配電云主站架構方案與關鍵技術

姚 旭，程向向，錢傳偉，秦 川，呂樹冬，李 慧

（1.南瑞集團公司（國網電力科學研究院），南京 210000；2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責任公司，北京 100192；3.國網安徽省電力有限公司滁州供電公司，安徽 滁州 239000；4.國網冀北電力有限公司秦皇島供電公司，河北 秦皇島 066000；5.國網內蒙古東部電力有限公司興安供電公司，內蒙古 烏蘭浩特 137400）

0 引言

當前，全球進入互聯(lián)網和數(shù)字經濟時代，能源革命和數(shù)字革命融合發(fā)展趨勢日益明顯。作為能源革命中心環(huán)節(jié)的電網，從技術特征和功能形態(tài)上看，正向能源互聯(lián)網演進，在此背景下，2020 年3 月16 日，國家電網有限公司召開專題黨組會議，研究并確立將“具有中國特色國際領先的能源互聯(lián)網企業(yè)”作為引領公司長遠發(fā)展的戰(zhàn)略目標。為此，配電網迫切需要深入應用“大云物移智”等新技術和新理念，全力打造一個以實現(xiàn)“配電網+物聯(lián)網”[1]深度融合為導向且具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活的配電物聯(lián)網生態(tài)系統(tǒng)，從本質上提升配電網建設、運維、管理水平，推動業(yè)務模式、服務模式和管理模式不斷創(chuàng)新，不斷提升能源資源配置能力和智能化水平，支撐能源互聯(lián)網的快速發(fā)展。

隨著配電網精益化運維的發(fā)展和配電業(yè)務的延伸，以及大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網、物聯(lián)網等新技術的應用，新型配電自動化主站已成為熱點[2]。中低壓配電網點多面廣量大，現(xiàn)有配電主站缺乏對海量終端設備的全面接入和感知能力，無法實現(xiàn)低壓設備狀態(tài)可觀可控，無法滿足配電網精益化運維需求。以每臺TTU（配電變壓器監(jiān)測終端）約1 500 點遙測數(shù)據(jù)為例，50 萬臺TTU全量數(shù)據(jù)約7.5 億點，按每秒5%的遙測數(shù)據(jù)變化計算，系統(tǒng)吞吐量達到3 750 萬/s，現(xiàn)有配電主站技術架構無法支撐如此海量TTU 設備的接入及數(shù)據(jù)處理。

配電主站業(yè)務需求不斷變化，需要部署靈活，易于開發(fā)與運維[3]。現(xiàn)有配電主站系統(tǒng)主要以主備服務器部署，系統(tǒng)性能受制于硬件，存在以下問題：無法做到資源彈性伸縮，按需動態(tài)擴展；業(yè)務應用煙囪式部署，軟件更新速度慢，迭代周期長，無法滿足快速交付、業(yè)務快速迭代的要求；缺乏智能分析手段，對數(shù)據(jù)的利用效率低，大量業(yè)務需要人工判斷，運維效率低、成本高；當前幾乎所有業(yè)務的分析和處理都在主站側進行，主站壓力太大，處理效率低。

綜上所述，需要在滿足傳統(tǒng)配電自動化系統(tǒng)、設備資產管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)貫通、信息融合的基礎上，采用虛擬化、容器技術、微服務架構[4]、并行計算等技術以軟件定義的方式實現(xiàn)配電云主站對邊緣側計算、存儲、網絡資源的統(tǒng)一調度和彈性分配；配電主站采用云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術，實現(xiàn)物聯(lián)網架構下的全面云化，最終具備泛在互聯(lián)、開放應用、協(xié)同自治、智能決策的特點。

1 基于云架構的配電主站架構設計

1.1 總體架構

基于云平臺典型的基礎設施服務層、平臺服務層以及應用服務層三層架構，采用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網、移動應用技術構建省級大四區(qū)云化配電主站系統(tǒng)，如圖1 所示。基于物聯(lián)網技術通過對并網的設備及關鍵節(jié)點的運行數(shù)據(jù)進行實時采集、上傳、識別和監(jiān)控，并在配電網可視化平臺上集中反映，從而實現(xiàn)全量數(shù)據(jù)采集、運行狀態(tài)全可見和全態(tài)勢預測[5]。向上與國網智能終端APP 應用管理中心互聯(lián)，向下通過管理通道、數(shù)據(jù)通道與智能配變終端互聯(lián)，實現(xiàn)設備即插即用與軟件定義終端、主站集中計算與協(xié)同管控、終端邊緣計算與自主分析功能。

圖1 大四區(qū)云化配電主站系統(tǒng)

1.2 硬件架構

系統(tǒng)硬件架構如圖2 所示，遵循硬件架構設計原則，采用標準硬件設備，依托成熟的云計算技術，通過IaaS 整合和管理計算、存儲、網絡等基礎設施資源，形成統(tǒng)一的IT 基礎設施資源池，為上層平臺及應用提供自動化、高可用的基礎設施服務，實現(xiàn)計算、存儲、網絡資源按需分配和快速部署，對上層軟件屏蔽硬件設備的差異，支持未來整個硬件資源平臺按需擴展，并提供全面、高效的基礎設施運維管理手段。大四區(qū)主站系統(tǒng)集中部署在省公司管理信息大區(qū)，構建數(shù)據(jù)庫集群、SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）集群、前置集群、信息發(fā)布集群、Web 服務集群、信息交換集群和圖模維護集群等，支撐配電主站各項應用功能，地市縣公司部署遠程工作站，通過工作站實現(xiàn)圖模、權限的維護，通過瀏覽器實現(xiàn)省地縣一體的分權、分責、分區(qū)的配電網運行監(jiān)控與配電網運行狀態(tài)管控。

1.3 軟件架構

1.3.1 軟件總體架構

配電網自動化大四區(qū)主站系統(tǒng)自下而上按IaaS，PaaS，SaaS 分層構建，如圖3 所示。IaaS 層實現(xiàn)資源虛擬化；PaaS 層實現(xiàn)數(shù)據(jù)標準化，并開放面向模型、實時數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)的PaaS 服務；SaaS 實現(xiàn)各類應用服務[6]。

（1）IaaS 層實現(xiàn)資源虛擬化，包括硬件虛擬化、存儲虛擬化和網絡虛擬化，同時提供云資源的管理功能[7]。

（2）PaaS 層實現(xiàn)數(shù)據(jù)標準化與基礎平臺支撐，是SaaS 層全局分析決策應用的重要支撐平臺，為其提供全網完整準確的平臺功能服務。具體包含：操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、微服務框架、云中間件、大數(shù)據(jù)組件、資源管理、軟件開發(fā)、軟件運行等基礎平臺支撐；面向電網運行的模型管理、物聯(lián)組件實現(xiàn)數(shù)據(jù)標準化；面向電網模型、數(shù)據(jù)接入、實時數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、歷史大數(shù)據(jù)的PaaS 服務。

圖2 系統(tǒng)硬件架構

圖3 云主站核心構成

（3）SaaS 實現(xiàn)以微服務的形式構建分權、分責、分區(qū)的配電網運行監(jiān)控類應用與配電網運行狀態(tài)管控類應用。

總體架構設計體現(xiàn)了物聯(lián)網、微服務、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能的應用需求。

1.3.2 PaaS 架構

主站的平臺層軟件為混合型物聯(lián)網平臺，由商用組件、開源組件、自產實時監(jiān)控平臺組件共同構成（見圖4）。商用組件包括操作系統(tǒng)、關系型數(shù)據(jù)庫、微服務框架，以及部分云中間件、資源管理、運維管理。開源組件包括大數(shù)據(jù)組件、部分云中間件。自產實時監(jiān)控平臺組件包括分布式實時庫、模型管理、部分云中間件（實時云）、各類公共服務。

自產實時監(jiān)控平臺組件支撐傳統(tǒng)實時監(jiān)控類業(yè)務，大數(shù)據(jù)組件支撐大數(shù)據(jù)的存儲、計算和分析，微服務框架、云中間件支撐平臺為微服務應用軟件開發(fā)、部署、運行提供支撐；物聯(lián)網組件支撐物聯(lián)設備的接入和管理，實現(xiàn)軟件定義終端、邊緣計算以及云邊協(xié)同等功能。

1.3.3 SaaS 架構

SaaS 包含中壓配電網監(jiān)視、低壓配電網監(jiān)視、故障分析、運行統(tǒng)計分析、設備管理、終端管理、缺陷分析、人機交互、大數(shù)據(jù)分析類應用，如圖5 所示。云化配電主站從功能層面上添加低壓配電網監(jiān)視模塊和大數(shù)據(jù)分析類應用模塊，低壓監(jiān)視模塊的功能體現(xiàn)云邊協(xié)同的要求；從實現(xiàn)層面上完成應用的微服務化。

2 關鍵技術

2.1 統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型及擴展

為了統(tǒng)一電力系統(tǒng)各對象的表達模型，為電網建模提供統(tǒng)一規(guī)范，方便不同業(yè)務系統(tǒng)和應用間信息集成，國家電網公司在IEC 61970/61968 CIM（公共信息模型）的基礎上，根據(jù)我國電網運行和管理的需求，提出了SG-CIM[8-9]。SG-CIM是國家電網公司電力物聯(lián)網建設的重要基礎，是電力物聯(lián)網業(yè)務中臺、數(shù)據(jù)中臺進行業(yè)務協(xié)同和數(shù)據(jù)共享的重要保障[10]。

為推動模型應用落地，國家電網公司推出了SG-CIM 4.5 版本作為物理模型的基線版本，各省市公司梳理各自業(yè)務應用需求進行分析，在基線版本的基礎上提出個性化擴展設計，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）創(chuàng)建與SG-CIM 平行的補充數(shù)據(jù)表，共用標準模型表主鍵，補充所需數(shù)據(jù)字段，創(chuàng)建包含標準模型表與補充數(shù)據(jù)表的聯(lián)合視圖，通過視圖查詢滿足個性化分析需求。

（2）創(chuàng)建補充物理模型表，包含個性化分析所需數(shù)據(jù)字段、主外鍵關聯(lián)關系，解決相應模型缺失與模型間關聯(lián)關系弱的問題。

圖4 配電云主站PaaS 模塊

（3）進行ETL 配置與重構，以構建中間表的形式實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)維護，再同步到生產庫，滿足各省市公司CIM 模型數(shù)據(jù)差異與應用需求變化、SG-CIM 迭代完善的需求。

2.2 分布式實時庫處理

分布式實時運行環(huán)境支撐海量配電網實時數(shù)據(jù)的接入和處理，實現(xiàn)全省配電網中低壓運行狀態(tài)的實時監(jiān)視。基于廣域系統(tǒng)內設備統(tǒng)一編碼方法實現(xiàn)全省配電網模型的集中存儲、分區(qū)維護。采用實時數(shù)據(jù)分片技術、分布式數(shù)據(jù)存儲技術、快速定位及一體化訪問技術、實時數(shù)據(jù)共享技術和冗余互備技術構建了分布式實時庫。分布式數(shù)據(jù)處理基于分布式實時庫進行并行化任務處理（流程見圖6）；分布式服務層解耦人機和業(yè)務系統(tǒng)，實現(xiàn)服務的分布式部署和上層應用快速重構。

2.3 數(shù)據(jù)匯聚流程

圖5 配電云主站SaaS 模塊

圖6 分布式實時數(shù)據(jù)庫處理流程

依據(jù)SG-CIM 數(shù)據(jù)模型接口規(guī)范，對多源系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行封裝，為云平臺提供源端唯一的數(shù)據(jù)基礎[11]。通過對PMS2.0（生產管理系統(tǒng)）、DAS（配電自動化系統(tǒng)）、營銷業(yè)務應用系統(tǒng)、用電采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型和關聯(lián)關系進行梳理，從存量數(shù)據(jù)集成與增量數(shù)據(jù)集成的角度去探討相關的匯聚方案，數(shù)據(jù)匯聚路線如圖7 所示，具體步驟如下：

（1）梳理業(yè)務系統(tǒng)，提煉形成非結構化數(shù)據(jù)與結構化數(shù)據(jù)的關聯(lián)關系，形成非結構化業(yè)務元數(shù)據(jù)信息[12]。

（2）源端業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過主數(shù)據(jù)辨識復制到貼源層數(shù)據(jù)區(qū)，采用存量抽取和增量抽取2 種方式進行數(shù)據(jù)同步。

（3）貼源層數(shù)據(jù)依據(jù)SG-CIM 標準進行抽取、轉換、加載、清洗整合后獲取業(yè)務明細數(shù)據(jù)。

（4）搭建大數(shù)據(jù)挖掘分析引擎，實現(xiàn)對明細層業(yè)務數(shù)據(jù)的多維度探查和知識鉆取，支撐上層數(shù)據(jù)應用的智能化。

2.4 低壓物聯(lián)終端管理技術

配電物聯(lián)網實現(xiàn)配電網運行、狀態(tài)及管理全過程的全景全息感知、互聯(lián)互通及數(shù)據(jù)智能應用，支撐配電網的數(shù)字化運維，概括起來配電物聯(lián)網需具備設備廣泛互聯(lián)、狀態(tài)全面感知、應用靈活迭代、決策快速智能和運維便捷高效的特征[13]。物聯(lián)管理中心弱化了設備、云、應用之間的耦合關系，提供了安全可信通道、海量信息即時通信、設備遠程監(jiān)控等能力，支持電網狀態(tài)全面感知以及超大規(guī)模、海量物聯(lián)網終端的統(tǒng)一管理，體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）統(tǒng)一設備模型接入方法，對終端設備進行抽象建模，基于設備模型的框架進行終端側設備交互數(shù)據(jù)與設備模型的映射，支撐終端設備敏捷接入、交互數(shù)據(jù)的快速解析、交互數(shù)據(jù)一致性校驗。

（2）統(tǒng)一物聯(lián)網多協(xié)議框架，制定LWM2M，CoAP，MQTT，HTTP，DDS 等常見的物聯(lián)網協(xié)議接入框架，對協(xié)議驅動插件進行管理與控制，通過加載協(xié)議驅動插件的模式快速適配新增設備接入協(xié)議，實現(xiàn)新增設備的即插即用。

（3）統(tǒng)一高并發(fā)實時流處理框架，集成低時延、高吞吐、高可靠的分布式實時流計算引擎，實現(xiàn)多任務優(yōu)化調度，最大化利用計算資源。

（4）統(tǒng)一物聯(lián)設備分域管理，實現(xiàn)分域管理及單域多業(yè)務管理，實現(xiàn)設備與應用的解耦。

3 應用案例

3.1 省級配電主站系統(tǒng)架構

某省配電網管理信息大區(qū)主站系統(tǒng)采用“N+1”部署方式，管理信息大區(qū)的全部硬件設備集中部署在省公司統(tǒng)一運維。主要由計算機硬件、操作系統(tǒng)、支撐平臺軟件和配電網應用軟件組成，應用功能采用Web 應用方式，省級集中部署，省、地、縣三級應用。

（1）各地市終端采用無線公網通信方式接入配電自動化主站管理信息大區(qū)。

圖7 數(shù)據(jù)匯聚路線示例

（2）管理信息大區(qū)系統(tǒng)經信息專網與地市公司的維護工作站進行信息交互，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)維護。

（3）地、縣公司通過辦公內網，在內網機進行Web 瀏覽，調用配電自動化管理信息大區(qū)應用。

（4）管理信息大區(qū)接入地、縣公司的配電自動化實時數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對全省的配電數(shù)據(jù)進行狀態(tài)監(jiān)測、指標分析和考核評估等功能。

3.2 省級大四區(qū)主站云化方案

針對全省范圍配電網存在點多面廣、設備量大、運維人員不足、低壓配電網故障占比高的現(xiàn)狀，結合初步建成電網資源和客戶服務業(yè)務中臺的需求，梳理了當前省級配電網管理信息大區(qū)的痛點和解決方案，如圖8 所示。

以低壓配電網精益化、智能化的態(tài)勢感知與運維管理為目標，基于云計算與物聯(lián)網新技術，圍繞“設備即插即用與軟件定義終端、主站集中計算與協(xié)同管控、終端邊緣計算與自主分析”，形成省級大四區(qū)主站云化方案，如圖9 所示。

（1）采用云平臺典型三層架構實現(xiàn)數(shù)據(jù)與應用解耦、軟硬件解耦、軟件定義電網。

圖8 配電主站云化思路

（2）通過傳統(tǒng)FTU（饋線終端）、DTU（站所終端）、TTU、簡易配變終端以及智能配電終端采集實現(xiàn)電網實時運行狀態(tài)、設備運行狀態(tài)的配電網電氣量、狀態(tài)量、環(huán)境量的接入。

（3）與國網智能終端APP 應用管理中心互聯(lián)，通過管理通道實現(xiàn)對海量終端的APP 管理、容器管理，為云端協(xié)同業(yè)務分析提供基礎。

（4）通過地縣一區(qū)配電主站圖、模、數(shù)交互接口實現(xiàn)一區(qū)實時數(shù)據(jù)的接入與模型異動信息的管理。

圖9 省級大四區(qū)云化配電主站

（5）提供包含數(shù)據(jù)組件、大數(shù)據(jù)服務、云中間件、云服務中心、運維管理的平臺基礎服務，以及包含前置數(shù)據(jù)接入、物聯(lián)設備數(shù)據(jù)接入、模型管理、數(shù)據(jù)管理、拓撲分析、權限管理、報表服務、報警服務的平臺應用服務，支撐應用運行所需的軟件運行環(huán)境。

（6）采用面向服務架構的微服務架構模式實現(xiàn)應用的服務化部署，包含中低壓配電網實時監(jiān)視類應用和運行狀態(tài)管控類應用。

（7）基于統(tǒng)一信息數(shù)據(jù)模型和大數(shù)據(jù)分析組件，為后續(xù)通過大數(shù)據(jù)分析電網運行狀態(tài)的工作奠定基礎。

4 結語

本文通過分析省級配電自動化管理信息大區(qū)終端接入與管理、配電主站業(yè)務分析與處理的現(xiàn)狀，圍繞“設備即插即用與軟件定義終端、主站集中計算與協(xié)同管控、終端邊緣計算與自主分析”，提出省級大四區(qū)云化配電主站系統(tǒng)架構，探討了四區(qū)主站云化改造的相關技術。基于統(tǒng)一信息數(shù)據(jù)模型，規(guī)范設備模型統(tǒng)一接入與實時高并發(fā)處理、分域管理；基于分布式數(shù)據(jù)采集與處理技術，提升實時數(shù)據(jù)的處理規(guī)模和處理效率，支撐實時監(jiān)控類業(yè)務；采用微服務框架、云中間件為微服務應用軟件開發(fā)、部署、運行提供支撐，解決業(yè)務迅速發(fā)展、需求頻繁變更帶來的業(yè)務更新周期長與迭代效率低的問題。上述大四區(qū)云化配電主站架構與相關技術，一是提升了海量終端大規(guī)模接入與智能化高效管理能力，二是支撐拓撲建模、狀態(tài)監(jiān)測、異常預警等業(yè)務應用向低壓配電網延伸。建設思路為省級中低壓配電網智能化感知、精益化管理研究提供借鑒。