基于云架构的电网建模客户端图模一体化平台构建

夏伟， 李志坚， 雷伟刚， 刘阳

(南方电网数字电网研究院有限公司， 广东 广州 510000)

0 引言

电网GIS平台是将电网企业的电力设备、变电站、输配电网络、用电用户与电力负荷等连接形成电力信息化的生产管理综合信息系统。它提供的电力设备信息、电网运行状态信息、电力技术信息、生产管理信息、电力市场信息与山川、地势、城镇、道路以及气象、水文、地质、资源等自然环境信息集中于统一系统中[1-2]。通过电网GIS平台可查询电网有关数据、图片、图象、地图、技术资料、管理知识等。电网GIS平台目前已经深度应用到电网企业的生产运行中，对电网设备的管理、电网运行的辅助决策起到了举足轻重的作用，但也逐步暴露出传统架构下电网GIS平台[3]和云计算平台[4]的不足。存在平台性能瓶颈、部署架构不够灵活、业务系统集成复杂等问题，为了解决存在的这些问题，提出一种云架构下电网建模客户端的图模一体化平台构建，通过优化客户端程序的初始化效率，提升海量数据高并发情况下系统的响应速度和弹性扩展能力，构建可视化智能运维部署能力，提高平台集成应用的便捷性。

1 云架构下电网建模客户端的图模一体化平台

1.1 云架构技术

当前电网GIS平台的数据与应用集中部署的设计理念已经难以满足电网信息化发展对平台提出的应用要求，也与当下弹性扩展、按需配备、功能聚合、服务迁移等信息化发展理念不相协调，有必要对现有技术架构进行调整，以满足未来发展需要。现有系统通过融合云计算平台获得云端特性，形成云架构电网建模服务。云架构组成示意图如图1所示。

图1 云架构组成示意

硬件基础设施层(IaaS)由硬件资源池提供所需资源，包括需要的服务器(数据库及应用)、操作系统、存储(NAS或SAN)、网络及硬件负载均衡(F5)等，为平台层提供环境基础。平台层(PaaS)融合云计算架构，使用开源容器技术(Docker)和容器编排管理技术(Kubernetes)构建云计算平台，包括软件负载均衡、服务节点、节点管理、自动部署、集群管理、日志管理等模块，能够达到服务自动部署、分布式部署及动态迁移的特性，同时通过各管理模块支撑可视化运维[5]。

1.2 电网建模架构

在电网资源存在海量数据和高并发的前提需求下，电网建模需采用内存计算、容器、智能集群等技术，实现空间数据的海量存储、数据访问的超大规模并发和计算的并行处理，从而满足电网资源数据的大量增长和快速分析处理的需求。云架构下的电网建模技术架构由数据存储层、计算服务层和资源管理层构成。云架构下的电网建模服务图如图2所示。

图2 云架构下的电网建模服务

1.2.1 数据层

数据存储层包括数据库和文件系统。通过Oracle数据库存储电网资源结构化核心数据；文件系统用于存储电网资源相关的附件、文档等非结构化数据和地图数据。

1.2.2 计算服务层

计算服务层是图模一体化建模的核心层，在PaaS之上的容器中搭建电网资源服务，并通过内存数据缓存提供高性能的基础应用服务。在内存中加载电网资源空间拓扑数据，以电网资源内存对象方式进行存储，基于数据提供空间拓扑数据查询、空间分析、拓扑分析、符号化渲染等通用空间服务能力。内存中存储单份空间拓扑运行数据，和空间拓扑版本数据，进行版本数据查询和运算时，将数据叠加使用，其数据更新和多节点同步采用数据库轮询更新的方式[6]。

在内存数据缓存的基础之上，构建要素服务(数据编辑)、空间分析服务、电网拓扑分析服务、查询统计服务、元数据服务、样式服务、专题图生成服务、图模数据服务、版本管理服务等，形成电网资源服务，以服务和组件的形式对上层提供支撑。电网资源服务对于空间拓扑数据的读写均调用内存缓存，继承现有数据维护的功能逻辑，对主要逻辑层进行组件化封装，在组件之上进行服务接口的封装。电网资源服务通过打包为镜像的方式部署至Docker容器，使用Kubernetes进行容器的编排管理，实现持续交付能力。

1.2.3 资源管理层

资源管理层是直接面向用户的交互层，包括云平台管理Web前端和电网资源管理。云平台管理是用于管理云平台的可视化管理系统；电网资源管理用于为上层业务应用提供支撑，基于C++组件和JS-SDK构建，图模一体化的电网建模客户端就通过该模块实现。

1.3 图模一体化电网建模客户端设计

电网资源建模前端将电网资源建模和维护的主要逻辑集成至服务端，前端仅负责展示和操作，调用服务端实现其他逻辑功能，不缓存大量数据。提升数据建模客户端性能，减少数据不一致的风险，实现电网建模与电网资源服务统一逻辑，降低系统开发成本。建模前端提供电网资源空间拓扑数据的生成维护、功能位置对象的生成维护、台账数据的生成维护，对电网资源数据的展现、查询分析统计，以及基于电网资源数据的专题图生成管理等功能。

1.3.1 电网建模客户端技术架构

对于轻量化建模客户端通过诺基亚公司可视化开发平台Qt5开发[7]，使用QtitanRibbon、QtitanDocking的UI组件构造程序主界面框架，支持Ribbon界面风格，支持Docking停靠窗口。轻量化电网建模客户端技术架构如图3所示。

图3 轻量化电网建模客户端技术架构

轻量化建模客户端不在程序启动阶段缓存大量电网数据，而是在视图刷新时根据视图对应的地理范围和显示比例尺向服务请求获取本屏矢量数据、拓扑数据和标注属性数据，通过Qt C++绘图引擎对矢量数据进行矢量渲染绘制。

轻量化建模客户端仅负责图形展示和建模界面操作，将电网资源建模和维护的主要逻辑集成至服务端，前端建模工具通过组合调用电网资源服务的数据编辑服务和空间计算服务实现电网资源数据维护功能，前端和服务端采用基于HTTP的REST服务进行服务接口交互。轻量化建模客户端集成设备台账维护界面，实现了图形及台账统一界面录入，增强绘图与台账录入协同。实现GIS和生产系统台账、图模表共库，基于数据同源解决GIS、生产系统功能位置数据不一致问题。

1.3.2 电网建模客户端应用架构

(1) 建模客户端展示层

建模客户端是数据的编辑、查询、统计分析的界面展示层，通过组合调用电网资源服务，为前端用户提供电网资源建模功能和数据查询统计功能，功能包括图形基本操作、显示管理、查询与定位、通用图形编辑、线路建模、厂站建模、营销资源建模、数据质量管理、设备台账管理、电网空间拓扑分析、电网专题图管理等。图形基本操作功能包括缩放、漫游、前后视图、全图等功能，适用于地理图、厂站一次接线图、专题图等图形浏览操作。显示管理包括鹰眼图、比例尺显示和设置、图形显示控制、电网着色、高亮显示等功能[8]。轻量化电网建模客户端应用架构如图4所示。

图4 轻量化电网建模客户端应用架构

查询与定位提供电网资源、地理资源的属性查询、图树定位等功能，包括设备导航树、设备属性查询、电网资源名称查询、坐标定位、书签定位等。

通用图形编辑提供地理图、厂站接线图、电气专题图等公共的编辑功能，包括对点、线、面、文字等图形要素的添加、删除、移动、复制、节点编辑、打断等操作。

线路建模功能提供以图形化方式在地理图上建立输电、配电、低压线路的电网模型，提供各种工具实现线路和设备的地理位置、设备命名、管理关系和拓扑关系的新建和改接，包括厂站编辑、线路编辑、杆塔编辑、配网柱上设备编辑、电缆编辑、交叉跨越编辑、批量导入设备、辅助定位等功能。其中厂站编辑提供地理图上新增/拆除厂站、位置、站内外进出线编辑等功能，厂站内部的一次接线图和拓扑维护在厂站建模功能中完成。

厂站建模功能提供以图形化的方式在接线图、厂站布置图上建立发电、变电、配电厂站的电网模型，提供各种工具实现设备的图形位置、设备命名、管理关系和电气拓扑关系的新建和修改，包括间隔编辑、间隔模板库管理、设备编辑、站内外连接点编辑、站内图复制、设备标柱编辑等功能。该功能用于发电厂、变电站、换流站等发变电厂站以及开关站、配电站、环网柜、电缆分支箱、箱式变等配电站房的一次接线图绘制和拓扑维护。

(2) 电网资源服务

电网资源服务是数据的编辑、查询、统计分析的具体逻辑实现层，涵盖图形拓扑维护、台账维护、数据查询统计、空间拓扑分析、版本管理等服务模块，对接上层应用和数据缓存服务。其中,对于图形拓扑和功能位置数据(包含各类系统及虚拟功能位置在内的所有功能位置数据)的增删改查操作通过调用数据缓存服务实现，对于设备台账数据的增删改查操作通过直接连接数据库实现。电网资源服务实现数据创建和维护的功能，创建/修改图形对象、拓扑关系、功能位置、设备台账对象的具体逻辑均由电网资源服务负责，维护入口仅需传入必要的参数即可。

2 服务调试

考虑到云架构模式下的电网建模客户端图模一体化平台服务调用效率，服务以“客户端→电网资源服务→数据缓存服务→数据库”为主要调用模式，对其进行实验，调试的实验过程如图5所示。

图5 调试过程

2.1 服务调试的关键点

2.1.1 空间拓扑和功能位置数据读写

由客户端调用电网资源服务的空间拓扑模块，空间拓扑模块查询数据缓存服务读节点，进行内存数据查询并返回至空间拓扑模块，如需要同时查询台账，则由空间拓扑模块调用台账模块返回查询的结果。空间拓扑模块调用数据缓存服务写节点，进行数据的更新写入，写节点在同一事务内写入数据库，同时读节点轮询数据库进行数据更新，对于涉及到的台账数据变更，则由空间拓扑模块调用台账模块进行数据写入。数据读写的结果由空间拓扑模块统一返回至客户端。对于功能位置数据的写入，空间拓扑和台账模块均通过功能位置模块进行写入，功能位置模块调用写节点写入数据库。

2.1.2 台账数据读写

由客户端调用电网资源服务的台账模块，台账模块查询数据库(包括功能位置)，如需要同时查询空间拓扑，则通过数据库直接读取，返回查询的结果。台账模块调用数据库进行数据的更新写入，对于涉及到的图形拓扑或功能位置数据变更，则由台账模块调用空间拓扑模块进行数据写入，数据读写的结果由台账模块统一返回至客户端。

2.2 调试结果

通过对数据进行读写，进行数据调试后的数据分析可知，云架构下电网图模一体化建模客户端，将繁琐复杂的数据处理逻辑从客户端迁移到了服务端，构建出了轻量化的建模客户端，减少数据丢失风险，提升了建模客户端性能。

3 实验测试

3.1 不同平台下电网服务调用效率测试

基于云架构下的电网建模客户端平台包括容器管理、服务管理、资源管理和可视化监控等模块，为验证该平台的实际有效性，将在实验中以某电网建模客户端的数据为例，设计对比实验，以文献[3]提出的电网GIS平台和文献[4]提出的云计算平台为对比对象，以电网服务调用效率为指标，电网服务调用效率越高，电网建模客户端性能越好，不同平台下电网服务调用效率如图6所示。

图6 不同平台下电网服务调用效率对比结果

由电网服务调用效率对比结果可知，随着电网节点数量的不断增加，电网服务调用效率逐渐下降，但相比文献[3]平台和文献[4]平台，本文平台的电网服务调用效率下降速度比较缓慢，电网服务调用效率持续保持在4 000次/s以上，电网建模客户端性能较好，其验证了该平台的实际有效性。

3.2 不同平台运行稳定性测试

为验证平台运行稳定性，以出错概率为指标，出错概率越小，平台运行稳定性越好，以绘制柱形图的形式呈现3种平台的出错概率，如图7所示。

图7 不同平台下出错概率对比结果

由图7可知，文献[3]平台和文献[4]平台出错概率趋势不稳定，且出错概率在8%-9%左右，而本文平台的出错概率趋势较为稳定，出错概率持续保持在3%左右。由此表明，本文平台能够减少数据丢失和不一致的风险，降低系统开发成本，平台运行稳定性较好。

3.3 不同平台运行安全性测试

为验证平台运行安全性，以抗干扰概率为指标，抗干扰概率越大，平台运行安全性越好，以绘制柱形图的形式呈现3种平台的抗干扰概率，如图8所示。

图8 不同平台下抗干扰概率对比结果

由图8可知，文献[3]平台和文献[4]平台的抗干扰性能不稳定，且抗干扰概率在80%-85%左右，而本文平台的抗干扰概率趋势较为稳定，抗干扰概率持续保持在95%左右。由此表明，相比两种文献方法，本文平台抗干扰概率更高，平台运行安全性更好。

3 总结

本文基于云计算平台，构建可视化管理前端，包括容器管理、服务管理、资源管理(硬件)和可视化监控等模块，通过内置分发与部署工具简化应用部署，实现平台、服务的一键式热部署，提供图形化运维支撑，降低技术门槛和出错概率，提高电网服务调用效率和抗干扰概率，有效保障平台运行的稳定性和安全性。通过对云架构下电网建模客户端的图模一体化建模技术研究，升级现有电网GIS平台到云架构，具备高性能、易维护、弹性可扩展能力，适应电网业务应用需求，解决现有电网GIS平台中的痛点问题。