基于微服務(wù)架構(gòu)的智能電網(wǎng)擾動模擬測試系統(tǒng)

冷迪，李 英

（深圳供電局有限公司，廣東深圳 518000）

智能電網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和可靠設(shè)備的背景下，集成了先進的傳感和測量技術(shù)，向用戶傳遞不同能量的電能，并且能夠保證傳輸電能的質(zhì)量[1-2]。智能電網(wǎng)運行中關(guān)聯(lián)的利益共同體龐大，因此設(shè)計了智能電網(wǎng)擾動模擬測試系統(tǒng)，在電網(wǎng)投入使用前進行模擬測試，如果測試效果不符合要求，需要更改被測試電網(wǎng)功能，更改處理后再進行測試，直至測試成功[3]。

傳統(tǒng)的智能電網(wǎng)擾動模擬測試系統(tǒng)采用的測試校驗規(guī)則不適用目前部分已經(jīng)升級的電網(wǎng)系統(tǒng)和設(shè)備，導(dǎo)致模擬測試結(jié)果不能準(zhǔn)確地檢測出電網(wǎng)擾動效果，有故障的電網(wǎng)投入使用容易造成較大的經(jīng)濟損失和電能浪費[4-5]。

為了提高智能電網(wǎng)的工作效率和穩(wěn)定性，該文提出了基于微服務(wù)架構(gòu)的智能電網(wǎng)擾動模擬測試系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的性能，該系統(tǒng)從硬件區(qū)域和軟件區(qū)域分別進行設(shè)計。硬件利用高壓傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)的傳感器，提高模擬測試系統(tǒng)的靈活性，保證系統(tǒng)的功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該文設(shè)計的基于微服務(wù)架構(gòu)的智能電網(wǎng)擾動模擬測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 光纖直流電流傳感器

基于微服務(wù)架構(gòu)的智能電網(wǎng)擾動模擬測試系統(tǒng)硬件區(qū)域的光纖直流電流傳感器是硬件區(qū)域重要的設(shè)備之一，該文選擇光纖直流電流傳感器，該傳感器的工作是檢測需要模擬測試電網(wǎng)的輸出信號和部分信息，并將信息與數(shù)據(jù)采集卡的信息相融合[6]。光纖直流電流傳感器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 光纖直流電流傳感器結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，傳感器輸送電壓的極限為800 kV，傳感器等級設(shè)置了三個等級，分別為600 A、3 000 A以及4 500 A，器件輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓為22 V?？紤]到該文設(shè)計系統(tǒng)的工作內(nèi)容，可以直接輸出直流互感器的電流結(jié)果。其中傳感器電源采用典型的4 500 mAh大電池，該電池具有超強的續(xù)航功能，與之共同配備了充電快充設(shè)備，電池輸出功率為55 W。傳感器的量程為100 Pa，輸出信號分為二線制的4～20 mA 和三線制的0～5 V、1～5 V、0～10 V，可持續(xù)供電電壓為24DCV。傳感器的密封等級為IP65，配備的絕緣電阻大于2 000 MΩ，根據(jù)不同的電網(wǎng)擾動狀態(tài)，該傳感器設(shè)置了多個對應(yīng)的指示燈，器件的負(fù)載電流為200 mA[7]。

1.2 屏蔽通信轉(zhuǎn)換器

基于微服務(wù)架構(gòu)的智能電網(wǎng)擾動模擬測試系統(tǒng)硬件區(qū)域屏蔽通信轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是有效隔離電網(wǎng)內(nèi)部的各個結(jié)構(gòu)的獨立測試，使得每個小測試均不被其他測試干擾，保證了測試結(jié)果的真實性。為了達到以上使用效果，該文采用IHUD-982 屏蔽通信轉(zhuǎn)換器，設(shè)備工作頻率的有效范圍為9 kHz～3 GHz，屏蔽信號的分辨率帶寬為10 Hz，分為1、2、3 三個速度檔，器件還涉及了降噪功能，相位噪聲處理后小于-90 dB，屏蔽信號的精度已經(jīng)可以達到0.3 dB[8-9]。屏蔽通信轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)應(yīng)用電網(wǎng)對象的實際情況進行信號屏蔽參數(shù)設(shè)置，提高設(shè)備的靈活性。轉(zhuǎn)換器的帶寬為100 MHz，運行時間范圍為5～50 s，具有較好的信號阻斷能力。轉(zhuǎn)換器件需要通過串口轉(zhuǎn)換設(shè)備與系統(tǒng)硬件區(qū)域其他設(shè)備進行連接，主要的連接工具為232 串口、TJC3-A 接口，屏蔽通信轉(zhuǎn)換器采用DC 電源持續(xù)供電。

1.3 數(shù)據(jù)采集卡

該文采用的數(shù)據(jù)采集卡的核心是PC211 芯片，采用16 路8 通道采集方式，芯片的主頻為3.13 GHz，并且配備了24 核的GPU。數(shù)據(jù)采集卡支持雙頻網(wǎng)絡(luò)模式，升級配置了藍(lán)牙功能，考慮到電網(wǎng)的工作環(huán)境，數(shù)據(jù)采集卡增添了防水保護，保障數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)數(shù)據(jù)的安全。數(shù)據(jù)采集卡脫機狀態(tài)下的采集速度為128 MB/s，采集卡的四周邊緣全部設(shè)計了68 針的管腳，以提高采集卡的采集效率[10]。數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)

由圖3 可知，數(shù)據(jù)采集卡支持IEEE802.11a 通信協(xié)議，目前可以配置的靜電防護標(biāo)準(zhǔn)為12 kV 的空氣放電，設(shè)備具備相應(yīng)功能，支持時間設(shè)置功能，該狀態(tài)下的時鐘根據(jù)實際需求可以進行調(diào)節(jié)[11-12]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

微服務(wù)架構(gòu)的實質(zhì)是多個處理模塊共同集成的一個核心處理結(jié)構(gòu)，微服務(wù)架構(gòu)接收到處理任務(wù)時首先將任務(wù)分解，然后下發(fā)到架構(gòu)內(nèi)的各個服務(wù)模塊中，采用最適合的技術(shù)進行處理，最終輸出結(jié)果。微服務(wù)架構(gòu)進行工作時，最重要的是架構(gòu)進程的處理，傳統(tǒng)的微服務(wù)架構(gòu)由于進程出現(xiàn)堵塞，會導(dǎo)致架構(gòu)工作出現(xiàn)故障，影響處理的進度。為了解決以上問題，該文采用SOA 輕量級通信機制完成架構(gòu)內(nèi)業(yè)務(wù)的通信。所設(shè)計的微服務(wù)架構(gòu)主要包含采集服務(wù)模塊、優(yōu)化策略模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、測試模塊以及監(jiān)控模塊[13]。微服務(wù)架構(gòu)示意圖如圖4 所示。

圖4 微服務(wù)架構(gòu)示意圖

由圖4 可知，微服務(wù)架構(gòu)核心是數(shù)據(jù)與任務(wù)處理。采用優(yōu)化策略模塊多通道單一進程的模式，完成微服務(wù)架構(gòu)服務(wù)對象信息的采集，該模塊需要與其他模塊進行相互配合完成工作[14]。該模塊的優(yōu)化表現(xiàn)在模塊增加了耦合矩陣開關(guān)，加大了微服務(wù)架構(gòu)的服務(wù)彈性，擴大了架構(gòu)信息采集的范圍。采集優(yōu)化模塊是服務(wù)架構(gòu)與服務(wù)對象連接的重要模塊之一，為了達到應(yīng)用要求，該文提高了模塊的兼容性。采集服務(wù)模塊包括前端服務(wù)模塊、運行服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)庫服務(wù)模塊。前端服務(wù)模塊轉(zhuǎn)發(fā)用戶測試電網(wǎng)的內(nèi)容，模塊對用戶的請求進行整理，采用系統(tǒng)規(guī)范語言傳輸?shù)綔y試服務(wù)模塊中[15-16]。運行服務(wù)模塊的工作是調(diào)用任務(wù)調(diào)度器執(zhí)行接收到的用戶請求。數(shù)據(jù)庫服務(wù)模塊是輔助測試模塊在數(shù)據(jù)庫中查詢數(shù)據(jù)。

微服務(wù)架構(gòu)中存儲模塊不僅僅完成數(shù)據(jù)信息的存儲，而且在系統(tǒng)運行過程中，通過調(diào)用數(shù)據(jù)降低系統(tǒng)內(nèi)進程的阻塞。該模塊采用分布式處理模式，對待處理的進程采用分時分片多任務(wù)調(diào)度的方法，對所有的服務(wù)任務(wù)進行排序操作。監(jiān)控模塊與測試模塊必須同時工作，因為監(jiān)控模塊記錄需要測試電網(wǎng)的狀態(tài)，系統(tǒng)根據(jù)狀態(tài)分析測試數(shù)據(jù)，兩個模塊互相配合、相同調(diào)用，共同完成工作。

智能電網(wǎng)傳輸電能的行為是周期性行為，一旦電網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)擾動因素，電網(wǎng)內(nèi)電壓和三相頻率的變化尤為明顯，這是因為電網(wǎng)電源供給通過諧波和基波的方式完成，供給過程中，電網(wǎng)內(nèi)的電流輸出和供給呈現(xiàn)一個平衡的狀態(tài)，如果電網(wǎng)擾動狀態(tài)發(fā)生改變，則電流輸出和供給呈現(xiàn)不平衡的狀態(tài)，間接導(dǎo)致電網(wǎng)三相頻率的降低或者升高。

根據(jù)電網(wǎng)內(nèi)部變量變化情況，基于微服務(wù)架構(gòu)的智能電網(wǎng)擾動模擬原理是利用整流式電流閉環(huán)控制方法，控制電網(wǎng)內(nèi)電流的輸入輸出量，以電流的增加量作為操作信號，一旦增加量達到了電網(wǎng)干擾指標(biāo)，斷開電網(wǎng)保護的同時，觸發(fā)電路內(nèi)電流內(nèi)環(huán)，進而影響電網(wǎng)內(nèi)三相頻率的波動，模擬出電網(wǎng)的擾動狀態(tài)。

3 實驗分析

該文設(shè)計實驗測試基于微服務(wù)框架的智能電網(wǎng)擾動模擬測試系統(tǒng)的性能，選用GBH 19837-2020 光伏智能電網(wǎng)作為測試對象，該電網(wǎng)是剛投入使用一個月的電網(wǎng)，電網(wǎng)真實的擾動系數(shù)為3，測試前對電網(wǎng)的基本擾動數(shù)據(jù)進行了多次測試，并取平均值作為實驗測試的重要對照數(shù)據(jù)之一。實驗測試的流程是將該智能電網(wǎng)同時連接到兩個智能電網(wǎng)擾動模擬測試系統(tǒng)中，根據(jù)以往的測試經(jīng)驗，實驗時間為60 min，實驗整個過程中，兩個系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)同時會被分到計算機中，方便結(jié)束實驗后進行數(shù)據(jù)復(fù)盤。為了提高實驗的精度，使實驗具有科學(xué)性，該文調(diào)控電壓和三相頻率兩個變量對智能電網(wǎng)的擾動狀態(tài)進行模擬測試，捕獲數(shù)據(jù)，電壓呈現(xiàn)跌落或上升狀態(tài)，三相頻率的變量對應(yīng)參數(shù)為47 Hz 和50 Hz。相關(guān)實驗結(jié)果如圖5 所示。

為了測試電網(wǎng)的基礎(chǔ)擾動狀態(tài)，出現(xiàn)電網(wǎng)運行的電壓跌至2%的波動圖如圖5（a）所示，圖5（b）是在圖5（a）的基礎(chǔ)上，將配電網(wǎng)此時的電壓升至130%的波形圖，圖5（c）是測試電網(wǎng)啟動過程波動圖。對比三個圖，發(fā)現(xiàn)展示數(shù)據(jù)的波動趨勢和幅度出現(xiàn)偏差。此時調(diào)用基于微服務(wù)架構(gòu)的智能電網(wǎng)擾動模擬測試系統(tǒng)對兩個試驗測試圖進行對照分析，得出電網(wǎng)的擾動，與實際配電網(wǎng)的擾動系數(shù)相比存在較小的偏差，在可控范圍內(nèi)。調(diào)控三相頻率智能電網(wǎng)擾動波形圖如圖6 所示。

圖5 調(diào)控電壓變量智能電網(wǎng)擾動波形圖

圖6 調(diào)控三相頻率智能電網(wǎng)擾動波形圖

圖6 是該文設(shè)計系統(tǒng)利用調(diào)控運行電網(wǎng)的三相頻率參數(shù)進一步確定智能電網(wǎng)擾動狀態(tài)。圖6（a）試驗結(jié)果圖是在電網(wǎng)運行后，將電網(wǎng)的三相頻率瞬間調(diào)節(jié)到47 Hz，調(diào)節(jié)后，電網(wǎng)運行頻率出現(xiàn)非周期性波動，電網(wǎng)的三相頻率自動恢復(fù)為電網(wǎng)正常運行狀態(tài)的三相頻率。圖6（b）是電網(wǎng)恢復(fù)正常狀態(tài)下，再一次將電網(wǎng)的三相頻率調(diào)節(jié)為50 Hz，觀察電網(wǎng)內(nèi)頻率的變化，最終發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)的三相頻率無法恢復(fù)到正常三相頻率參數(shù)值，運行的電網(wǎng)持續(xù)微弱的頻率波動。因此，測試系統(tǒng)調(diào)用電網(wǎng)擾動指標(biāo)，輸出電網(wǎng)的擾動狀態(tài)，完成測試。

綜上所示，可以證明該文設(shè)計的基于微服務(wù)架構(gòu)的智能電網(wǎng)擾動模擬測試系統(tǒng)可以完成測試，測試流程具有合理性和邏輯性，系統(tǒng)測試準(zhǔn)確性達到了標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語

通過以上論述和實驗測試，證明了該文設(shè)計的基于微服務(wù)架構(gòu)的智能電網(wǎng)擾動模擬測試系統(tǒng)的可用性。得到這一可觀的數(shù)據(jù)，一方面是因為該文對于微服務(wù)鏈路進行多參數(shù)分解，分工明確，并且模擬測試的校驗規(guī)則與微服務(wù)鏈路相互對應(yīng)。另一方面是因為系統(tǒng)軟件區(qū)域模塊和硬件區(qū)域器件關(guān)聯(lián)緊密，調(diào)用時具有較高的靈活性，系統(tǒng)需要在特定的運行環(huán)境進行初始化即可運行。該文設(shè)計的基于微服務(wù)架構(gòu)的智能電網(wǎng)擾動模擬測試系統(tǒng)在今后的運行過程中，如果電網(wǎng)領(lǐng)域出現(xiàn)功能的更新，那么系統(tǒng)可以在微服務(wù)架構(gòu)內(nèi)增加相應(yīng)的模塊，對系統(tǒng)進行升級，提高系統(tǒng)的兼容性。