集群内存数据库系统助力Smarter Grid主动电网管理技术满足性能和可靠性挑战

奥克尼群岛位于苏格兰北部地区沿海和大西洋的交汇处，由于位置得天独厚，因此它在风力、波浪和潮汐发电方面潜力巨大。但在十多年前，这里的能源企业家经常会遇到一种障碍：电网的电缆、变压器和其他物理基础设施只能处理递增的新能源生产。地方政府、国家政府以及当地的苏格兰和南方能源公司（Scottish & Southern Energy Power Distribution，SSEPD）都非常看好可再生资源。但是，据估计要让奥克尼群岛成为能源输出地所需的升级成本大约为3,000万英镑，他们能证明升级成本的合理性吗？

现在，奥克尼群岛已经满足了新能源生产的需要，向满负荷运转的电网增加了将近20兆瓦，而没有不问究竟地实施之前认为需要（而且异常昂贵）的基础设施升级。实现了能源生产增长的奥克尼智能电网项目作为主动电网管理（ANM）的早期优秀范例展示，ANM的技术前提是引入新一层高度精确的电网管理来帮助电力公司应对电网约束、整合更多分散的能源并且用一种比构建新电网基础设施更经济、快速且可持续的方式响应日益增加的电力需求。

奥克尼群岛项目是SSEPD、斯特莱斯克莱德大学能源与环境学院和Smarter Grid Solutions（SGS）三方通力合作的结果，其中SGS是一家智能电网技术公司，由斯特莱斯克莱德大学在多年前创立，致力于对这所大学开发的ANM概念进行商业化。在理念和人员两个方面，SGS都与斯特莱斯克莱德大学及其能源学院保持密切联系： 该公司的联合创始人兼技术总监Bob Currie写的博士论文是奥克尼群岛项目的基础。该公司的另一位联合创始人Graham Ault，现任公司开发总监，同时还是该大学电力系统的教授。

利用ANM技术，SGS的目标是为电网实现一定程度的自动监督、控制以及基于数据的决策制定，在航空航天和国防等其他高度复杂的系统中这些已经非常常见。电网技术的发展通常落后于这些领域，业界关注的焦点已经从通用的即用型系统组件（例如用于跨多个行业使用的自动化控制器）转移到专门为满足电网挑战而创建的技术基础设施。为此，该公司引入了一系列应用程序来处理ANM任务，包括调节发电机、负载或存储设备生产或消耗的电量；根据运营目标（例如增加可再生资源的使用）调度并协调电力供需；监控实时气象数据来确定架空导线的承载能力；以及通过减少错误并且在无法进行物理测量时估计电参数来改善电网的可见性。

复杂的平台技术是这些应用程序的基础，该平台运行在商用服务器硬件上，执行多种关键任务，包括通信、连接并控制现场设备以及提供公共数据库来加快应用程序和平台的工作。ANM是一项数据密集型技术，而且在将这个概念扩展到更大规模的电网时数据的密集程度更高，包括规模更大、更复杂的数据源池，例如电压和电流变压器、设备控制器和外部系统等。

这种数据管理本身是实时的。数据库中的值代表电网和受控设备的关键约束位置。数据可能会频繁变动，因此必须在严格的时间限制内更新并监控数据，达到更高水平的容错，以便确定使电网保持在运行限制范围内所需的控制操作。

SGS的ANM早期实施方案依赖于构建在商用自动化控制器软件中的数据管理但是，在其新一代产品中，该公司决定要通过从精通数据库管理系统（DBMS）的厂商获得许可代码来得到更出色的性能、灵活性和互操作性。尤其是可以提供在关键业务、实时系统专业知识的提供商。

在评估了近十款数据库产品之后，SGS最终选择了美国McObject公司开发的eXtremeDB Cluster技术。McObject成立于十多年前，是内存数据库系统（IMDS）方面的专家，通过在主内存中管理记录，可以消除持续性存储（基于磁盘或闪存）固有的性能延迟。此外，在其IMDS 技术中，McObject还可以为特定记录类型指定持续性存储。

在仔细研究eXtremeDB Cluster，并且考虑到该厂商的优异表现和良好声誉后，SGS选择了这项技术：McObject率先在嵌入式系统中使用IMDS；在商用应用程序中部署了数百万个eXtremeDB软件实例，遍布于消费电子、关键任务型喷气式战斗机的航空电子系统、工业控制系统以及电信和网络设备等领域。此外，它的现有客户中也包括很多发电和配电领域的企业。

eXtremeDB Cluster版本是一款分布式数据库系统，它可以在多个硬件节点管理数据库，支持两台或者更多台服务器共享工作负载（参见图1）。在eXtremeDB Cluster部署中，任何节点上的任何进程都可以更新本地数据库，这款集群软件能够将所做的变化复制到其他节点。采用这项技术后，SGS可以获得下列所需的特点和功能：

• 增强的性能：- eXtremeDB Cluster利用核心IMDS设计来提供最高速度。通过将记录存储在主内存中，IMDS消除了传统磁盘DBMS的磁盘和文件IO、缓存管理和其他功能等开销。此外，更高的响应速度和可预测性还源自进程内架构： 该数据库系统能够完全嵌入在应用程序进程中，消除了客户端和服务器模块之间的进程间通信（IPC）延迟。

• 容错能力：SGS必须满足电网运营商严格的容错要求。即使某个节点出现故障，将数据库系统分散在多台主机上也可以确保连续的可用性。此外，它还支持与非集群版完全相同的ACID（原子性、一致性、独立性和持久性）数据库事务，对于要求很高的分布式数据完整性的应用程序来说，它非常具有吸引力。它采用的“无共享（shared-nothing）”架构可以消除对共享SAN或其他存储资源的依赖。

• 可扩展性：该ANM技术必须支持从小规模到大规模部署的扩展，以满足不同规模电力客户的需要。集群数据库技术的一项魅力在于能够通过添加低成本（即商用）服务器来实现经济的横向扩展，而无需通过迁移到更强大的服务器平台来实现纵向扩展。

• 互操作性：为了满足不同运行环境SGS客户的需要，该数据库系统（最低）可以运行在Windows Server、Linux和Solaris上。eXtremeDB Cluster不仅满足了这种需要，它还提供了多种API，包括C/C++ API和SGS使用的Java本机接口（JNI）。JNI技术尤其被视为一种资产，因为它支持通过广泛使用的Java语言来访问核心数据库功能，同时该数据库软件本身采用已编译的C/C++执行，通常可以提供更高的性能。此外，由于允许开发人员在访问eXtremeDB的同时，全面支持与简单的Java对象（POJO）配合使用，也可以简化编码。SGS还可以利用实时Java保留其智能电网算法的确定性。

这种ANM方法使用四个同步的数据库节点：一个主数据库和一个备用数据库用于支持SGS核心，该平台组件托管实时智能应用程序，代表关键约束位置和设备，并且确定所需的控制操作；一个主数据库和一个备用数据库用于支持SGS通信中枢，该平台软件负责从外部电网管理系统和受控设备获取并管理数据。该平台及其四个节点可以在区域控制中心和当地变电站等多个位置自动运行。

SGS的Neil McNeill表示：“eXtremeDB Cluster是服务器平台的核心。该数据库系统实时提供所有网络元素的单一表示，并且对这些元素进行控制。”

McNeil指出，它的作用和监控与数据采集（SCADA）系统中的主记录非常相似，这在发电和配电行业极为常见，不同之处在于SCADA主要由运营商进行观测和控制，而ANM可以自动运行，对整个网络及其组件实现高度的控制。由于可以满足严格的时间约束并且支持自动运行，McNeil表示ANM技术和SCADA的差异正在逐渐扩大，而更接近于实时保护、自动化和控制（PAC）系统，如图2所示。

与PAC相似，ANM能够对电网中的事件和情况进行同步响应，而SCADA系统只能实现异步响应，McNeill补充说。整个ANM系统响应要求的时间阈值（包括数据库处理）约为800毫秒。然而，SGS测试的采用eXtremeDB Cluster的系统成功地将这一指标降低到20毫秒。

McNeill表示：“这真是太棒了，我们对这样出色的性能感到非常满意。”