史磊， 劉釗， 徐輝， 汪瑩潔， 劉羨天

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001；2.中電普瑞科技有限公司，北京 102200; 3.中電普瑞電力工程有限公司，北京 102200)

0 引 言

當(dāng)前我國大多數(shù)高壓直流輸電換流閥監(jiān)測系統(tǒng)基于客戶機/服務(wù)器(client/server, C/S)架構(gòu)運行，各個部分的設(shè)備之間互相孤立，實時交互性差，而且信息傳遞速度較慢，在數(shù)據(jù)處理量較大時不利于數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)計，很難實現(xiàn)信息的即時查詢和貢獻等?；跒g覽器/服務(wù)器(browser/server, B/S)架構(gòu)的體系易于維護，軟件可擴展性強[1]。

當(dāng)前大多數(shù)采用B/S架構(gòu)的電力設(shè)備都是基于單體架構(gòu)開發(fā)的。IT技術(shù)發(fā)展的過程中，單體架構(gòu)存在一些問題，當(dāng)設(shè)備規(guī)模逐漸增大，依賴于升級硬件的方式來提升容量和增加功能的方式已無法滿足大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展帶來的新技術(shù)應(yīng)用的問題[2]。微服務(wù)近年受到工業(yè)界的廣泛關(guān)注[3]，其思想是將單體架構(gòu)系統(tǒng)方式按照業(yè)務(wù)功能和邏輯拆分成一個個獨立的單元，這些單元可以獨立開發(fā)設(shè)計以及部署和運維，克服了單體架構(gòu)的緊耦合，實現(xiàn)了各個單元彼此之間互相配合協(xié)作，進而實現(xiàn)最終的產(chǎn)品功能[4]。

為適應(yīng)大規(guī)模數(shù)據(jù)處理、存儲和實時相互溝通的需求，解決信息孤島問題，本文提出基于微服務(wù)架構(gòu)的高壓直流輸電換流閥監(jiān)測系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計。本文首先明晰用戶的需求，提出各功能以及模塊之間的邏輯關(guān)系，將業(yè)務(wù)劃分成單元形式；然后設(shè)計了微服務(wù)軟件中的人機交互界面、業(yè)務(wù)單元和數(shù)據(jù)庫管理等方面；最后對整個系統(tǒng)構(gòu)建需要用到的框架工具作了介紹。

1 微服務(wù)

1.1 單體架構(gòu)

當(dāng)前大多數(shù)采用B/S架構(gòu)的電力設(shè)備都是基于單體架構(gòu)開發(fā)的，典型單體架構(gòu)可分為：表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層[5]。如圖1所示。

圖1 典型單體架構(gòu)

表示層是與用戶人機交互的接口，負責(zé)顯示可視化數(shù)據(jù)以及輸入數(shù)據(jù)或者控制指令。業(yè)務(wù)邏輯層負責(zé)請求相關(guān)的業(yè)務(wù)處理工作。數(shù)據(jù)訪問層根據(jù)業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)庫進行相關(guān)操作。

隨著項目需求的不斷增加和更多工程師的加入，代碼庫會不斷增加，每次迭代項目增加或者減少功能都可能帶來隱藏的缺陷，不利于維護和擴展。而用戶量的增長，使得阻塞的風(fēng)險升高，系統(tǒng)的高耦合度同時也加大了調(diào)試的難度。此外，單體架構(gòu)使用一致的開發(fā)語言和框架，難以引入新框架與平臺技術(shù)，導(dǎo)致系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新受到阻礙。

1.2 微服務(wù)架構(gòu)

微服務(wù)是一種軟件架構(gòu)，應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)端軟件開發(fā)，是由面向服務(wù)架構(gòu)(service oriented architecture, SOA)發(fā)展而來的[6]。微服務(wù)的設(shè)計思想是將單個應(yīng)用分解成若干小的服務(wù)，每個服務(wù)自運行，服務(wù)之間通過輕量級通信機制進行信息交互。服務(wù)通過自動化的方式獨立部署，不同服務(wù)可由不同的語言編寫。在設(shè)計微服務(wù)時遵循的原則是將整個服務(wù)拆分成多個子服務(wù)，子服務(wù)圍繞特定的具體業(yè)務(wù)，且每個子服務(wù)可以選擇適合于相應(yīng)技術(shù)的方式，形成高度內(nèi)聚的自治單元[7]。

微服務(wù)架構(gòu)的優(yōu)勢是可以互相獨立地部署模塊，隨著需求的增加，啟用越來越多的服務(wù)，能夠減少對現(xiàn)有服務(wù)的影響。每個微服務(wù)可以單獨升級，彼此間的依賴性弱，方便測試，因此具有更快的更新迭代周期。此外，部署相同規(guī)模的服務(wù)，總成本少于單體架構(gòu)。

2 基于微服務(wù)架構(gòu)的換流閥監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

在高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流站控制保護系統(tǒng)、閥基電子設(shè)備(valve base electronics, VBE)和晶閘管級觸發(fā)與監(jiān)測單元(thyristor trigger and monitor unit, TTMU)構(gòu)成換流閥的二次監(jiān)控系統(tǒng)[8]。VBE是晶閘管觸發(fā)以及在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心組成部分，VBE需要將控制保護系統(tǒng)下發(fā)的觸發(fā)脈沖信號通過光纖發(fā)送至TTMU。VBE匯總和處理TTMU的回報信息，并發(fā)送至控制保護系統(tǒng)，控保系統(tǒng)根據(jù)VBE上報的狀態(tài)來進行保護[9]。上位機采用基于微服務(wù)思想B/S架構(gòu)設(shè)計的換流閥監(jiān)測系統(tǒng)軟件，用于管理VBE上傳的信息。

根據(jù)工程需求，高壓直流輸電換流閥監(jiān)測系統(tǒng)軟件包含如下功能模塊：閥開通狀態(tài)監(jiān)測模塊、晶閘管級故障信息模塊、FOP動作信息模塊、VBE故障事件信息模塊、VBE自檢信息模塊和錄波信息模塊。本文設(shè)計的微服務(wù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 閥監(jiān)測系統(tǒng)微服務(wù)架構(gòu)

在圖2中，微服務(wù)包含用戶側(cè)、公共服務(wù)網(wǎng)關(guān)、微服務(wù)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)庫等。用戶側(cè)從移動端或臺式機WEB端登陸。公共服務(wù)網(wǎng)關(guān)負責(zé)身份認證和請求任務(wù)分發(fā)。微服務(wù)業(yè)務(wù)主要負責(zé)部署各種業(yè)務(wù)邏輯，包含了共有的業(yè)務(wù)邏輯和可添加和刪除的微服務(wù)。數(shù)據(jù)采集端采集來自于VBE上傳的信息，包括晶閘管級故障信息、FOP動作信息、VBE故障事件信息、VBE自檢信息和錄波信息等。數(shù)據(jù)庫負責(zé)為各個微服務(wù)的功能提供數(shù)據(jù)支持。公共配置服務(wù)負責(zé)在分布式部署時解決配置繁瑣問題，并提供對外公共網(wǎng)關(guān)入口。

每個微服務(wù)模塊之間的通信通過Restful API接口互相連接，實現(xiàn)了模塊之間的功能解耦。對于設(shè)備的基礎(chǔ)功能方面，設(shè)立了公共微服務(wù)，例如設(shè)備管理、實時監(jiān)控和用戶管理等。對于特殊的功能方面，設(shè)立了擴展應(yīng)用，如果用戶有臨時需求，可以在原來的基礎(chǔ)上添加。本設(shè)備中的擴展應(yīng)用包括了晶閘管級故障、FOP動作、VBE故障事件、VBE自檢信息和錄波信息等處理模塊。

3 解決方案

為了使用微服務(wù)的思想實現(xiàn)WEB服務(wù)的高壓直流換流閥狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件，本文使用Spring Cloud作為微服務(wù)框架。Spring Cloud構(gòu)建于Spring Boot之上[10]，在設(shè)計時可以從資源的維度對系統(tǒng)進行劃分，同時為每個資源設(shè)置特定的統(tǒng)一資源標(biāo)識符(uniform resource identifier, URI)。Spring Cloud同時搭建了微服務(wù)結(jié)構(gòu)所需要的功能，部署操作簡單，是業(yè)界使用較多的微服務(wù)框架。

換流閥監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)選型如圖3所示。

圖3 換流閥監(jiān)測系統(tǒng)微服務(wù)架構(gòu)技術(shù)選型

解決方案如下：

(1) 服務(wù)注冊中心。選用Spring Cloud Eureka負責(zé)服務(wù)的注冊與發(fā)現(xiàn)，很好地將各服務(wù)連接起來。

(2) 公共服務(wù)網(wǎng)關(guān)。選用智能路由Spring Cloud Zuul統(tǒng)一所有的API接口，實現(xiàn)服務(wù)網(wǎng)關(guān)。

(3) 服務(wù)負載均衡。選用Spring Cloud Ribbon將均衡負載邏輯封裝并運行在客戶端中，將請求流量分發(fā)到不同的服務(wù)器。

(4) 公共配置中心。選用Spring Cloud Config讀取遠程或本地倉庫的配置文件，集中統(tǒng)一管理配置信息。

(5) 斷路器。選用Spring Cloud Hystrix在分布式系統(tǒng)出現(xiàn)故障時隔離服務(wù)訪問點，提高系統(tǒng)魯棒性。

(6) 微服務(wù)監(jiān)控。選用Spring Cloud Admin通過UI界面查看客戶端和環(huán)境信息等。

(7) 分布式鏈路跟蹤。選用Spring Cloud Sleuth實現(xiàn)微服務(wù)架構(gòu)中的鏈路追蹤。

(8) 斷路器監(jiān)控。選用Spring Cloud Hystrix Dashboard監(jiān)控斷路器狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文采用基于微服務(wù)思想的B/S架構(gòu)設(shè)計換流閥監(jiān)測系統(tǒng)軟件架構(gòu)，實現(xiàn)了大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲、處理以及分布式移動辦公，避免了數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象。換流閥監(jiān)測系統(tǒng)的微服務(wù)架構(gòu)可以實現(xiàn)敏捷開發(fā)和部署、拆分應(yīng)用、細分業(yè)務(wù)邊界和按照業(yè)務(wù)范圍分配工作。通過Spring Cloud技術(shù)搭建系統(tǒng)，為微服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)提供了標(biāo)準(zhǔn)化和全站式解決方案。在從容應(yīng)對業(yè)務(wù)發(fā)展的同時，大大減少了開發(fā)成本，為系統(tǒng)的功能擴展提供了良好的基礎(chǔ)，有效推進閥監(jiān)測系統(tǒng)軟件技術(shù)水平的進步。