基于配電自動化系統的物聯網平臺設計

摘要：配電網的自動化程度越高，對構建配電物聯網平臺的需求就越迫切。基于平臺化的物聯網體系結構，通過對整合配電自動化系統的物聯網平臺的需求和功能進行分析，文章提出了以微服務架構為基礎，融合7大功能、5個層級的物聯網平臺總體架構設計。同時，文章設計了微服務構成微應用的框架。此外，文章采用Docker容器對微服務進行管理，提出了微服務動態部署方法，以滿足平臺高并發性、強實時性要求。最后，文章探究了基于配電網自動化系統的物聯網平臺新應用方向。

關鍵詞：物聯網平臺；配電自動化系統；微服務架構

中圖分類號：TM76" 文獻標志碼：A

0 引言

隨著相關技術的不斷發展進步，物聯網從最初的一個概念逐步走進了實際應用階段，業已在電力行業中得到了廣泛應用^［1］。電力物聯網利用電力系統內的大量物聯節點，實時準確全面地感知、獲取各類設備與裝置的數據，以滿足新型電力系統在多場合、全鏈條、全天候等條件下及時獲取信息的需求，從而全面提升電能生產、電網管理與電力服務的現代化水平。

隨著配電網規模的不斷擴大，與其運行維護管理相關的數據量也隨之大增。配電自動化系統是配電網管理的重要工具之一，但該系統僅能采集電氣信號，直接關乎配電設備和設施安全運行的環境參數、狀態數據等非電氣信號卻無法實時掌控。為了能夠有效整合這些數據，使其為配電網管理服務，構建物聯網是一個有效途徑。

當前，平臺化發展是物聯網的基本趨勢^［2］。但是，單體式、三體式及服務器集群式的架構，越來越不能適應新型電力系統發展的需求，微服務架構在平臺化物聯網的實踐與應用成為值得深入研究的課題^［3］。為了充分利用現有的裝備水平和系統條件，建設基于配電自動化系統、采用微服務架構的物聯網平臺，可以在數據急劇增長、應用復雜且并行量大的配電網管理和服務場景中，以推動數據跨介質融合、信息跨媒介共享、業務跨專業拓展，以提升供電公司的配電網管理水平和用戶精準服務能力。

1 物聯網體系結構概述

當前，平臺化的物聯網按其邏輯結構關系可以劃分成“端、邊、管、云”4個層級^［4］。以國網云為基礎的物聯網體系邏輯結構如圖1所示。

“端”是指接入物聯網的各種終端，如各類傳感器、控制器、變送器、微處理器、智能終端以及其他可接入設備，采用傳感、RFID標簽、數據庫查詢等技術手段完成信息與數據的采集。“邊”是指靠近“端”這一側的各種分布式智能代理設備，可以將其理解成處在物聯網的邊緣，為“端”服務，起到將數據進行預處理并輸入“管”的作用。“管”是指物聯網的數據傳輸通道，連接著“端”與“云”；數據的傳輸可以通過有線、無線、公網、專網等方式。“云”是指基于云計算、云環境、云端大數據實現高級應用功能；云服務中心提供部署配置、監控調度、故障自愈、彈性伸縮、負載均衡等各項能力，是物聯網平臺實現可共享、可復用的共性服務與組合業務的基礎。

基于微服務架構構建的物聯網平臺，其端云管邊4個層次的體系結構還須進行適當擴展，以便融合現有的配電自動化系統，在物聯網平臺高級應用觸發時能夠快速有效地生成、部署、調用各類微服務，從而實現配電網管理水平和業務能力的大幅提升。

2 平臺需求分析和功能分析

2.1 平臺需求分析

基于配電網相關業務場景分析，配電物聯網平臺須滿足以下若干方面的需求。

2.1.1 配電網設備與設施的感知監控

平臺應能夠對各類配電設備與設施進行遠程感知及監控，不僅要接入各類電氣設備數據，而且還須接入各類設施的相關數據，比如桿塔形變數據、開關站環境參數、開關柜與機構箱溫濕度等；應能夠根據配電設備的重要性等級、業務優先等級，滿足相關數據采集與傳輸的不同實時性要求；根據控制命令優先級發布相應等級的控制指令。這方面需求須解決大量異構設備的感知、安全采集以及海量異構數據的解析與可靠傳輸問題。

2.1.2 配電網設備與設施的調度檢修維護

平臺應能夠掌握各類配電設備調度、檢修與維護等作業的狀態以及作業后的結果數據，還須（通過可穿戴設備）監測作業人員的行為數據、作業工具（如無人機、機器人等設備）的狀態數據等。這方面需求同樣須解決海量數據的采集與傳輸，特別是包含了大量視頻類的數據。

2.1.3 配電網設備所產生業務數據的集成分析應用

平臺應能夠對各類數據進行存儲、挖掘、集成、分析，具備類似專家庫的功能，為決策人員提供相應的參考。這方面需求須解決大數據存儲與分析、數據挖掘、人工智能分析等方面的問題。

2.1.4 新型電力系統相關業務拓展

平臺應能夠滿足新型業務功能拓展的需求，比如：容納各類新能源（太陽能、風能、地熱、潮汐等）電站并網及其站內涉網設備的監測、遙控、遙調等業務功能的接入與拓展；儲能電站接入，實現各種類型儲能電站參與的電網削峰填谷控制；電動汽車充換電站與電網的交互。

2.2 平臺應用功能分析

為了滿足前述的4大需求，平臺除了應具備基礎功能還應實現以下若干方面的功能。

2.2.1 設備管理

此模塊應提供各類設備接入、注冊、授權、配置、調試、升級、更換、監控、分組等全壽命周期管理功能，實現對智能終端、傳感器、網關、微處理器、計算機等所有設備進行統一管理。

2.2.2 連接管理

此模塊對連接情況進行動態管理，支持多種接入形式，保障全網安全可靠、及時快速的通信能力，確保數據全面、準確、實時傳輸；此外，還能夠實時監測端到邊（或端到管）的連接情況，對連接異常情況進行準確定位、記錄且發出告警；能夠結合用戶管理的身份權限認證模塊，對終端身份編碼進行鑒權、登記、準入等操作，保障連接的安全性。

2.2.3 網絡管理

此模塊旨在弱化接入設備的異構屬性、抹平網絡結構差異、虛擬化網絡配置，使物聯網平臺更具開放性、兼容性；同時，具備網絡資源優化調配、智能安全隔離、微服務動態部署等功能；能夠適應5G網絡切換，達到異構化通信與云端同質化計算相協同，實現云管端統一管理。

2.2.4 數據管理

此模塊能夠將采集到的數據進行統一化、標準化管理，再進行有效存儲，提供各種條件的查詢與更新服務；保障所有數據被微服務調用時的唯一性和一致性；能夠將控制命令根據不同設備的屬性進行轉換，支持規則引擎、業務編排、第三方業務觸發等。

2.2.5 用戶管理

此模塊主要提供各類用戶（業務訪問者、資源提供者、應用開發者等）的注冊、登錄、訪問以及用戶權限管理等基本功能。平臺還應具備保護各類用戶的基本信息，根據用戶的身份與權限控制其對數據存儲、訪問及資源處理邊界的功能。由于物聯網平臺的部分用戶在訪問平臺時具有移動性、動態變化的特征，因此用戶管理還須要具備泛在服務與位置管理功能。

2.2.6 應用使能

此模塊應具備采用API開放形式為外圍應用提供各項服務的功能以及具備集成第三方應用的能力，為新業務、新應用的擴展留有融合之地，特別是與配電自動化系統相整合，支撐配電網全業務云上運行。

2.2.7 運行監控管理

此模塊是指能夠對應用、網絡和終端的運行進行全面監控，及時發現異常或故障并具備較強的自愈能力，保障平臺運行的可靠性，包括設備、設施、網絡資源、平臺組件等對象的全域監控，同時兼具平臺運行狀態分析能力。

3 基于配電自動化系統的物聯網平臺總體設計

3.1 基于微服務架構的總體設計

在圖1所示的4個層次結構基礎上，結合7大管理功能需求，本文將基于配電自動化系統的物聯網平臺擴展成5層，即感知層、網絡層、存儲層、服務層、應用層。通過連接管理、網絡管理、設備管理功能，實現全環節物物相聯。基于微服務架構的服務層，能使平臺性能優良、并發性高、擴展便捷。通過應用使能，融合其他系統，實現資源整合，擴大平臺邊際，使全業務實現云上運行。

通過配電網現有的智能終端采集相關數據，再利用電力數據網和數據庫系統，將電氣量信號接入物聯網平臺；非電量信號則通過其他終端接入。這里的接入是指相關應用通過微服務調用相應數據時對數據進行讀取、打包、傳輸等操作。從邏輯結構上來看，配電自動化系統的設備構成了物聯網平臺中感知層、網絡層、存儲層3層的一部分。為此，本文提出基于配電自動化系統5層次物聯網平臺的總體架構，其邏輯關系如圖2所示。

3.2 各層分析

感知層是指配電網中各類傳感器、視頻監控設備、智能終端以及若干管理平臺，亦稱為設備接入層，主要負責各類數據的采集與發送，以實現平臺南向設備的接入。與前述端邊管云體系有所區別的是，此處將“邊”的設備納入感知層。

網絡層是指包含配電自動化系統的電力數據網在內的數據傳輸通道總和，包括有線、無線網絡及其相應的組網方式。各種通信方式各有利弊，可以相互配合使用。

存儲層是指將感知層采集并預處理過的數據進行存儲的環節，可以對服務層提供數據，也可以接收云端下發的指令。數據的預處理以實現源數據標準化和整合匯聚為目的，從而推動物聯網的泛在互聯和深度感知。

服務層是指部署在云上的各種服務功能，如設備管理、連接管理、用戶管理、數據管理、運監管理等功能；基于微服務架構的考慮，所有這些服務功能采用“微服務+微應用”來實現，因此在這一層還要具有微服務注冊、部署、調用等基礎功能。

應用層是物聯網的可視化展示平臺，采用“微服務+微應用”的模式，將各種電氣信號、環境數據、設備信息等應用于Web、手機App及手持終端，供相關工作人員在相應的場景中使用，比如：負荷預測、用電監查、配電網規劃、V2G協同、配電網動態重構等。應用層還提供應用開發和發布功能，以便擴展新業務、開發新應用。

4 微服務設計及動態部署

單體應用的開發模式使得所有業務邏輯集中在一個工程應用中，當功能不斷增多、業務日益龐雜時，就會出現擴展困難的情況。微服務架構可以解決這一弊端，但也帶來了服務架構的復雜性。通過對微服務進行容器化部署可以使微服務架構的優勢得到充分體現。此外，在容器中采用微服務的動態部署技術，可以減輕配電物聯網平臺負擔，進一步滿足平臺在多場景、高并發、強實時情況下的多方應用需求。

4.1 微服務構成微應用框架設計

微服務架構將一整個應用拆分成若干個微應用，各應用之間既可以相互獨立，又可以相互配合。而微應用則由若干不同作用的微服務組成^［5］，微服務構成微應用的框架如圖3所示。

微應用中包含了若干個不同作用的微服務；這些微服務通過分布式服務總線來實現交互，微應用也是通過服務總線調用各類微服務來實現單一的業務功能，高級應用通過調用微應用來實現更復雜的功能。

微應用之間并不能相互交互，這個需求只能在微服務層面實現，即圖3中空心箭頭所指的2個微服務之間的交互。

4.2 應用的容器化部署

在云環境中運行的物聯網平臺高級應用采用容器組合的方式進行集成，這樣可以使應用軟件更加標準化、更具敏捷性與高擴展性。

目前，相關的容器化部署技術較多，本文采用Docker容器技術與Harbor存儲分發服務器來部署；同時，采用Kubernetes平臺對容器進行管理，其基本步驟如下^［6］：首先為每個應用設計獨立的Docker文件；其次使用Docker文件將各個應用打包成獨立的容器；接著將每個容器部署至Kubernetes集群中；最后使用Harbor組合相關的多個容器，使其成為一個完整的應用。

4.3 微服務動態部署方法

容器化部署的應用要實現相應的功能需要從邊緣節點服務器獲取合適的微服務。為了節約平臺資源，滿足高并發性、及時穩定的要求，本文采用動態部署的方式將微服務推薦至相應的邊緣節點服務器^［6］，提出了基于微服務依賴權值大小的動態部署方法，其部署流程如圖4所示。

依賴權值是指某個應用所調用的全部微服務中，某個微服務響應時間在應用加載完成時間中的占比。圖4所示的動態部署過程是循環往復的，其基本思路是根據微服務響應的時間變化來判斷應用對某些微服務的依賴程度，被依賴程度越高的微服務越需要更加快捷地部署，以提高應用的響應速度與應用的并發性。微服務的動態部署可以使平臺有限的資源得到更高效的利用。

5 配電物聯網平臺新應用方向探究

基于配電自動化系統、整合全網信息資源的配電物聯網平臺，可以在以下若干方面實現新的應用，從而進一步滿足新型電力系統發展的需求。

5.1 綜合能源服務

綜合能源服務將電網與其他能源系統如天然氣、供熱、儲能、光伏、風能等緊密結合，實現電、氣、冷、熱、可再生能源等多能互補局面下的能源優化配置，以及“源-網-荷-儲”各環節的最佳調配，為全社會提供綠色、安全、經濟、高效、增值的綜合能源智慧化服務。

5.2 智能充/換電站

電動汽車保有量不斷增加，配電物聯網使充/換 電站參與配電網削峰填谷調控成為可能，解決充電負荷與其他負荷同時性的問題，對電力資源優化配置起到促進作用。同時，實時監測充電樁的運行狀態，為充電站的合理選址定容提供有益指導。

5.3 配電網動態重構

配電網動態重構主要以負荷均衡、節能降損、故障自愈等為目的，在物聯網平臺上綜合各方面信息，根據不同的需求與目的，通過配電網饋線聯絡開關、分段開關的遙控操作，重新構建配電通道。

當然，更高級的應用方向不限于上述3大方面，還可以進一步拓展出更復雜高級的新應用。

6 結語

基于配電自動化系統的物聯網平臺，可以整合現有資源，進一步拓展配電網自動化應用。配電網規模巨大、設備數量多且類型多樣，同時配電網自動化相關應用較復雜，基于微服務架構構建物聯網平臺，可以滿足平臺的高性能、高并發、高復用要求。此外，微服務的動態部署可以進一步節約網絡資源，提高平臺資源的使用性能和利用效率，對于解決人與人之間的業務關系、人對配電設備的管控關系、設備與設備之間的協同關系十分有益。

參考文獻

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（編輯 王永超編輯）

Design of IoT platform based on power distribution automation system

MENG" Xi1， NI" Yangdan^2*

（1.Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China; 2.Zhejiang Siji Technology Service Co.， Ltd.， Hangzhou 310020， China）

Abstract：" The higher the degree of automation in the distribution network is， the more urgent the need to build a power distribution IoT platform becomes. Based on IoT platform architecture，by analyzing the requirements and functions of the IoT platform combining power distribution automation system， the article proposes a design scheme for an IoT platform overall architecture which integrates 7 major functions and 5 levels based on microservice architecture. Meanwhile the article designs the frame of microapplications intigrated by microservices. Otherwise， the article adopts Docker container to manage microservices and proposes a method for dynamic deployment of microservices to meet the high concurrency and strong real-time requirements of the platform. Finally， the article discusses new application directions for IoT platforms based on power distribution automation systems.

Key words： Internet of Things platform; distribution automation system; micro-services architecture