王  軍1，韓林峰1，侯  賓2

　　（1.河南許繼儀表有限公司, 河南 許昌 461000；2. 北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院, 北京  100876)

　　摘  要： 電力系統(tǒng)的用采數(shù)據(jù)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量龐大和增量迅速等典型大數(shù)據(jù)特點，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫將無法應(yīng)對其未來發(fā)展。基于Hadoop和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫混合構(gòu)架，提出新型用采數(shù)據(jù)服務(wù)架構(gòu)。對平臺的高可用性、系統(tǒng)監(jiān)控、IaaS部署等進行分析，提升了系統(tǒng) 的可靠性，降低了運維難度。提出了可擴展的數(shù)據(jù)預(yù)處理過程和數(shù)據(jù)質(zhì)量管理模型，保障了數(shù)據(jù)服務(wù)質(zhì)量，提高了系統(tǒng)的易用性。測試結(jié)果表明，服務(wù)架構(gòu)能夠提供高性能、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)服務(wù)。

　　關(guān)鍵詞： 電力用采數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)服務(wù)；Hadoop；數(shù)據(jù)質(zhì)量管理

0 引言

　　隨著電力系統(tǒng)逐步走向自動化和智能化，傳統(tǒng)的用電數(shù)據(jù)采集也由人工抄表轉(zhuǎn)變?yōu)檫h程自動抄表。目前，我國智能電表數(shù)量已超過三億塊，用戶用電信息采集頻率更加頻繁，且電表和主站之間的數(shù)據(jù)通信是雙向互動的，即包括信息采集也包括任務(wù)下發(fā)與控制等，這對用電信息的采集、存儲、查詢、分析等全生命周期的數(shù)據(jù)處理能力提出了更高的要求，交互數(shù)據(jù)可以輕易達到TB甚至PB等級，省級電力公司的用采增量數(shù)據(jù)也可達到上百GB或TB等級[1，2]。

1 電力用采數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀

　　很多省市電力公司已構(gòu)建起了相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，并大多采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建數(shù)據(jù)平臺。但由于其對橫向擴展能力較差，無法有效支持數(shù)據(jù)的快速增長和類型擴展，難以對大量復(fù)雜數(shù)據(jù)進行有效管理和應(yīng)用分析[9]。

　　隨著Hadoop和NoSQL等分布式技術(shù)的發(fā)展，對TB甚至PB等級的數(shù)據(jù)進行實時查詢、統(tǒng)計和深度挖掘成為可能[3～5]。有文獻對Hadoop技術(shù)在電力相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用進行了研究和測試，但是企業(yè)界真正形成的實用系統(tǒng)還較少。其原因主要如下：

　　首先，存在開發(fā)難度。Hadoop體系的適用場景、設(shè)計理念和傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫有很大差異，且對通常的編程接口和方法的支持還不夠完善。如果大范圍用Hadoop代替現(xiàn)有的成熟關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，會帶來適用性、穩(wěn)定性和適配等難題。

　　其次，存在運維難度。分布式的Hadoop系統(tǒng)的部署、監(jiān)控和運維方式和單機的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫差異較大，存在更多的高可用性、監(jiān)控等需求，而傳統(tǒng)電力業(yè)務(wù)人員和運維人員對這些方法并不熟悉[6]。

　　根據(jù)當前電力企業(yè)在用采數(shù)據(jù)系統(tǒng)建設(shè)的突出矛盾和發(fā)展趨勢，提出基于Hadoop和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫混合技術(shù)，構(gòu)建用采數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺[7]。屏蔽底層技術(shù)的復(fù)雜性，提供平臺的高可用性保障和運維監(jiān)控方法，提供統(tǒng)一的、可擴展的數(shù)據(jù)清洗和預(yù)處理方法[8]，提供易用的數(shù)據(jù)查詢和分析接口，并提供數(shù)據(jù)質(zhì)量管理和統(tǒng)計分析等新業(yè)務(wù)內(nèi)容，以及提供數(shù)據(jù)的高可用性、維護監(jiān)控、預(yù)處理、使用接口和數(shù)據(jù)質(zhì)量管理內(nèi)容。

2 混合數(shù)據(jù)服務(wù)平臺設(shè)計

　　2.1 平臺架構(gòu)設(shè)計

　　基于云計算的海量用電信息混合存儲技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

　　采用HDFS與關(guān)系數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的混合存儲，關(guān)系數(shù)據(jù)庫主要存儲修改操作較為頻繁的業(yè)務(wù)交易數(shù)據(jù)，以及檔案數(shù)據(jù)和告警事件等；云存儲架構(gòu)主要存儲采集的電量、負荷等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，當現(xiàn)有集群規(guī)模無法滿足用電信息的增量存儲時，可直接增加節(jié)點，實現(xiàn)動態(tài)橫向擴展，以保障海量采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，為其他智能用電應(yīng)用系統(tǒng)提供良好的數(shù)據(jù)支撐。

　　終端采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗、解析和分類，轉(zhuǎn)化成基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、存入HDFS。大數(shù)據(jù)管理引擎負責(zé)對海量數(shù)據(jù)的裝載、寫入、查詢及處理等。采集終端上傳的數(shù)據(jù)實質(zhì)是半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，并且是多種業(yè)務(wù)內(nèi)容的混合數(shù)據(jù)，利用MapReduce的并行處理能力，快速、可靠、穩(wěn)定地完成半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)檔案數(shù)據(jù)的語義關(guān)聯(lián)，從而為用電信息采集業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供完業(yè)務(wù)分類。

　　在數(shù)據(jù)處理流程上，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過分類、處理和分析之后，根據(jù)其特點，小數(shù)據(jù)集導(dǎo)入到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，大數(shù)據(jù)集導(dǎo)入HBASE表格，在業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)方面，只需要重構(gòu)少量數(shù)據(jù)接口和業(yè)務(wù)模塊，即可完成系統(tǒng)整體性能的提升。對于檔案類、模型類等數(shù)據(jù)，仍然存放在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，并可以通過Web Service、JDBC、ODBC、SQL等常見技術(shù)進行訪問和調(diào)用，原有的業(yè)務(wù)系統(tǒng)不會遭到徹底的推翻和重構(gòu)，在提高系統(tǒng)性能的同時，最大限度地避免了升級的風(fēng)險。

　　Hadoop存儲和關(guān)系型存儲之間存在數(shù)據(jù)交換需求。Hadoop需要從關(guān)系型數(shù)據(jù)庫讀入檔案類數(shù)據(jù)（例如用戶信息），其次Hadoop對原始數(shù)據(jù)的處理結(jié)論，會導(dǎo)入到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，以方便業(yè)務(wù)使用。采用開源Sqoop組件，通過MapReduce方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出，在數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出過程中需要保障數(shù)據(jù)的主鍵唯一性，并切斷關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的外鍵聯(lián)系，以適應(yīng)兩種不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　對于需要進行業(yè)務(wù)查詢的大數(shù)據(jù)集（單表上億條目），需要將數(shù)據(jù)集導(dǎo)入的HBASE，利用其分布式檢索能力，實現(xiàn)超大數(shù)據(jù)集的實時查詢。Hadoop可以通過批量導(dǎo)入的方法將數(shù)據(jù)寫入HBASE，寫入時需要對數(shù)據(jù)主鍵進行校驗和優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)用采數(shù)據(jù)的特點，采用哈希后的“表計編號+時間+數(shù)據(jù)類型”作為數(shù)據(jù)表主鍵，即可以保持數(shù)據(jù)的唯一性，也可確保數(shù)據(jù)的隨機查找速度。

　　2.2 平臺高可用性設(shè)計

　　Hadoop本身具備機架感知、數(shù)據(jù)塊多副本等子節(jié)點高可用性（HA）機制，但對于主節(jié)點的保障機制較差。較早前Hadoop并不提供Namenode的高可用性保障，只是提供了對元數(shù)據(jù)（持久化元數(shù)據(jù)fsimage和增量log數(shù)據(jù)）的數(shù)據(jù)備份機制，如SecondNamenode等。

　　新版本Hadoop支持對Namenode進行在線備份和自動角色恢復(fù)。其主要思路是把主節(jié)點元數(shù)據(jù)信息存儲在一個網(wǎng)絡(luò)存儲位置，當出現(xiàn)活躍主節(jié)點（Active Namenode）單點故障的時候，備用主節(jié)點（Standby Namenode）會接管數(shù)據(jù)并提升自己為活躍主節(jié)點。

　　在集群元數(shù)據(jù)的存儲策略上，有兩種策略可選，一是采用獨立的網(wǎng)絡(luò)存儲單元，二是采用分布式程序協(xié)調(diào)系統(tǒng)Zookeeper作為元數(shù)據(jù)存儲和活躍節(jié)點監(jiān)控和失效選舉。Zookeeper具有分布式數(shù)據(jù)組織、心跳監(jiān)控、數(shù)據(jù)同步、選舉等功能，很適合用來管理Hadoop結(jié)構(gòu)中各類主節(jié)點（HDFS Namenode、HBASE Hmaster、Yarn Resource Manager等）的HA。根據(jù)用采系統(tǒng)的集群建設(shè)規(guī)模與實際情況，設(shè)計如圖2所示。

　　實際部署中，集群中的部分Datanode子節(jié)點同時擔(dān)負Zookeeper節(jié)點的功能，由于Zookeeper的選舉機制具有“半數(shù)以上通過”的策略，因此一般采用單數(shù)個節(jié)點數(shù)，此外節(jié)點過多可能造成較大的通信開銷，因此這里采用5或7個節(jié)點(zk節(jié)點)。

3 可配置的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)服務(wù)流程設(shè)計

　　3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理流程

　　在數(shù)據(jù)預(yù)處理方面，由于電力標記和數(shù)據(jù)具有多種類型，例如對階梯電價的支持，或者對不同的功率數(shù)據(jù)進行采集等，未來還可能出現(xiàn)更多類型的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)形態(tài)，要求數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理和清洗流程是可配置的、動態(tài)的。

　　在預(yù)處理層面，通常只是實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分類存儲和規(guī)約化校驗，不會進行復(fù)雜的統(tǒng)計分析，因此預(yù)處理階段設(shè)計為利用一個MapReduce過程加以完成。為實現(xiàn)可配置、可擴展的數(shù)據(jù)預(yù)處理，設(shè)計MapReduce的主要流程如圖3所示.

　　流程圖描述是一個Map函數(shù)或Reduce 函數(shù)的內(nèi)部執(zhí)行過程。數(shù)據(jù)鍵值對（Key，Value）在進入Map或Reduce過程時，首先進行通用化的預(yù)處理，之后根據(jù)數(shù)據(jù)種類，讀取相應(yīng)預(yù)處理配置文件，再根據(jù)配置文件調(diào)用相應(yīng)的處理邏輯或正則表達式進行校驗、格式轉(zhuǎn)換、解壓縮等步驟。如果需要對預(yù)處理邏輯進行修改，只需要編輯正則表達式和自定義函數(shù)進行調(diào)整即可，而不需要對主體MapReduce函數(shù)進行修改，不會對整體過程造成額外影響。

　　3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量管理

　　針對電力用采數(shù)據(jù)的質(zhì)量管理包含兩個層面。一是管理數(shù)據(jù)在存儲、轉(zhuǎn)換和處理過程中出現(xiàn)的錯誤、以及平臺的容錯性和錯誤恢復(fù)等，這通過容錯和HA策略進行保障，并通過WEB管理界面進行操作和查看。二是統(tǒng)計并分析各類錯誤數(shù)值。主要解決異常的發(fā)現(xiàn)、分類和關(guān)聯(lián)統(tǒng)計，以及可視化呈現(xiàn)等。

　　從技術(shù)實現(xiàn)上看，根據(jù)地區(qū)、廠商等進行的統(tǒng)計分析，實際是進行了多表格的聯(lián)合（Join）查詢。在Hadoop中，為了提高Join查詢效率，會選擇將小表緩存到內(nèi)存，以實現(xiàn)Map Join。對于不同的統(tǒng)計方法，緩存的表格顯然是不一樣的，因此為了實現(xiàn)可配置的數(shù)據(jù)質(zhì)量管理，設(shè)計可配置的數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計流程如圖4所示.

　　與預(yù)處理流程相比較：預(yù)處理不需要進行Join查詢，以及數(shù)據(jù)匯聚和復(fù)雜運算，其可配置的操作內(nèi)容可以放在一輪MapReduce過程中完成，而數(shù)據(jù)質(zhì)量管理統(tǒng)計則需要多輪MapReduce依次完成。

4 針對核心架構(gòu)的測試

　　4.1 測試平臺設(shè)計

　　在九臺X86服務(wù)器上部署數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，并且配置高可用性（HA）策略和上文描述的機架感知策略。服務(wù)器采用Openstack搭建虛擬化環(huán)境，并設(shè)置虛擬機資源為：雙核CPU、8GB內(nèi)存和500 GB硬盤。設(shè)置2個Namenode 節(jié)點 ，7個Datanode節(jié)點。2個Namenode中，一個設(shè)置為Active NameNode，另一個設(shè)置為Standby NameNode。在9個節(jié)點中，部署7個獨立zookeeper角色，選取在2個Namenode 節(jié)點和5個Datanode節(jié)點上面。在其中一個Namenode節(jié)點上安裝Hive和Hive客戶端。拓撲如圖5所示。

　　測試數(shù)據(jù)是某地區(qū)4億條的原始用采數(shù)據(jù)，大小為30 GB左右。體現(xiàn)了400萬以上用戶規(guī)模在一天內(nèi)的數(shù)據(jù)，和電量、線損計算需求。由于測試在3臺實體服務(wù)器上進行，和一般Oracle服務(wù)器的硬件環(huán)境無可比性。測試賬戶要針對基于虛擬化搭建的Hadoop數(shù)據(jù)平臺的整體運行效果和處理效率進行驗證，并根據(jù)Oracle做正確性驗證。

　　5.2 典型數(shù)據(jù)預(yù)處理過程測試

　　主要測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入HDFS，對電量、功率、電壓電流等數(shù)據(jù)進行分類寫入的時間，即對數(shù)據(jù)進行綜合檢索的時間。對于業(yè)務(wù)系統(tǒng)，可能要求對處理后的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入HBASE，以方便實時查詢，因此也進行了相應(yīng)測試。測試結(jié)果如表1所示。

　　測試表明，原始數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、預(yù)處理等過程在可接受的時間內(nèi)完成，如果存在更多的數(shù)據(jù)節(jié)點，4億條當日數(shù)據(jù)在更短時間內(nèi)完成導(dǎo)入和預(yù)處理。

　　5.2 典型異常數(shù)據(jù)統(tǒng)計測試

　　主要測試電力用采數(shù)據(jù)中，常見錯誤類型的處理效果。這里選取前文描述的時間異常、數(shù)值異常和根據(jù)地區(qū)進行錯誤3個業(yè)務(wù)進行統(tǒng)計分析，并將結(jié)果數(shù)據(jù)寫新文件。測試結(jié)果如表2所示。

　　測試表明：數(shù)據(jù)服務(wù)平臺能夠?qū)ΤＲ婂e誤進行處理，以輔助業(yè)務(wù)人員及時分析問題，維修設(shè)備和系統(tǒng)，及時保證用采數(shù)據(jù)的可靠采集和高質(zhì)量。

6 結(jié)論

　　電力用采數(shù)據(jù)的管理和分析不僅對電力行業(yè)具有重要意義。 Hadoop技術(shù)由于其維護和使用的復(fù)雜度較高，目前尚未在電力行業(yè)得到大規(guī)模普及或深入應(yīng)用。本文實現(xiàn)了性能、易擴展的分布式數(shù)據(jù)服務(wù)平臺。通過對高可用性和云化部署方法的設(shè)計，簡化的部署和運維的復(fù)雜度；通過混合架構(gòu)設(shè)計、可配置的數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)質(zhì)量管理方法設(shè)計，提高了數(shù)據(jù)的易用性，降低了系統(tǒng)開發(fā)和升級的難度，提高了數(shù)據(jù)服務(wù)質(zhì)量。通過測試驗證了服務(wù)架構(gòu)的處理性能。

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