基于GIS建模的配網(wǎng)變電設(shè)計(jì)及工程管理研究*

李 清，楊駿濤，陶 燕

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力科學(xué)研究院，上海 200540；2.國(guó)網(wǎng)上海金山供電公司，上海 200540；3.華北電力大學(xué)電力工程系，河北 保定 071003)

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，中國(guó)經(jīng)濟(jì)自改革開放以來發(fā)展速度明顯提升，城市經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)更為突出[1].經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促使居民的生活水平不斷提高，城市生活變得更加便利，工業(yè)和商業(yè)也迅速崛起，高速發(fā)展的社會(huì)對(duì)電力提出了更高的要求.在電力傳輸?shù)倪^程中，配電網(wǎng)作為最重要的環(huán)節(jié)，直接決定電力傳輸網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性[2].電力的可靠性和穩(wěn)定性不僅關(guān)系到地區(qū)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，也影響著每位居民的生活和工作，通過技術(shù)手段增強(qiáng)電力穩(wěn)定性，提高整個(gè)配電網(wǎng)的可靠性是目前該領(lǐng)域需要解決的重點(diǎn)問題[3].各個(gè)電力公司都積極響應(yīng)國(guó)家策略，配合配網(wǎng)變電設(shè)計(jì)及工程建設(shè)的開展，大力推進(jìn)制度改革，這將是一場(chǎng)重要的歷史變革，使整個(gè)配電網(wǎng)的整體性能加強(qiáng)，為現(xiàn)代化社會(huì)建設(shè)提供有力的電力支持.

王平等[4]為了提高礦井配電網(wǎng)絡(luò)的智能化，利用GIS模型在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了適用于礦井配電網(wǎng)絡(luò)的智能模型方案，并將該模型在實(shí)際礦井配電網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，通過SCADA操作頁(yè)面，對(duì)井下空間配電網(wǎng)絡(luò)的操作界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并通過FME定義，實(shí)現(xiàn)對(duì)CAD模板的映射，從而結(jié)合GIS模型完成礦井現(xiàn)場(chǎng)使用的配電網(wǎng)絡(luò)方案，并用過實(shí)例驗(yàn)證，證明了該系統(tǒng)可以合理地對(duì)礦井配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置，并且能夠準(zhǔn)確地判斷配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，但是缺乏一定合理性.王梓耀等[5]提出了一種基于數(shù)字化技術(shù)的配電網(wǎng)負(fù)荷信息計(jì)算方法，首先利用數(shù)字化技術(shù)對(duì)配電網(wǎng)的基本特點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化整理，并根據(jù)元件抽象理論，對(duì)中壓配電網(wǎng)的負(fù)荷信息進(jìn)行采集，結(jié)合配電網(wǎng)可靠性目標(biāo)，構(gòu)建一種新型的配電網(wǎng)負(fù)荷模型，并利用編碼的模式，對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷模型進(jìn)行解碼處理，使其計(jì)算過程變得簡(jiǎn)單易懂，根據(jù)最短線路的原理，對(duì)原有的關(guān)聯(lián)線路進(jìn)行優(yōu)化，再利用迭代處理法，得到配電網(wǎng)最優(yōu)負(fù)荷網(wǎng)架，獲取最后的配電網(wǎng)負(fù)荷信息.通過實(shí)例驗(yàn)證了該方法的有效性.

本文利用GIS建模設(shè)計(jì)了配網(wǎng)變電方式，并針對(duì)配網(wǎng)變電工程給出了管理策略，從而提高配網(wǎng)變電工程的效益.

1 配網(wǎng)變電設(shè)計(jì)

1.1 基于GIS建模設(shè)計(jì)配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)與光電混合雙穩(wěn)態(tài)電路

在配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)與光電混合雙穩(wěn)態(tài)電路上，利用GIS模型對(duì)配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模[6]，當(dāng)配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)時(shí)，輸出端口會(huì)根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱進(jìn)行依次傳輸.配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)的組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Composition and structure of substation nodes in distribution network

從圖1中可以看出，將配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)分別用port#0，port#1、port#2和port#3表示.并且在每個(gè)配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)的接收端口都會(huì)有相應(yīng)的組成代表，并用e0、e1、e2和e3表示信號(hào)接收的強(qiáng)度，利用q0、q1、q2和q3表示配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)信號(hào)輸出的強(qiáng)度.

利用GIS模型采集配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)輸入信號(hào)，并結(jié)合加權(quán)處理[7]，從每個(gè)端口處采集相應(yīng)的加權(quán)平均值.并計(jì)算負(fù)載值.根據(jù)負(fù)載值判斷輸入和輸出信號(hào)的強(qiáng)度.配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)的端口權(quán)重用ω1、ω2和ω3表示，用下式定義：

(1)

(2)

(3)

其中，λ表示一般常數(shù)，當(dāng)e1、e2和e3均不為零時(shí)，這個(gè)常數(shù)值可以不考慮.將配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)端口的權(quán)重信息e1、e2和e3進(jìn)行相乘，并結(jié)合GIS模型可表示為：

(4)

公式(4)表達(dá)了組成配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)的基本元素，通過這些基本元素構(gòu)成了配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)的傳播路徑，每個(gè)信號(hào)進(jìn)入傳輸入口時(shí)，受傳播路徑的影響，信號(hào)會(huì)變?nèi)?為了保持信號(hào)原有的強(qiáng)度，利用GIS模型設(shè)計(jì)配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)與光電混合雙穩(wěn)態(tài)電路[8]，當(dāng)信號(hào)超過標(biāo)準(zhǔn)值后，切斷配電網(wǎng)的光電混合穩(wěn)態(tài)電路.配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自我保護(hù)狀態(tài)，詳細(xì)如下：

(5)

上式中：α表示配網(wǎng)變電光電混合穩(wěn)態(tài)電路的閾值；β表示常數(shù)值.當(dāng)e1小于β時(shí)，通過上式可以計(jì)算出配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)的負(fù)載數(shù)值.當(dāng)e1大于β時(shí)，根據(jù)公式5可以得出ω1=1，ω2=0.因此，當(dāng)配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)的水平信號(hào)增強(qiáng)到某個(gè)值時(shí)，配網(wǎng)變電點(diǎn)會(huì)進(jìn)入自我保護(hù)狀態(tài)[9].配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)與光電混合雙穩(wěn)態(tài)電路結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)的光電混合雙穩(wěn)態(tài)電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of optoelectronic hybrid bistable circuit of substation nodes in distribution network

根據(jù)配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)組成，計(jì)算了每一個(gè)節(jié)點(diǎn)端口的權(quán)重，通過GIS模型的處理，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)的自保護(hù)功能，完成配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)與光電混合雙穩(wěn)態(tài)電路的設(shè)計(jì).

1.2 優(yōu)化配電線路

根據(jù)配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)與光電混合雙態(tài)穩(wěn)定電路，對(duì)配電線路進(jìn)行優(yōu)化，采用混合線路安裝方式[10]，對(duì)塔桿線路進(jìn)行合理規(guī)劃，在對(duì)配電線路優(yōu)化的過程中，不僅要考慮桿塔的承重能力和路徑的可行性，還要考慮桿塔是否可以滿足線路優(yōu)化過程中的各種要求[11].本文的優(yōu)化配電線路，全程的桿塔共有36處，具體詳細(xì)情況見下表1所示.

表1 桿塔數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)配網(wǎng)變電線路的桿塔排布情況，確定配網(wǎng)變電節(jié)點(diǎn)導(dǎo)線連接情況[12]，并對(duì)配電線路進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于低壓配電線路，要長(zhǎng)遠(yuǎn)的規(guī)劃，對(duì)于配電導(dǎo)線進(jìn)行一次選定.同時(shí)每個(gè)區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)線截面不可以種類太多.配電線路導(dǎo)線截面推薦表如表2所示.

表2 配電線路導(dǎo)線截面推薦表

基于配電線路輸電桿塔的組成情況，確定了配網(wǎng)變電桿塔的數(shù)量，根據(jù)供電區(qū)域的類型，選擇了合適的輸電線路導(dǎo)線，完成配電線路的優(yōu)化.

1.3 構(gòu)建配網(wǎng)變電設(shè)備模型

結(jié)合GIS模型構(gòu)建配網(wǎng)變電設(shè)備模型，首先繪制配網(wǎng)變電的CAD圖，并將其導(dǎo)入到GIS模型中，并設(shè)置相應(yīng)的菜單欄，在CAD中進(jìn)行配網(wǎng)變電模型的繪制，如果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)入的CAD圖像不能進(jìn)行有效識(shí)別，需要進(jìn)行下一指令的處理[13]，在CAD圖形中使用移動(dòng)命令，并構(gòu)建相交坐標(biāo)系，分別輸入第一坐標(biāo)(0,0,0,)和第二坐標(biāo)(0,0,1e99)，并對(duì)圖像進(jìn)行選擇，將兩個(gè)坐標(biāo)系進(jìn)行同時(shí)移動(dòng)，經(jīng)過多次操作完成輸入坐標(biāo)(0,0,0,)和坐標(biāo)(0,0,1e99)的移動(dòng).此時(shí)再進(jìn)行CAD圖片導(dǎo)入，保證圖片都在一個(gè)平面內(nèi).需要注意的是，在進(jìn)行該項(xiàng)工作前，需要將圖形中的坐標(biāo)信息進(jìn)行按區(qū)域規(guī)劃，具體步驟如下：

步驟1：首先根據(jù)配電設(shè)備的形狀，利用CAD對(duì)其進(jìn)行繪圖，并將圖形中的所有內(nèi)容繪制到一個(gè)界面內(nèi)，得到一個(gè)完整的平面圖.

步驟2：根據(jù)配網(wǎng)變電設(shè)備的實(shí)際高度，對(duì)模型進(jìn)行同比例縮小繪制，得到一個(gè)GIS三維模型[14].

步驟3：對(duì)配網(wǎng)變電設(shè)備中不同規(guī)則的物體進(jìn)行同化，將不規(guī)則物體進(jìn)行分割，并對(duì)分割后的不同區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)一建模.

步驟4：對(duì)配網(wǎng)變電設(shè)備的輪廓進(jìn)行修改，對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，刪除與設(shè)備本身不相符的多余線條，對(duì)局部進(jìn)行美化，并對(duì)物體的表面進(jìn)行填充，使其更加接近配網(wǎng)變電設(shè)備.

步驟5：根據(jù)配網(wǎng)變電設(shè)備的實(shí)際顏色進(jìn)行填充，以及環(huán)境烘托渲染.

配網(wǎng)變電設(shè)備的GIS模型如下圖3所示.

圖3 配電桿塔的GIS模型Fig.3 GIS model of distribution tower

綜上所述，通過將配網(wǎng)變電設(shè)備的CAD圖導(dǎo)入到GIS軟件中，構(gòu)建了配網(wǎng)變電設(shè)備模型，實(shí)現(xiàn)了配網(wǎng)變電的設(shè)計(jì).

2 配網(wǎng)變電工程管理對(duì)策

為了保證配網(wǎng)變電工程的施工安全性，需要對(duì)配網(wǎng)變電工程加以管理，領(lǐng)會(huì)到如何將工程項(xiàng)目管理對(duì)策應(yīng)用到配網(wǎng)變電工程中，并落實(shí)每個(gè)環(huán)節(jié)的責(zé)任人在工程安全方面的職責(zé)，具體措施如下.

2.1 健全安全組織機(jī)構(gòu)和管理制度

對(duì)配網(wǎng)變電設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)該完善配網(wǎng)變電工程管理制度和安全組織機(jī)構(gòu)，形成健全的安全預(yù)防管理體系.不僅要嚴(yán)格遵守國(guó)家對(duì)于配電網(wǎng)的要求，還要結(jié)合各個(gè)配網(wǎng)變電設(shè)備的實(shí)際情況[15]，將安全管理標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)化，將責(zé)任落到個(gè)人.建立健全的獎(jiǎng)懲考核機(jī)制，鼓勵(lì)先進(jìn)用電安全單位和企業(yè)，對(duì)于不符合行為標(biāo)準(zhǔn)的事件進(jìn)行警示違章.將健全的安全組織機(jī)構(gòu)和管理制度全面落實(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)章程，同時(shí)更要注重對(duì)配網(wǎng)變電的安全把控，保證配電網(wǎng)絡(luò)的可靠性.

2.2 加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督檢査

對(duì)于復(fù)雜的配網(wǎng)變電施工現(xiàn)場(chǎng)，人員和機(jī)械都較為集中，應(yīng)該加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督檢查，降低出現(xiàn)危險(xiǎn)事故的概率.對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督，首先是對(duì)人為不安全因素進(jìn)行制止，防止因?yàn)椴僮鞑划?dāng)引起相應(yīng)的電力事故，同時(shí)考慮到工作人員的身體情況與技術(shù)水平，為其進(jìn)行安全知識(shí)普及，并按照個(gè)人自身情況進(jìn)行崗位分配，使配網(wǎng)變電的工作環(huán)境和工作人員都在安全可靠的形態(tài)范圍內(nèi).還應(yīng)該制定詳細(xì)的安全檢查計(jì)算，按時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多層次的安全檢查，還要做好隨時(shí)抽查的工作.落實(shí)配網(wǎng)變電工程管理施工目標(biāo)，加強(qiáng)工程施工過程中安全施工責(zé)任的落實(shí)，同時(shí)做到安全生產(chǎn)的四不傷害和五個(gè)統(tǒng)一，杜絕一切安全事故的發(fā)生.

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

本文的實(shí)例分析以某一高層建筑小區(qū)為研究對(duì)象，該小區(qū)于2018年施工完畢，可以代表大多數(shù)小區(qū)的施工特點(diǎn).小區(qū)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)為4棟由24層組成的高層住宅，1#樓和2#樓分別有三個(gè)單元，3#樓和4#樓分別有四個(gè)單元，一共覆蓋980戶居民.該小區(qū)的地下停車場(chǎng)建在地下人防區(qū)域，停車場(chǎng)的中心建有一個(gè)弱電機(jī)房，在弱電機(jī)房?jī)?nèi)部已經(jīng)預(yù)留了通往各戶居民的配線管道.該配網(wǎng)變電工程的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：

·40 Mbps用戶辦理的寬帶上網(wǎng)業(yè)務(wù)平均帶寬，

·客戶端萬(wàn)兆IP廣播信號(hào)接收光功率不低-14 dBm，

·雙向接入采用EPON.

3.2 制定施工方案

根據(jù)該高層建筑小區(qū)的實(shí)際用戶量，當(dāng)居民較多且分布密集時(shí)，應(yīng)該選擇光放大器及 OLT 局端設(shè)備下移的設(shè)計(jì)方案，將變電設(shè)備安裝在弱電機(jī)房?jī)?nèi)部，由于該位置的取電比較方便，而且溫濕度條件也滿足變電設(shè)備的運(yùn)行需求.將光纜交接箱和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜設(shè)在弱電機(jī)房?jī)?nèi)，并在機(jī)柜內(nèi)安裝局端設(shè)備和光放大器數(shù)臺(tái).根據(jù)小區(qū)的用戶數(shù)量以及各個(gè)樓層的分布情況，確定小區(qū)的配網(wǎng)變電線路鋪設(shè)形式，以便為居民提供電能.

3.3 設(shè)置評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了驗(yàn)證文中基于GIS建模的配網(wǎng)變電方式在實(shí)際應(yīng)用中的成效，將該配網(wǎng)變電方式應(yīng)用到該小區(qū)配網(wǎng)變電工程中，實(shí)驗(yàn)分兩個(gè)階段進(jìn)行，先利用配網(wǎng)變電設(shè)計(jì)圖紙的完整率Rf衡量配網(wǎng)變電方式的合理性，計(jì)算公式為：

(6)

式中：d為配網(wǎng)變電工程中設(shè)計(jì)圖紙的數(shù)量；D為GIS模型下標(biāo)準(zhǔn)圖紙的數(shù)量.

接著利用工程收益和單位建筑面積能耗衡量配網(wǎng)變電方式的效果，收益越高、能耗越低，說明配網(wǎng)變電的效果越好.

3.4 結(jié)果分析

3.4.1 合理性測(cè)試將基于GIS建模的配網(wǎng)變電方式分別應(yīng)用到該小區(qū)4棟高層住宅的輸電線路鋪設(shè)中，測(cè)試了配網(wǎng)變電設(shè)計(jì)圖紙的完整率，結(jié)果如圖4所示.

根據(jù)圖4的結(jié)果可知，采用基于GIS建模的配網(wǎng)變電方式，對(duì)該小區(qū)4棟高層住宅的輸電線路進(jìn)行鋪設(shè)時(shí)，由于GIS能夠采集該小區(qū)的結(jié)構(gòu)空間數(shù)據(jù)和地理分布數(shù)據(jù)，在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)圖紙的繪畫過程同時(shí)，也豐富了圖紙的內(nèi)容，可以將配網(wǎng)變電設(shè)計(jì)圖紙的完整率提高到90%以上，說明文中的配網(wǎng)變電方式具有一定的合理性.

圖4 配網(wǎng)變電設(shè)計(jì)圖紙的完整率Fig.4 Integrity rate of distribution network substation design drawings

3.4.2 配網(wǎng)變電工程的收益測(cè)試根據(jù)該小區(qū)每棟高層住宅的單元組成，利用基于GIS建模的配網(wǎng)變電方式鋪設(shè)每個(gè)單元的輸電線路，得到配網(wǎng)變電工程的收益如表3所示.

表3 配網(wǎng)變電工程的收益

從表3的結(jié)果可以看出，利用基于GIS建模的配網(wǎng)變電方式鋪設(shè)每個(gè)單元的輸電線路時(shí)，無(wú)論是環(huán)境經(jīng)濟(jì)收益還是投資收益都非常高，鋪設(shè)整個(gè)小區(qū)的輸電線路得到的環(huán)境經(jīng)濟(jì)收益和投資收益分別為4.16萬(wàn)元和11.94萬(wàn)元，說明利用文中設(shè)計(jì)的基于GIS建模的配網(wǎng)變電方式，可以提高輸電線路鋪設(shè)的收益.

在獲取較高收益的基礎(chǔ)上，還需要對(duì)基于GIS建模的配網(wǎng)變電方式在能耗方面的效果進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表4所示.

表4 配網(wǎng)變電工程的能耗

表4的結(jié)果顯示，在配網(wǎng)變電工程的能耗方面，采用基于GIS建模的配網(wǎng)變電方式鋪設(shè)的輸電線路，可以將該小區(qū)每一個(gè)單元的配網(wǎng)變電工程能耗控制在0.015 kJ以內(nèi)，經(jīng)計(jì)算該小區(qū)配網(wǎng)變電工程能耗的平均值大約為0.011 kJ，能夠滿足配網(wǎng)變電工程的能耗要求，具有更好的效果.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于GIS建模的配網(wǎng)變電設(shè)計(jì)及工程管理方法，經(jīng)過實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)，該配網(wǎng)變電方式具有一定的合理性，通過提高輸電線路鋪設(shè)的收益和降低配網(wǎng)變電工程的能耗，保證了配網(wǎng)變電方式在輸電線路鋪設(shè)中的效果.但是本文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以考慮到配網(wǎng)變電工程的施工質(zhì)量問題，認(rèn)證審核配網(wǎng)變電設(shè)計(jì)圖紙，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查，避免出現(xiàn)配網(wǎng)變電設(shè)計(jì)圖紙與實(shí)際情況不符的現(xiàn)象.