基于配电自动化系统的物联网平台设计

摘要：配电网的自动化程度越高，对构建配电物联网平台的需求就越迫切。基于平台化的物联网体系结构，通过对整合配电自动化系统的物联网平台的需求和功能进行分析，文章提出了以微服务架构为基础，融合7大功能、5个层级的物联网平台总体架构设计。同时，文章设计了微服务构成微应用的框架。此外，文章采用Docker容器对微服务进行管理，提出了微服务动态部署方法，以满足平台高并发性、强实时性要求。最后，文章探究了基于配电网自动化系统的物联网平台新应用方向。

关键词：物联网平台；配电自动化系统；微服务架构

中图分类号：TM76" 文献标志码：A

0 引言

随着相关技术的不断发展进步，物联网从最初的一个概念逐步走进了实际应用阶段，业已在电力行业中得到了广泛应用^［1］。电力物联网利用电力系统内的大量物联节点，实时准确全面地感知、获取各类设备与装置的数据，以满足新型电力系统在多场合、全链条、全天候等条件下及时获取信息的需求，从而全面提升电能生产、电网管理与电力服务的现代化水平。

随着配电网规模的不断扩大，与其运行维护管理相关的数据量也随之大增。配电自动化系统是配电网管理的重要工具之一，但该系统仅能采集电气信号，直接关乎配电设备和设施安全运行的环境参数、状态数据等非电气信号却无法实时掌控。为了能够有效整合这些数据，使其为配电网管理服务，构建物联网是一个有效途径。

当前，平台化发展是物联网的基本趋势^［2］。但是，单体式、三体式及服务器集群式的架构，越来越不能适应新型电力系统发展的需求，微服务架构在平台化物联网的实践与应用成为值得深入研究的课题^［3］。为了充分利用现有的装备水平和系统条件，建设基于配电自动化系统、采用微服务架构的物联网平台，可以在数据急剧增长、应用复杂且并行量大的配电网管理和服务场景中，以推动数据跨介质融合、信息跨媒介共享、业务跨专业拓展，以提升供电公司的配电网管理水平和用户精准服务能力。

1 物联网体系结构概述

当前，平台化的物联网按其逻辑结构关系可以划分成“端、边、管、云”4个层级^［4］。以国网云为基础的物联网体系逻辑结构如图1所示。

“端”是指接入物联网的各种终端，如各类传感器、控制器、变送器、微处理器、智能终端以及其他可接入设备，采用传感、RFID标签、数据库查询等技术手段完成信息与数据的采集。“边”是指靠近“端”这一侧的各种分布式智能代理设备，可以将其理解成处在物联网的边缘，为“端”服务，起到将数据进行预处理并输入“管”的作用。“管”是指物联网的数据传输通道，连接着“端”与“云”；数据的传输可以通过有线、无线、公网、专网等方式。“云”是指基于云计算、云环境、云端大数据实现高级应用功能；云服务中心提供部署配置、监控调度、故障自愈、弹性伸缩、负载均衡等各项能力，是物联网平台实现可共享、可复用的共性服务与组合业务的基础。

基于微服务架构构建的物联网平台，其端云管边4个层次的体系结构还须进行适当扩展，以便融合现有的配电自动化系统，在物联网平台高级应用触发时能够快速有效地生成、部署、调用各类微服务，从而实现配电网管理水平和业务能力的大幅提升。

2 平台需求分析和功能分析

2.1 平台需求分析

基于配电网相关业务场景分析，配电物联网平台须满足以下若干方面的需求。

2.1.1 配电网设备与设施的感知监控

平台应能够对各类配电设备与设施进行远程感知及监控，不仅要接入各类电气设备数据，而且还须接入各类设施的相关数据，比如杆塔形变数据、开关站环境参数、开关柜与机构箱温湿度等；应能够根据配电设备的重要性等级、业务优先等级，满足相关数据采集与传输的不同实时性要求；根据控制命令优先级发布相应等级的控制指令。这方面需求须解决大量异构设备的感知、安全采集以及海量异构数据的解析与可靠传输问题。

2.1.2 配电网设备与设施的调度检修维护

平台应能够掌握各类配电设备调度、检修与维护等作业的状态以及作业后的结果数据，还须（通过可穿戴设备）监测作业人员的行为数据、作业工具（如无人机、机器人等设备）的状态数据等。这方面需求同样须解决海量数据的采集与传输，特别是包含了大量视频类的数据。

2.1.3 配电网设备所产生业务数据的集成分析应用

平台应能够对各类数据进行存储、挖掘、集成、分析，具备类似专家库的功能，为决策人员提供相应的参考。这方面需求须解决大数据存储与分析、数据挖掘、人工智能分析等方面的问题。

2.1.4 新型电力系统相关业务拓展

平台应能够满足新型业务功能拓展的需求，比如：容纳各类新能源（太阳能、风能、地热、潮汐等）电站并网及其站内涉网设备的监测、遥控、遥调等业务功能的接入与拓展；储能电站接入，实现各种类型储能电站参与的电网削峰填谷控制；电动汽车充换电站与电网的交互。

2.2 平台应用功能分析

为了满足前述的4大需求，平台除了应具备基础功能还应实现以下若干方面的功能。

2.2.1 设备管理

此模块应提供各类设备接入、注册、授权、配置、调试、升级、更换、监控、分组等全寿命周期管理功能，实现对智能终端、传感器、网关、微处理器、计算机等所有设备进行统一管理。

2.2.2 连接管理

此模块对连接情况进行动态管理，支持多种接入形式，保障全网安全可靠、及时快速的通信能力，确保数据全面、准确、实时传输；此外，还能够实时监测端到边（或端到管）的连接情况，对连接异常情况进行准确定位、记录且发出告警；能够结合用户管理的身份权限认证模块，对终端身份编码进行鉴权、登记、准入等操作，保障连接的安全性。

2.2.3 网络管理

此模块旨在弱化接入设备的异构属性、抹平网络结构差异、虚拟化网络配置，使物联网平台更具开放性、兼容性；同时，具备网络资源优化调配、智能安全隔离、微服务动态部署等功能；能够适应5G网络切换，达到异构化通信与云端同质化计算相协同，实现云管端统一管理。

2.2.4 数据管理

此模块能够将采集到的数据进行统一化、标准化管理，再进行有效存储，提供各种条件的查询与更新服务；保障所有数据被微服务调用时的唯一性和一致性；能够将控制命令根据不同设备的属性进行转换，支持规则引擎、业务编排、第三方业务触发等。

2.2.5 用户管理

此模块主要提供各类用户（业务访问者、资源提供者、应用开发者等）的注册、登录、访问以及用户权限管理等基本功能。平台还应具备保护各类用户的基本信息，根据用户的身份与权限控制其对数据存储、访问及资源处理边界的功能。由于物联网平台的部分用户在访问平台时具有移动性、动态变化的特征，因此用户管理还须要具备泛在服务与位置管理功能。

2.2.6 应用使能

此模块应具备采用API开放形式为外围应用提供各项服务的功能以及具备集成第三方应用的能力，为新业务、新应用的扩展留有融合之地，特别是与配电自动化系统相整合，支撑配电网全业务云上运行。

2.2.7 运行监控管理

此模块是指能够对应用、网络和终端的运行进行全面监控，及时发现异常或故障并具备较强的自愈能力，保障平台运行的可靠性，包括设备、设施、网络资源、平台组件等对象的全域监控，同时兼具平台运行状态分析能力。

3 基于配电自动化系统的物联网平台总体设计

3.1 基于微服务架构的总体设计

在图1所示的4个层次结构基础上，结合7大管理功能需求，本文将基于配电自动化系统的物联网平台扩展成5层，即感知层、网络层、存储层、服务层、应用层。通过连接管理、网络管理、设备管理功能，实现全环节物物相联。基于微服务架构的服务层，能使平台性能优良、并发性高、扩展便捷。通过应用使能，融合其他系统，实现资源整合，扩大平台边际，使全业务实现云上运行。

通过配电网现有的智能终端采集相关数据，再利用电力数据网和数据库系统，将电气量信号接入物联网平台；非电量信号则通过其他终端接入。这里的接入是指相关应用通过微服务调用相应数据时对数据进行读取、打包、传输等操作。从逻辑结构上来看，配电自动化系统的设备构成了物联网平台中感知层、网络层、存储层3层的一部分。为此，本文提出基于配电自动化系统5层次物联网平台的总体架构，其逻辑关系如图2所示。

3.2 各层分析

感知层是指配电网中各类传感器、视频监控设备、智能终端以及若干管理平台，亦称为设备接入层，主要负责各类数据的采集与发送，以实现平台南向设备的接入。与前述端边管云体系有所区别的是，此处将“边”的设备纳入感知层。

网络层是指包含配电自动化系统的电力数据网在内的数据传输通道总和，包括有线、无线网络及其相应的组网方式。各种通信方式各有利弊，可以相互配合使用。

存储层是指将感知层采集并预处理过的数据进行存储的环节，可以对服务层提供数据，也可以接收云端下发的指令。数据的预处理以实现源数据标准化和整合汇聚为目的，从而推动物联网的泛在互联和深度感知。

服务层是指部署在云上的各种服务功能，如设备管理、连接管理、用户管理、数据管理、运监管理等功能；基于微服务架构的考虑，所有这些服务功能采用“微服务+微应用”来实现，因此在这一层还要具有微服务注册、部署、调用等基础功能。

应用层是物联网的可视化展示平台，采用“微服务+微应用”的模式，将各种电气信号、环境数据、设备信息等应用于Web、手机App及手持终端，供相关工作人员在相应的场景中使用，比如：负荷预测、用电监查、配电网规划、V2G协同、配电网动态重构等。应用层还提供应用开发和发布功能，以便扩展新业务、开发新应用。

4 微服务设计及动态部署

单体应用的开发模式使得所有业务逻辑集中在一个工程应用中，当功能不断增多、业务日益庞杂时，就会出现扩展困难的情况。微服务架构可以解决这一弊端，但也带来了服务架构的复杂性。通过对微服务进行容器化部署可以使微服务架构的优势得到充分体现。此外，在容器中采用微服务的动态部署技术，可以减轻配电物联网平台负担，进一步满足平台在多场景、高并发、强实时情况下的多方应用需求。

4.1 微服务构成微应用框架设计

微服务架构将一整个应用拆分成若干个微应用，各应用之间既可以相互独立，又可以相互配合。而微应用则由若干不同作用的微服务组成^［5］，微服务构成微应用的框架如图3所示。

微应用中包含了若干个不同作用的微服务；这些微服务通过分布式服务总线来实现交互，微应用也是通过服务总线调用各类微服务来实现单一的业务功能，高级应用通过调用微应用来实现更复杂的功能。

微应用之间并不能相互交互，这个需求只能在微服务层面实现，即图3中空心箭头所指的2个微服务之间的交互。

4.2 应用的容器化部署

在云环境中运行的物联网平台高级应用采用容器组合的方式进行集成，这样可以使应用软件更加标准化、更具敏捷性与高扩展性。

目前，相关的容器化部署技术较多，本文采用Docker容器技术与Harbor存储分发服务器来部署；同时，采用Kubernetes平台对容器进行管理，其基本步骤如下^［6］：首先为每个应用设计独立的Docker文件；其次使用Docker文件将各个应用打包成独立的容器；接着将每个容器部署至Kubernetes集群中；最后使用Harbor组合相关的多个容器，使其成为一个完整的应用。

4.3 微服务动态部署方法

容器化部署的应用要实现相应的功能需要从边缘节点服务器获取合适的微服务。为了节约平台资源，满足高并发性、及时稳定的要求，本文采用动态部署的方式将微服务推荐至相应的边缘节点服务器^［6］，提出了基于微服务依赖权值大小的动态部署方法，其部署流程如图4所示。

依赖权值是指某个应用所调用的全部微服务中，某个微服务响应时间在应用加载完成时间中的占比。图4所示的动态部署过程是循环往复的，其基本思路是根据微服务响应的时间变化来判断应用对某些微服务的依赖程度，被依赖程度越高的微服务越需要更加快捷地部署，以提高应用的响应速度与应用的并发性。微服务的动态部署可以使平台有限的资源得到更高效的利用。

5 配电物联网平台新应用方向探究

基于配电自动化系统、整合全网信息资源的配电物联网平台，可以在以下若干方面实现新的应用，从而进一步满足新型电力系统发展的需求。

5.1 综合能源服务

综合能源服务将电网与其他能源系统如天然气、供热、储能、光伏、风能等紧密结合，实现电、气、冷、热、可再生能源等多能互补局面下的能源优化配置，以及“源-网-荷-储”各环节的最佳调配，为全社会提供绿色、安全、经济、高效、增值的综合能源智慧化服务。

5.2 智能充/换电站

电动汽车保有量不断增加，配电物联网使充/换 电站参与配电网削峰填谷调控成为可能，解决充电负荷与其他负荷同时性的问题，对电力资源优化配置起到促进作用。同时，实时监测充电桩的运行状态，为充电站的合理选址定容提供有益指导。

5.3 配电网动态重构

配电网动态重构主要以负荷均衡、节能降损、故障自愈等为目的，在物联网平台上综合各方面信息，根据不同的需求与目的，通过配电网馈线联络开关、分段开关的遥控操作，重新构建配电通道。

当然，更高级的应用方向不限于上述3大方面，还可以进一步拓展出更复杂高级的新应用。

6 结语

基于配电自动化系统的物联网平台，可以整合现有资源，进一步拓展配电网自动化应用。配电网规模巨大、设备数量多且类型多样，同时配电网自动化相关应用较复杂，基于微服务架构构建物联网平台，可以满足平台的高性能、高并发、高复用要求。此外，微服务的动态部署可以进一步节约网络资源，提高平台资源的使用性能和利用效率，对于解决人与人之间的业务关系、人对配电设备的管控关系、设备与设备之间的协同关系十分有益。

参考文献

［1］李来存.物联网技术在智能电网中的应用［J］.无线互联科技，2022（14）：93-95.

［2］裴求根，黄小强，骆书剑.电力物联网平台层总体架构及功能设计研究［J］.无线互联科技，2020（18）：131-133，136.

［3］苏华.基于配电自动化系统的物联网平台设计［J］.自动化应用，2024（8）：49-51.

［4］王渊.基于微服务的物联网平台架构设计［J］.工业控制计算机，2023（4）：129-130.

［5］刘姣，薛云霞，肖琴，等.基于智能微服务架构的智慧校园融合门户模型建设［J］.江苏科技信息，2021（30）：48-51.

［6］陈孟雨，贾敏智.雾计算中延迟优化的服务动态部署方法仿真［J］.计算机仿真，2023（4）：480-485.

（编辑 王永超编辑）

Design of IoT platform based on power distribution automation system

MENG" Xi1， NI" Yangdan^2*

（1.Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China; 2.Zhejiang Siji Technology Service Co.， Ltd.， Hangzhou 310020， China）

Abstract：" The higher the degree of automation in the distribution network is， the more urgent the need to build a power distribution IoT platform becomes. Based on IoT platform architecture，by analyzing the requirements and functions of the IoT platform combining power distribution automation system， the article proposes a design scheme for an IoT platform overall architecture which integrates 7 major functions and 5 levels based on microservice architecture. Meanwhile the article designs the frame of microapplications intigrated by microservices. Otherwise， the article adopts Docker container to manage microservices and proposes a method for dynamic deployment of microservices to meet the high concurrency and strong real-time requirements of the platform. Finally， the article discusses new application directions for IoT platforms based on power distribution automation systems.

Key words： Internet of Things platform; distribution automation system; micro-services architecture