基于微服務架構的智能電網擾動模擬測試系統

冷迪，李 英

（深圳供電局有限公司，廣東深圳 518000）

智能電網在網絡通信技術和可靠設備的背景下，集成了先進的傳感和測量技術，向用戶傳遞不同能量的電能，并且能夠保證傳輸電能的質量[1-2]。智能電網運行中關聯的利益共同體龐大，因此設計了智能電網擾動模擬測試系統，在電網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功能，更改處理后再進行測試，直至測試成功[3]。

傳統的智能電網擾動模擬測試系統采用的測試校驗規則不適用目前部分已經升級的電網系統和設備，導致模擬測試結果不能準確地檢測出電網擾動效果，有故障的電網投入使用容易造成較大的經濟損失和電能浪費[4-5]。

為了提高智能電網的工作效率和穩定性，該文提出了基于微服務架構的智能電網擾動模擬測試系統，保證了系統的性能，該系統從硬件區域和軟件區域分別進行設計。硬件利用高壓傳感器代替傳統系統的傳感器，提高模擬測試系統的靈活性，保證系統的功能。

1 系統硬件設計

該文設計的基于微服務架構的智能電網擾動模擬測試系統硬件結構如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構

1.1 光纖直流電流傳感器

基于微服務架構的智能電網擾動模擬測試系統硬件區域的光纖直流電流傳感器是硬件區域重要的設備之一，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的輸出信號和部分信息，并將信息與數據采集卡的信息相融合[6]。光纖直流電流傳感器結構如圖2 所示。

圖2 光纖直流電流傳感器結構

由圖2 可知，傳感器輸送電壓的極限為800 kV，傳感器等級設置了三個等級，分別為600 A、3 000 A以及4 500 A，器件輸出標準電壓為22 V。考慮到該文設計系統的工作內容，可以直接輸出直流互感器的電流結果。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航功能，與之共同配備了充電快充設備，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，根據不同的電網擾動狀態，該傳感器設置了多個對應的指示燈，器件的負載電流為200 mA[7]。

1.2 屏蔽通信轉換器

基于微服務架構的智能電網擾動模擬測試系統硬件區域屏蔽通信轉換器的任務是有效隔離電網內部的各個結構的獨立測試，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 屏蔽通信轉換器，設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可以達到0.3 dB[8-9]。屏蔽通信轉換器可以根據應用電網對象的實際情況進行信號屏蔽參數設置，提高設備的靈活性。轉換器的帶寬為100 MHz，運行時間范圍為5～50 s，具有較好的信號阻斷能力。轉換器件需要通過串口轉換設備與系統硬件區域其他設備進行連接，主要的連接工具為232 串口、TJC3-A 接口，屏蔽通信轉換器采用DC 電源持續供電。

1.3 數據采集卡

該文采用的數據采集卡的核心是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。數據采集卡支持雙頻網絡模式，升級配置了藍牙功能，考慮到電網的工作環境，數據采集卡增添了防水保護，保障數據采集卡內數據的安全。數據采集卡脫機狀態下的采集速度為128 MB/s，采集卡的四周邊緣全部設計了68 針的管腳，以提高采集卡的采集效率[10]。數據采集卡結構如圖3 所示。

圖3 數據采集卡結構

由圖3 可知，數據采集卡支持IEEE802.11a 通信協議，目前可以配置的靜電防護標準為12 kV 的空氣放電，設備具備相應功能，支持時間設置功能，該狀態下的時鐘根據實際需求可以進行調節[11-12]。

2 系統軟件設計

微服務架構的實質是多個處理模塊共同集成的一個核心處理結構，微服務架構接收到處理任務時首先將任務分解，然后下發到架構內的各個服務模塊中，采用最適合的技術進行處理，最終輸出結果。微服務架構進行工作時，最重要的是架構進程的處理，傳統的微服務架構由于進程出現堵塞，會導致架構工作出現故障，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內業務的通信。所設計的微服務架構主要包含采集服務模塊、優化策略模塊、數據存儲模塊、測試模塊以及監控模塊[13]。微服務架構示意圖如圖4 所示。

圖4 微服務架構示意圖

由圖4 可知，微服務架構核心是數據與任務處理。采用優化策略模塊多通道單一進程的模式，完成微服務架構服務對象信息的采集，該模塊需要與其他模塊進行相互配合完成工作[14]。該模塊的優化表現在模塊增加了耦合矩陣開關，加大了微服務架構的服務彈性，擴大了架構信息采集的范圍。采集優化模塊是服務架構與服務對象連接的重要模塊之一，為了達到應用要求，該文提高了模塊的兼容性。采集服務模塊包括前端服務模塊、運行服務模塊、數據庫服務模塊。前端服務模塊轉發用戶測試電網的內容，模塊對用戶的請求進行整理，采用系統規范語言傳輸到測試服務模塊中[15-16]。運行服務模塊的工作是調用任務調度器執行接收到的用戶請求。數據庫服務模塊是輔助測試模塊在數據庫中查詢數據。

微服務架構中存儲模塊不僅僅完成數據信息的存儲，而且在系統運行過程中，通過調用數據降低系統內進程的阻塞。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調度的方法，對所有的服務任務進行排序操作。監控模塊與測試模塊必須同時工作，因為監控模塊記錄需要測試電網的狀態，系統根據狀態分析測試數據，兩個模塊互相配合、相同調用，共同完成工作。

智能電網傳輸電能的行為是周期性行為，一旦電網內出現擾動因素，電網內電壓和三相頻率的變化尤為明顯，這是因為電網電源供給通過諧波和基波的方式完成，供給過程中，電網內的電流輸出和供給呈現一個平衡的狀態，如果電網擾動狀態發生改變，則電流輸出和供給呈現不平衡的狀態，間接導致電網三相頻率的降低或者升高。

根據電網內部變量變化情況，基于微服務架構的智能電網擾動模擬原理是利用整流式電流閉環控制方法，控制電網內電流的輸入輸出量，以電流的增加量作為操作信號，一旦增加量達到了電網干擾指標，斷開電網保護的同時，觸發電路內電流內環，進而影響電網內三相頻率的波動，模擬出電網的擾動狀態。

3 實驗分析

該文設計實驗測試基于微服務框架的智能電網擾動模擬測試系統的性能，選用GBH 19837-2020 光伏智能電網作為測試對象，該電網是剛投入使用一個月的電網，電網真實的擾動系數為3，測試前對電網的基本擾動數據進行了多次測試，并取平均值作為實驗測試的重要對照數據之一。實驗測試的流程是將該智能電網同時連接到兩個智能電網擾動模擬測試系統中，根據以往的測試經驗，實驗時間為60 min，實驗整個過程中，兩個系統接收到的數據同時會被分到計算機中，方便結束實驗后進行數據復盤。為了提高實驗的精度，使實驗具有科學性，該文調控電壓和三相頻率兩個變量對智能電網的擾動狀態進行模擬測試，捕獲數據，電壓呈現跌落或上升狀態，三相頻率的變量對應參數為47 Hz 和50 Hz。相關實驗結果如圖5 所示。

為了測試電網的基礎擾動狀態，出現電網運行的電壓跌至2%的波動圖如圖5（a）所示，圖5（b）是在圖5（a）的基礎上，將配電網此時的電壓升至130%的波形圖，圖5（c）是測試電網啟動過程波動圖。對比三個圖，發現展示數據的波動趨勢和幅度出現偏差。此時調用基于微服務架構的智能電網擾動模擬測試系統對兩個試驗測試圖進行對照分析，得出電網的擾動，與實際配電網的擾動系數相比存在較小的偏差，在可控范圍內。調控三相頻率智能電網擾動波形圖如圖6 所示。

圖5 調控電壓變量智能電網擾動波形圖

圖6 調控三相頻率智能電網擾動波形圖

圖6 是該文設計系統利用調控運行電網的三相頻率參數進一步確定智能電網擾動狀態。圖6（a）試驗結果圖是在電網運行后，將電網的三相頻率瞬間調節到47 Hz，調節后，電網運行頻率出現非周期性波動，電網的三相頻率自動恢復為電網正常運行狀態的三相頻率。圖6（b）是電網恢復正常狀態下，再一次將電網的三相頻率調節為50 Hz，觀察電網內頻率的變化，最終發現，電網的三相頻率無法恢復到正常三相頻率參數值，運行的電網持續微弱的頻率波動。因此，測試系統調用電網擾動指標，輸出電網的擾動狀態，完成測試。

綜上所示，可以證明該文設計的基于微服務架構的智能電網擾動模擬測試系統可以完成測試，測試流程具有合理性和邏輯性，系統測試準確性達到了標準要求。

4 結束語

通過以上論述和實驗測試，證明了該文設計的基于微服務架構的智能電網擾動模擬測試系統的可用性。得到這一可觀的數據，一方面是因為該文對于微服務鏈路進行多參數分解，分工明確，并且模擬測試的校驗規則與微服務鏈路相互對應。另一方面是因為系統軟件區域模塊和硬件區域器件關聯緊密，調用時具有較高的靈活性，系統需要在特定的運行環境進行初始化即可運行。該文設計的基于微服務架構的智能電網擾動模擬測試系統在今后的運行過程中，如果電網領域出現功能的更新，那么系統可以在微服務架構內增加相應的模塊，對系統進行升級，提高系統的兼容性。