10 kV供配電系統(tǒng)智能化設計與優(yōu)化方法

陳志婷

（佛山電力設計院有限公司，廣東 佛山 528200）

0 引 言

當今，電力系統(tǒng)在維持日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵作用變得愈發(fā)明顯。10 kV供配電系統(tǒng)作為電力傳輸和分配的重要組成部分，不僅需要滿足日益增長的電力需求，還需要應對電力負荷的不斷變化和電網(wǎng)的復雜性[1]。為了提高電力系統(tǒng)的效率、可靠性和可持續(xù)性，智能化設計和優(yōu)化方法逐漸成為了不可或缺的工具[2]。供配電系統(tǒng)智能化設計的本質(zhì)是利用現(xiàn)代信息技術(shù)，包括傳感器、數(shù)據(jù)分析和控制系統(tǒng)，將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為具有自我感知和自我調(diào)整能力的系統(tǒng)。這種轉(zhuǎn)變使得電力系統(tǒng)能夠更快速地適應電力需求的變化，并有效地應對各種挑戰(zhàn)，如電壓穩(wěn)定性、能源效率和設備故障。同時，電力系統(tǒng)的智能化設計還為電力網(wǎng)絡運營商提供了更精確的數(shù)據(jù)，以支持優(yōu)化決策和資源分配[3]。

文章主要探討10 kV供配電系統(tǒng)的智能化設計與優(yōu)化方法[4]。詳細介紹系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)采集、智能傳感器應用、數(shù)據(jù)處理以及實時監(jiān)測控制策略的關(guān)鍵要點，研究電壓控制優(yōu)化方法和損耗降低優(yōu)化方法，以提高電力系統(tǒng)的性能[5]。此外，還將研究智能算法在電力系統(tǒng)優(yōu)化中的應用，以實現(xiàn)更智能、高效的電力系統(tǒng)運營。

最后，通過實驗和案例分析來驗證提出方法的有效性，并總結(jié)研究的主要發(fā)現(xiàn)和對電力系統(tǒng)未來發(fā)展的展望。本研究將為電力領(lǐng)域的研究和實踐提供有價值的見解，并為構(gòu)建更可靠、高效的10 kV供配電系統(tǒng)提供有力支持。

1 10 kV供配電系統(tǒng)的智能化設計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)與數(shù)據(jù)采集

10 kV供配電系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。一是數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集是智能化系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由傳感器、智能電表、保護裝置等部件組成，用于實時監(jiān)測電力系統(tǒng)的狀態(tài)[6]。傳感器可以測量電壓、電流、功率因數(shù)以及頻率等參數(shù)；智能電表能夠提供電能消耗信息；而保護裝置則用于檢測故障并采取措施以確保系統(tǒng)的安全性[7]。二是通信網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通過高速通信網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，包括光纖、以太網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡等[8]。通信網(wǎng)絡必須具備高帶寬、低延遲和高可靠性，以確保及時傳遞數(shù)據(jù)。三是中央控制系統(tǒng)。中央控制系統(tǒng)是智能化設計的大腦，由計算機服務器、存儲設備和軟件組成，用于處理和分析從數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)[9]。中央控制系統(tǒng)可以實施高級控制策略，如負荷管理、電力質(zhì)量改善、故障檢測以及自動切換等。四是智能算法，智能算法是系統(tǒng)的智能化核心，用于優(yōu)化電力系統(tǒng)的運行，包括電力流分析、負荷預測、能源管理以及優(yōu)化調(diào)度等。這些算法可以提高系統(tǒng)效率，減少能源浪費，并支持可再生能源的集成。

圖1 10 kV供配電系統(tǒng)的架構(gòu)

1.2 智能傳感器應用

在10 kV供配電系統(tǒng)的智能化設計中，智能傳感器廣泛應用于實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測和智能決策，以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和效率。這些傳感器用于監(jiān)測電流、電壓、溫度、濕度、氣體、振動等重要參數(shù)，以及電能質(zhì)量和設備狀態(tài)[10]。通過分析傳感器數(shù)據(jù)與先進的數(shù)據(jù)，遙測系統(tǒng)集成，電力系統(tǒng)運營者能夠?qū)崟r獲取系統(tǒng)的健康狀況，預測潛在故障，及時采取措施，提高了電力系統(tǒng)的可維護性和故障響應性。此外，智能傳感器還支持自動斷電、遙控操作和設備診斷，最大限度地減少了停電時間，確保了電力供應的連續(xù)性和質(zhì)量，為電力系統(tǒng)的智能化運營提供了堅實的基礎(chǔ)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

首先，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配備了高精度傳感器，負責獲取電流、電壓、溫度、濕度、振動、電能質(zhì)量以及設備狀態(tài)等多維度數(shù)據(jù)，并對采集到大數(shù)據(jù)進行預處理，包括去噪、濾波和數(shù)據(jù)清洗，以確保數(shù)據(jù)的準確性與完整性。其次，數(shù)據(jù)存儲與管理采用分布式數(shù)據(jù)庫和大數(shù)據(jù)存儲解決方案，以應對大規(guī)模數(shù)據(jù)的高效存儲和檢索需求。最后，要充分考慮數(shù)據(jù)安全性和備份策略，以確保數(shù)據(jù)的保密性和可用性。實時數(shù)據(jù)分析和決策系統(tǒng)允許電力系統(tǒng)運營者及時響應，通過實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，識別故障、異常和潛在問題，以實現(xiàn)自動化的遠程操作、設備控制和告警通知。

2 供配電系統(tǒng)優(yōu)化方法

在完成10 kV供配電系統(tǒng)的智能化設計后，使用智能算法中的遺傳算法，以供配電系統(tǒng)能耗最小化為優(yōu)化目標對系統(tǒng)進行優(yōu)化。由于電力系統(tǒng)中的優(yōu)化問題通常涉及眾多的變量和復雜的非線性關(guān)系，傳統(tǒng)的數(shù)學方法難以有效解決，而遺傳算法作為一種啟發(fā)式搜索算法，能夠通過模擬自然選擇和遺傳進化的過程，從大量可能的解空間中尋找到潛在的最優(yōu)解，尤其適用于高維度、復雜的優(yōu)化問題。因此，使用遺傳算法可以幫助電力系統(tǒng)工程師有效地優(yōu)化配電網(wǎng)配置，提高系統(tǒng)效率，降低運營成本，從而實現(xiàn)可持續(xù)性和經(jīng)濟效益。能耗最小化的目標函數(shù)為

式中：E為總能耗；Pi為第i個設備的功耗；ti為第i個設備的運行時間。

使用遺傳算法求解10 kV供配電系統(tǒng)中配電網(wǎng)能耗最小化優(yōu)化問題需要的具體步驟如下所述。

步驟1，初始化種群。隨機生成一組初始個體，每個個體代表一個可能的解，即電力系統(tǒng)配置，每個個體包含負荷分布、電壓控制策略和設備狀態(tài)等信息。

步驟2，適應度評估。計算每個個體的適應度，即目標函數(shù)的值，以衡量其能耗。適應度函數(shù)評估了電力系統(tǒng)配置的性能，其目標是最小化能耗。

步驟3，選擇操作。根據(jù)適應度值，選擇一部分適應度較高的個體作為父代，以參與繁殖下一代，適應度較高的個體被選中的概率較大，以增加其遺傳信息傳遞給下一代。

步驟4，交叉操作。對選中的父代個體進行交叉操作，以生成新的子代個體，模擬基因的組合和遺傳信息的傳遞。

步驟5，變異操作。對一些子代個體進行變異操作，以引入新的隨機性和多樣性。

步驟6，新個體的適應度評估。對新生成的子代個體和未被選擇的父代個體進行適應度評估。

步驟7，選擇下一代種群。組合父代和子代，選擇適應度較高的個體，作為下一代種群，并重復執(zhí)行步驟2～6，直到達到停止條件，如達到最大迭代次數(shù)或適應度收斂。

步驟8，遺傳算法將產(chǎn)生最佳的個體，表示電力系統(tǒng)的最佳配置，以最小化能耗。

通過分析最佳個體的變量值，可以得到實際的操作策略，包括負荷分布、電壓控制參數(shù)和設備狀態(tài)。

3 實驗分析

實驗設置了一個包含3個負荷節(jié)點（A、B、C）、2臺變壓器（T1、T2）和1條線路（L1）的10 kV供配電系統(tǒng)。通過優(yōu)化負荷分布使系統(tǒng)的能耗最小化。負荷節(jié)點的初始負荷與優(yōu)化后負荷情況如表1所示，變壓器的功耗變化如表2所示，線路的功耗變化如表3所示。

表1 負荷節(jié)點的初始負荷與優(yōu)化后的負荷 單位：MW

表2 變壓器的功耗變化 單位：MW

表3 線路的功耗變化 單位：MW

結(jié)合表1、表2和表3的數(shù)據(jù)，通過累加系統(tǒng)內(nèi)各個負荷節(jié)點的初始負荷、變壓器的初始功耗和線路的初始功耗計算系統(tǒng)的初始能耗，可得系統(tǒng)的初始能耗為Ei=12.6 MW。在得出系統(tǒng)的初始能耗后，進一步通過累加系統(tǒng)內(nèi)各個負荷節(jié)點優(yōu)化后的負荷、變壓器優(yōu)化后的功耗和線路優(yōu)化后的功耗計算智能算法優(yōu)化后的系統(tǒng)能耗，可得系統(tǒng)優(yōu)化后的能耗為Ep=11.55 MW。通過對比初始系統(tǒng)能耗和優(yōu)化后的系統(tǒng)能耗，計算系統(tǒng)內(nèi)能耗的變化程度，用以衡量文章所提智能算法對10 kV供配電系統(tǒng)的能耗優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果為

由式（2）可知，采用文章所提的優(yōu)化方法使系統(tǒng)的能耗降低了1.05 MW。通過實驗數(shù)據(jù)的支持，進一步證實了電力系統(tǒng)配置的改進程度，為相關(guān)領(lǐng)域的研究和實踐提供了有力的支持和參考。

4 結(jié) 論

本研究的目標是提高10 kV供配電系統(tǒng)的效率和可靠性，通過智能化設計和優(yōu)化方法實現(xiàn)這一目標。深入探討了智能化設計的各個方面，包括系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)采集、智能傳感器應用、數(shù)據(jù)處理以及實時監(jiān)測控制策略。同時，研究并設計了電壓控制和損耗降低的優(yōu)化方法，以提高電力系統(tǒng)性能。通過實驗和案例分析，驗證了這些方法的有效性，為電力系統(tǒng)運營商提供了更好的決策支持。