基于微服务架构的智能配电网基础平台开发

吴争荣 包新晔 尹立彬 梁耀文

1(中国南方电网有限责任公司生产技术部 广东 广州 510000) 2(南方电网数字电网研究院有限公司 广东 广州 510000)

配电网管理水平直接影响电网的供电能力与供电质量，关系电网的运营水平和社会形象[1]。加强配电网管理是满足客户诉求、实现企业健康发展的重要途径，有利于实现社会稳定，促进国家经济发展。

智能配电网是传统配电网与信息化技术相结合的产物，未来配网业务运转对自动化和信息化技术依赖更强[2-3]。长期以来，配电网相关信息系统如配电自动化系统、地理信息系统、营销管理系统等独立开发[4-6]，且开发时序差异较大，容易出现信息“孤岛”现象。针对该问题，国内外很多研究人员深入开展智能配电网信息系统相关研究。文献[7-8]在现有配电网管理系统的基础上，分别提出了数据故障解决方案和负荷预测建模功能的实现方案。文献[9-10]引入集成理念，研究配电网相关系统的整合技术。此外，德国西门子公司研发并推行信息集成化系统，把配电管理系统与网络规划相结合[11]。美国PJM致力于开发先进的技术支持系统，着手建设下一代先进控制中心，有利于对配电网进行统一规划和管理[12-13]。

近几年国内一些科研院所对智能配电网基础平台所需的数据开展了一些研究工作，主要基于大数据技术。文献[14]研究了大数据技术在智能配用电领域的主要应用。文献[15-16]基于大数据技术，分别研究了智能配电网统一支撑平台和自动监测系统。2013年国家电网开始研发设计营销大数据智能分析系统，该系统依托大数据技术，开启了一种新的客户服务模式[17]。2015年中国南方电网公司开展了配用电大数据信息模型的相关研究工作，广东电网建设了配用电网大数据平台[18]。还有一些研究者将云计算理念引入到配电网平台建设中，促进了配电网信息化水平的提升。

虽然配网相关信息化系统建设研发工作已取得一定成效，但仍存在一些问题。从技术层面上看，数据和接口规范差异较大，研发周期长，智能技术应用不足，数据难以共享，难以形成全网统一的管控体系。从业务层面上，配网业务涉及营、配、调多个领域，跨专业流程衔接融合不畅，配电网结构复杂，精益化管理程度不高。

综上所述，有必要对智能配电网基础平台关键技术进行研究。本文基于微服务架构理论基础，构建了统一的智能配电网基础平台，介绍了平台的架构、功能及应用。该平台可提供数据分析和共享服务，对各类业务应用提供服务支撑，为客户提供智能化数字配电网服务。在南方电网的应用表明其有效性。

南方电网在配网信息化系统研究方面已取得一定的研究成果。为了便于对各项业务进行统一管控，南方电网建立了较为完整的“6+1”业务应用体系。该系统整合了生产、营销、GIS、各单位的调度自动化等系统，构建了配网运营管控的基础应用体系，具备了为智能配电网全过程管理建设提供数据、流程服务的基础能力。

随着协同系统及相关业务系统的持续变化，系统建设厂家各异，数据和接口规范存在较大差异，总是面临着不稳定因素，重复投资明显。同时，上层应用对一体化生产、营销、GIS平台有较强的依赖性，一体化系统如发生较大调整，将直接影响上层业务功能的正常使用，信息孤岛情况明显。

此外，信息系统建设还存在以下问题：不同公司对相同业务需求的管理相互分割，管理方式差异较大，管理边界模糊不清，致使很多系统功能重复开发，不便于系统的推广和复用；
部分系统在数据使用方面相互独立，不同业务之间的标准与规范不统一，导致大量数据重复录入且数据共享较为困难；
管理方面存在的问题会影响业务流程，不利于跨专业流程的融合和衔接。同时，随着外部用户对客户服务质量要求越来越高，内部管理对企业运营、安全生产方面精细化水平的要求越来越细化，以瀑布模型为流程的系统建设周期及敏捷性越来越难以满足。

为了提高信息化部署的效率，保障业务架构内部安全，推进配电网建设改造更快更好的发展，应该在现有系统的基础上，优化系统框架，采用业务模块复用的方式，让通用的业务模块一次编写，随处可用。微服务技术可为实现该业务方式提供解决方案。基于微服务架构，在现有一体化系统的基础上，优化业务流程，进行系统需求变更、优化和功能改造，可大大缩短需求和功能变更的发布周期。在配网业务功能整合过程中，从业务流程驱动的角度去考虑和拆分具体的业务单元，这些业务单元形成独立的业务组件，有利于满足各个部门日常业务需求。一个服务组件出问题，不会对其他服务产生影响，从而有利于智能配电网系统运行的稳定性和高效性。

2.1 总体架构

智能配电网基础平台整体上基于微服务架构模式和分层架构模式，在逻辑上将系统划分为六层，分别为用户层、应用层、服务层、组件层、平台层和资源层。平台总体架构如图1所示。

图1 平台总体架构

平台各层介绍如下。

用户层：满足用户业务处理界面展现要求，包括对不同浏览器、操作系统、终端、网络环境、语言环境的客户端支持，提供统一登录入口和统一工作台，能够与各种客户端系统和设备进行交互。

应用层：负责对用户请求的转发，不包含具体的应用功能的实现。用户发起请求后，应用层的控制器对请求进行受理，将业务请求分发到具体的业务逻辑中。应用层接受用户的输入并调用服务层进行数据的访问操作，将数据返回给用户层进行界面的呈现。

服务层：服务层包含服务网关和业务服务两部分。服务网关提供服务接入的总入口，对所有服务进行拦截过滤，并具备有路径解析、服务查找、服务转发等功能。业务服务提供业务功能的实现，并为应用层和外部系统提供了调用服务的接口。

组件层：为业务功能的实现提供丰富的组件库，业务功能模块无须再进行通用功能的实现，只需要进行简单调用即可。

平台层：平台层相当于一个最小运行系统，提供最基础功能的支撑，包含对工作流、人员组织、权限等各方面的底层技术支撑。

资源层：资源层包含应用资源和系统资源两部分。应用资源主要包括数据库资源、FTP资源、中间件资源和缓存资源；
系统资源包括操作系统、计算资源、存储资源、网络资源等。

2.2 应用架构

智能配电网基础平台的应用架构包含两部分：开发管理平台和服务管理平台。

(1) 开发管理平台。开发管理平台负责对业务需求建模、开发、测试、代码管理等开发相关工作进行管理。其整体结构如图2所示。

图2 开发管理平台应用架构

智能配电网基础平台主要包含以下几部分。

开发IDE：包括平台管理和开发建模两部分。提供统一的可视化开发环境以便设计和开发人员能够快速完成业务服务、业务界面的设计与代码生成。

运行时框架：运行时框架提供代码运行的环境，主要是基于微服务技术构建了一套支撑业务微服务运行的技术框架，保证业务稳定高效地运行。

源码管理：源码管理构建了一套对源码进行管控的标准机制，可以有效保障开发过程中代码的规范性。

(2) 服务管理平台。服务管理平台针对智能配电业务服务和基础组件服务进行统一管理，从而隔离了业务需求开发和服务治理。服务管理平台的应用架构如图3所示。

图3 服务管理平台应用架构

服务网关根据业务服务请求的路径规则，从服务注册中心寻找到对应的业务服务，并把请求交由它们处理。服务注册中心负责将业务微服务的IP、端口等信息进行注册，在网关或其他服务进行请求调用时，通过服务发现功能返回对应的后端微服务地址。

2.3 技术架构

智能配电网基础平台采用微服务架构进行设计和开发，以达到对业务服务的灵活管理及维护，有效支撑业务领域内各业务应用未来的接入、变化和扩展。系统技术架构如图4所示。

图4 系统总体技术架构

系统技术架构各部分概述如下。

负载均衡器：负责接收请求、转发请求；
保障系统业务请求接收和处理的及时性、有效性、准确性。该部分的实现技术为F5或Nginx。

服务网关：服务网关统一了服务调用的入口，同时具有身份验证、监控、限流等职责。其中，服务路由及熔断和调用等功能基于Spring Zuul、Spring Hystrix、Spring Ribbon等技术实现，服务鉴权和认证基于Spring Security/Oauth2实现。

REST服务注册中心：负责所有业务服务的注册，并以Rest的形式对外发布；
负责记录服务和服务地址的映射关系，以便其他请求(网关)能够发现。当需要调用一个业务服务时，服务网关就到这里找到服务的地址进行调用。REST服务注册中心使用Spring Eureka技术实现。

RPC服务注册中心：与REST服务注册中心类似，负责服务注册和发布工作。两者不同之处在于，它是以实现RPC(远程接口调用)接口规范为目的，对外提供RPC方式的访问，实现RPC接口服务，其调用方式与普通的Java调用无异，可提升开发效率。同时，由于RPC调用一般存在于服务内部间的访问，可以提升服务的访问效率。该部分可基于Dubbo框架实现。

Java微服务：Java微服务基于Spring boot框架实现。

2.4 数据架构

平台数据架构如图5所示。构建配电网全过程数据共享中心，按照模型标准接入平台需要的模型数据，包括图形、拓扑、台账、客户、电流、电压等数据。其中：生产系统数据库提供了台账、生产业务数据；
南网数据中心提供了GIS数据和调度计量等数据。对数据进行清洗、映射、转换，验证数据的一致性、完整性、正确性，供配电网生产业务、GIS业务和自动化业务调用。为保证接入平台的数据质量，制定数据管控策略对数据进行辨识、分析、闭环修复。

图5 平台数据架构

3.1 平台功能介绍

智能配电网基础平台主要包含开发建模、平台管理、基础应用平台、服务网关、CIM模型服务和WebGIS可视化服务等功能。

(1) 开发建模。开发建模主要功能有模块首页、项目建模、快速构建、实体建模、数据库建模、界面建模、工作流建模、数据项配置和工作台配置。

(2) 平台管理。平台管理主要功能有首页统计数据、人员管理、团队管理、公告管理、开发平台代码模板管理和首选项配置。

(3) 基础应用平台。基础应用平台的主要功能包括：登录、用户管理、组织管理、菜单管理、权限管理、电子公告管理、系统模块管理、系统插件管理、联系人员管理、配置平台管理、用户桌面管理、组织选择标签管理、实施辅助工具管理、个人工具管理和工作日历管理。

(4) 服务网关。服务网关是智能配电网基础平台对外的入口，封装了系统内部架构，整合了所有服务，解除服务之间的直接依赖，将外部公共服务API与内部服务API分开，允许添加服务和更改边界。服务网关支持重构服务，且不会对外部绑定客户端产生负面影响。此外，服务网关提供对http请求的路由配置、权限控制、请求加密、流量控制等功能。

(5) CIM模型服务。CIM模型服务是基于Postgres数据库中统一CIM模型数据表实现的，实现CIM对象的增、删、改、查等原子操作。

(6) WebGIS可视化服务。包括GIS浏览、查询、空间分析、拓扑分析服务，基于Postgres中的GIS图层数据，提供OGC WFS、WMTS服务，用于实现电网和图层的矢量图形发布(通过WMTS发布矢量切片)、空间和属性查询(通过WFS服务)。

3.2 关键技术研究

智能配电网基础平台基于微服务思路，梳理微服务在企业应用功能研发过程中的需求点和复用方式，研究基于SpringClound和Dubbo框架的微服务网关、服务注册中心、微服务实现与调用等相关技术[23-25]，构建微服务整体技术路线，如图6所示。

图6 微服务整体技术路线

首先浏览器向前端的Nginx代理服务器发送请求，加载相关静态资源，同时通过Ajax请求网关。服务网关对要访问的服务进行定位和调用，并返回相应的结果。后端服务通过注册到REST服务中心供服务网关访问。后端服务之间的调用通过RPC协议实现。智能配电网基础平台涉及到的关键技术主要包括：

(1) 后端微服务研发模式。智能配电网业务较为复杂且业务需求量大，采用微服务架构对配电网基础平台进行设计便于对不同业务进行维护，有利于对配电网进行统一管控。微服务即对智能配电网的业务应用在功能、数据等方面进行分解，划分成多组小的服务，通过服务之间的协调和配合为用户提供价值。微服务架构中，每个微服务均对应独立的业务功能，这些独立的业务功能对系统中其他部分的依赖较小，便于应对外界故障。容器技术是微服务架构的重要技术之一。容器技术能够将软件从底层的硬件中分离出来，有助于充分地分解应用程序从而促进敏捷开发和部署。容器技术允许不同容器共享相同的内核，容器之间相互隔离，容器间的服务通过统一接口进行调用，相互不影响。容器技术规范了它所需要的镜像标准，为服务的标准化提供了一个类资源库，便于容器的共享和发布。分布式数据管理也是微服务架构中涉及到的重要技术。当一种数据与多个服务相关时必须保证数据一致性。配电网中涉及到的数据多样，需要对这些数据信息进行分类处理，将各种不同的数据进行提取、格式转换等操作，并按照统一的协议标准进行加工处理和存储，形成统一的、规范的、可利用的综合信息。

(2) 前端可视化界面设计。界面建模包括对基本信息、布局、控件状态、行为等的维护。智能配电网基础平台提供了可视化的界面设计器，所见即所得，使用拖拽控件的方式布局界面。控件区集成了布局控件、基本控件、最佳实践控件、扩展控件、自定义控件、组合控件等，提供了三种布局控件，通用布局、快速布局、BorderLayout布局，其他控件必须由布局控件承载，把可控件拖拽到布局区进行布局。在属性区显示控件可操作的属性、行为、状态等，在树形结构区可使用树形结构展现布局结构。此外，平台设计过程中，总结了很多事件和方法的模板，比如列表变化的事件，有利于降低代码重复率，提升编码效率。

4.1 现有生产、GIS、配网自动化系统服务化组件改造应用

基于现有的生产、GIS、自动化系统的配网业务应用，从决策、管理、执行层三个不同岗位角色的管理要求，研究配电网业务管理纵向到底的全流程贯通，构建端到端的体系，实现通过服务化组件改造提供各种服务，如基础服务、图形浏览服务、查询定位服务、电网资源服务、矢量图形服务、专题图服务、空间分析服务、负荷预测服务和配电潮流计算服务等。划分组件后，各个组件相互独立，当某一组件出现问题时，不会对其他组件产生影响，既便于对生产管理系统、GIS应用系统、配电网自动化系统的统一管控，也便于对系统进行维护。现有生产、GIS、配网自动化系统服务化组件改造应用示意图见图7。

图7 现有生产、GIS、配网自动化系统服务化组件改造应用

4.2 构建配网精益化运维模式

配网精益化运维模式如图8所示。配网精益化运维包含数据采集、数据集市、数据分析、管理应用等四个方面。

图8 配网精益化运维模式

采集的数据来自于配电网终端，如计量终端、监测终端等。数据集市采用云存储技术，对终端采集的多元异构数据进行存储和标准化。数据分析依托大数据技术和云计算技术，完成数据的计算和显示。通过终端标准化的状态收集评估，建立终端状态综合评价体系，定义了KPI计算方法，根据终端上送的实时数据和历史指标进行动态KPI计算及显示。数据分析计算结果一方面可用于指导投资、管理项目和物资等，为配网规划和建设提供参考，另一方面，有助于配网业务的监测和管控。通过构建配网精益化运维模式，统一了数据标准，可支撑配网全过程数字化、科学化管理，为数字化配电网奠定数据基础。

4.3 配网全景展示模型

针对配电网各种管理流程超时、运行异常、告警状态时不同岗位和不同角色人员的关注点不同等问题，为不同人员提供关注信息的全景可视化展示，实现基于分层分级的配电网管理、运行状态全景可视化展示。配网全景展示模型如图9所示。

>(a) 设备监测首页界面 (b) 设备单体展示界面 (c) 变压器基准态指标统计界面

>(d) 安全稳患展示界面 (e) 线路监控展示原型界面 (f) 雷电定位主题界面

(g) 缺陷主题和统计界面图9 配网全景展示模型

针对配电网信息系统存在的数据接口规范差异大、数据共享困难等诸多问题，基于微服务架构，构建了统一的智能配电网基础开发平台。主要工作如下：

(1) 对平台进行需求分析，设计了平台的基本架构，包括总体架构、应用架构、技术架构、数据架构。

(2) 实现了平台的基本功能并对平台用到的关键技术进行了阐述。

(3) 介绍了平台支持的实际重点应用，包括现有“生产、GIS、自动化”系统服务化组件改造、配网精益化运维模式和配网全景展示模型三方面。

该平台具备独立模块化体系，采用分布式服务注册机制，缩短了开发周期。平台能够提供大数据分析和共享服务，对各类业务应用提供配电网业务服务支撑，可为客户提供智能化数字电网服务，目前已在南网投入应用，取得良好效果。