配电云主站架构方案与关键技术

姚 旭，程向向，钱传伟，秦 川，吕树冬，李 慧

（1.南瑞集团公司（国网电力科学研究院），南京 210000；2.北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 100192；3.国网安徽省电力有限公司滁州供电公司，安徽 滁州 239000；4.国网冀北电力有限公司秦皇岛供电公司，河北 秦皇岛 066000；5.国网内蒙古东部电力有限公司兴安供电公司，内蒙古 乌兰浩特 137400）

0 引言

当前，全球进入互联网和数字经济时代，能源革命和数字革命融合发展趋势日益明显。作为能源革命中心环节的电网，从技术特征和功能形态上看，正向能源互联网演进，在此背景下，2020 年3 月16 日，国家电网有限公司召开专题党组会议，研究并确立将“具有中国特色国际领先的能源互联网企业”作为引领公司长远发展的战略目标。为此，配电网迫切需要深入应用“大云物移智”等新技术和新理念，全力打造一个以实现“配电网+物联网”[1]深度融合为导向且具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的配电物联网生态系统，从本质上提升配电网建设、运维、管理水平，推动业务模式、服务模式和管理模式不断创新，不断提升能源资源配置能力和智能化水平，支撑能源互联网的快速发展。

随着配电网精益化运维的发展和配电业务的延伸，以及大数据、云计算、移动互联网、物联网等新技术的应用，新型配电自动化主站已成为热点[2]。中低压配电网点多面广量大，现有配电主站缺乏对海量终端设备的全面接入和感知能力，无法实现低压设备状态可观可控，无法满足配电网精益化运维需求。以每台TTU（配电变压器监测终端）约1 500 点遥测数据为例，50 万台TTU全量数据约7.5 亿点，按每秒5%的遥测数据变化计算，系统吞吐量达到3 750 万/s，现有配电主站技术架构无法支撑如此海量TTU 设备的接入及数据处理。

配电主站业务需求不断变化，需要部署灵活，易于开发与运维[3]。现有配电主站系统主要以主备服务器部署，系统性能受制于硬件，存在以下问题：无法做到资源弹性伸缩，按需动态扩展；业务应用烟囱式部署，软件更新速度慢，迭代周期长，无法满足快速交付、业务快速迭代的要求；缺乏智能分析手段，对数据的利用效率低，大量业务需要人工判断，运维效率低、成本高；当前几乎所有业务的分析和处理都在主站侧进行，主站压力太大，处理效率低。

综上所述，需要在满足传统配电自动化系统、设备资产管理系统数据贯通、信息融合的基础上，采用虚拟化、容器技术、微服务架构[4]、并行计算等技术以软件定义的方式实现配电云主站对边缘侧计算、存储、网络资源的统一调度和弹性分配；配电主站采用云计算、大数据、人工智能等先进技术，实现物联网架构下的全面云化，最终具备泛在互联、开放应用、协同自治、智能决策的特点。

1 基于云架构的配电主站架构设计

1.1 总体架构

基于云平台典型的基础设施服务层、平台服务层以及应用服务层三层架构，采用云计算、大数据、物联网、移动应用技术构建省级大四区云化配电主站系统，如图1 所示。基于物联网技术通过对并网的设备及关键节点的运行数据进行实时采集、上传、识别和监控，并在配电网可视化平台上集中反映，从而实现全量数据采集、运行状态全可见和全态势预测[5]。向上与国网智能终端APP 应用管理中心互联，向下通过管理通道、数据通道与智能配变终端互联，实现设备即插即用与软件定义终端、主站集中计算与协同管控、终端边缘计算与自主分析功能。

图1 大四区云化配电主站系统

1.2 硬件架构

系统硬件架构如图2 所示，遵循硬件架构设计原则，采用标准硬件设备，依托成熟的云计算技术，通过IaaS 整合和管理计算、存储、网络等基础设施资源，形成统一的IT 基础设施资源池，为上层平台及应用提供自动化、高可用的基础设施服务，实现计算、存储、网络资源按需分配和快速部署，对上层软件屏蔽硬件设备的差异，支持未来整个硬件资源平台按需扩展，并提供全面、高效的基础设施运维管理手段。大四区主站系统集中部署在省公司管理信息大区，构建数据库集群、SCADA（数据采集与监视控制系统）集群、前置集群、信息发布集群、Web 服务集群、信息交换集群和图模维护集群等，支撑配电主站各项应用功能，地市县公司部署远程工作站，通过工作站实现图模、权限的维护，通过浏览器实现省地县一体的分权、分责、分区的配电网运行监控与配电网运行状态管控。

1.3 软件架构

1.3.1 软件总体架构

配电网自动化大四区主站系统自下而上按IaaS，PaaS，SaaS 分层构建，如图3 所示。IaaS 层实现资源虚拟化；PaaS 层实现数据标准化，并开放面向模型、实时数据、运行数据和大数据的PaaS 服务；SaaS 实现各类应用服务[6]。

（1）IaaS 层实现资源虚拟化，包括硬件虚拟化、存储虚拟化和网络虚拟化，同时提供云资源的管理功能[7]。

（2）PaaS 层实现数据标准化与基础平台支撑，是SaaS 层全局分析决策应用的重要支撑平台，为其提供全网完整准确的平台功能服务。具体包含：操作系统、数据库、微服务框架、云中间件、大数据组件、资源管理、软件开发、软件运行等基础平台支撑；面向电网运行的模型管理、物联组件实现数据标准化；面向电网模型、数据接入、实时数据、运行数据、历史大数据的PaaS 服务。

图2 系统硬件架构

图3 云主站核心构成

（3）SaaS 实现以微服务的形式构建分权、分责、分区的配电网运行监控类应用与配电网运行状态管控类应用。

总体架构设计体现了物联网、微服务、云计算、大数据、人工智能的应用需求。

1.3.2 PaaS 架构

主站的平台层软件为混合型物联网平台，由商用组件、开源组件、自产实时监控平台组件共同构成（见图4）。商用组件包括操作系统、关系型数据库、微服务框架，以及部分云中间件、资源管理、运维管理。开源组件包括大数据组件、部分云中间件。自产实时监控平台组件包括分布式实时库、模型管理、部分云中间件（实时云）、各类公共服务。

自产实时监控平台组件支撑传统实时监控类业务，大数据组件支撑大数据的存储、计算和分析，微服务框架、云中间件支撑平台为微服务应用软件开发、部署、运行提供支撑；物联网组件支撑物联设备的接入和管理，实现软件定义终端、边缘计算以及云边协同等功能。

1.3.3 SaaS 架构

SaaS 包含中压配电网监视、低压配电网监视、故障分析、运行统计分析、设备管理、终端管理、缺陷分析、人机交互、大数据分析类应用，如图5 所示。云化配电主站从功能层面上添加低压配电网监视模块和大数据分析类应用模块，低压监视模块的功能体现云边协同的要求；从实现层面上完成应用的微服务化。

2 关键技术

2.1 统一数据模型及扩展

为了统一电力系统各对象的表达模型，为电网建模提供统一规范，方便不同业务系统和应用间信息集成，国家电网公司在IEC 61970/61968 CIM（公共信息模型）的基础上，根据我国电网运行和管理的需求，提出了SG-CIM[8-9]。SG-CIM是国家电网公司电力物联网建设的重要基础，是电力物联网业务中台、数据中台进行业务协同和数据共享的重要保障[10]。

为推动模型应用落地，国家电网公司推出了SG-CIM 4.5 版本作为物理模型的基线版本，各省市公司梳理各自业务应用需求进行分析，在基线版本的基础上提出个性化扩展设计，主要体现在以下几方面：

（1）创建与SG-CIM 平行的补充数据表，共用标准模型表主键，补充所需数据字段，创建包含标准模型表与补充数据表的联合视图，通过视图查询满足个性化分析需求。

（2）创建补充物理模型表，包含个性化分析所需数据字段、主外键关联关系，解决相应模型缺失与模型间关联关系弱的问题。

图4 配电云主站PaaS 模块

（3）进行ETL 配置与重构，以构建中间表的形式实现模型数据维护，再同步到生产库，满足各省市公司CIM 模型数据差异与应用需求变化、SG-CIM 迭代完善的需求。

2.2 分布式实时库处理

分布式实时运行环境支撑海量配电网实时数据的接入和处理，实现全省配电网中低压运行状态的实时监视。基于广域系统内设备统一编码方法实现全省配电网模型的集中存储、分区维护。采用实时数据分片技术、分布式数据存储技术、快速定位及一体化访问技术、实时数据共享技术和冗余互备技术构建了分布式实时库。分布式数据处理基于分布式实时库进行并行化任务处理（流程见图6）；分布式服务层解耦人机和业务系统，实现服务的分布式部署和上层应用快速重构。

2.3 数据汇聚流程

图5 配电云主站SaaS 模块

图6 分布式实时数据库处理流程

依据SG-CIM 数据模型接口规范，对多源系统数据进行封装，为云平台提供源端唯一的数据基础[11]。通过对PMS2.0（生产管理系统）、DAS（配电自动化系统）、营销业务应用系统、用电采集系统的数据类型和关联关系进行梳理，从存量数据集成与增量数据集成的角度去探讨相关的汇聚方案，数据汇聚路线如图7 所示，具体步骤如下：

（1）梳理业务系统，提炼形成非结构化数据与结构化数据的关联关系，形成非结构化业务元数据信息[12]。

（2）源端业务系统数据通过主数据辨识复制到贴源层数据区，采用存量抽取和增量抽取2 种方式进行数据同步。

（3）贴源层数据依据SG-CIM 标准进行抽取、转换、加载、清洗整合后获取业务明细数据。

（4）搭建大数据挖掘分析引擎，实现对明细层业务数据的多维度探查和知识钻取，支撑上层数据应用的智能化。

2.4 低压物联终端管理技术

配电物联网实现配电网运行、状态及管理全过程的全景全息感知、互联互通及数据智能应用，支撑配电网的数字化运维，概括起来配电物联网需具备设备广泛互联、状态全面感知、应用灵活迭代、决策快速智能和运维便捷高效的特征[13]。物联管理中心弱化了设备、云、应用之间的耦合关系，提供了安全可信通道、海量信息即时通信、设备远程监控等能力，支持电网状态全面感知以及超大规模、海量物联网终端的统一管理，体现在以下几方面：

（1）统一设备模型接入方法，对终端设备进行抽象建模，基于设备模型的框架进行终端侧设备交互数据与设备模型的映射，支撑终端设备敏捷接入、交互数据的快速解析、交互数据一致性校验。

（2）统一物联网多协议框架，制定LWM2M，CoAP，MQTT，HTTP，DDS 等常见的物联网协议接入框架，对协议驱动插件进行管理与控制，通过加载协议驱动插件的模式快速适配新增设备接入协议，实现新增设备的即插即用。

（3）统一高并发实时流处理框架，集成低时延、高吞吐、高可靠的分布式实时流计算引擎，实现多任务优化调度，最大化利用计算资源。

（4）统一物联设备分域管理，实现分域管理及单域多业务管理，实现设备与应用的解耦。

3 应用案例

3.1 省级配电主站系统架构

某省配电网管理信息大区主站系统采用“N+1”部署方式，管理信息大区的全部硬件设备集中部署在省公司统一运维。主要由计算机硬件、操作系统、支撑平台软件和配电网应用软件组成，应用功能采用Web 应用方式，省级集中部署，省、地、县三级应用。

（1）各地市终端采用无线公网通信方式接入配电自动化主站管理信息大区。

图7 数据汇聚路线示例

（2）管理信息大区系统经信息专网与地市公司的维护工作站进行信息交互，实现系统数据维护。

（3）地、县公司通过办公内网，在内网机进行Web 浏览，调用配电自动化管理信息大区应用。

（4）管理信息大区接入地、县公司的配电自动化实时数据信息，实现对全省的配电数据进行状态监测、指标分析和考核评估等功能。

3.2 省级大四区主站云化方案

针对全省范围配电网存在点多面广、设备量大、运维人员不足、低压配电网故障占比高的现状，结合初步建成电网资源和客户服务业务中台的需求，梳理了当前省级配电网管理信息大区的痛点和解决方案，如图8 所示。

以低压配电网精益化、智能化的态势感知与运维管理为目标，基于云计算与物联网新技术，围绕“设备即插即用与软件定义终端、主站集中计算与协同管控、终端边缘计算与自主分析”，形成省级大四区主站云化方案，如图9 所示。

（1）采用云平台典型三层架构实现数据与应用解耦、软硬件解耦、软件定义电网。

图8 配电主站云化思路

（2）通过传统FTU（馈线终端）、DTU（站所终端）、TTU、简易配变终端以及智能配电终端采集实现电网实时运行状态、设备运行状态的配电网电气量、状态量、环境量的接入。

（3）与国网智能终端APP 应用管理中心互联，通过管理通道实现对海量终端的APP 管理、容器管理，为云端协同业务分析提供基础。

（4）通过地县一区配电主站图、模、数交互接口实现一区实时数据的接入与模型异动信息的管理。

图9 省级大四区云化配电主站

（5）提供包含数据组件、大数据服务、云中间件、云服务中心、运维管理的平台基础服务，以及包含前置数据接入、物联设备数据接入、模型管理、数据管理、拓扑分析、权限管理、报表服务、报警服务的平台应用服务，支撑应用运行所需的软件运行环境。

（6）采用面向服务架构的微服务架构模式实现应用的服务化部署，包含中低压配电网实时监视类应用和运行状态管控类应用。

（7）基于统一信息数据模型和大数据分析组件，为后续通过大数据分析电网运行状态的工作奠定基础。

4 结语

本文通过分析省级配电自动化管理信息大区终端接入与管理、配电主站业务分析与处理的现状，围绕“设备即插即用与软件定义终端、主站集中计算与协同管控、终端边缘计算与自主分析”，提出省级大四区云化配电主站系统架构，探讨了四区主站云化改造的相关技术。基于统一信息数据模型，规范设备模型统一接入与实时高并发处理、分域管理；基于分布式数据采集与处理技术，提升实时数据的处理规模和处理效率，支撑实时监控类业务；采用微服务框架、云中间件为微服务应用软件开发、部署、运行提供支撑，解决业务迅速发展、需求频繁变更带来的业务更新周期长与迭代效率低的问题。上述大四区云化配电主站架构与相关技术，一是提升了海量终端大规模接入与智能化高效管理能力，二是支撑拓扑建模、状态监测、异常预警等业务应用向低压配电网延伸。建设思路为省级中低压配电网智能化感知、精益化管理研究提供借鉴。