工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)驅(qū)動下的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)研究

［關(guān)鍵詞］太網(wǎng)技術(shù)；配網(wǎng)自動化；通信系統(tǒng)

陜西省某市供電局啟動針對該市A類供電區(qū)域的配電自動化改造項目。改造項目涵蓋該市中心區(qū)域內(nèi)的12個主要住宅小區(qū)，總計覆蓋面積約4.97km2。

在A類供電區(qū)域，總共有電力用戶大約24935戶，其中低壓用戶為24706戶，中壓用戶為229戶。關(guān)鍵用戶包括一級重要用戶3戶（市政府大樓、市中心醫(yī)院、市教育委員會辦公樓）、二級重要用戶2戶（中國電信市級分公司、陜西省電網(wǎng)公司市供電分局）。

供電系統(tǒng)由3個變電站支持，分別是220kV的N變電站、110kV的O變電站及110kV的P變電站。配電線路共計19條，分布情況為N變電站6條、O變電站7條、P變電站6條。在A類供電區(qū)域內(nèi)布署公用配變117臺，總?cè)萘窟_到78465kVA；專用配變82臺，總?cè)萘繛?9237kVA。

2 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)驅(qū)動下的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)建設(shè)

2.1 建設(shè)目標

2.1.1 提高配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的實時性

實時性是配電自動化系統(tǒng)的核心需求，直接關(guān)系電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的引入，提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度和處理能力，確保電力監(jiān)控、故障檢測與恢復(fù)等關(guān)鍵操作能夠在最短時間內(nèi)完成，減少停電時間，且能夠在遇到突發(fā)狀況時迅速響應(yīng)，保障用戶的電力需求和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2.1.2 提升配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的靈活性

采用模塊化設(shè)計的工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備和可編程的網(wǎng)絡(luò)管理軟件，旨在建立一個可靈活調(diào)整和擴展的配電自動化系統(tǒng)，以此適應(yīng)未來技術(shù)的升級和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，提供個性化服務(wù)，滿足用戶特定的供電需求，提高整個電網(wǎng)的運行效率和服務(wù)質(zhì)量。

2.2 設(shè)備安裝

2.2.1 工業(yè)以太網(wǎng)交換機選擇與布署

選擇CiscoCatalyst9000系列工業(yè)以太網(wǎng)交換機作為核心設(shè)備，其具有高可靠性、高靈活性的網(wǎng)絡(luò)管理功能，滿足A類供電區(qū)域復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的需求。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，將交換機進行合理布署，采用雙機熱備份和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲，確保網(wǎng)絡(luò)的高可用性和容錯性。

2.2.2 端設(shè)備的兼容性與接口配置

為保證端設(shè)備與工業(yè)以太網(wǎng)交換機的兼容性，選用SchneiderElectric的Modicon系列工業(yè)控制器作為配電自動化系統(tǒng)的端設(shè)備。在接口配置方面，采用標準的以太網(wǎng)接口，并根據(jù)實際情況進行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置和通信協(xié)議設(shè)置，確保控制器與交換機之間的穩(wěn)定通信。

設(shè)備安裝流程如圖1所示。

2.3 路由協(xié)議配置

2.3.1 靜態(tài)與動態(tài)路由協(xié)議的選擇與配置

選擇OSPF（開放式最短路徑優(yōu)先）作為動態(tài)路由協(xié)議，以提高網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性和故障恢復(fù)能力。針對特定的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，采用靜態(tài)路由配置，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的路徑選擇和數(shù)據(jù)傳輸效率。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)安全策略與協(xié)議配置

采用基于角色的訪問控制和虛擬專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，限制對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限，并采用SSH（安全外殼協(xié)議）等加密協(xié)議，保護數(shù)據(jù)的傳輸安全。

2.4 電源系統(tǒng)建設(shè)

2.4.1 UPS（不間斷電源）系統(tǒng)的設(shè)計與安裝

設(shè)計冗余式UPS架構(gòu)，選擇APCSmart-UPS系列不間斷電源系統(tǒng)。通過對電力負載進行精密監(jiān)控和自動切換，確保配電自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定供電，并提供對電力故障的快速響應(yīng)和恢復(fù)能力。

2.3.2 電源管理與監(jiān)控系統(tǒng)

引入SchneiderElectric的PowerMonitoringExpert軟件。該軟件能夠?qū)崟r監(jiān)測UPS系統(tǒng)的工作狀態(tài)、電池容量及負載情況，提供全面的電力管理和預(yù)警功能，保障供電系統(tǒng)的安全運行和可靠性。具體如圖2所示。

3 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)驅(qū)動下的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)建設(shè)實效檢驗

3.1 系統(tǒng)測試與調(diào)試

3.1.1 性能測試標準與方法

測試方法結(jié)合國際通信工業(yè)標準（如IEEE標準）、行業(yè)規(guī)范（如IEC標準）及廠家指南，具體見表1。

（1）數(shù)據(jù)傳輸速率測試。利用工業(yè)以太網(wǎng)測試儀器對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率進行測試，包括帶寬利用率、傳輸延遲等指標，以驗證網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率和實時性。

（2）網(wǎng)絡(luò)負載測試。通過模擬不同負載條件下的網(wǎng)絡(luò)流量，評估系統(tǒng)在高負載情況下的穩(wěn)定性和吞吐量，以確定系統(tǒng)的容量和性能上限。

（3）故障恢復(fù)能力測試。模擬網(wǎng)絡(luò)故障場景，如鏈路中斷、設(shè)備故障等，測試系統(tǒng)的故障檢測、診斷及恢復(fù)能力，以驗證系統(tǒng)在面對異常情況時的可靠性和恢復(fù)速度。

（4）安全性能測試。通過模擬網(wǎng)絡(luò)攻擊和數(shù)據(jù)泄漏等安全威脅，評估系統(tǒng)的安全防護機制和應(yīng)對能力，確保系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保密性和完整性。

（5）兼容性測試。與不同廠家和型號的設(shè)備進行兼容性測試，驗證系統(tǒng)的設(shè)備互通性和協(xié)議兼容性，以確保系統(tǒng)的可擴展性和通用性。

3.1.2 故障診斷與恢復(fù)測試

（1）故障模擬與觸發(fā)。通過人工觸發(fā)或模擬各種故障場景，如鏈路中斷、設(shè)備故障等，以評估系統(tǒng)的故障診斷和自動恢復(fù)能力，包括對系統(tǒng)在不同故障情況下的響應(yīng)和處理能力的觀察和分析，以及對自動化恢復(fù)機制的驗證和優(yōu)化。

（2）故障診斷算法測試。針對不同類型的故障，測試系統(tǒng)的故障診斷算法的準確性和效率。主要包括以下方面：①規(guī)則引擎。基于事先定義的規(guī)則集，系統(tǒng)能夠快速識別故障并進行定位。其主要依據(jù)專家經(jīng)驗和領(lǐng)域知識，通過規(guī)則匹配實時監(jiān)測的系統(tǒng)狀態(tài)來診斷故障。②深度學(xué)習算法。如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，能夠處理更復(fù)雜的故障場景和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具有更高的識別精度和泛化能力。③概率圖模型。如貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、馬爾可夫模型等，能夠?qū)ο到y(tǒng)中的潛在關(guān)聯(lián)性進行建模，實現(xiàn)對故障的推理和診斷。并能考慮不同故障之間的相互影響，提高系統(tǒng)診斷的準確性和魯棒性。

（3）故障恢復(fù)速度測試。測試系統(tǒng)在發(fā)生故障后的恢復(fù)速度和效率，包括故障檢測時間、故障定位時間和恢復(fù)時間等指標。對系統(tǒng)故障發(fā)生到恢復(fù)全過程的時間進行監(jiān)控和分析，評估系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，提高系統(tǒng)的運行效率和服務(wù)質(zhì)量。

3.2 系統(tǒng)運行監(jiān)控與評估

3.2.1 實時數(shù)據(jù)采集與處理

在關(guān)鍵設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點布署數(shù)據(jù)采集模塊，實時采集電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)，并通過工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心。利用高性能的數(shù)據(jù)處理平臺，對實時采集的數(shù)據(jù)進行處理和分析，展開數(shù)據(jù)清洗、聚合、計算等操作。將處理后的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫中，以便后續(xù)分析和查詢。通過數(shù)據(jù)可視化工具（如實時曲線圖、儀表盤、報表等），實時展示系統(tǒng)運行狀態(tài)和性能指標，使運維人員可以直觀監(jiān)控系統(tǒng)運行情況。

3.2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性評估

系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性評估指標見表2。

系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性是評估其運行質(zhì)量和服務(wù)能力的重要指標。由表2可得出以下結(jié)論：①系統(tǒng)多數(shù)時間內(nèi)處于可用狀態(tài)，能夠滿足用戶的正常需求；②穩(wěn)定性較高，能夠長時間穩(wěn)定運行，為用戶提供持續(xù)可靠的服務(wù)；③系統(tǒng)在發(fā)生故障后能夠迅速響應(yīng)并進行修復(fù)，減少系統(tǒng)停機時間；④運行過程中出現(xiàn)故障的頻率極低，表明系統(tǒng)設(shè)計和運維水平達到較高水平；⑤負載超出設(shè)計容量時仍能正常運行，并具有過載保護能力；⑥數(shù)據(jù)傳輸過程中保持極高的數(shù)據(jù)完整性和可靠性；⑦具有較強的自動故障恢復(fù)能力，能夠在發(fā)生故障后自動識別、定位及修復(fù)問題，減少對運維人員的依賴。

4 結(jié)束語

基于對工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用的深入探討，詳細介紹工業(yè)以太網(wǎng)交換機的選擇與布署、路由協(xié)議配置及電源系統(tǒng)的設(shè)計與安裝等關(guān)鍵步驟。在系統(tǒng)測試與調(diào)試階段，采用標準化的性能測試方法和故障診斷測試，評估系統(tǒng)的性能和可靠性。利用實時數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，對系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性進行詳細評估。