵為如果網絡節點中其中一點或多個點出現了故障，那么服務器也應該繼續工作。

（2）BASE理論

BASE理論包含三個層面的內容：其一，基本可用性;其二，軟狀態（表示在規定時間內運行服務器不同步）;其三，最終一致性（表示數據只要滿足在最后獲取到數據是一致的，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據，可以將其一分為二，即強一致性和弱一致性。強一致性就是在數據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果。

2.3.3 儲存模型

數據庫的儲存模型決定了數據庫的性能，NoSQL數據庫摒棄了傳統關系型數據庫中固定的關系型儲存模型，在面對不同的數據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數據庫

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數據庫中，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據交互的數值類型。另外，MongoDB中的文件儲存機制中采用GridFS機制，當文件大于16M時，數據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，前者包含文件內容后者包含文件儲存信息。對于繼電保護大數據來說，其中包含的大量音頻、圖片和視頻文件非常適合使用MongoDB數據來進行儲存和處理。

3 結束語

本文主要講述了NoSQL數據庫的基本框架和基礎理論，并將NoSQL數據庫與傳統的關系型數據進行了對比，最后分析了MongoDB數據庫的儲存機制說明MongoDB數據庫滿足本設計。

參考文獻：

[1]彭小圣，鄧迪元，程時杰，等.面向智能電網應用的電力大數據關鍵技術[J].中國電機工程學院，2015（3）：1-3.

[2]楊海源，面向大數據的電力通信平臺設計與實現[D].吉林：吉林大學，2014.

【通聯編輯：梁書】

作者簡介：段淑萍（1979-），女，甘肅靖遠人，大學本科學歷，講師，單位：甘肅機電職業技術學院，主要研究的方向：計算機技術應用;王曉麗（1978-），女，甘肅會寧人，單位：甘肅機電職業技術學院，大學本科學歷，副教授，主要研究的方向：電氣自動化技術。