基于云架構的電網建?？蛻舳藞D模一體化平臺構建

夏偉， 李志堅， 雷偉剛， 劉陽

(南方電網數字電網研究院有限公司， 廣東 廣州 510000)

0 引言

電網GIS平臺是將電網企業的電力設備、變電站、輸配電網絡、用電用戶與電力負荷等連接形成電力信息化的生產管理綜合信息系統。它提供的電力設備信息、電網運行狀態信息、電力技術信息、生產管理信息、電力市場信息與山川、地勢、城鎮、道路以及氣象、水文、地質、資源等自然環境信息集中于統一系統中[1-2]。通過電網GIS平臺可查詢電網有關數據、圖片、圖象、地圖、技術資料、管理知識等。電網GIS平臺目前已經深度應用到電網企業的生產運行中，對電網設備的管理、電網運行的輔助決策起到了舉足輕重的作用，但也逐步暴露出傳統架構下電網GIS平臺[3]和云計算平臺[4]的不足。存在平臺性能瓶頸、部署架構不夠靈活、業務系統集成復雜等問題，為了解決存在的這些問題，提出一種云架構下電網建模客戶端的圖模一體化平臺構建，通過優化客戶端程序的初始化效率，提升海量數據高并發情況下系統的響應速度和彈性擴展能力，構建可視化智能運維部署能力，提高平臺集成應用的便捷性。

1 云架構下電網建模客戶端的圖模一體化平臺

1.1 云架構技術

當前電網GIS平臺的數據與應用集中部署的設計理念已經難以滿足電網信息化發展對平臺提出的應用要求，也與當下彈性擴展、按需配備、功能聚合、服務遷移等信息化發展理念不相協調，有必要對現有技術架構進行調整，以滿足未來發展需要。現有系統通過融合云計算平臺獲得云端特性，形成云架構電網建模服務。云架構組成示意圖如圖1所示。

圖1 云架構組成示意

硬件基礎設施層(IaaS)由硬件資源池提供所需資源，包括需要的服務器(數據庫及應用)、操作系統、存儲(NAS或SAN)、網絡及硬件負載均衡(F5)等，為平臺層提供環境基礎。平臺層(PaaS)融合云計算架構，使用開源容器技術(Docker)和容器編排管理技術(Kubernetes)構建云計算平臺，包括軟件負載均衡、服務節點、節點管理、自動部署、集群管理、日志管理等模塊，能夠達到服務自動部署、分布式部署及動態遷移的特性，同時通過各管理模塊支撐可視化運維[5]。

1.2 電網建模架構

在電網資源存在海量數據和高并發的前提需求下，電網建模需采用內存計算、容器、智能集群等技術，實現空間數據的海量存儲、數據訪問的超大規模并發和計算的并行處理，從而滿足電網資源數據的大量增長和快速分析處理的需求。云架構下的電網建模技術架構由數據存儲層、計算服務層和資源管理層構成。云架構下的電網建模服務圖如圖2所示。

圖2 云架構下的電網建模服務

1.2.1 數據層

數據存儲層包括數據庫和文件系統。通過Oracle數據庫存儲電網資源結構化核心數據；文件系統用于存儲電網資源相關的附件、文檔等非結構化數據和地圖數據。

1.2.2 計算服務層

計算服務層是圖模一體化建模的核心層，在PaaS之上的容器中搭建電網資源服務，并通過內存數據緩存提供高性能的基礎應用服務。在內存中加載電網資源空間拓撲數據，以電網資源內存對象方式進行存儲，基于數據提供空間拓撲數據查詢、空間分析、拓撲分析、符號化渲染等通用空間服務能力。內存中存儲單份空間拓撲運行數據，和空間拓撲版本數據，進行版本數據查詢和運算時，將數據疊加使用，其數據更新和多節點同步采用數據庫輪詢更新的方式[6]。

在內存數據緩存的基礎之上，構建要素服務(數據編輯)、空間分析服務、電網拓撲分析服務、查詢統計服務、元數據服務、樣式服務、專題圖生成服務、圖模數據服務、版本管理服務等，形成電網資源服務，以服務和組件的形式對上層提供支撐。電網資源服務對于空間拓撲數據的讀寫均調用內存緩存，繼承現有數據維護的功能邏輯，對主要邏輯層進行組件化封裝，在組件之上進行服務接口的封裝。電網資源服務通過打包為鏡像的方式部署至Docker容器，使用Kubernetes進行容器的編排管理，實現持續交付能力。

1.2.3 資源管理層

資源管理層是直接面向用戶的交互層，包括云平臺管理Web前端和電網資源管理。云平臺管理是用于管理云平臺的可視化管理系統；電網資源管理用于為上層業務應用提供支撐，基于C++組件和JS-SDK構建，圖模一體化的電網建?？蛻舳司屯ㄟ^該模塊實現。

1.3 圖模一體化電網建模客戶端設計

電網資源建模前端將電網資源建模和維護的主要邏輯集成至服務端，前端僅負責展示和操作，調用服務端實現其他邏輯功能，不緩存大量數據。提升數據建模客戶端性能，減少數據不一致的風險，實現電網建模與電網資源服務統一邏輯，降低系統開發成本。建模前端提供電網資源空間拓撲數據的生成維護、功能位置對象的生成維護、臺賬數據的生成維護，對電網資源數據的展現、查詢分析統計，以及基于電網資源數據的專題圖生成管理等功能。

1.3.1 電網建?？蛻舳思夹g架構

對于輕量化建模客戶端通過諾基亞公司可視化開發平臺Qt5開發[7]，使用QtitanRibbon、QtitanDocking的UI組件構造程序主界面框架，支持Ribbon界面風格，支持Docking?？看翱凇］p量化電網建?？蛻舳思夹g架構如圖3所示。

圖3 輕量化電網建模客戶端技術架構

輕量化建模客戶端不在程序啟動階段緩存大量電網數據，而是在視圖刷新時根據視圖對應的地理范圍和顯示比例尺向服務請求獲取本屏矢量數據、拓撲數據和標注屬性數據，通過Qt C++繪圖引擎對矢量數據進行矢量渲染繪制。

輕量化建?？蛻舳藘H負責圖形展示和建模界面操作，將電網資源建模和維護的主要邏輯集成至服務端，前端建模工具通過組合調用電網資源服務的數據編輯服務和空間計算服務實現電網資源數據維護功能，前端和服務端采用基于HTTP的REST服務進行服務接口交互。輕量化建?？蛻舳思稍O備臺賬維護界面，實現了圖形及臺賬統一界面錄入，增強繪圖與臺賬錄入協同。實現GIS和生產系統臺賬、圖模表共庫，基于數據同源解決GIS、生產系統功能位置數據不一致問題。

1.3.2 電網建?？蛻舳藨眉軜?/p>

(1) 建?？蛻舳苏故緦?/p>

建?？蛻舳耸菙祿木庉嫛⒉樵?、統計分析的界面展示層，通過組合調用電網資源服務，為前端用戶提供電網資源建模功能和數據查詢統計功能，功能包括圖形基本操作、顯示管理、查詢與定位、通用圖形編輯、線路建模、廠站建模、營銷資源建模、數據質量管理、設備臺賬管理、電網空間拓撲分析、電網專題圖管理等。圖形基本操作功能包括縮放、漫游、前后視圖、全圖等功能，適用于地理圖、廠站一次接線圖、專題圖等圖形瀏覽操作。顯示管理包括鷹眼圖、比例尺顯示和設置、圖形顯示控制、電網著色、高亮顯示等功能[8]。輕量化電網建?？蛻舳藨眉軜嬋鐖D4所示。

圖4 輕量化電網建?？蛻舳藨眉軜?/p>

查詢與定位提供電網資源、地理資源的屬性查詢、圖樹定位等功能，包括設備導航樹、設備屬性查詢、電網資源名稱查詢、坐標定位、書簽定位等。

通用圖形編輯提供地理圖、廠站接線圖、電氣專題圖等公共的編輯功能，包括對點、線、面、文字等圖形要素的添加、刪除、移動、復制、節點編輯、打斷等操作。

線路建模功能提供以圖形化方式在地理圖上建立輸電、配電、低壓線路的電網模型，提供各種工具實現線路和設備的地理位置、設備命名、管理關系和拓撲關系的新建和改接，包括廠站編輯、線路編輯、桿塔編輯、配網柱上設備編輯、電纜編輯、交叉跨越編輯、批量導入設備、輔助定位等功能。其中廠站編輯提供地理圖上新增/拆除廠站、位置、站內外進出線編輯等功能，廠站內部的一次接線圖和拓撲維護在廠站建模功能中完成。

廠站建模功能提供以圖形化的方式在接線圖、廠站布置圖上建立發電、變電、配電廠站的電網模型，提供各種工具實現設備的圖形位置、設備命名、管理關系和電氣拓撲關系的新建和修改，包括間隔編輯、間隔模板庫管理、設備編輯、站內外連接點編輯、站內圖復制、設備標柱編輯等功能。該功能用于發電廠、變電站、換流站等發變電廠站以及開關站、配電站、環網柜、電纜分支箱、箱式變等配電站房的一次接線圖繪制和拓撲維護。

(2) 電網資源服務

電網資源服務是數據的編輯、查詢、統計分析的具體邏輯實現層，涵蓋圖形拓撲維護、臺賬維護、數據查詢統計、空間拓撲分析、版本管理等服務模塊，對接上層應用和數據緩存服務。其中,對于圖形拓撲和功能位置數據(包含各類系統及虛擬功能位置在內的所有功能位置數據)的增刪改查操作通過調用數據緩存服務實現，對于設備臺賬數據的增刪改查操作通過直接連接數據庫實現。電網資源服務實現數據創建和維護的功能，創建/修改圖形對象、拓撲關系、功能位置、設備臺賬對象的具體邏輯均由電網資源服務負責，維護入口僅需傳入必要的參數即可。

2 服務調試

考慮到云架構模式下的電網建?？蛻舳藞D模一體化平臺服務調用效率，服務以“客戶端→電網資源服務→數據緩存服務→數據庫”為主要調用模式，對其進行實驗，調試的實驗過程如圖5所示。

圖5 調試過程

2.1 服務調試的關鍵點

2.1.1 空間拓撲和功能位置數據讀寫

由客戶端調用電網資源服務的空間拓撲模塊，空間拓撲模塊查詢數據緩存服務讀節點，進行內存數據查詢并返回至空間拓撲模塊，如需要同時查詢臺賬，則由空間拓撲模塊調用臺賬模塊返回查詢的結果?？臻g拓撲模塊調用數據緩存服務寫節點，進行數據的更新寫入，寫節點在同一事務內寫入數據庫，同時讀節點輪詢數據庫進行數據更新，對于涉及到的臺賬數據變更，則由空間拓撲模塊調用臺賬模塊進行數據寫入。數據讀寫的結果由空間拓撲模塊統一返回至客戶端。對于功能位置數據的寫入，空間拓撲和臺賬模塊均通過功能位置模塊進行寫入，功能位置模塊調用寫節點寫入數據庫。

2.1.2 臺賬數據讀寫

由客戶端調用電網資源服務的臺賬模塊，臺賬模塊查詢數據庫(包括功能位置)，如需要同時查詢空間拓撲，則通過數據庫直接讀取，返回查詢的結果。臺賬模塊調用數據庫進行數據的更新寫入，對于涉及到的圖形拓撲或功能位置數據變更，則由臺賬模塊調用空間拓撲模塊進行數據寫入，數據讀寫的結果由臺賬模塊統一返回至客戶端。

2.2 調試結果

通過對數據進行讀寫，進行數據調試后的數據分析可知，云架構下電網圖模一體化建?？蛻舳耍瑢⒎爆崗碗s的數據處理邏輯從客戶端遷移到了服務端，構建出了輕量化的建模客戶端，減少數據丟失風險，提升了建?？蛻舳诵阅?。

3 實驗測試

3.1 不同平臺下電網服務調用效率測試

基于云架構下的電網建?？蛻舳似脚_包括容器管理、服務管理、資源管理和可視化監控等模塊，為驗證該平臺的實際有效性，將在實驗中以某電網建模客戶端的數據為例，設計對比實驗，以文獻[3]提出的電網GIS平臺和文獻[4]提出的云計算平臺為對比對象，以電網服務調用效率為指標，電網服務調用效率越高，電網建?？蛻舳诵阅茉胶茫煌脚_下電網服務調用效率如圖6所示。

圖6 不同平臺下電網服務調用效率對比結果

由電網服務調用效率對比結果可知，隨著電網節點數量的不斷增加，電網服務調用效率逐漸下降，但相比文獻[3]平臺和文獻[4]平臺，本文平臺的電網服務調用效率下降速度比較緩慢，電網服務調用效率持續保持在4 000次/s以上，電網建模客戶端性能較好，其驗證了該平臺的實際有效性。

3.2 不同平臺運行穩定性測試

為驗證平臺運行穩定性，以出錯概率為指標，出錯概率越小，平臺運行穩定性越好，以繪制柱形圖的形式呈現3種平臺的出錯概率，如圖7所示。

圖7 不同平臺下出錯概率對比結果

由圖7可知，文獻[3]平臺和文獻[4]平臺出錯概率趨勢不穩定，且出錯概率在8%-9%左右，而本文平臺的出錯概率趨勢較為穩定，出錯概率持續保持在3%左右。由此表明，本文平臺能夠減少數據丟失和不一致的風險，降低系統開發成本，平臺運行穩定性較好。

3.3 不同平臺運行安全性測試

為驗證平臺運行安全性，以抗干擾概率為指標，抗干擾概率越大，平臺運行安全性越好，以繪制柱形圖的形式呈現3種平臺的抗干擾概率，如圖8所示。

圖8 不同平臺下抗干擾概率對比結果

由圖8可知，文獻[3]平臺和文獻[4]平臺的抗干擾性能不穩定，且抗干擾概率在80%-85%左右，而本文平臺的抗干擾概率趨勢較為穩定，抗干擾概率持續保持在95%左右。由此表明，相比兩種文獻方法，本文平臺抗干擾概率更高，平臺運行安全性更好。

3 總結

本文基于云計算平臺，構建可視化管理前端，包括容器管理、服務管理、資源管理(硬件)和可視化監控等模塊，通過內置分發與部署工具簡化應用部署，實現平臺、服務的一鍵式熱部署，提供圖形化運維支撐，降低技術門檻和出錯概率，提高電網服務調用效率和抗干擾概率，有效保障平臺運行的穩定性和安全性。通過對云架構下電網建?？蛻舳说膱D模一體化建模技術研究，升級現有電網GIS平臺到云架構，具備高性能、易維護、彈性可擴展能力，適應電網業務應用需求，解決現有電網GIS平臺中的痛點問題。