李 清，楊駿濤，陶 燕

(1.國網(wǎng)上海市電力科學(xué)研究院，上海 200540；2.國網(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

隨著社會的不斷發(fā)展，中國經(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)展的社會對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)競爭力，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，提高整個配電網(wǎng)的可靠性是目前該領(lǐng)域需要解決的重點問題[3].各個電力公司都積極響應(yīng)國家策略，配合配網(wǎng)變電設(shè)計及工程建設(shè)的開展，大力推進(jìn)制度改革，這將是一場重要的歷史變革，使整個配電網(wǎng)的整體性能加強(qiáng)，為現(xiàn)代化社會建設(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模型在實時監(jiān)測系統(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，并將該模型在實際礦井配電網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，通過SCADA操作頁面，對井下空間配電網(wǎng)絡(luò)的操作界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并通過FME定義，實現(xiàn)對CAD模板的映射，從而結(jié)合GIS模型完成礦井現(xiàn)場使用的配電網(wǎng)絡(luò)方案，并用過實例驗證，證明了該系統(tǒng)可以合理地對礦井配電網(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)荷信息計算方法，首先利用數(shù)字化技術(shù)對配電網(wǎng)的基本特點進(jìn)行精細(xì)化整理，并根據(jù)元件抽象理論，對中壓配電網(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，對配電網(wǎng)負(fù)荷模型進(jìn)行解碼處理，使其計算過程變得簡單易懂，根據(jù)最短線路的原理，對原有的關(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.通過實例驗證了該方法的有效性.

本文利用GIS建模設(shè)計了配網(wǎng)變電方式，并針對配網(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

1.1 基于GIS建模設(shè)計配網(wǎng)變電節(jié)點與光電混合雙穩(wěn)態(tài)電路

在配網(wǎng)變電節(jié)點與光電混合雙穩(wěn)態(tài)電路上，利用GIS模型對配網(wǎng)變電節(jié)點進(jìn)行建模[6]，當(dāng)配網(wǎng)變電節(jié)點接收到信號時，輸出端口會根據(jù)信號的強(qiáng)弱進(jìn)行依次傳輸.配網(wǎng)變電節(jié)點的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 配網(wǎng)變電節(jié)點的組成結(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)點分別用port#0，port#1、port#2和port#3表示.并且在每個配網(wǎng)變電節(jié)點的接收端口都會有相應(yīng)的組成代表，并用e0、e1、e2和e3表示信號接收的強(qiáng)度，利用q0、q1、q2和q3表示配網(wǎng)變電節(jié)點信號輸出的強(qiáng)度.

利用GIS模型采集配網(wǎng)變電節(jié)點輸入信號，并結(jié)合加權(quán)處理[7]，從每個端口處采集相應(yīng)的加權(quán)平均值.并計算負(fù)載值.根據(jù)負(fù)載值判斷輸入和輸出信號的強(qiáng)度.配網(wǎng)變電節(jié)點的端口權(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，這個常數(shù)值可以不考慮.將配網(wǎng)變電節(jié)點端口的權(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)點的傳播路徑，每個信號進(jìn)入傳輸入口時，受傳播路徑的影響，信號會變?nèi)?為了保持信號原有的強(qiáng)度，利用GIS模型設(shè)計配網(wǎng)變電節(jié)點與光電混合雙穩(wěn)態(tài)電路[8]，當(dāng)信號超過標(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，通過上式可以計算出配網(wǎng)變電節(jié)點的負(fù)載數(shù)值.當(dāng)e1大于β時，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)點的水平信號增強(qiáng)到某個值時，配網(wǎng)變電點會進(jìn)入自我保護(hù)狀態(tài)[9].配網(wǎng)變電節(jié)點與光電混合雙穩(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)點的結(jié)構(gòu)組成，計算了每一個節(jié)點端口的權(quán)重，通過GIS模型的處理，實現(xiàn)配網(wǎng)變電節(jié)點的自保護(hù)功能，完成配網(wǎng)變電節(jié)點與光電混合雙穩(wěn)態(tài)電路的設(shè)計.

1.2 優(yōu)化配電線路

根據(jù)配網(wǎng)變電節(jié)點與光電混合雙態(tài)穩(wěn)定電路，對配電線路進(jìn)行優(yōu)化，采用混合線路安裝方式[10]，對塔桿線路進(jìn)行合理規(guī)劃，在對配電線路優(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)點導(dǎo)線連接情況[12]，并對配電線路進(jìn)行優(yōu)化，對于低壓配電線路，要長遠(yuǎn)的規(guī)劃，對于配電導(dǎo)線進(jìn)行一次選定.同時每個區(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)行有效識別，需要進(jìn)行下一指令的處理[13]，在CAD圖形中使用移動命令，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)，并對圖像進(jìn)行選擇，將兩個坐標(biāo)系進(jìn)行同時移動，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.此時再進(jìn)行CAD圖片導(dǎo)入，保證圖片都在一個平面內(nèi).需要注意的是，在進(jìn)行該項工作前，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對其進(jìn)行繪圖，并將圖形中的所有內(nèi)容繪制到一個界面內(nèi)，得到一個完整的平面圖.

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

步驟3：對配網(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，并對分割后的不同區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)一建模.

步驟4：對配網(wǎng)變電設(shè)備的輪廓進(jìn)行修改，對細(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，對局部進(jìn)行美化，并對物體的表面進(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，實現(xiàn)了配網(wǎng)變電的設(shè)計.

2 配網(wǎng)變電工程管理對策

為了保證配網(wǎng)變電工程的施工安全性，需要對配網(wǎng)變電工程加以管理，領(lǐng)會到如何將工程項目管理對策應(yīng)用到配網(wǎng)變電工程中，并落實每個環(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

對配網(wǎng)變電設(shè)計完成后，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)格遵守國家對于配電網(wǎng)的要求，還要結(jié)合各個配網(wǎng)變電設(shè)備的實際情況[15]，將安全管理標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)化，將責(zé)任落到個人.建立健全的獎懲考核機(jī)制，鼓勵先進(jìn)用電安全單位和企業(yè)，對于不符合行為標(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，嚴(yán)格執(zhí)行各項章程，同時更要注重對配網(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)場監(jiān)督檢査

對于復(fù)雜的配網(wǎng)變電施工現(xiàn)場，人員和機(jī)械都較為集中，應(yīng)該加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)督檢查，降低出現(xiàn)危險事故的概率.對現(xiàn)場監(jiān)督，首先是對人為不安全因素進(jìn)行制止，防止因為操作不當(dāng)引起相應(yīng)的電力事故，同時考慮到工作人員的身體情況與技術(shù)水平，為其進(jìn)行安全知識普及，并按照個人自身情況進(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)的安全檢查計算，按時對現(xiàn)場進(jìn)行多層次的安全檢查，還要做好隨時抽查的工作.落實配網(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，同時做到安全生產(chǎn)的四不傷害和五個統(tǒng)一，杜絕一切安全事故的發(fā)生.

3 實例分析

3.1 工程概況

本文的實例分析以某一高層建筑小區(qū)為研究對象，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.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#樓分別有三個單元，3#樓和4#樓分別有四個單元，一共覆蓋980戶居民.該小區(qū)的地下停車場建在地下人防區(qū)域，停車場的中心建有一個弱電機(jī)房，在弱電機(jī)房內(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，

·客戶端萬兆IP廣播信號接收光功率不低-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)的實際用戶量，當(dāng)居民較多且分布密集時，應(yīng)該選擇光放大器及 OLT 局端設(shè)備下移的設(shè)計方案，將變電設(shè)備安裝在弱電機(jī)房內(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)房內(nèi)，并在機(jī)柜內(nèi)安裝局端設(shè)備和光放大器數(shù)臺.根據(jù)小區(qū)的用戶數(shù)量以及各個樓層的分布情況，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)置評價指標(biāo)

為了驗證文中基于GIS建模的配網(wǎng)變電方式在實際應(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，實驗分兩個階段進(jìn)行，先利用配網(wǎng)變電設(shè)計圖紙的完整率Rf衡量配網(wǎng)變電方式的合理性，計算公式為：

(6)

式中：d為配網(wǎng)變電工程中設(shè)計圖紙的數(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，測試了配網(wǎng)變電設(shè)計圖紙的完整率，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，對該小區(qū)4棟高層住宅的輸電線路進(jìn)行鋪設(shè)時，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)，在簡化設(shè)計圖紙的繪畫過程同時，也豐富了圖紙的內(nèi)容，可以將配網(wǎng)變電設(shè)計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)每個單元的輸電線路時，無論是環(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4.16萬元和11.94萬元，說明利用文中設(shè)計的基于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)每一個單元的配網(wǎng)變電工程能耗控制在0.015 kJ以內(nèi)，經(jīng)計算該小區(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

本文提出了基于GIS建模的配網(wǎng)變電設(shè)計及工程管理方法，經(jīng)過實例分析發(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)計圖紙，并結(jié)合現(xiàn)場勘查，避免出現(xiàn)配網(wǎng)變電設(shè)計圖紙與實際情況不符的現(xiàn)象.