基于微服務(wù)架構(gòu)的配網(wǎng)一體化監(jiān)控平臺研究與設(shè)計

國電南京自動化股份有限公司 高 翔

針對現(xiàn)有配網(wǎng)相關(guān)信息系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題，構(gòu)建了一套配網(wǎng)一體化監(jiān)控平臺。該平臺采集已有配電自動化系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)、負(fù)荷控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，將各系統(tǒng)分散的數(shù)據(jù)整合至統(tǒng)一的配網(wǎng)模型中。基于微服務(wù)架構(gòu)實現(xiàn)了一套各業(yè)務(wù)功能可靈活擴(kuò)展的上層應(yīng)用，用戶可在平臺上查看配網(wǎng)運(yùn)行實時數(shù)據(jù)、關(guān)鍵指標(biāo)，并進(jìn)行統(tǒng)計分析，從而進(jìn)一步提高配網(wǎng)運(yùn)維管理水平。

隨著配網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，各供電公司已經(jīng)完成了配電自動化系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)、負(fù)荷控制系統(tǒng)建設(shè)，這些系統(tǒng)已經(jīng)成為配網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行的重要工具，使配網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和安全生產(chǎn)水平得到了極大的提高，但在系統(tǒng)實際使用過程還存在如下問題：

（1）信息孤島：各系統(tǒng)獨(dú)立部署，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性較小，信息共享度和利用率低。各系統(tǒng)采用的信息模型不同、系統(tǒng)間大多采用兩兩特定接口交換數(shù)據(jù)，無法形成全域的基于公共信息和統(tǒng)一對象標(biāo)識的數(shù)據(jù)利用。

（2）缺乏全局?jǐn)?shù)據(jù)分析手段：大量信息分別存儲在不同的應(yīng)用系統(tǒng)中，在進(jìn)行運(yùn)行、調(diào)度的綜合指標(biāo)分析時難以獲取完整的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。另一方面，數(shù)據(jù)處理與分析能力不足，對現(xiàn)有配網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)利用率低。

針對這些問題，結(jié)合實際工作需求，提出基于微服務(wù)架構(gòu)的配網(wǎng)一體化監(jiān)控平臺，使之具備融合貫通各應(yīng)用系統(tǒng)的支撐能力，提供高完整性、低冗余度、高質(zhì)量的全局?jǐn)?shù)據(jù)分析服務(wù)，提升已有信息化應(yīng)用系統(tǒng)的實用價值。

1 技術(shù)應(yīng)用

1.1 微服務(wù)架構(gòu)

微服務(wù)架構(gòu)是一種架構(gòu)風(fēng)格和設(shè)計模式，最早在2014年由Martin Fowler和James Lewis共同提出，提倡將應(yīng)用分割成一系列細(xì)小的服務(wù)，每個服務(wù)專注于單一業(yè)務(wù)功能，運(yùn)行在獨(dú)立的進(jìn)程中，服務(wù)之間邊界清晰，采用輕量級通信機(jī)制（如HTTP/REST）相互溝通、配合來實現(xiàn)完整的應(yīng)用，滿足業(yè)務(wù)和用戶的需求。

應(yīng)用微服務(wù)架構(gòu)可以將業(yè)務(wù)系統(tǒng)徹底的組件化、服務(wù)化，微服務(wù)專注于業(yè)務(wù)邏輯，服務(wù)功能簡單，邊界清晰，復(fù)雜度低，接口明確，利于應(yīng)用開發(fā)、部署。

同時，各服務(wù)獨(dú)立擴(kuò)展，自由伸縮，可以根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求，實時動態(tài)調(diào)整每個服務(wù)的部署規(guī)模，快速啟用同一個服務(wù)的不同實例以滿足突發(fā)流量或計算量，并且每個服務(wù)有明確的邊界，不受編程語言與數(shù)據(jù)庫的制約。

1.2 Spring Cloud

Spring Cloud 構(gòu)建于Spring Boot之上，為最常見的分布式系統(tǒng)模式提供了一種簡單且易于接受的編程模型，其包含了一系列框架，擁有功能完善的、輕量級的微服務(wù)實現(xiàn)組件，例如服務(wù)發(fā)現(xiàn)治理組件EureKa、服務(wù)網(wǎng)關(guān)Zuul、服務(wù)配置Spring Config、負(fù)載均衡Ribbon等，基于這些框架和組件，開發(fā)人員可以快速構(gòu)建有彈性的、可靠的、協(xié)調(diào)的應(yīng)用程序，并應(yīng)用于生產(chǎn)中。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 微服務(wù)技術(shù)實現(xiàn)

圖1 微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計

基于Spring Cloud構(gòu)建一套微服務(wù)架構(gòu)(見圖1)。服務(wù)網(wǎng)關(guān)采用Spring Cloud Gataway實現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)接收外部請求，并轉(zhuǎn)發(fā)到后端對應(yīng)的服務(wù)上去。服務(wù)注冊、配置中心采用Nacos實現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)服務(wù)動態(tài)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)配置和管理，各服務(wù)啟動時自動向Nacos注冊，調(diào)用時通過查詢服務(wù)注冊表查找可用服務(wù)實例，并在關(guān)閉時注銷，同時各服務(wù)內(nèi)部運(yùn)行配置文件也由Nacos集中管理，配置的修改歷史記錄可追蹤。服務(wù)調(diào)用采用Spring Cloud Feign實現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)定義和實現(xiàn)依賴服務(wù)接口的調(diào)用。在服務(wù)開發(fā)中，只需要創(chuàng)建一個接口并用注解方式配置它，即可完成服務(wù)提供方的接口綁定，簡化了開發(fā)量。

2.2 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)整體架構(gòu)（圖3），配網(wǎng)一體化監(jiān)控平臺一共分為4層，分別為：

（1）數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層主要負(fù)責(zé)通過對接標(biāo)準(zhǔn)接口來采集配網(wǎng)主站系統(tǒng)、負(fù)荷控制系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式傳輸至數(shù)據(jù)整合層。

數(shù)據(jù)采集類型包括配置數(shù)據(jù)（配網(wǎng)圖模信息、設(shè)備臺賬信息)、運(yùn)行數(shù)據(jù)（變電站運(yùn)行數(shù)據(jù)、配變運(yùn)行數(shù)據(jù)、10KV線路開關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)）和檢修數(shù)據(jù)（檢修計劃、故障工單登信息），配置數(shù)據(jù)和檢修數(shù)據(jù)以文件或關(guān)系數(shù)據(jù)庫形式存儲，采用定時讀取解析方式進(jìn)行采集，運(yùn)行數(shù)據(jù)主要通過IEC104、MODBUS等實時數(shù)據(jù)接口進(jìn)行采集。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程

（2）數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層對從各系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型，進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗（見圖2）。針對配網(wǎng)圖模數(shù)據(jù)，進(jìn)行全景模型數(shù)據(jù)校驗，SVG公共圖形數(shù)據(jù)校驗，保證配網(wǎng)模型統(tǒng)一。針對配網(wǎng)運(yùn)行與檢修海量數(shù)據(jù)中不完整數(shù)據(jù)參照其他系統(tǒng)進(jìn)行估算填充，對無法處理的臟數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，保證數(shù)據(jù)高度準(zhǔn)確。對于其他異常的數(shù)據(jù)，進(jìn)行異常記錄待人工核對，最終按照預(yù)先定義好的數(shù)據(jù)倉庫模型，將數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)倉庫中去。

（3）數(shù)據(jù)整合層

數(shù)據(jù)整合層主要將處理過的數(shù)據(jù)按類型分別存入實時數(shù)據(jù)庫、時序數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫。實時數(shù)據(jù)庫基于Redis實現(xiàn)，主要進(jìn)行實時斷面數(shù)據(jù)存儲和檢索，歷史數(shù)據(jù)庫基于時序數(shù)據(jù)庫Influxdb實現(xiàn)，主要對快速變化的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、存儲和檢索，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫基于Mysql實現(xiàn)，主要對配網(wǎng)模型等配置數(shù)據(jù)、檢修計劃等檔案數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和檢索。

（4）應(yīng)用層

應(yīng)用層基于微服務(wù)實現(xiàn)，分為基礎(chǔ)服務(wù)與應(yīng)用服務(wù)兩部分。

基礎(chǔ)服務(wù)歸納出公用的基礎(chǔ)功能，包括電網(wǎng)模型服務(wù)、地理圖形服務(wù)、用戶服務(wù)、拓?fù)浞治龇?wù)，為上層應(yīng)用服務(wù)提供基礎(chǔ)能力支撐。

應(yīng)用服務(wù)對供電公司用戶的配網(wǎng)運(yùn)維需求進(jìn)行細(xì)化拆分，形成獨(dú)立的服務(wù)。每個服務(wù)只關(guān)注一個業(yè)務(wù)功能，服務(wù)間能夠松散耦合。其中，核心服務(wù)有：電網(wǎng)負(fù)荷監(jiān)控、線路負(fù)載監(jiān)控、電壓合格率監(jiān)控、配變負(fù)載告警等。

這些服務(wù)通過API進(jìn)行相互調(diào)用，并由配置中心進(jìn)行統(tǒng)一管理、調(diào)度。Web前端頁面與手機(jī)APP調(diào)用這些服務(wù)，獲取數(shù)據(jù)以及計算結(jié)果進(jìn)行展示。

2.3 主要功能實現(xiàn)

（1）運(yùn)行指標(biāo)監(jiān)控：

全景監(jiān)控配網(wǎng)10kV線路及設(shè)備的實時運(yùn)行情況，提供電網(wǎng)現(xiàn)狀和配電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的查詢?yōu)g覽功能，實時推送故障跳閘、重過載、啟停、母線電壓越限、配變低電壓、三相不平衡等異常運(yùn)行情況。

（2）指標(biāo)計算：

提供指標(biāo)配置功能，用戶可配置指標(biāo)統(tǒng)計間隔、指標(biāo)計算公式、指標(biāo)數(shù)據(jù)源，系統(tǒng)按照上述配置項自動加載相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算并得出指標(biāo)值。系統(tǒng)已實現(xiàn)包括終端在線率、遙控使用率、配變重過載比例、線路重過載比例、停電時長、電壓合格率、供電可靠率等指標(biāo)項的實時計算與展現(xiàn)，供運(yùn)維人員比對分析。

（3）運(yùn)維管理：

圖3 系統(tǒng)整體架構(gòu)

對系統(tǒng)各類設(shè)備臺賬進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)合缺陷、檢修、搶修等工單數(shù)據(jù)，提供諸如設(shè)備故障率統(tǒng)計、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計、設(shè)備在線時長統(tǒng)計等功能。根據(jù)需線路/站點、設(shè)備大類、設(shè)備類型、登記班組、發(fā)現(xiàn)時間、消缺時間等條件進(jìn)行缺陷數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計。同時可根據(jù)設(shè)備類型、生產(chǎn)廠家、缺陷性質(zhì)、線路/站點、所述地區(qū)、登記班組、檢修班組等不同維度按照各類條件進(jìn)行分類統(tǒng)計。

結(jié)束語：本項目充分利用現(xiàn)有配網(wǎng)自動化系統(tǒng)體系資源，通過數(shù)據(jù)清洗的方式將各系統(tǒng)信息連接起來，建立覆蓋配網(wǎng)運(yùn)行、運(yùn)維等信息的數(shù)據(jù)庫。根據(jù)微服務(wù)架構(gòu)思想，將業(yè)務(wù)功能拆分獨(dú)立的服務(wù)，各服務(wù)間相互調(diào)用、組合，形成按需擴(kuò)展的上層應(yīng)用功能。通過可視化展現(xiàn)等多種手段，實現(xiàn)對配網(wǎng)實時運(yùn)營數(shù)據(jù)的監(jiān)測與監(jiān)管，以更全面、更直觀、更智能的方式對配網(wǎng)運(yùn)行各環(huán)節(jié)、各系統(tǒng)進(jìn)行管控與展示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享集成利用，最終提高運(yùn)行管理人員對配網(wǎng)運(yùn)營的掌控和決策能力。