基于微服務架構的智能配電網基礎平臺開發

吳爭榮 包新曄 尹立彬 梁耀文

1(中國南方電網有限責任公司生產技術部 廣東 廣州 510000) 2(南方電網數字電網研究院有限公司 廣東 廣州 510000)

0 引 言

配電網管理水平直接影響電網的供電能力與供電質量，關系電網的運營水平和社會形象[1]。加強配電網管理是滿足客戶訴求、實現企業健康發展的重要途徑，有利于實現社會穩定，促進國家經濟發展。

智能配電網是傳統配電網與信息化技術相結合的產物，未來配網業務運轉對自動化和信息化技術依賴更強[2-3]。長期以來，配電網相關信息系統如配電自動化系統、地理信息系統、營銷管理系統等獨立開發[4-6]，且開發時序差異較大，容易出現信息“孤島”現象。針對該問題，國內外很多研究人員深入開展智能配電網信息系統相關研究。文獻[7-8]在現有配電網管理系統的基礎上，分別提出了數據故障解決方案和負荷預測建模功能的實現方案。文獻[9-10]引入集成理念，研究配電網相關系統的整合技術。此外，德國西門子公司研發并推行信息集成化系統，把配電管理系統與網絡規劃相結合[11]。美國PJM致力于開發先進的技術支持系統，著手建設下一代先進控制中心，有利于對配電網進行統一規劃和管理[12-13]。

近幾年國內一些科研院所對智能配電網基礎平臺所需的數據開展了一些研究工作，主要基于大數據技術。文獻[14]研究了大數據技術在智能配用電領域的主要應用。文獻[15-16]基于大數據技術，分別研究了智能配電網統一支撐平臺和自動監測系統。2013年國家電網開始研發設計營銷大數據智能分析系統，該系統依托大數據技術，開啟了一種新的客戶服務模式[17]。2015年中國南方電網公司開展了配用電大數據信息模型的相關研究工作，廣東電網建設了配用電網大數據平臺[18]。還有一些研究者將云計算理念引入到配電網平臺建設中，促進了配電網信息化水平的提升。

雖然配網相關信息化系統建設研發工作已取得一定成效，但仍存在一些問題。從技術層面上看，數據和接口規范差異較大，研發周期長，智能技術應用不足，數據難以共享，難以形成全網統一的管控體系。從業務層面上，配網業務涉及營、配、調多個領域，跨專業流程銜接融合不暢，配電網結構復雜，精益化管理程度不高。

綜上所述，有必要對智能配電網基礎平臺關鍵技術進行研究。本文基于微服務架構理論基礎，構建了統一的智能配電網基礎平臺，介紹了平臺的架構、功能及應用。該平臺可提供數據分析和共享服務，對各類業務應用提供服務支撐，為客戶提供智能化數字配電網服務。在南方電網的應用表明其有效性。

1 需求分析

南方電網在配網信息化系統研究方面已取得一定的研究成果。為了便于對各項業務進行統一管控，南方電網建立了較為完整的“6+1”業務應用體系。該系統整合了生產、營銷、GIS、各單位的調度自動化等系統，構建了配網運營管控的基礎應用體系，具備了為智能配電網全過程管理建設提供數據、流程服務的基礎能力。

隨著協同系統及相關業務系統的持續變化，系統建設廠家各異，數據和接口規范存在較大差異，總是面臨著不穩定因素，重復投資明顯。同時，上層應用對一體化生產、營銷、GIS平臺有較強的依賴性，一體化系統如發生較大調整，將直接影響上層業務功能的正常使用，信息孤島情況明顯。

此外，信息系統建設還存在以下問題：不同公司對相同業務需求的管理相互分割，管理方式差異較大，管理邊界模糊不清，致使很多系統功能重復開發，不便于系統的推廣和復用；部分系統在數據使用方面相互獨立，不同業務之間的標準與規范不統一，導致大量數據重復錄入且數據共享較為困難；管理方面存在的問題會影響業務流程，不利于跨專業流程的融合和銜接。同時，隨著外部用戶對客戶服務質量要求越來越高，內部管理對企業運營、安全生產方面精細化水平的要求越來越細化，以瀑布模型為流程的系統建設周期及敏捷性越來越難以滿足。

為了提高信息化部署的效率，保障業務架構內部安全，推進配電網建設改造更快更好的發展，應該在現有系統的基礎上，優化系統框架，采用業務模塊復用的方式，讓通用的業務模塊一次編寫，隨處可用。微服務技術可為實現該業務方式提供解決方案。基于微服務架構，在現有一體化系統的基礎上，優化業務流程，進行系統需求變更、優化和功能改造，可大大縮短需求和功能變更的發布周期。在配網業務功能整合過程中，從業務流程驅動的角度去考慮和拆分具體的業務單元，這些業務單元形成獨立的業務組件，有利于滿足各個部門日常業務需求。一個服務組件出問題，不會對其他服務產生影響，從而有利于智能配電網系統運行的穩定性和高效性。

2 平臺架構

2.1 總體架構

智能配電網基礎平臺整體上基于微服務架構模式和分層架構模式，在邏輯上將系統劃分為六層，分別為用戶層、應用層、服務層、組件層、平臺層和資源層。平臺總體架構如圖1所示。

圖1 平臺總體架構

平臺各層介紹如下。

用戶層：滿足用戶業務處理界面展現要求，包括對不同瀏覽器、操作系統、終端、網絡環境、語言環境的客戶端支持，提供統一登錄入口和統一工作臺，能夠與各種客戶端系統和設備進行交互。

應用層：負責對用戶請求的轉發，不包含具體的應用功能的實現。用戶發起請求后，應用層的控制器對請求進行受理，將業務請求分發到具體的業務邏輯中。應用層接受用戶的輸入并調用服務層進行數據的訪問操作，將數據返回給用戶層進行界面的呈現。

服務層：服務層包含服務網關和業務服務兩部分。服務網關提供服務接入的總入口，對所有服務進行攔截過濾，并具備有路徑解析、服務查找、服務轉發等功能。業務服務提供業務功能的實現，并為應用層和外部系統提供了調用服務的接口。

組件層：為業務功能的實現提供豐富的組件庫，業務功能模塊無須再進行通用功能的實現，只需要進行簡單調用即可。

平臺層：平臺層相當于一個最小運行系統，提供最基礎功能的支撐，包含對工作流、人員組織、權限等各方面的底層技術支撐。

資源層：資源層包含應用資源和系統資源兩部分。應用資源主要包括數據庫資源、FTP資源、中間件資源和緩存資源；系統資源包括操作系統、計算資源、存儲資源、網絡資源等。

2.2 應用架構

智能配電網基礎平臺的應用架構包含兩部分：開發管理平臺和服務管理平臺。

(1) 開發管理平臺。開發管理平臺負責對業務需求建模、開發、測試、代碼管理等開發相關工作進行管理。其整體結構如圖2所示。

圖2 開發管理平臺應用架構

智能配電網基礎平臺主要包含以下幾部分。

開發IDE：包括平臺管理和開發建模兩部分。提供統一的可視化開發環境以便設計和開發人員能夠快速完成業務服務、業務界面的設計與代碼生成。

運行時框架：運行時框架提供代碼運行的環境，主要是基于微服務技術構建了一套支撐業務微服務運行的技術框架，保證業務穩定高效地運行。

源碼管理：源碼管理構建了一套對源碼進行管控的標準機制，可以有效保障開發過程中代碼的規范性。

(2) 服務管理平臺。服務管理平臺針對智能配電業務服務和基礎組件服務進行統一管理，從而隔離了業務需求開發和服務治理。服務管理平臺的應用架構如圖3所示。

圖3 服務管理平臺應用架構

服務網關根據業務服務請求的路徑規則，從服務注冊中心尋找到對應的業務服務，并把請求交由它們處理。服務注冊中心負責將業務微服務的IP、端口等信息進行注冊，在網關或其他服務進行請求調用時，通過服務發現功能返回對應的后端微服務地址。

2.3 技術架構

智能配電網基礎平臺采用微服務架構進行設計和開發，以達到對業務服務的靈活管理及維護，有效支撐業務領域內各業務應用未來的接入、變化和擴展。系統技術架構如圖4所示。

圖4 系統總體技術架構

系統技術架構各部分概述如下。

負載均衡器：負責接收請求、轉發請求；保障系統業務請求接收和處理的及時性、有效性、準確性。該部分的實現技術為F5或Nginx。

服務網關：服務網關統一了服務調用的入口，同時具有身份驗證、監控、限流等職責。其中，服務路由及熔斷和調用等功能基于Spring Zuul、Spring Hystrix、Spring Ribbon等技術實現，服務鑒權和認證基于Spring Security/Oauth2實現。

REST服務注冊中心：負責所有業務服務的注冊，并以Rest的形式對外發布；負責記錄服務和服務地址的映射關系，以便其他請求(網關)能夠發現。當需要調用一個業務服務時，服務網關就到這里找到服務的地址進行調用。REST服務注冊中心使用Spring Eureka技術實現。

RPC服務注冊中心：與REST服務注冊中心類似，負責服務注冊和發布工作。兩者不同之處在于，它是以實現RPC(遠程接口調用)接口規范為目的，對外提供RPC方式的訪問，實現RPC接口服務，其調用方式與普通的Java調用無異，可提升開發效率。同時，由于RPC調用一般存在于服務內部間的訪問，可以提升服務的訪問效率。該部分可基于Dubbo框架實現。

Java微服務：Java微服務基于Spring boot框架實現。

2.4 數據架構

平臺數據架構如圖5所示。構建配電網全過程數據共享中心，按照模型標準接入平臺需要的模型數據，包括圖形、拓撲、臺賬、客戶、電流、電壓等數據。其中：生產系統數據庫提供了臺賬、生產業務數據；南網數據中心提供了GIS數據和調度計量等數據。對數據進行清洗、映射、轉換，驗證數據的一致性、完整性、正確性，供配電網生產業務、GIS業務和自動化業務調用。為保證接入平臺的數據質量，制定數據管控策略對數據進行辨識、分析、閉環修復。

圖5 平臺數據架構

3 實現功能與關鍵技術

3.1 平臺功能介紹

智能配電網基礎平臺主要包含開發建模、平臺管理、基礎應用平臺、服務網關、CIM模型服務和WebGIS可視化服務等功能。

(1) 開發建模。開發建模主要功能有模塊首頁、項目建模、快速構建、實體建模、數據庫建模、界面建模、工作流建模、數據項配置和工作臺配置。

(2) 平臺管理。平臺管理主要功能有首頁統計數據、人員管理、團隊管理、公告管理、開發平臺代碼模板管理和首選項配置。

(3) 基礎應用平臺。基礎應用平臺的主要功能包括：登錄、用戶管理、組織管理、菜單管理、權限管理、電子公告管理、系統模塊管理、系統插件管理、聯系人員管理、配置平臺管理、用戶桌面管理、組織選擇標簽管理、實施輔助工具管理、個人工具管理和工作日歷管理。

(4) 服務網關。服務網關是智能配電網基礎平臺對外的入口，封裝了系統內部架構，整合了所有服務，解除服務之間的直接依賴，將外部公共服務API與內部服務API分開，允許添加服務和更改邊界。服務網關支持重構服務，且不會對外部綁定客戶端產生負面影響。此外，服務網關提供對http請求的路由配置、權限控制、請求加密、流量控制等功能。

(5) CIM模型服務。CIM模型服務是基于Postgres數據庫中統一CIM模型數據表實現的，實現CIM對象的增、刪、改、查等原子操作。

(6) WebGIS可視化服務。包括GIS瀏覽、查詢、空間分析、拓撲分析服務，基于Postgres中的GIS圖層數據，提供OGC WFS、WMTS服務，用于實現電網和圖層的矢量圖形發布(通過WMTS發布矢量切片)、空間和屬性查詢(通過WFS服務)。

3.2 關鍵技術研究

智能配電網基礎平臺基于微服務思路，梳理微服務在企業應用功能研發過程中的需求點和復用方式，研究基于SpringClound和Dubbo框架的微服務網關、服務注冊中心、微服務實現與調用等相關技術[23-25]，構建微服務整體技術路線，如圖6所示。

圖6 微服務整體技術路線

首先瀏覽器向前端的Nginx代理服務器發送請求，加載相關靜態資源，同時通過Ajax請求網關。服務網關對要訪問的服務進行定位和調用，并返回相應的結果。后端服務通過注冊到REST服務中心供服務網關訪問。后端服務之間的調用通過RPC協議實現。智能配電網基礎平臺涉及到的關鍵技術主要包括：

(1) 后端微服務研發模式。智能配電網業務較為復雜且業務需求量大，采用微服務架構對配電網基礎平臺進行設計便于對不同業務進行維護，有利于對配電網進行統一管控。微服務即對智能配電網的業務應用在功能、數據等方面進行分解，劃分成多組小的服務，通過服務之間的協調和配合為用戶提供價值。微服務架構中，每個微服務均對應獨立的業務功能，這些獨立的業務功能對系統中其他部分的依賴較小，便于應對外界故障。容器技術是微服務架構的重要技術之一。容器技術能夠將軟件從底層的硬件中分離出來，有助于充分地分解應用程序從而促進敏捷開發和部署。容器技術允許不同容器共享相同的內核，容器之間相互隔離，容器間的服務通過統一接口進行調用，相互不影響。容器技術規范了它所需要的鏡像標準，為服務的標準化提供了一個類資源庫，便于容器的共享和發布。分布式數據管理也是微服務架構中涉及到的重要技術。當一種數據與多個服務相關時必須保證數據一致性。配電網中涉及到的數據多樣，需要對這些數據信息進行分類處理，將各種不同的數據進行提取、格式轉換等操作，并按照統一的協議標準進行加工處理和存儲，形成統一的、規范的、可利用的綜合信息。

(2) 前端可視化界面設計。界面建模包括對基本信息、布局、控件狀態、行為等的維護。智能配電網基礎平臺提供了可視化的界面設計器，所見即所得，使用拖拽控件的方式布局界面?？丶^集成了布局控件、基本控件、最佳實踐控件、擴展控件、自定義控件、組合控件等，提供了三種布局控件，通用布局、快速布局、BorderLayout布局，其他控件必須由布局控件承載，把可控件拖拽到布局區進行布局。在屬性區顯示控件可操作的屬性、行為、狀態等，在樹形結構區可使用樹形結構展現布局結構。此外，平臺設計過程中，總結了很多事件和方法的模板，比如列表變化的事件，有利于降低代碼重復率，提升編碼效率。

4 應 用

4.1 現有生產、GIS、配網自動化系統服務化組件改造應用

基于現有的生產、GIS、自動化系統的配網業務應用，從決策、管理、執行層三個不同崗位角色的管理要求，研究配電網業務管理縱向到底的全流程貫通，構建端到端的體系，實現通過服務化組件改造提供各種服務，如基礎服務、圖形瀏覽服務、查詢定位服務、電網資源服務、矢量圖形服務、專題圖服務、空間分析服務、負荷預測服務和配電潮流計算服務等。劃分組件后，各個組件相互獨立，當某一組件出現問題時，不會對其他組件產生影響，既便于對生產管理系統、GIS應用系統、配電網自動化系統的統一管控，也便于對系統進行維護?，F有生產、GIS、配網自動化系統服務化組件改造應用示意圖見圖7。

圖7 現有生產、GIS、配網自動化系統服務化組件改造應用

4.2 構建配網精益化運維模式

配網精益化運維模式如圖8所示。配網精益化運維包含數據采集、數據集市、數據分析、管理應用等四個方面。

圖8 配網精益化運維模式

采集的數據來自于配電網終端，如計量終端、監測終端等。數據集市采用云存儲技術，對終端采集的多元異構數據進行存儲和標準化。數據分析依托大數據技術和云計算技術，完成數據的計算和顯示。通過終端標準化的狀態收集評估，建立終端狀態綜合評價體系，定義了KPI計算方法，根據終端上送的實時數據和歷史指標進行動態KPI計算及顯示。數據分析計算結果一方面可用于指導投資、管理項目和物資等，為配網規劃和建設提供參考，另一方面，有助于配網業務的監測和管控。通過構建配網精益化運維模式，統一了數據標準，可支撐配網全過程數字化、科學化管理，為數字化配電網奠定數據基礎。

4.3 配網全景展示模型

針對配電網各種管理流程超時、運行異常、告警狀態時不同崗位和不同角色人員的關注點不同等問題，為不同人員提供關注信息的全景可視化展示，實現基于分層分級的配電網管理、運行狀態全景可視化展示。配網全景展示模型如圖9所示。

>(a) 設備監測首頁界面 (b) 設備單體展示界面 (c) 變壓器基準態指標統計界面

>(d) 安全穩患展示界面 (e) 線路監控展示原型界面 (f) 雷電定位主題界面

(g) 缺陷主題和統計界面圖9 配網全景展示模型

5 結 語

針對配電網信息系統存在的數據接口規范差異大、數據共享困難等諸多問題，基于微服務架構，構建了統一的智能配電網基礎開發平臺。主要工作如下：

(1) 對平臺進行需求分析，設計了平臺的基本架構，包括總體架構、應用架構、技術架構、數據架構。

(2) 實現了平臺的基本功能并對平臺用到的關鍵技術進行了闡述。

(3) 介紹了平臺支持的實際重點應用，包括現有“生產、GIS、自動化”系統服務化組件改造、配網精益化運維模式和配網全景展示模型三方面。

該平臺具備獨立模塊化體系，采用分布式服務注冊機制，縮短了開發周期。平臺能夠提供大數據分析和共享服務，對各類業務應用提供配電網業務服務支撐，可為客戶提供智能化數字電網服務，目前已在南網投入應用，取得良好效果。