基于負載均衡聚合技術(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)的運行中，為及時便捷的追溯配電網(wǎng)的運行狀態(tài)，必須對設(shè)備的工作電流、電壓、開關(guān)動作和設(shè)備故障指示器等狀態(tài)參數(shù)信息進行實時存儲與挖掘分析。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化系統(tǒng)的接入，配電網(wǎng)運行的數(shù)據(jù)規(guī)模倍增。傳統(tǒng)關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫在海量關(guān)系型數(shù)據(jù)的采集存儲、分析處理、數(shù)據(jù)安全等方面存在不足，采用負載均衡數(shù)據(jù)庫技術(shù)能夠優(yōu)化配電網(wǎng)的管理和分配，消除電網(wǎng)的內(nèi)部負載不平衡，提高系統(tǒng)異常反應的速率和系統(tǒng)總體的性能，同時提升系統(tǒng)運行可靠性。利用負載均衡數(shù)據(jù)技術(shù)，可根據(jù)業(yè)務量靈活分配電網(wǎng)資源，使得系統(tǒng)管理和擴展的能力也得到了提高，實現(xiàn)配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)精益化管理目標。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)運行；負載均衡；聚合技術(shù)；智能化提升

中圖分類號：TM761+.2文獻標志碼：A文章編號：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)資源實現(xiàn)多項任何的并行處理，提升資源利用效率[1]。傳統(tǒng)分布式負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，按照先來先分配的方式處理，保證現(xiàn)有的資源、設(shè)備不會被占用或者閑置，提升了任務并行處理的靈活性和效率[2-4]。但是隨著分布式任務在量級上的增加以及分布式設(shè)備和資源系統(tǒng)復雜性的增加，傳統(tǒng)資源分配和處理方式會導致大量的任務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。因此必須緊跟配電網(wǎng)發(fā)展步伐，不斷優(yōu)化負載均衡算法。

1 負載均衡聚合技術(shù)

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

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

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

更高網(wǎng)絡(luò)層的負載均衡可應用到網(wǎng)絡(luò)的第四或七層，第四層負載均衡定義是將一個服務器在網(wǎng)絡(luò)上合法注冊為內(nèi)部IP，隨之可映射出多個內(nèi)部IP 地址，在每一次請求HTTP 網(wǎng)絡(luò)連接時，都會被動態(tài)地分配給一個內(nèi)部IP地址[8]，利用負載均衡技術(shù)就能實現(xiàn)控制高層的目的。第七層負載均衡是直接控制應用層網(wǎng)絡(luò)服務的流量和內(nèi)容，它適合應用于http 網(wǎng)絡(luò)服務器群，它會自動地檢測經(jīng)過服務器的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，來判斷是否要進行一個應用層的負荷平衡。它的優(yōu)勢是更為靈活和智能[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，直接減少某一線路的流量負荷，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 負載均衡技術(shù)在配電網(wǎng)系統(tǒng)中的應用和數(shù)據(jù)分析

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

2.1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)與新架構(gòu)的對比

負載均衡處理技術(shù)和先進的負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)運行性能，做到合理的分配[13]，能有效的縮短服務請求響應的時間，同時提高系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)整體運行性能。圖1所示為傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)圖。

負載均衡系統(tǒng)與原服務器系統(tǒng)的相比，其設(shè)計架構(gòu)的理念是將進出口鏈路的負載均衡系統(tǒng)設(shè)備完全替代傳統(tǒng)的路由器[14]，先進設(shè)備替代路由器傳統(tǒng)的設(shè)備。圖2所示為引入負載均衡器的運行系統(tǒng)，全新的設(shè)計結(jié)構(gòu)是將傳統(tǒng)的進出口鏈路系統(tǒng)資源利用起來，降低系統(tǒng)運行的資源需求和資源占有率[15]。引入負載均衡系統(tǒng)技術(shù)能夠?qū)⒏哓撦d的服務器實時數(shù)據(jù)庫服務資源分擔到一個原服務器系統(tǒng)集群的多個節(jié)點進行處理，且系統(tǒng)的占用率一直能夠保持在一個穩(wěn)定的占有率范圍內(nèi)。

2.2負載均衡技術(shù)的應用和數(shù)據(jù)分析

2.2.1 實驗說明

本文采用的負載統(tǒng)計算法主要是每0.1 s 對每個負載的集群計算一次相應負載數(shù)據(jù)l、c和p值，并將其中一個定義為s=lcp的服務優(yōu)先級統(tǒng)計結(jié)果存儲在對應的服務優(yōu)先級數(shù)據(jù)庫中。當一個用戶向服務器發(fā)送請求時，此用戶服務需求同時提供了進入服務器負載優(yōu)先級統(tǒng)計的計算能力路徑，并與用戶服務請求和優(yōu)先級集群數(shù)據(jù)庫目錄中的所有服務s 值請求進行比對[16]，找到相應的s 值服務請求大于滿足用戶服務需求的服務器，然后通過使用服務器輪詢的方法將s 值大于用戶的服務請求發(fā)送到這些請求的服務器上。

為了有效地應對網(wǎng)絡(luò)分布式軟件自動定義的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)應用中存在的擴展和數(shù)據(jù)可靠性問題，需要采用自動定義相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的分布式信息流量和數(shù)據(jù)采樣的計算方法[17]，自動記錄網(wǎng)絡(luò)流量和數(shù)據(jù)量，以便通過網(wǎng)絡(luò)服務器自動查詢信息流量和數(shù)據(jù)采樣情況，為決策提供支撐。圖3所示為單個服務器實際負載統(tǒng)計方法。

（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)包并到達各個交換機并同時檢查系統(tǒng)是否已經(jīng)處于自動流量數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)操作的運行模式下；

（2）如果符合任何計數(shù)器的對應數(shù)據(jù)路徑操作模式，則對目標數(shù)據(jù)路徑分組的對應操作計數(shù)器進行了更新，并將對應操作數(shù)據(jù)分組路徑導向下一個更新的目標數(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，如果與其中的某個數(shù)據(jù)流規(guī)則完全匹配，則將其數(shù)據(jù)路徑引導至控制器的下一個數(shù)據(jù)路徑并可同時將信息發(fā)至另一控制器，且會在現(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)流進行采樣。

2.2.2 實驗結(jié)果與分析

服務器的運行和負載取決于性能指標，測量一個服務器的負載和處理性能的一個特征性數(shù)值，用于測量和描述一個服務器的實際運行和負荷。常見負載性能指標包括cpu運行和處理數(shù)據(jù)的能力，cpu內(nèi)存的利用率，cpu就位隊列的長度，內(nèi)存，磁盤容量，網(wǎng)絡(luò)寬帶，當前網(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，同時與原版系統(tǒng)的負載指標進行對比，通過各種負載采樣率下的負載指標關(guān)系來分析對比原版系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能和運行效果。在24 h 內(nèi)對該操作系統(tǒng)在環(huán)境網(wǎng)絡(luò)總的運行系統(tǒng)性能和運行效果情況進行了分析統(tǒng)計。數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖4所示，負載均衡數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)技術(shù)大大提高了系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)處理運行效率和存儲能力[18-19]，降低了由于系統(tǒng)服務器高度的負載而致所導致的系統(tǒng)復雜性和導致系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)實時訪問速度進一步大大減慢的相關(guān)技術(shù)應用風險。

從圖4可知，在相同負載頻次情況下，負載均衡技術(shù)的系統(tǒng)占有率明顯低于原系統(tǒng)資源占有率；即使達到高頻次時，負載均衡技術(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%的滿負荷，這樣服務器整體運行性能更加合理，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)，服務器的運行速率的提升，不僅能提升用戶的滿足感[20]。同時，可以保證系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)處理運行效率和存儲能力得到提升。

從圖7、圖8可以看出，基于負載均衡技術(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。

3 結(jié)語

負載均衡技術(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，使其任務分擔到多個操作單元上進行執(zhí)行，共同運行或分攤一些繁重的數(shù)據(jù)計算或網(wǎng)絡(luò)I/O 數(shù)據(jù)處理任務，從而能以合理的成本及時消除分支網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，拓展服務器的網(wǎng)絡(luò)帶寬和增加網(wǎng)絡(luò)的運行速率，提高分支網(wǎng)絡(luò)的靈活性和安全性，真正實現(xiàn)用戶的實時需求，高效和無障礙化推進，直觀的提升了用戶滿意度。

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