基于微服务架构的智能电网扰动模拟测试系统

冷迪，李 英

（深圳供电局有限公司，广东深圳 518000）

智能电网在网络通信技术和可靠设备的背景下，集成了先进的传感和测量技术，向用户传递不同能量的电能，并且能够保证传输电能的质量[1-2]。智能电网运行中关联的利益共同体庞大，因此设计了智能电网扰动模拟测试系统，在电网投入使用前进行模拟测试，如果测试效果不符合要求，需要更改被测试电网功能，更改处理后再进行测试，直至测试成功[3]。

传统的智能电网扰动模拟测试系统采用的测试校验规则不适用目前部分已经升级的电网系统和设备，导致模拟测试结果不能准确地检测出电网扰动效果，有故障的电网投入使用容易造成较大的经济损失和电能浪费[4-5]。

为了提高智能电网的工作效率和稳定性，该文提出了基于微服务架构的智能电网扰动模拟测试系统，保证了系统的性能，该系统从硬件区域和软件区域分别进行设计。硬件利用高压传感器代替传统系统的传感器，提高模拟测试系统的灵活性，保证系统的功能。

1 系统硬件设计

该文设计的基于微服务架构的智能电网扰动模拟测试系统硬件结构如图1 所示。

图1 系统硬件结构

1.1 光纤直流电流传感器

基于微服务架构的智能电网扰动模拟测试系统硬件区域的光纤直流电流传感器是硬件区域重要的设备之一，该文选择光纤直流电流传感器，该传感器的工作是检测需要模拟测试电网的输出信号和部分信息，并将信息与数据采集卡的信息相融合[6]。光纤直流电流传感器结构如图2 所示。

图2 光纤直流电流传感器结构

由图2 可知，传感器输送电压的极限为800 kV，传感器等级设置了三个等级，分别为600 A、3 000 A以及4 500 A，器件输出标准电压为22 V。考虑到该文设计系统的工作内容，可以直接输出直流互感器的电流结果。其中传感器电源采用典型的4 500 mAh大电池，该电池具有超强的续航功能，与之共同配备了充电快充设备，电池输出功率为55 W。传感器的量程为100 Pa，输出信号分为二线制的4～20 mA 和三线制的0～5 V、1～5 V、0～10 V，可持续供电电压为24DCV。传感器的密封等级为IP65，配备的绝缘电阻大于2 000 MΩ，根据不同的电网扰动状态，该传感器设置了多个对应的指示灯，器件的负载电流为200 mA[7]。

1.2 屏蔽通信转换器

基于微服务架构的智能电网扰动模拟测试系统硬件区域屏蔽通信转换器的任务是有效隔离电网内部的各个结构的独立测试，使得每个小测试均不被其他测试干扰，保证了测试结果的真实性。为了达到以上使用效果，该文采用IHUD-982 屏蔽通信转换器，设备工作频率的有效范围为9 kHz～3 GHz，屏蔽信号的分辨率带宽为10 Hz，分为1、2、3 三个速度档，器件还涉及了降噪功能，相位噪声处理后小于-90 dB，屏蔽信号的精度已经可以达到0.3 dB[8-9]。屏蔽通信转换器可以根据应用电网对象的实际情况进行信号屏蔽参数设置，提高设备的灵活性。转换器的带宽为100 MHz，运行时间范围为5～50 s，具有较好的信号阻断能力。转换器件需要通过串口转换设备与系统硬件区域其他设备进行连接，主要的连接工具为232 串口、TJC3-A 接口，屏蔽通信转换器采用DC 电源持续供电。

1.3 数据采集卡

该文采用的数据采集卡的核心是PC211 芯片，采用16 路8 通道采集方式，芯片的主频为3.13 GHz，并且配备了24 核的GPU。数据采集卡支持双频网络模式，升级配置了蓝牙功能，考虑到电网的工作环境，数据采集卡增添了防水保护，保障数据采集卡内数据的安全。数据采集卡脱机状态下的采集速度为128 MB/s，采集卡的四周边缘全部设计了68 针的管脚，以提高采集卡的采集效率[10]。数据采集卡结构如图3 所示。

图3 数据采集卡结构

由图3 可知，数据采集卡支持IEEE802.11a 通信协议，目前可以配置的静电防护标准为12 kV 的空气放电，设备具备相应功能，支持时间设置功能，该状态下的时钟根据实际需求可以进行调节[11-12]。

2 系统软件设计

微服务架构的实质是多个处理模块共同集成的一个核心处理结构，微服务架构接收到处理任务时首先将任务分解，然后下发到架构内的各个服务模块中，采用最适合的技术进行处理，最终输出结果。微服务架构进行工作时，最重要的是架构进程的处理，传统的微服务架构由于进程出现堵塞，会导致架构工作出现故障，影响处理的进度。为了解决以上问题，该文采用SOA 轻量级通信机制完成架构内业务的通信。所设计的微服务架构主要包含采集服务模块、优化策略模块、数据存储模块、测试模块以及监控模块[13]。微服务架构示意图如图4 所示。

图4 微服务架构示意图

由图4 可知，微服务架构核心是数据与任务处理。采用优化策略模块多通道单一进程的模式，完成微服务架构服务对象信息的采集，该模块需要与其他模块进行相互配合完成工作[14]。该模块的优化表现在模块增加了耦合矩阵开关，加大了微服务架构的服务弹性，扩大了架构信息采集的范围。采集优化模块是服务架构与服务对象连接的重要模块之一，为了达到应用要求，该文提高了模块的兼容性。采集服务模块包括前端服务模块、运行服务模块、数据库服务模块。前端服务模块转发用户测试电网的内容，模块对用户的请求进行整理，采用系统规范语言传输到测试服务模块中[15-16]。运行服务模块的工作是调用任务调度器执行接收到的用户请求。数据库服务模块是辅助测试模块在数据库中查询数据。

微服务架构中存储模块不仅仅完成数据信息的存储，而且在系统运行过程中，通过调用数据降低系统内进程的阻塞。该模块采用分布式处理模式，对待处理的进程采用分时分片多任务调度的方法，对所有的服务任务进行排序操作。监控模块与测试模块必须同时工作，因为监控模块记录需要测试电网的状态，系统根据状态分析测试数据，两个模块互相配合、相同调用，共同完成工作。

智能电网传输电能的行为是周期性行为，一旦电网内出现扰动因素，电网内电压和三相频率的变化尤为明显，这是因为电网电源供给通过谐波和基波的方式完成，供给过程中，电网内的电流输出和供给呈现一个平衡的状态，如果电网扰动状态发生改变，则电流输出和供给呈现不平衡的状态，间接导致电网三相频率的降低或者升高。

根据电网内部变量变化情况，基于微服务架构的智能电网扰动模拟原理是利用整流式电流闭环控制方法，控制电网内电流的输入输出量，以电流的增加量作为操作信号，一旦增加量达到了电网干扰指标，断开电网保护的同时，触发电路内电流内环，进而影响电网内三相频率的波动，模拟出电网的扰动状态。

3 实验分析

该文设计实验测试基于微服务框架的智能电网扰动模拟测试系统的性能，选用GBH 19837-2020 光伏智能电网作为测试对象，该电网是刚投入使用一个月的电网，电网真实的扰动系数为3，测试前对电网的基本扰动数据进行了多次测试，并取平均值作为实验测试的重要对照数据之一。实验测试的流程是将该智能电网同时连接到两个智能电网扰动模拟测试系统中，根据以往的测试经验，实验时间为60 min，实验整个过程中，两个系统接收到的数据同时会被分到计算机中，方便结束实验后进行数据复盘。为了提高实验的精度，使实验具有科学性，该文调控电压和三相频率两个变量对智能电网的扰动状态进行模拟测试，捕获数据，电压呈现跌落或上升状态，三相频率的变量对应参数为47 Hz 和50 Hz。相关实验结果如图5 所示。

为了测试电网的基础扰动状态，出现电网运行的电压跌至2%的波动图如图5（a）所示，图5（b）是在图5（a）的基础上，将配电网此时的电压升至130%的波形图，图5（c）是测试电网启动过程波动图。对比三个图，发现展示数据的波动趋势和幅度出现偏差。此时调用基于微服务架构的智能电网扰动模拟测试系统对两个试验测试图进行对照分析，得出电网的扰动，与实际配电网的扰动系数相比存在较小的偏差，在可控范围内。调控三相频率智能电网扰动波形图如图6 所示。

图5 调控电压变量智能电网扰动波形图

图6 调控三相频率智能电网扰动波形图

图6 是该文设计系统利用调控运行电网的三相频率参数进一步确定智能电网扰动状态。图6（a）试验结果图是在电网运行后，将电网的三相频率瞬间调节到47 Hz，调节后，电网运行频率出现非周期性波动，电网的三相频率自动恢复为电网正常运行状态的三相频率。图6（b）是电网恢复正常状态下，再一次将电网的三相频率调节为50 Hz，观察电网内频率的变化，最终发现，电网的三相频率无法恢复到正常三相频率参数值，运行的电网持续微弱的频率波动。因此，测试系统调用电网扰动指标，输出电网的扰动状态，完成测试。

综上所示，可以证明该文设计的基于微服务架构的智能电网扰动模拟测试系统可以完成测试，测试流程具有合理性和逻辑性，系统测试准确性达到了标准要求。

4 结束语

通过以上论述和实验测试，证明了该文设计的基于微服务架构的智能电网扰动模拟测试系统的可用性。得到这一可观的数据，一方面是因为该文对于微服务链路进行多参数分解，分工明确，并且模拟测试的校验规则与微服务链路相互对应。另一方面是因为系统软件区域模块和硬件区域器件关联紧密，调用时具有较高的灵活性，系统需要在特定的运行环境进行初始化即可运行。该文设计的基于微服务架构的智能电网扰动模拟测试系统在今后的运行过程中，如果电网领域出现功能的更新，那么系统可以在微服务架构内增加相应的模块，对系统进行升级，提高系统的兼容性。