摘要：隨著“雙碳”目標的提出，發(fā)電企業(yè)必須建立和完善碳排放管理平臺，以實現(xiàn)碳排放的監(jiān)測、盤查、核算和預測等智能化管理。然而，現(xiàn)有的管理平臺仍以單體化應用為主，存在一系列問題，如底層架構耦合度高、彈性不足等，這些問題使其無法滿足當前雙碳政策及碳市場的業(yè)務需求。文章研究如何基于云原生技術，從架構設計、開發(fā)技術和部署維護等多方面構建碳排放管理平臺，提升其可擴展性與彈性，助力企業(yè)降低能耗和碳排放，提高碳管理能力。

關鍵詞：碳排放管理平臺；云原生；微服務；容器化

中圖分類號：TP311" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）16-0054-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

在“雙碳”目標和新型電力系統(tǒng)建設背景下，在碳排放權交易市場深入推進的同時，擁有發(fā)電機組產(chǎn)權的發(fā)電企業(yè)在發(fā)電過程中產(chǎn)生的二氧化碳（CO2） 排放量受到政府分配的碳配額的限制[1]，這些企業(yè)是國家重點碳排放單位。因此，構建碳資產(chǎn)管理體系與平臺已成為發(fā)電企業(yè)提高碳資產(chǎn)管理效率的重要舉措[2]。已成為提高碳資產(chǎn)管理效率、優(yōu)化資源配置、促進能源系統(tǒng)綠色低碳發(fā)展的重要舉措。然而，目前大部分發(fā)電企業(yè)對碳排放管理停留在傳統(tǒng)的手工填報階段，現(xiàn)有管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)不完備，無法適應當前的碳政策及統(tǒng)一監(jiān)管需求。碳排放管理平臺能夠盤查和核算碳排放總量，提供閾值預警和科學的減排方案，這些措施確保企業(yè)能夠及時交易碳配額，高效管理碳資產(chǎn)。

近年來，隨著數(shù)字技術在能源行業(yè)的深入應用，能源行業(yè)逐步向數(shù)字化、智能化方向轉型升級。但隨著應用建設的增多和后期業(yè)務動態(tài)發(fā)展需求，傳統(tǒng)單體應用存在諸多弊端。一是單體框架的系統(tǒng)擴展性不足，隨著業(yè)務的不斷擴展，代碼量急劇增加，模塊與模塊之間的耦合度過高，項目變得極為復雜，難以擴展；二是用戶體驗不佳，某一模塊的缺陷可能會造成整個系統(tǒng)的宕機，隨著缺陷的不斷修復，單機的部署頻率愈來愈頻繁，需要不斷啟停系統(tǒng)，給用戶帶來較差的系統(tǒng)體驗；三是系統(tǒng)的可收縮性差，故障的容忍度低，不能對某個功能點進行擴容和收縮，只能對整個系統(tǒng)進行操作，造成資源的浪費；四是多個單體式的應用系統(tǒng)運維難度大，難以持續(xù)集成和部署。因此，面對多用戶、多元化、個性化的碳排放管理業(yè)務應用需求，迫切需要利用云原生技術搭建碳排放管理平臺，從而實現(xiàn)平臺的功能解耦、降低集成難度，提高平臺基礎架構的靈活性和可擴展性。

1 云原生技術概述

企業(yè)IT架構經(jīng)歷了單機、分布式和云計算三個技術發(fā)展階段。云原生架構已成為必然趨勢。云計算是近年來應用最廣泛的計算模型，其工作原理是將計算程序通過網(wǎng)絡技術進行分解，形成分布式的數(shù)據(jù)計算模式[3]，其架構主要劃分為三層：IaaS（基礎設施即服務） 、PaaS（平臺即服務） 和SaaS（軟件即服務） 。云計算是云原生（Cloud-Native） 的技術基礎。云原生不僅是基礎設施和平臺的云化，更是應用的云化，使得軟件應用的整個生命周期都運行在云上。目前，它由微服務、容器、DevOps和持續(xù)交付這四方面技術組成[4]。

微服務是一種分布式架構設計，旨在將復雜應用拆分為多個獨立和自治的服務。服務與服務之間通過松耦合的形式交互，并且相互協(xié)調配合[5]。每個服務都可以獨立設計、開發(fā)、部署和更新，互不影響。服務之間通過REST API、RPC（遠程服務調用） 等多種方式訪問，修改某一服務不會影響其他服務的調用。微服務通常以集群方式部署，即使某個節(jié)點發(fā)生故障，也不會影響其他服務的正常運行。

容器Docker是一款使用Go語言開發(fā)的開源容器引擎，通過將應用程序及其依賴打包成標準化鏡像，實現(xiàn)輕量級的操作系統(tǒng)層面虛擬化，從而提供隔離性、靈活性和可移植性。容器是云原生應用程序中的最小計算單元，每個容器進程彼此隔離，容器具有較低的性能開銷。Docker可以將運行環(huán)境、開發(fā)代碼、配置文件等合并打包并發(fā)布，并且可跨平臺運行，實現(xiàn)開發(fā)和運維的一鍵部署，到處運行[6]。Kubernetes（K8S） 是Docker容器的一種編排系統(tǒng)，可應用于容器的管理、容器間的負載均衡等[7-8]。

DevOps即Dev+Ops組合詞，是開發(fā)和運維的合體，是一種與云原生模式保持一致的設計理念。DevOps 實踐能夠加快軟件開發(fā)的生命周期，實現(xiàn)云原生開發(fā)自動化，進而實現(xiàn)更頻繁的產(chǎn)品迭代和更高的產(chǎn)品質量輸出，可以有效提升應用研發(fā)、交付效率[9]。

持續(xù)交付是一種支持云原生開發(fā)的軟件實踐。持續(xù)交付能夠確保軟件始終處于穩(wěn)定且隨時發(fā)布的狀態(tài)，加速軟件的構建、測試與發(fā)布的流程，可以縮短開發(fā)時間、降低開發(fā)成本、減少風險[7]。持續(xù)交付的能力通過自動化流水線方式實現(xiàn)，縮短交付周期。持續(xù)交付專注于可交付的產(chǎn)物，要求開發(fā)版本和穩(wěn)定版本并存，持續(xù)改進產(chǎn)品質量。

2 基于云原生架構的發(fā)電企業(yè)碳排放管理平臺構建

2.1 需求分析

發(fā)電企業(yè)碳排放管理主要包括內(nèi)部碳資產(chǎn)管理和外部碳市場交易的雙重需求。從管理層面來看，企業(yè)需要全面摸排并清查自身的碳排放數(shù)據(jù)及碳資產(chǎn)狀況；從交易層面來看，企業(yè)需要參與碳市場交易，開展碳資產(chǎn)管理和運營，提供碳交易服務。因此，碳排放管理平臺涉及的多源異構數(shù)據(jù)、多種角色層級和差異化的需求等，需要在統(tǒng)一平臺的基礎上滿足不同用戶的個性化需求。本文以某發(fā)電企業(yè)為例，針對碳排放管理和碳交易業(yè)務需求，構建統(tǒng)一平臺，實現(xiàn)駕駛艙、排放數(shù)據(jù)管理、履約管理、CCER項目管理、碳交易管理、分析決策、統(tǒng)計報表、綜合資訊和系統(tǒng)管理功能。該平臺需整合發(fā)電機組數(shù)據(jù)、碳排放數(shù)據(jù)、碳配額數(shù)據(jù)及碳交易數(shù)據(jù)，以支持企業(yè)總部對碳數(shù)據(jù)的分析和決策；另一方面，需要根據(jù)電廠客戶的業(yè)務應用場景，設計模塊化平臺產(chǎn)品，支撐電廠用戶開展個性化的碳排放監(jiān)測、碳資產(chǎn)分析、碳排放預警和碳交易風險評估等，為發(fā)電企業(yè)量身定制科學有效的減排方案。

2.2 架構設計

碳排放管理平臺基于云原生架構，采用微服務技術框架進行設計，具備虛擬化、容器化、資源調度、負載均衡等能力，支持軟件功能模塊擴展、系統(tǒng)集成和開發(fā)更新，能夠應對業(yè)務上的需求增長。圖1展示了碳排放管理平臺的總體架構。

感知層全面感知電廠溫度傳感器、碳排放濃度監(jiān)測器、煙氣流量監(jiān)測器和用電量監(jiān)測等設備的數(shù)據(jù)，同時集成內(nèi)外部系統(tǒng)（如燃料信息系統(tǒng)、生產(chǎn)實時系統(tǒng)等） 的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括企業(yè)基礎數(shù)據(jù)（位置信息、裝機容量、機組類型、碳排放配額等） 、監(jiān)測數(shù)據(jù)（CO2排放量、碳排放濃度、環(huán)境信息等） 和業(yè)務數(shù)據(jù)（CO2排放趨勢、碳資產(chǎn)配額、發(fā)電量、廠用功率、負荷率等） ，為計算碳排放量提供基礎數(shù)據(jù)，支撐碳盤查工作。

邊緣層主要是在邊緣側實現(xiàn)數(shù)據(jù)的預處理，基于邊緣計算技術實現(xiàn)設備接入、協(xié)議轉換、解析及邊緣數(shù)據(jù)處理等。

平臺層由IaaS、PaaS和SaaS三個層級構成。IaaS層運用虛擬化技術聚合IT基礎資源（計算、網(wǎng)絡、存儲） ，形成統(tǒng)一的資源池。通過Docker容器技術，將各應用功能進行抽象和隔離，在應用層面實現(xiàn)資源的單元化和虛擬化。同時，利用Kubernetes進行容器編排和集群管理。PaaS層分為基礎平臺、數(shù)據(jù)平臺和開發(fā)平臺?；A平臺主要實現(xiàn)微服務架構基礎組件，包括服務注冊發(fā)現(xiàn)、配置中心、服務網(wǎng)關、聲明式調用、負載均衡、鏈路追蹤等；數(shù)據(jù)平臺作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)底座，整合不同業(yè)務系統(tǒng)和采集碳排放數(shù)據(jù)的存儲、清理、建模、分析等全流程的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行實時采集、統(tǒng)計、分析和挖掘，實現(xiàn)數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)服務等功能，打通碳排放數(shù)據(jù)通道，全面覆蓋碳排放數(shù)據(jù)“采存管用”的全流程管理功能，有效解決單體應用數(shù)據(jù)孤島問題；開發(fā)平臺主要是提供給開發(fā)人員使用的快速開發(fā)框架，包括微服務平臺、低代碼開發(fā)工具、應用中間件、系統(tǒng)組件庫、應用模板庫等。SaaS層為微服務應用層，主要實現(xiàn)碳排放管理平臺的業(yè)務應用功能，構建了多個業(yè)務功能微服務。平臺應具備排放監(jiān)測、碳排放管理、配額管理、碳交易管理、分析決策等主要業(yè)務需求，根據(jù)業(yè)務需求切分，排放監(jiān)測可以分為監(jiān)測數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)修約補錄、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析等服務，排放數(shù)據(jù)管理包括排放設施信息、數(shù)據(jù)填報、碳排放預警等服務，配額管理包括配額測算、配額盈缺分析、履約報告等服務，碳交易管理包括市場交易動態(tài)、交易臺賬登記、交易風險分析等服務，分析決策包括排放總量分析、排放強度分析、數(shù)據(jù)診斷分析等服務。

展現(xiàn)層滿足多端展現(xiàn)形式，通過大屏、微信公眾號、PC端等多種展現(xiàn)形式靈活訪問系統(tǒng)。

2.3 核心功能

為幫助發(fā)電企業(yè)科學開展碳業(yè)務管理，實現(xiàn)節(jié)能減排、提高能源利用效率和降低碳排放量，碳排放管理平臺應具備統(tǒng)一的底層數(shù)字化平臺，同時根據(jù)不同類型的電廠用戶需求，開發(fā)多個微服務應用，包括：排放監(jiān)測、排放數(shù)據(jù)管理、配額管理、碳交易管理和交易決策等功能模塊。

排放監(jiān)測：主要包含在線監(jiān)測、監(jiān)測數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)修約補錄功能。按照國際通用的碳排放核算標準和方法，自動計算各排放源的碳排放量，將核算法計算的碳排放量和監(jiān)測到的CO?排放濃度等進行對比，分析變化趨勢，實時監(jiān)測碳排放數(shù)據(jù)。提供數(shù)據(jù)修約功能，對缺失數(shù)據(jù)開展手工錄入或者自動補錄的方式進行補全，對異常數(shù)值進行校準，確保碳排放數(shù)據(jù)的準確性。生成多維度的報表，包括濃度數(shù)據(jù)報表、總量排放報表等，確保企業(yè)了解自身的碳排放情況。

排放數(shù)據(jù)管理：主要包含數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)可視化展示和GIS地圖集成功能。開展碳排放總量分析、縱向趨勢分析和橫向對標分析等，利用大數(shù)據(jù)和可視化技術，展示發(fā)電企業(yè)碳排放總量、趨勢、分布情況以及各排放源的貢獻度，支持歷史數(shù)據(jù)對比和預測分析；集成GIS地圖，將排放設施的地理位置、實時排放數(shù)據(jù)（如煙氣流量、CO?濃度） 疊加至GIS地圖，支持熱力圖、散點圖等可視化展示，直觀呈現(xiàn)區(qū)域排放熱點，幫助用戶全面把握碳排放動態(tài)變化，從而為企業(yè)制定降碳措施提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

配額管理：主要包含任務跟蹤、配額預警和配額盈缺分析功能。針對履約周期內(nèi)的關鍵任務（如配額清繳、第三方核查） ，設置里程碑節(jié)點并自動提醒，確保企業(yè)按時完成材料提交、數(shù)據(jù)校準等流程。設置碳排放量閾值，當碳排放接近或超過預設閾值時發(fā)出警報，實現(xiàn)智能預警。同時提供配額盈缺分析功能，整合碳市場價格波動數(shù)據(jù)，智能推薦低成本履約方案（如優(yōu)先使用庫存配額或購入低價CCER） ，跟蹤碳配額履約方案執(zhí)行情況，完成配額全生命周期管理，降低企業(yè)履約風險和交易成本。

碳交易管理：包含市場交易動態(tài)、交易臺賬登記和交易風險分析功能。通過碳交易信息和市場分析，幫助企業(yè)把握碳市場動態(tài)。針對企業(yè)持有的碳資產(chǎn)（如配額、CCER等） ，提供分類臺賬管理功能，支持碳交易管理和CCER項目管理，并自動計算持倉成本與潛在收益，幫助分析不同交易策略對碳資產(chǎn)組合的影響，為企業(yè)優(yōu)化持倉結構提供數(shù)據(jù)支撐。

交易決策：包含碳排放預測、配額需求分析和策略分析功能?；跉v史數(shù)據(jù)與生產(chǎn)計劃，采用機器學習算法、深度學習算法等，預測未來周期（年度/月度） 的碳排放總量。根據(jù)碳排放預測結果，分析配額需求，整合實時碳價與政策動態(tài)，計算“配額+CCER”等多種方式的成本，形成碳交易策略，為企業(yè)提供碳市場中的精準決策支持。

2.4 開發(fā)技術

碳排放管理平臺的后端基于Spring Cloud微服務架構構建，開發(fā)實現(xiàn)包括用戶角色管理、組織管理、權限管理、資源管理、任務調度等組件。前端采用Vue框架，是一種自下向上、增量開發(fā)的模式。結合Element-UI組件庫實現(xiàn)響應的數(shù)據(jù)綁定和組合的視圖組件，最終實現(xiàn)前端頁面自適應、靈活、高性能和架構清晰等要求。

在數(shù)據(jù)存儲方面，采用多種數(shù)據(jù)庫混合存儲的方案。對于關系型數(shù)據(jù)，使用PostgreSQL進行存儲，并且采用集群方式進行部署；對于熱點數(shù)據(jù)和響應即時性高的數(shù)據(jù)，采用Redis技術進行緩存；針對存儲大量時間相關監(jiān)控數(shù)據(jù)的情況，使用基于Hadoop和HBase實現(xiàn)橫向擴展能力的OpenTSDB時序數(shù)據(jù)庫進行存儲；對于非結構化數(shù)據(jù)，采用MongoDB進行檢索和存儲；對于文件類型的存儲，使用分布式文件系統(tǒng)FastDFS進行存儲和備份。

2.5 部署運維

碳排放管理平臺基于微服務架構開發(fā)，每個服務相互獨立、功能相對單一并且容易維護，易于調試、快速發(fā)布和部署[10]。將應用程序所依賴的應用程序文件和應用運行環(huán)境一并打包成Docker鏡像進行應用程序的交付，并通過中央鏡像倉庫進行分發(fā)，使程序能夠在開發(fā)環(huán)境、測試環(huán)境以及生產(chǎn)環(huán)境中以一致的方式運行。同時，利用Kubernetes技術對應用容器進行編排、管理和調度，提高運維的管理能力，便于應用的快速自動化部署及彈性擴容和收縮，充分利用軟件和硬件的資源。

3 結束語

本文首先介紹了云原生技術的基本概念，隨后深入分析了某發(fā)電企業(yè)的碳排放管理業(yè)務需求，探討了基于云原生技術構建碳排放管理平臺的方法，明確了平臺的架構和核心功能。該平臺基于云原生架構，采用微服務技術框架進行設計，利用Docker容器化技術與Kubernetes編排引擎，確保平臺具備高彈性、松耦合和可伸縮性，全面提供可持續(xù)集成與交付的能力。本文為發(fā)電企業(yè)碳排放管理平臺的搭建與運營提供了參考依據(jù)。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】