時序數(shù)據(jù)庫 IoTDB 賦能上海電氣國軒智慧儲能運(yùn)營云平臺建設(shè)

　　1. 應(yīng)用背景

　　上海電氣國軒新能源科技有限公司(以下簡稱“上海電氣國軒”)長期致力于電化學(xué)儲能業(yè)務(wù)的技術(shù)研發(fā)、工程應(yīng)用和市場開拓，實(shí)現(xiàn)從電芯到儲能系統(tǒng)的全產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋，能夠?yàn)樾履茉?儲能、調(diào)峰調(diào)頻、電網(wǎng)側(cè)儲能、工商業(yè)儲能應(yīng)用等提供一站式系統(tǒng)解決方案。其儲能系統(tǒng)已進(jìn)入全國 18 個省、市、自治區(qū)，已完成電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)全場景應(yīng)用布局。

　　圍繞"一芯3S"(電芯、BMS、EMS、PCS)核心產(chǎn)品鏈，上海電氣國軒構(gòu)建了儲能核心競爭力，其中"上海電氣智慧儲能運(yùn)營云平臺"為關(guān)鍵組成部分。

　　上海電氣智慧儲能運(yùn)營云平臺旨在運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等前沿數(shù)字化技術(shù)，提供對儲能單元的狀態(tài)感知、邊緣協(xié)同管理、儲能運(yùn)行可靠性評估及儲能系統(tǒng)運(yùn)維策略等方面能力，構(gòu)建滿足儲能智慧運(yùn)營和智慧運(yùn)維相結(jié)合的場景化解決方案。

　　該平臺的建設(shè)存在兩大難點(diǎn)：面向大規(guī)模儲能場景的海量時序數(shù)據(jù)接入，以及多終端、多環(huán)境的云邊協(xié)同。上海電氣國軒通過選擇 IoTDB 作為智慧儲能運(yùn)營云平臺中，負(fù)責(zé)時序數(shù)據(jù)存儲、查詢、分析、傳輸?shù)暮诵慕M件，實(shí)現(xiàn)了高通量寫入、高壓縮比、高實(shí)時查詢返回，并建立了高擴(kuò)展、高靈活度的數(shù)據(jù)模型與協(xié)同同步方案。

　　2. 應(yīng)用痛點(diǎn)

　　大規(guī)模儲能電站場景的時序數(shù)據(jù)管理，往往面臨數(shù)據(jù)寫入、存儲、查詢等性能挑戰(zhàn)，并需要減少系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜度，降低系統(tǒng)維護(hù)成本，提高系統(tǒng)可靠性。具體來看：

　　數(shù)據(jù)量大，采集頻率高

　　以 200 MWh 規(guī)模的儲能電站為例，其一般包括幾十臺集裝箱，共約百萬個測點(diǎn)，以秒級頻率進(jìn)行采集，年數(shù)據(jù)量達(dá)到 TB 級別。而以集裝箱為例，目前上海電氣國軒系統(tǒng)已接入 1 GWh 容量、約 400 臺設(shè)備，每臺設(shè)備測點(diǎn)在 6000～8000 個左右，每個測點(diǎn)平均 15～30 秒更新一次數(shù)據(jù)。海量的時序數(shù)據(jù)增加了存儲和計算資源的壓力，超高的采集頻率也對物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的性能和穩(wěn)定性提出了更高的要求。

　　數(shù)據(jù)的無序性

　　通常而言，采集數(shù)據(jù)多為連續(xù)數(shù)據(jù)流形式，從不同的外部數(shù)據(jù)源持續(xù)生成。但在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)常見的端、邊、云數(shù)據(jù)傳輸場景中，由于網(wǎng)絡(luò)和安全策略等原因，往往無法控制這些數(shù)據(jù)流到達(dá)的順序和產(chǎn)生的速率。數(shù)據(jù)流可以看作一個帶有時間戳的、無限增長的結(jié)構(gòu)化日志模型，它的流向是不可變的，一般不支持更新操作。所以大規(guī)模儲能電站場景中，如何更好地接入、存儲這些無序數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)協(xié)同部署，是一大挑戰(zhàn)。

　　寫入和查詢性能要求

　　儲能測點(diǎn)基數(shù)大，并采用及時變位存儲，導(dǎo)致存儲數(shù)據(jù)量巨大。如果數(shù)據(jù)庫不能及時寫入，系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度會隨之提高。

　　同時，對于 TB 級別以上的數(shù)據(jù)量，傳統(tǒng)的大數(shù)據(jù)手段可以做到非實(shí)時查詢分析，但對時序數(shù)據(jù)最重要的實(shí)時查詢場景，傳統(tǒng)大數(shù)據(jù)手段可能無法滿足性能要求。

　　此外，采集系統(tǒng)上傳的原始數(shù)據(jù)一般無法滿足業(yè)務(wù)需要，這些離散的原始數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步加工、處理、分析，而在此過程中依然需要保證寫入性能，因此對系統(tǒng)的并發(fā)能力提出了要求。

　　靈活的數(shù)據(jù)模型要求

　　對于查詢、處理過的更高重要性的數(shù)據(jù)，上海電氣國軒希望將其直接加入到數(shù)據(jù)模型中，從而不斷地完善擴(kuò)展現(xiàn)有模型，因此需要數(shù)據(jù)庫支持的數(shù)據(jù)模型具備高擴(kuò)展性與靈活性。

　　并且，智慧儲能運(yùn)營云平臺的設(shè)計初衷并非只滿足儲能系統(tǒng)數(shù)字化的需要，同時也希望滿足風(fēng)、光、充等新能源系統(tǒng)集成和其他類型系統(tǒng)的需要，因此需要針對各個行業(yè)實(shí)現(xiàn)靈活建模，并能夠在開發(fā)過程靈活擴(kuò)展。

　　3. 選擇 IoTDB 原因

　　上海電氣國軒之所以選擇 IoTDB 作為智慧儲能運(yùn)營云平臺中的時序數(shù)據(jù)管理核心組件，主要因?yàn)?IoTDB 有以下幾點(diǎn)特性：

　　物聯(lián)網(wǎng)原生

　　IoTDB 立足物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場景，針對工業(yè)場景時序數(shù)據(jù)管理中數(shù)據(jù)通量高、數(shù)據(jù)模式弱、兩節(jié)點(diǎn)高可用等典型需求，自主研發(fā)了 IoT/IIoT 全場景工具，能夠提供低理解成本、高應(yīng)用效能的完整解決方案。上海電氣國軒對于 IoTDB 為工業(yè)業(yè)務(wù)場景量身研發(fā)的數(shù)據(jù)模型、功能、工具等成果十分認(rèn)可。

　　穩(wěn)定的寫入支持

　　IoTDB 具備強(qiáng)大的海量時序數(shù)據(jù)寫入能力，列式寫入模式支持毫秒級接入，能夠滿足海量時序數(shù)據(jù)上報需求。在上海電氣國軒實(shí)際應(yīng)用中，以 200 MWH 容量電站的數(shù)據(jù)采集為例，總數(shù) 40 萬測點(diǎn)中如同時有 20 萬測點(diǎn)更新寫入 IoTDB，經(jīng)實(shí)踐單機(jī)版寫入毫無壓力并保持運(yùn)行穩(wěn)定。

　　優(yōu)異的數(shù)據(jù)壓縮比

　　在存儲壓縮性能方面，IoTDB 結(jié)合自研的時序數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)文件格式 TsFile，其中列式存儲、編碼算法、分段摘要信息、文件級索引等架構(gòu)，能夠使數(shù)據(jù)壓縮比獲得明顯提升。

　　上海電氣國軒將過去其他數(shù)據(jù)庫約 3T 的數(shù)據(jù)遷移到 IoTDB 上，只占用約 100G 空間，大幅減少了資源占用與成本。目前上海電氣國軒萬億量級的數(shù)據(jù)，只占用 800GB 存儲空間。對于 200 MWH 容量電站，單站部署機(jī)器要求的磁盤容量配置也相應(yīng)大大降低，只需 2～8T 便可滿足 5 年以上數(shù)據(jù)的存儲要求。

　　優(yōu)雅的存儲模型

　　傳統(tǒng)時序數(shù)據(jù)模型需要通過 Table 進(jìn)行管理，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)測點(diǎn)的添加，但從概念上不免受到 Table 結(jié)構(gòu)的約束，需要開發(fā)人員學(xué)習(xí)特定創(chuàng)建或修改的語句等，學(xué)習(xí)和記憶的成本均較高。

　　IoTDB 采用樹形時序數(shù)據(jù)模型，能夠直觀地與工業(yè)場景中的工廠、設(shè)備、測點(diǎn)/傳感器等層級進(jìn)行對應(yīng)。對于需要新增或變更的設(shè)備，IoTDB 也能夠做到自動化同步，有效降低時序數(shù)據(jù)管理與運(yùn)維成本的同時，也方便了模型的擴(kuò)展，能夠達(dá)到億級時序數(shù)據(jù)的管理規(guī)模。

　　上海電氣國軒基于 IoTDB 構(gòu)建的時序數(shù)據(jù)模型

　　4. 應(yīng)用架構(gòu)及效果

　　上海電氣國軒打造的上海電氣智慧儲能運(yùn)營云平臺，依托 IoTDB 以及大數(shù)據(jù)分析、智慧云平臺等能源數(shù)字化技術(shù)，構(gòu)建了儲能系統(tǒng)的“端-邊-云”協(xié)同系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)儲能電站和設(shè)備的全面感知、實(shí)時監(jiān)控、數(shù)據(jù)追溯、智能診斷以及儲能系統(tǒng)的全生命周期管理，有效提升電站和設(shè)備的運(yùn)行壽命以及經(jīng)濟(jì)性收益。

　　該平臺可滿足端-邊-云業(yè)務(wù)場景下的所有業(yè)務(wù)需要，包含邊緣側(cè)數(shù)據(jù)接入、邊緣側(cè)數(shù)據(jù)處理、云側(cè)數(shù)據(jù)接入、云端多級數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理等處理全鏈路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、邊緣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)模型管理、可視化監(jiān)測、決策分析等功能模塊。

　　儲能工業(yè)場景產(chǎn)生的數(shù)據(jù)從智能設(shè)備層上報，通過數(shù)據(jù)接入層的多類協(xié)議進(jìn)行采集，傳輸進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲層的各類數(shù)據(jù)庫中，以供數(shù)據(jù)服務(wù)層的多類處理、分析功能進(jìn)行調(diào)用、查詢，最終服務(wù)業(yè)務(wù)層的數(shù)據(jù)可視化、告警檢測、業(yè)務(wù)決策等方向。

　　在整個系統(tǒng)時序數(shù)據(jù)鏈路層，上海電氣國軒借助 IoTDB 優(yōu)勢，將 IoTDB 應(yīng)用至數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析等各個方面，用以管理電池電芯、儲能電池簇、集裝箱儲能系統(tǒng)、5G 通信基站備用電源、UPS 備用電源等多類儲能設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)。

　　基于統(tǒng)一的、可插拔的文件格式 TsFile，上海電氣國軒實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)閘文件同步，場站端側(cè)向云側(cè)數(shù)據(jù)上傳，方便、靈活地協(xié)同傳輸需求。

　　借助 IoTDB 本身具備的高讀寫能力、高壓縮能力、時序場景實(shí)時查詢能力等，上海電氣國軒可有效利用時序數(shù)據(jù)，支持分析電池利用率、使用壽命等業(yè)務(wù)服務(wù)。

　　不僅如此，上海電氣國軒也對原有系統(tǒng)完成了重新設(shè)計和定義。依托 IoTDB，上海電氣國軒全面設(shè)計和規(guī)范化模型，使其靈活支持業(yè)務(wù)的變化;在 IoTDB 實(shí)現(xiàn)的高效寫入和壓縮性能基礎(chǔ)上，上海電氣國軒全面優(yōu)化系統(tǒng)部件，如場端去掉消息隊列、Redis 等，從而大幅提升上海電氣智慧儲能運(yùn)營云平臺對時序數(shù)據(jù)管理的效率。

　　目前，上海電氣智慧儲能運(yùn)營云平臺接入測點(diǎn)約有 500 萬點(diǎn)以上，每個測點(diǎn)平均每 5～10 秒更新一次數(shù)據(jù)，總數(shù)據(jù)存儲量超過萬億條，并且隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，測點(diǎn)數(shù)量還在不斷增長中。

　　IoTDB 在功能、性能等方面的優(yōu)勢，成功幫助上海電氣國軒系統(tǒng)從重服務(wù)蛻變?yōu)檩p服務(wù)，有效降低開發(fā)難度，減輕系統(tǒng)運(yùn)維壓力，架構(gòu)設(shè)計得到質(zhì)的提高，并減少了企業(yè)的存儲成本和計算成本。同時，IoTDB 優(yōu)雅的樹狀結(jié)構(gòu)模型也提升了服務(wù)接口之間的一致性。各方賦能下，上海電氣國軒系統(tǒng)性能得到質(zhì)的提升，目前沒有發(fā)生劣化現(xiàn)象。

　　5. 應(yīng)用場景舉例

　　場景一：歷史數(shù)據(jù)回溯

　　針對上海電氣國軒需要從海量歷史數(shù)據(jù)中回溯指定時刻數(shù)據(jù)，并完成可視化散點(diǎn)圖渲染的需求，IoTDB 可在 3 秒內(nèi)完成從讀取數(shù)據(jù)到頁面散點(diǎn) Chart 的渲染。

　　場景二：歷史數(shù)據(jù)可視化

　　針對上海電氣國軒需要獲取一月內(nèi)的原始?xì)v史數(shù)據(jù)，并基于不同的設(shè)備或數(shù)據(jù)項繪制歷史數(shù)據(jù)曲線的需求，IoTDB 可在 2 秒內(nèi)完成從讀取數(shù)據(jù)到曲線頁面的可視化呈現(xiàn)。

　　6. 未來展望

　　目前，上海電氣國軒基于 IoTDB 打造的上海電氣智慧儲能運(yùn)營云平臺已平穩(wěn)、高效運(yùn)行 2 年。

　　未來，伴隨著儲能行業(yè)的快速發(fā)展，時序數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量也將呈現(xiàn)指數(shù)增長。上海電氣國軒將繼續(xù)與 IoTDB 團(tuán)隊緊密配合，挖掘時序數(shù)據(jù)對于儲能業(yè)務(wù)場景的應(yīng)用價值。