基于微服務架構的配網一體化監控平臺研究與設計

國電南京自動化股份有限公司 高 翔

針對現有配網相關信息系統運行中存在的問題，構建了一套配網一體化監控平臺。該平臺采集已有配電自動化系統、GIS系統、負荷控制系統中的數據，經過數據處理，將各系統分散的數據整合至統一的配網模型中。基于微服務架構實現了一套各業務功能可靈活擴展的上層應用，用戶可在平臺上查看配網運行實時數據、關鍵指標，并進行統計分析，從而進一步提高配網運維管理水平。

隨著配網技術的發展，各供電公司已經完成了配電自動化系統、GIS系統、負荷控制系統建設，這些系統已經成為配網生產運行的重要工具，使配網運行的可靠性和安全生產水平得到了極大的提高，但在系統實際使用過程還存在如下問題：

（1）信息孤島：各系統獨立部署，數據關聯性較小，信息共享度和利用率低。各系統采用的信息模型不同、系統間大多采用兩兩特定接口交換數據，無法形成全域的基于公共信息和統一對象標識的數據利用。

（2）缺乏全局數據分析手段：大量信息分別存儲在不同的應用系統中，在進行運行、調度的綜合指標分析時難以獲取完整的基礎數據。另一方面，數據處理與分析能力不足，對現有配網運行數據利用率低。

針對這些問題，結合實際工作需求，提出基于微服務架構的配網一體化監控平臺，使之具備融合貫通各應用系統的支撐能力，提供高完整性、低冗余度、高質量的全局數據分析服務，提升已有信息化應用系統的實用價值。

1 技術應用

1.1 微服務架構

微服務架構是一種架構風格和設計模式，最早在2014年由Martin Fowler和James Lewis共同提出，提倡將應用分割成一系列細小的服務，每個服務專注于單一業務功能，運行在獨立的進程中，服務之間邊界清晰，采用輕量級通信機制（如HTTP/REST）相互溝通、配合來實現完整的應用，滿足業務和用戶的需求。

應用微服務架構可以將業務系統徹底的組件化、服務化，微服務專注于業務邏輯，服務功能簡單，邊界清晰，復雜度低，接口明確，利于應用開發、部署。

同時，各服務獨立擴展，自由伸縮，可以根據實際業務需求，實時動態調整每個服務的部署規模，快速啟用同一個服務的不同實例以滿足突發流量或計算量，并且每個服務有明確的邊界，不受編程語言與數據庫的制約。

1.2 Spring Cloud

Spring Cloud 構建于Spring Boot之上，為最常見的分布式系統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、輕量級的微服務實現組件，例如服務發現治理組件EureKa、服務網關Zuul、服務配置Spring Config、負載均衡Ribbon等，基于這些框架和組件，開發人員可以快速構建有彈性的、可靠的、協調的應用程序，并應用于生產中。

2 系統設計與實現

2.1 微服務技術實現

圖1 微服務架構設計

基于Spring Cloud構建一套微服務架構(見圖1)。服務網關采用Spring Cloud Gataway實現，主要負責接收外部請求，并轉發到后端對應的服務上去。服務注冊、配置中心采用Nacos實現，主要負責服務動態發現、服務配置和管理，各服務啟動時自動向Nacos注冊，調用時通過查詢服務注冊表查找可用服務實例，并在關閉時注銷，同時各服務內部運行配置文件也由Nacos集中管理，配置的修改歷史記錄可追蹤。服務調用采用Spring Cloud Feign實現，主要負責定義和實現依賴服務接口的調用。在服務開發中，只需要創建一個接口并用注解方式配置它，即可完成服務提供方的接口綁定，簡化了開發量。

2.2 系統整體架構設計

根據系統整體架構（圖3），配網一體化監控平臺一共分為4層，分別為：

（1）數據采集層

數據采集層主要負責通過對接標準接口來采集配網主站系統、負荷控制系統，地理信息系統等相關系統的數據，并將數據轉換為統一格式傳輸至數據整合層。

數據采集類型包括配置數據（配網圖模信息、設備臺賬信息)、運行數據（變電站運行數據、配變運行數據、10KV線路開關運行數據）和檢修數據（檢修計劃、故障工單登信息），配置數據和檢修數據以文件或關系數據庫形式存儲，采用定時讀取解析方式進行采集，運行數據主要通過IEC104、MODBUS等實時數據接口進行采集。

圖2 數據處理流程

（2）數據處理層

數據處理層對從各系統采集到的數據進行數據清洗，根據不同的數據類型，進行數據校驗（見圖2）。針對配網圖模數據，進行全景模型數據校驗，SVG公共圖形數據校驗，保證配網模型統一。針對配網運行與檢修海量數據中不完整數據參照其他系統進行估算填充，對無法處理的臟數據進行過濾，保證數據高度準確。對于其他異常的數據，進行異常記錄待人工核對，最終按照預先定義好的數據倉庫模型，將數據加載到數據倉庫中去。

（3）數據整合層

數據整合層主要將處理過的數據按類型分別存入實時數據庫、時序數據庫、關系數據庫。實時數據庫基于Redis實現，主要進行實時斷面數據存儲和檢索，歷史數據庫基于時序數據庫Influxdb實現，主要對快速變化的歷史數據進行壓縮、存儲和檢索，關系型數據庫基于Mysql實現，主要對配網模型等配置數據、檢修計劃等檔案數據進行存儲和檢索。

（4）應用層

應用層基于微服務實現，分為基礎服務與應用服務兩部分。

基礎服務歸納出公用的基礎功能，包括電網模型服務、地理圖形服務、用戶服務、拓撲分析服務，為上層應用服務提供基礎能力支撐。

應用服務對供電公司用戶的配網運維需求進行細化拆分，形成獨立的服務。每個服務只關注一個業務功能，服務間能夠松散耦合。其中，核心服務有：電網負荷監控、線路負載監控、電壓合格率監控、配變負載告警等。

這些服務通過API進行相互調用，并由配置中心進行統一管理、調度。Web前端頁面與手機APP調用這些服務，獲取數據以及計算結果進行展示。

2.3 主要功能實現

（1）運行指標監控：

全景監控配網10kV線路及設備的實時運行情況，提供電網現狀和配電設備運行狀態信息的查詢瀏覽功能，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行情況。

（2）指標計算：

提供指標配置功能，用戶可配置指標統計間隔、指標計算公式、指標數據源，系統按照上述配置項自動加載相關數據進行計算并得出指標值。系統已實現包括終端在線率、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、供電可靠率等指標項的實時計算與展現，供運維人員比對分析。

（3）運維管理：

圖3 系統整體架構

對系統各類設備臺賬進行統計分析，結合缺陷、檢修、搶修等工單數據，提供諸如設備故障率統計、設備運行狀態統計、設備在線時長統計等功能。根據需線路/站點、設備大類、設備類型、登記班組、發現時間、消缺時間等條件進行缺陷數據查詢統計。同時可根據設備類型、生產廠家、缺陷性質、線路/站點、所述地區、登記班組、檢修班組等不同維度按照各類條件進行分類統計。

結束語：本項目充分利用現有配網自動化系統體系資源，通過數據清洗的方式將各系統信息連接起來，建立覆蓋配網運行、運維等信息的數據庫。根據微服務架構思想，將業務功能拆分獨立的服務，各服務間相互調用、組合，形成按需擴展的上層應用功能。通過可視化展現等多種手段，實現對配網實時運營數據的監測與監管，以更全面、更直觀、更智能的方式對配網運行各環節、各系統進行管控與展示，實現數據信息的共享集成利用，最終提高運行管理人員對配網運營的掌控和決策能力。