數字電網邊緣側用電量數據緩存快速部署研究

代奇跡，辛明勇，祝健楊

（貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴州貴陽 550002）

現階段，電力系統接入終端種類和數目不斷增多，使得邊緣側用電量數據變得更加復雜，難以實現實時、有效地用電量數據處理，這已經成為制約電力系統發展的一個重要因素。一方面，由于數字電網終端設備容量有限，難以實時處理復雜的數字電網邊緣側用電量數據。另一方面，由于數字電網領域的特殊性，使得復雜、多樣、實時的數字電網服務成為限制數字電網發展的重要因素。因此，提高數據處理能力是當前需要迫切解決的問題。文獻[1]提出了基于強化學習的存儲方法。使用分層建模方法構建部署模型，使用集群性能代價函數持續優化緩存部署模型參數。結合數據負載感知自身適應配置方式，完成用電量數據緩存。文獻[2]提出了基于分布式壓縮感知的存儲方法。通過同步正交匹配追蹤方式，分析邊緣側用電量數據，進而實現數據壓縮存儲。

雖然上述方法能夠在一定程度上解決終端設備緩存容量不足的問題，但是將緩存任務卸載到位于核心網的云數據需要消耗大量資源，無法滿足數字電網服務的低時延要求。為此，提出了數字電網邊緣側用電量數據緩存快速部署方法。

1 邊緣側用電量數據處理

為了實時采集和處理數字電網邊緣側用電量數據，結合容器技術設計了如圖1 所示的數據處理架構。

圖1 基于容器技術的數據處理架構

分析圖1 可知，在不同容器中建立了與數據庫的對應關系，從而實現邊緣側智能終端實時管理[3]。通過事務處理機制發送數據包，并對協同云端數據進行有效處理[4]。采集端的數據采集工作是在嵌入式數據庫中進行的，因此能夠保證數據的同步傳輸。數據同步模塊將事務打包成一種特殊的數據進行信息同步，對數據進行加密處理，并將處理結果存儲到待確認任務隊列之中，利用報文傳輸模塊對隊列數據進行實時處理。在接收到信息源之后，由云接收模塊進行解密處理，生成SQL 語句，使得處理后的數據能夠滿足實際應用需求。

2 用電量數據緩存快速部署

2.1 基于數據卸載緩存位置的快速選擇

數字電網環境下邊緣側用電量數據多、維度大，合理劃分緩存位置、快速選擇最優緩存位置是當前用電量數據緩存快速部署的重要內容[5]。采用動態子圖匹配算法實現了細粒度自適應任務卸載，示意圖如圖2 所示。

圖2 數字電網邊緣側用電量數據卸載示意圖

在考慮到用戶需求、設備電池電量、計算能力、應用執行時限、網絡帶寬等因素的情況下，對數字電網邊緣側用電量數據進行自適應卸載[6-7]。截止時間需要滿足如下條件：

式中，ta表示卸載到其他資源庫的執行時間；tb表示終端執行時間；tc表示應用執行時限[8]。能耗代價滿足如下條件：

式中，qa表示卸載過程耗能；qb表示其他資源耗能；qc表示終端設備耗能；qd表示終端極限能耗。充分考慮終端設備需求，數字電網將均衡考慮整體綜合代價并卸載用戶側數據。

2.2 數據輪詢調度

數字電網邊緣側用電量數據經過快速卸載后，選擇緩存位置，并通過輪詢調度讀寫數據。數據輪詢調度在不增加任何開銷的前提下進行，動態預測從屬站數據隊列，針對輪詢最長數據隊列，減少輪詢次數，縮短輪詢時間，從而提高快速部署低功耗數據緩存效率[9]。

假設部署節點報文隊列是無限大的，數字電網運行到t時刻，則部署節點第k-1 次到第k次報文數據平均被輪詢的成功率可通過式（1）計算得出：

式中，k表示從屬站輪詢次數；sk表示待發送輪詢報告數量；Tk表示從屬站發送報文時間[10-11]。輪詢第k-2 次到第k-1 次數據時，被輪詢數據到達率可表示為：

假設數據被輪詢調度過程中，數據到達下一個部署節點服從強度為α的泊松過程，那么依據泊松定義可在一定時間間隔Δt內出現l個報文的概率計算公式如下：

式中，e 表示自然常數。在部署期間，所有數據報文隊列需要滿足的數學期望如下：

數字電網運行一段時間后，各個從屬站被輪詢了k次，為了提高數字電網邊緣側用電量數據緩存效率，選擇最大隊列報文的從屬站進行輪詢[12]。

2.3 用電量數據緩存快速部署

在數字電網邊緣側，采用連續讀取和寫的方式保證多個FIFO 隊列的正常運行，并將所有隊列的頭尾部分數據存儲在SRAM 存儲器中，其余數據存儲在DRAM 中。用電量數據緩存快速部署詳細過程如下所示：

部署節點1：將分組后的數據依次寫入FIFO 隊列中，根據FIFO 隊列末端地址，按照分組順序寫入到DRAM 中。采用輪詢調度算法讀取DRAM 中的數據，獲取隊列頭部信息，并依次寫入對應的頭部位置[13]。

部署節點2：將100 Gb/s 的數據流分成5 路進行并行處理，每路隊列調度模塊負責不同的數據處理工作[14]。在傳送20 Gb/s 報文時，總調度單元從分組處理的FIFO 中提取數據幀信息，判斷數據幀排隊號碼，將排隊請求傳送給接收調度模塊。在存儲器狀況許可時，將該空閑分區地址寫到接收調度結果的FIFO 中[15]。將從空閑地址隊列中提取的區塊位置連接至目的地址隊列尾部,并更新隊列尾部地址。

部署節點3：接收總線模塊從FIFO 中提取出包含分區地址的計劃信息，由寫入仲裁模塊來決定其傳輸信道。在數據傳輸完成后，將請求發送到統計模塊，對轉發到的數據幀進行統計。

部署節點4：數據分組發送時，一般調度程序從輸出調度單元獲得排隊數據的幀隊列信息，調度模塊根據隊列編號對隊列進行查詢，根據隊列編號寫入相應分段地址[16]。將隊列頭部和頭幀長度對應的數據分片寫入到FIFO 模塊中，這個隊列下一幀的第一個分片地址就是新的隊列頭部地址。

部署節點5：發送總線模塊從發送計劃結果FIFO 中讀出計劃信息，并在仲裁模塊所決定的讀信道中,將分組從緩沖區中移出。移位后，位址復原模組會把相應位址與空閑位址隊列地址相連，使外位機存儲器得以保留，以便進行分組[17]。

通過上述過程實現數字電網邊緣側用電量數據緩存快速部署。

3 實驗

3.1 數據監測

在實驗過程中，使用如圖3 所示的系統進行數據監測。

圖3 數據監測系統

由圖3 可知，通過數據反饋模塊和通信模塊之間的配合，實時獲取數字電網邊緣側用電量數據。根據數據校驗規則，對用電量數據進行實時校驗，以獲取精準的監測結果。

3.2 數據分析

數字電網邊緣側用電量數據中讀寫數據的理想緩存時序如圖4 所示。

圖4 讀寫數據理想緩存時序示意圖

由圖4 可知，在T1 上升時刻，A 端口的兩個信號DA 和WA 均處于低電平狀態，則該情況下數字電網邊緣側開始執行寫操作。在T1 下降時刻，B 端口的兩個信號DB 和WB 均處于高電平狀態，則該情況下數字電網邊緣側開始執行讀操作；在T3 上升時刻，A端口的兩個信號DA 和WA 均處于低電平狀態，則該情況下數字電網邊緣側開始執行寫操作。在T3 下降時刻，B 端口的兩個信號DB 和WB 仍然處于低電平狀態，該情況下數字電網邊緣側依然執行寫操作；在T5 上升時刻，A 端口的兩個信號DA 和WA 均處于高電平狀態，則該情況下數字電網邊緣側開始執行讀操作。在T5 下降時刻，B 端口的兩個信號DB 處于低電平狀態，WB 處于高電平狀態，則該情況下數字電網邊緣側開始執行先寫后讀的操作[18]。

3.3 實驗結果與分析

對于數據讀寫緩存部署驗證，分別使用了文獻[1]方法、文獻[2]方法和所研究方法進行對比分析，如圖5 所示。

圖5 三種方法讀寫數據緩存時序對比

由圖5（a）可知，應用文獻[1]方法后，在WA、DB、WB 控制信號處出現了與圖4 時序圖不一致的地方，導致寫入數據[12,2]丟失且出現了新的數據[11,6]，讀入數據[9,4]、[9,5]丟失。

由圖5（b）可知，應用文獻[2]方法后，在WA、WB控制信號處出現了與圖4 時序圖不一致的地方，導致寫入數據[12,2]、[12,1]丟失且出現了新的數據[11,6]、[11,5]，讀入數據[9,5]丟失且出現了新的數據[9,6]。

由圖5（c）可知，應用所研究方法后，在WA 控制信號處出現了與圖4 時序圖不一致的地方，導致寫入數據[12,1]丟失且出現了新的數據[11,6]。

通過上述分析可知，所研究方法的數據緩存快速部署結果與理想結果最為接近，實際應用效果更好。

4 結束語

為了提高資源使用效率，降低電力系統能量消耗和服務費用，優化邊緣側用電量數據計算性能，設計了一種新的數字電網邊緣側用電量數據緩存快速部署方法。從計算卸載、資源分配、緩存內容配置等方面對數據進行緩存。通過實驗證明，采用該方法得到的緩存效果與預期結果是吻合的，說明使用所研究方法部署效果理想，能夠充分滿足設計要求。