縣域配電自動(dòng)化有線組網(wǎng)通信方式建模與求解

任俊東，戴 宇

（國(guó)網(wǎng)浙江東陽(yáng)市供電有限公司，浙江 東陽(yáng) 322100）

0 引言

按照國(guó)家電網(wǎng)公司配電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)“六化”、“六統(tǒng)一”、順應(yīng)智能配電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的要求，配電自動(dòng)化改造工程設(shè)計(jì)應(yīng)遵循安全可靠、堅(jiān)固耐用等原則，做到統(tǒng)一性與適應(yīng)性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一[1]。在配電自動(dòng)化建設(shè)改造中，配電通信網(wǎng)起著非常重要的作用，尤其是在有線組網(wǎng)通信系統(tǒng)中，光纜應(yīng)與配電網(wǎng)一次網(wǎng)架同步規(guī)劃、同步建設(shè)。目前，在常用的EPON（以太無源光網(wǎng)絡(luò)）組網(wǎng)策略中，EPON技術(shù)采用一點(diǎn)到多點(diǎn)的無源分配光纖網(wǎng)構(gòu)造連接局端與用戶，EPON由OLT（光線路終端）、ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）和光纜交接箱（以下簡(jiǎn)稱“光交箱”）組成[2]。利用OLT和ONU設(shè)備組成星型、鏈型與輻射型等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過主干網(wǎng)OLT匯入變電站SDH（同步數(shù)字體系）實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化通信功能，完成主站分析處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視與運(yùn)行控制。然而，不同的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、地下光纜管道情況、環(huán)網(wǎng)箱（室）分布情況等對(duì)有線組網(wǎng)通信系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)生直接影響，尤其是在縣域范圍內(nèi)，存在地下光纜管道資源缺少、環(huán)網(wǎng)箱（室）分布不均的情況，如何既保障配電站點(diǎn)與主站間的可靠通信，同時(shí)又滿足經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性的要求，是值得探討的問題。通過對(duì)影響配電自動(dòng)化有線組網(wǎng)因素的合理分析，提出了一種適合縣域范圍內(nèi)實(shí)施配電自動(dòng)化有線組通信方案的模型并進(jìn)行優(yōu)化求解。

1 縣域光纜管道資源特點(diǎn)

隨著配電自動(dòng)化的大規(guī)模推廣應(yīng)用，縣級(jí)市中心區(qū)域被納入配電自動(dòng)化建設(shè)與改造范圍之內(nèi)，有線通信系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)箱（室）安全可靠通信的首選，勢(shì)必需要相應(yīng)的光纜管道資源予以支持，以滿足光纜從站所終端ONU至變電站OLT之間的通信連接。根據(jù)要求，在配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)過程中，應(yīng)同步建設(shè)或預(yù)留光纜敷設(shè)資源，并考慮敷設(shè)防護(hù)要求、排管敷設(shè)時(shí)應(yīng)預(yù)留專用的管孔資源。但是，縣級(jí)市部分負(fù)荷核心區(qū)域通常集中在老舊城區(qū)，尤其舊城規(guī)劃建設(shè)較早，存在管道建設(shè)缺失、管孔阻塞與管孔不能滿足新增線纜空間需求的矛盾。就縣域范圍而言，某些建設(shè)周期較早的環(huán)網(wǎng)箱（室）通常位于主干光纜管孔的分支區(qū)域，或者位于較為偏僻的位置，導(dǎo)致光纜無法順利接入，從而無法與周邊鄰近站點(diǎn)組成EPON鏈路；若考慮新建管孔，則造價(jià)過高，且工期不允許；若考慮環(huán)網(wǎng)箱（室）整體遷移，則涉及眾多10 kV線路的遷移割接，工程量巨大。針對(duì)此問題，可考慮各通信運(yùn)營(yíng)商的光纜管道，但是由于后期運(yùn)維不便，存在較大安全隱患。

2 有線組網(wǎng)方式的選擇

配電自動(dòng)化有線組網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)需要綜合考慮環(huán)網(wǎng)箱（室）的地理位置、光纜管道布局與10 kV線路的走向等因素。通常采用電力環(huán)組網(wǎng)與地理網(wǎng)格組網(wǎng)2種方式。電力環(huán)組網(wǎng)即將2條“手拉手”聯(lián)絡(luò)的10 kV線路上的所有串接環(huán)網(wǎng)箱（室）通過光纜進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)之間的聯(lián)絡(luò)互通。地理網(wǎng)格組網(wǎng)不按照電力環(huán)走向，而是將某一相同區(qū)域內(nèi)的若干站點(diǎn)通過光纜進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)有效通信。地理網(wǎng)格組網(wǎng)由于不依照電力環(huán)路行進(jìn)方向，易造成光纜鏈路錯(cuò)綜復(fù)雜，不便于后期運(yùn)維管理。目前，電力環(huán)組網(wǎng)方式仍為有線組網(wǎng)方式的首選，但是在縣域范圍內(nèi)，光纜管道資源因規(guī)劃建設(shè)不同步的問題將導(dǎo)致不同電力環(huán)的光纜均分布在相同的光纜管道內(nèi)，當(dāng)該光纜管道遭外力破壞時(shí)，將造成多條環(huán)路主干光纜大面積癱瘓，從而影響配電自動(dòng)化終端設(shè)備正常運(yùn)行，降低可靠性，因此必須在有限的管道資源情況下尋求光纜的最佳路徑。

3 縣域配電自動(dòng)化有線組網(wǎng)通信建模與求解

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)配電自動(dòng)化終端通信組網(wǎng)優(yōu)化布局方式的研究較多[3-5]。如文獻(xiàn)[3]建立了以一次開關(guān)設(shè)備和配電終端投資費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用以及故障停電損失費(fèi)用之和最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型，并采用遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行求解，得到了可行的方案。文獻(xiàn)[4]結(jié)合全國(guó)城市供電可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)各類區(qū)域的差異化規(guī)劃原則的可行性與合理性進(jìn)行了分析和論證，并對(duì)提出的方法的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)說明。文獻(xiàn)[5]從提高各節(jié)點(diǎn)至匯聚點(diǎn)的可靠性入手，依據(jù)可靠性理論對(duì)新建光纜路徑可靠性進(jìn)行分析比較，提出了光纜路徑選擇的指導(dǎo)方案，但沒有采用光纜路徑與主干線路電纜管道相結(jié)合的方式。

通過對(duì)大量文獻(xiàn)的研究，綜合考慮有線組網(wǎng)通信方式的可靠性、經(jīng)濟(jì)性，本文在采用電力環(huán)有線組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新，提出一種雙層EPON組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，第一層級(jí)由變電站OLT與主干光交箱組成光交主干環(huán)路，第二層級(jí)由配電站（所）ONU與光交箱組成站（所）環(huán)路。通過主干環(huán)路與站（所）環(huán)路實(shí)現(xiàn)每一個(gè)配電站點(diǎn)都能就近接入光交箱。配電站點(diǎn)任何一端光纜斷裂時(shí)，均可通過其他側(cè)的光纜維持正常通信，能夠有效減少光纜的迂回曲折布置，縮短光纜長(zhǎng)度，使材料成本、建設(shè)成本達(dá)到最優(yōu)。這是一個(gè)多約束、非線性的組合優(yōu)化問題。目前，一些進(jìn)化算法已成功運(yùn)用于多約束、非線性的組合優(yōu)化問題求解，主要有模擬退火算法、遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法[6-9]。粒子群算法是從隨機(jī)解出發(fā)，通過迭代尋找最優(yōu)解，通過適應(yīng)度來評(píng)價(jià)解的品質(zhì)，通

過追隨當(dāng)前搜索到的最優(yōu)值來尋找全局最優(yōu)。相比于其他進(jìn)化算法，這種算法實(shí)現(xiàn)容易、精度高、收斂快，受所求問題維數(shù)的影響較小。采用該算法能夠合理優(yōu)化配置光交箱的位置與數(shù)量，滿足配電自動(dòng)化實(shí)用化應(yīng)用水平。

3.1 建模原則

縣級(jí)配電自動(dòng)化建設(shè)的總體目標(biāo)是改善配電網(wǎng)觀測(cè)手段，提升運(yùn)維精益化水平，提高供電可靠性和供電質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)管理現(xiàn)代化[10]。通過配電主站和配電終端的配合，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、故障區(qū)段的快速切除與自動(dòng)恢復(fù)供電，綜合分析運(yùn)行信息，評(píng)估設(shè)備運(yùn)行狀況，確定配電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)，為精益化運(yùn)維、精準(zhǔn)化投資、精細(xì)化搶修提供技術(shù)支撐[11]。建設(shè)過程合理選用光纖、無線等通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)全面監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)通信高可靠性、高安全性和低成本、易維護(hù)性的統(tǒng)一。配電自動(dòng)化建設(shè)按照統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一管理、分步實(shí)施原則進(jìn)行[12-14]。

3.2 模型建設(shè)

在縣域配電自動(dòng)化有線組網(wǎng)通信方案規(guī)劃中，配電自動(dòng)化EPON組網(wǎng)方式的工程建設(shè)費(fèi)用包括3部分，分別為光纜成本、光交箱的購(gòu)置費(fèi)用、配電自動(dòng)化建設(shè)成本[15]。故在考慮以上3項(xiàng)費(fèi)用的情況下，以總支出最小為該數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)函數(shù)：

式中：C光纜為光纜總費(fèi)用；C光交箱為購(gòu)置光交箱的費(fèi)用；C建設(shè)為敷設(shè)光纜及安裝光交箱的費(fèi)用。

配電自動(dòng)化建設(shè)中，DTU（站所終端）“三遙”終端配電站點(diǎn)需要做到遙測(cè)、遙信和遙控，而光纜通信具有信號(hào)干擾小、保密性好的特點(diǎn)，故“三遙”配電站（所）采用光纜通信。“二遙”配電站（所）僅需滿足遙測(cè)、遙信，采用以無線通信為主，選用兼容2G/3G/4G數(shù)據(jù)通信技術(shù)的無線通信模塊。

在EPON組網(wǎng)方式中，光纜主要用于光交箱到各個(gè)配電站（所）的聯(lián)絡(luò)以及光交箱通過主干道匯入變電站OLT，通過OLT與上級(jí)聯(lián)絡(luò)。故光纜成本模型為：

式中：L1為配電站（所）到光交箱的光纜長(zhǎng)度；L2為光交箱到變電站的光纜長(zhǎng)度；α為建設(shè)損耗保留的裕度，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)取1.2；β為單位長(zhǎng)度電纜價(jià)格。

在配電網(wǎng)中，從配電站（所）到光交箱的路徑千差萬別，很難用統(tǒng)一的模型精確估算。而在實(shí)際敷設(shè)過程中需要符合工藝規(guī)范，光纜路徑要求橫平豎直沿路敷設(shè)，在本次求解過程中，該段光纜以兩點(diǎn)間的直角折線距離計(jì)算其長(zhǎng)度。

從光交箱到變電站的通信需要考慮實(shí)際已擁有的主干道通信網(wǎng)絡(luò)情況，充分利用已有主干道敷設(shè)光纜，為節(jié)約光纜長(zhǎng)度，需要選擇最近的光纜路徑到達(dá)變電站的OLT，其數(shù)學(xué)模型如下：

式中：jc為光交箱的序號(hào)；n為光交箱個(gè)數(shù)；CHi為經(jīng)過第i條主干道到變電站的光纜長(zhǎng)度。

光交箱是一個(gè)連接OLT和ONU的無源設(shè)備，它的功能是分發(fā)下行數(shù)據(jù)并集中上行數(shù)據(jù)，1個(gè)光交箱同時(shí)連接2個(gè)變電站，并接入多個(gè)配電站（所）。光交箱成本與所使用的數(shù)量線性相關(guān)：

式中：C1為單臺(tái)光交箱的購(gòu)置價(jià)格；n為所使用的光交箱數(shù)量。

光纜敷設(shè)時(shí)，光交箱到變電站的部分可以利用已有通信管道，成本較低；光交箱到配電站（所）的部分需要另外開辟管道，成本較高。光交箱的安裝成本固定[16]，故可以得出建設(shè)成本為：

式中：a為敷設(shè)光交箱到變電站的光纜平均成本；b為敷設(shè)光交箱到配電站（所）的光纜平均成本；c為安裝單個(gè)光交箱的成本。

3.3 約束條件

（1）配電自動(dòng)化建設(shè)的“三遙”開關(guān)柜站需全部光纜覆蓋。

（2）滿足供電可靠性的約束，即滿足配電網(wǎng)供電可靠性99.99%的約束。

（3）電壓質(zhì)量的約束，即站點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓Uk滿足Ukmin≤Uk≤Ukmax。 其中，Ukmin為節(jié)點(diǎn)k電壓的最低值；Ukmax為節(jié)點(diǎn)k電壓的最高值。

從式（1）—（5）中可以看出，配電自動(dòng)化光纜布局是一個(gè)多約束、非線性的組合優(yōu)化問題[17]。粒子群算法是從隨機(jī)解出發(fā)，通過迭代尋找最優(yōu)解，利用適應(yīng)度來評(píng)價(jià)解的品質(zhì)，追隨當(dāng)前搜索到的最優(yōu)值來尋找全局最優(yōu)。這種算法實(shí)現(xiàn)容易、精度高、收斂快，本文應(yīng)用粒子群算法求解配電自動(dòng)化終端布局規(guī)劃問題。

4 粒子群算法在配電自動(dòng)化通信建設(shè)中的應(yīng)用

采用粒子群算法求解模型最優(yōu)解可分為以下步驟。

步驟1：輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，配電站（所）位置數(shù)據(jù)、開關(guān)數(shù)據(jù)、變電站位置、光纜單價(jià)、可靠性相關(guān)參數(shù)等，并對(duì)相應(yīng)的光交箱進(jìn)行編號(hào)初始化其位置，記為：

式中：P為光交箱位置的集合；pi為第i個(gè)光交箱的位置；i為光交箱的序號(hào)。

步驟2：依據(jù)粒子群算法，設(shè)定初始參數(shù)。粒子群算法的初始參數(shù)有：粒子數(shù)、最大迭代次數(shù)、學(xué)習(xí)因子、慣性權(quán)重。粒子數(shù)與最大迭代次數(shù)根據(jù)實(shí)際計(jì)算量確定，學(xué)習(xí)因子通常取2.0。本文使用的粒子群算法采用變化的慣性權(quán)重，隨著迭代次數(shù)的增加，減小慣性權(quán)重，根據(jù)這種慣性權(quán)重的變化來改善粒子群算法的性能。

式中：w為慣性權(quán)重；t為迭代次數(shù)；gmax為最大迭代次數(shù)。

設(shè)立20個(gè)初始粒子，每個(gè)粒子代表一組光交箱的位置，即實(shí)際中的一組解，初始粒子的位置由隨機(jī)數(shù)確定，同時(shí)，為每個(gè)粒子設(shè)定進(jìn)化速度，初始進(jìn)化速度由隨機(jī)數(shù)確定。

步驟3：代入公式（1），計(jì)算函數(shù)適應(yīng)度并保留全局最優(yōu)解。

式中：fmin為最低成本；j為配電站（所）序號(hào)；m為配電站（所）個(gè)數(shù)；Lij為第j個(gè)配電站（所）到第i個(gè)光交箱的光纜長(zhǎng)度；Lik為第i個(gè)光交箱到第k個(gè)變電站的光纜長(zhǎng)度。

步驟4：向最優(yōu)解靠攏。每次迭代后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)此次迭代中的最優(yōu)解，將最優(yōu)解與全局最優(yōu)解進(jìn)行比較，保留較好的最優(yōu)解作為新的全局最優(yōu)解。每個(gè)粒子自身與全局最優(yōu)解進(jìn)行比較，學(xué)習(xí)最優(yōu)解，獲得一次新的迭代。

步驟5：根據(jù)初始設(shè)定的終止條件，判斷是否結(jié)束循環(huán)，若是則輸出結(jié)果，否則返回步驟3。

5 算例分析

以某縣級(jí)市配電自動(dòng)化改造工程為例，73個(gè)配電站點(diǎn)計(jì)劃裝設(shè)DTU“三遙”終端，涉及3座變電站，5條主干道。

粒子群算法設(shè)置：粒子數(shù)為20，慣性權(quán)重w=0.9，學(xué)習(xí)因子為2.0，最大迭代次數(shù)gmax=100，慣性權(quán)重隨迭代次數(shù)增加而減小。

光纜單價(jià)β按0.5萬元/km計(jì)算，選取不同的光交箱數(shù)量，進(jìn)行迭代計(jì)算，分別求出對(duì)應(yīng)光交箱數(shù)量的最短路徑以及最低成本。

本文設(shè)計(jì)了10種不同光交箱數(shù)量下的布點(diǎn)方式，經(jīng)過迭代計(jì)算，得到不同的投資費(fèi)用如表1所示。

表1 不同光交箱數(shù)量對(duì)應(yīng)的投資總額

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)光交箱數(shù)量在9以下時(shí)，總投資隨著數(shù)量的增加而減少；當(dāng)光交箱數(shù)量在9以上時(shí)，總投資隨著數(shù)量的增加而增加；在光交箱數(shù)量為9時(shí)取得最小值。故取最優(yōu)解為光交箱數(shù)量9個(gè)，迭代結(jié)果如圖1所示。其具體位置如表2所示。

6 結(jié)論

根據(jù)配電自動(dòng)化建設(shè)要求以及實(shí)際配電站點(diǎn)分布情況，以經(jīng)濟(jì)成本最低為目標(biāo)，綜合考慮光纜成本、光交箱購(gòu)置費(fèi)用、配電自動(dòng)化運(yùn)行維護(hù)成本、配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)造成的損失等因素，建立了配電自動(dòng)化有線組網(wǎng)通信的模型，并結(jié)合某縣公司實(shí)際案例進(jìn)行求解。主要結(jié)論如下：

（1）模型依據(jù)實(shí)際情況建立，考慮站點(diǎn)分布、通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、可靠性等實(shí)際指標(biāo)，對(duì)配電自動(dòng)化有線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并確定光交箱的安裝數(shù)量和安裝位置，使配電自動(dòng)化的通信網(wǎng)絡(luò)更加科學(xué)、合理。

圖1 不同數(shù)量光交箱迭代結(jié)果對(duì)比

表2 光交箱最優(yōu)位置

（2）模型優(yōu)化了配電自動(dòng)化有線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)約了成本，提高了可靠性。該模型不僅適用于文中的算例，也適用于其他實(shí)際情況，只需重新輸入配電站（所）的位置以及主干線即可。

（3）研究成果對(duì)縣域范圍內(nèi)配電自動(dòng)化建設(shè)具有參考借鑒價(jià)值，完善了配電自動(dòng)化建設(shè)中符合縣域?qū)嶋H情況的有線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方式與策略。算例結(jié)果表明，該模型能有效降低建設(shè)成本，對(duì)供電公司開展配電自動(dòng)化改造工作具有指導(dǎo)意義。