縣域配電自動化有線組網通信方式建模與求解

任俊東，戴 宇

（國網浙江東陽市供電有限公司，浙江 東陽 322100）

0 引言

按照國家電網公司配電網標準化建設“六化”、“六統一”、順應智能配電網建設和發展的要求，配電自動化改造工程設計應遵循安全可靠、堅固耐用等原則，做到統一性與適應性、先進性、經濟性和靈活性的協調統一[1]。在配電自動化建設改造中，配電通信網起著非常重要的作用，尤其是在有線組網通信系統中，光纜應與配電網一次網架同步規劃、同步建設。目前，在常用的EPON（以太無源光網絡）組網策略中，EPON技術采用一點到多點的無源分配光纖網構造連接局端與用戶，EPON由OLT（光線路終端）、ONU（光網絡單元）和光纜交接箱（以下簡稱“光交箱”）組成[2]。利用OLT和ONU設備組成星型、鏈型與輻射型等網絡結構，通過主干網OLT匯入變電站SDH（同步數字體系）實現配電自動化通信功能，完成主站分析處理，從而實現對配電網的實時監視與運行控制。然而，不同的配電網網架結構、地下光纜管道情況、環網箱（室）分布情況等對有線組網通信系統的構建產生直接影響，尤其是在縣域范圍內，存在地下光纜管道資源缺少、環網箱（室）分布不均的情況，如何既保障配電站點與主站間的可靠通信，同時又滿足經濟性與實用性的要求，是值得探討的問題。通過對影響配電自動化有線組網因素的合理分析，提出了一種適合縣域范圍內實施配電自動化有線組通信方案的模型并進行優化求解。

1 縣域光纜管道資源特點

隨著配電自動化的大規模推廣應用，縣級市中心區域被納入配電自動化建設與改造范圍之內，有線通信系統作為實現環網箱（室）安全可靠通信的首選，勢必需要相應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。根據要求，在配電網規劃建設過程中，應同步建設或預留光纜敷設資源，并考慮敷設防護要求、排管敷設時應預留專用的管孔資源。但是，縣級市部分負荷核心區域通常集中在老舊城區，尤其舊城規劃建設較早，存在管道建設缺失、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，某些建設周期較早的環網箱（室）通常位于主干光纜管孔的分支區域，或者位于較為偏僻的位置，導致光纜無法順利接入，從而無法與周邊鄰近站點組成EPON鏈路；若考慮新建管孔，則造價過高，且工期不允許；若考慮環網箱（室）整體遷移，則涉及眾多10 kV線路的遷移割接，工程量巨大。針對此問題，可考慮各通信運營商的光纜管道，但是由于后期運維不便，存在較大安全隱患。

2 有線組網方式的選擇

配電自動化有線組網通信的實現需要綜合考慮環網箱（室）的地理位置、光纜管道布局與10 kV線路的走向等因素。通常采用電力環組網與地理網格組網2種方式。電力環組網即將2條“手拉手”聯絡的10 kV線路上的所有串接環網箱（室）通過光纜進行連接，實現站點之間的聯絡互通。地理網格組網不按照電力環走向，而是將某一相同區域內的若干站點通過光纜進行連接，實現有效通信。地理網格組網由于不依照電力環路行進方向，易造成光纜鏈路錯綜復雜，不便于后期運維管理。目前，電力環組網方式仍為有線組網方式的首選，但是在縣域范圍內，光纜管道資源因規劃建設不同步的問題將導致不同電力環的光纜均分布在相同的光纜管道內，當該光纜管道遭外力破壞時，將造成多條環路主干光纜大面積癱瘓，從而影響配電自動化終端設備正常運行，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 縣域配電自動化有線組網通信建模與求解

目前，國內學者對配電自動化終端通信組網優化布局方式的研究較多[3-5]。如文獻[3]建立了以一次開關設備和配電終端投資費用、運行費用以及故障停電損失費用之和最小為目標的優化模型，并采用遺傳算法對模型進行求解，得到了可行的方案。文獻[4]結合全國城市供電可靠性統計數據，對各類區域的差異化規劃原則的可行性與合理性進行了分析和論證，并對提出的方法的應用進行了詳細說明。文獻[5]從提高各節點至匯聚點的可靠性入手，依據可靠性理論對新建光纜路徑可靠性進行分析比較，提出了光纜路徑選擇的指導方案，但沒有采用光纜路徑與主干線路電纜管道相結合的方式。

通過對大量文獻的研究，綜合考慮有線組網通信方式的可靠性、經濟性，本文在采用電力環有線組網拓撲結構上進行創新，提出一種雙層EPON組網結構，第一層級由變電站OLT與主干光交箱組成光交主干環路，第二層級由配電站（所）ONU與光交箱組成站（所）環路。通過主干環路與站（所）環路實現每一個配電站點都能就近接入光交箱。配電站點任何一端光纜斷裂時，均可通過其他側的光纜維持正常通信，能夠有效減少光纜的迂回曲折布置，縮短光纜長度，使材料成本、建設成本達到最優。這是一個多約束、非線性的組合優化問題。目前，一些進化算法已成功運用于多約束、非線性的組合優化問題求解，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解出發，通過迭代尋找最優解，通過適應度來評價解的品質，通

過追隨當前搜索到的最優值來尋找全局最優。相比于其他進化算法，這種算法實現容易、精度高、收斂快，受所求問題維數的影響較小。采用該算法能夠合理優化配置光交箱的位置與數量，滿足配電自動化實用化應用水平。

3.1 建模原則

縣級配電自動化建設的總體目標是改善配電網觀測手段，提升運維精益化水平，提高供電可靠性和供電質量，實現配電網管理現代化[10]。通過配電主站和配電終端的配合，實現配電網網絡重構、故障區段的快速切除與自動恢復供電，綜合分析運行信息，評估設備運行狀況，確定配電網薄弱環節，為精益化運維、精準化投資、精細化搶修提供技術支撐[11]。建設過程合理選用光纖、無線等通信方式實現對配電網全面監控，實現配電網通信高可靠性、高安全性和低成本、易維護性的統一。配電自動化建設按照統一規劃、統一設計、統一管理、分步實施原則進行[12-14]。

3.2 模型建設

在縣域配電自動化有線組網通信方案規劃中，配電自動化EPON組網方式的工程建設費用包括3部分，分別為光纜成本、光交箱的購置費用、配電自動化建設成本[15]。故在考慮以上3項費用的情況下，以總支出最小為該數學模型的目標函數：

式中：C光纜為光纜總費用；C光交箱為購置光交箱的費用；C建設為敷設光纜及安裝光交箱的費用。

配電自動化建設中，DTU（站所終端）“三遙”終端配電站點需要做到遙測、遙信和遙控，而光纜通信具有信號干擾小、保密性好的特點，故“三遙”配電站（所）采用光纜通信?！岸b”配電站（所）僅需滿足遙測、遙信，采用以無線通信為主，選用兼容2G/3G/4G數據通信技術的無線通信模塊。

在EPON組網方式中，光纜主要用于光交箱到各個配電站（所）的聯絡以及光交箱通過主干道匯入變電站OLT，通過OLT與上級聯絡。故光纜成本模型為：

式中：L1為配電站（所）到光交箱的光纜長度；L2為光交箱到變電站的光纜長度；α為建設損耗保留的裕度，根據實際經驗取1.2；β為單位長度電纜價格。

在配電網中，從配電站（所）到光交箱的路徑千差萬別，很難用統一的模型精確估算。而在實際敷設過程中需要符合工藝規范，光纜路徑要求橫平豎直沿路敷設，在本次求解過程中，該段光纜以兩點間的直角折線距離計算其長度。

從光交箱到變電站的通信需要考慮實際已擁有的主干道通信網絡情況，充分利用已有主干道敷設光纜，為節約光纜長度，需要選擇最近的光纜路徑到達變電站的OLT，其數學模型如下：

式中：jc為光交箱的序號；n為光交箱個數；CHi為經過第i條主干道到變電站的光纜長度。

光交箱是一個連接OLT和ONU的無源設備，它的功能是分發下行數據并集中上行數據，1個光交箱同時連接2個變電站，并接入多個配電站（所）。光交箱成本與所使用的數量線性相關：

式中：C1為單臺光交箱的購置價格；n為所使用的光交箱數量。

光纜敷設時，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]，故可以得出建設成本為：

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

3.3 約束條件

（1）配電自動化建設的“三遙”開關柜站需全部光纜覆蓋。

（2）滿足供電可靠性的約束，即滿足配電網供電可靠性99.99%的約束。

（3）電壓質量的約束，即站點的節點電壓Uk滿足Ukmin≤Uk≤Ukmax。 其中，Ukmin為節點k電壓的最低值；Ukmax為節點k電壓的最高值。

從式（1）—（5）中可以看出，配電自動化光纜布局是一個多約束、非線性的組合優化問題[17]。粒子群算法是從隨機解出發，通過迭代尋找最優解，利用適應度來評價解的品質，追隨當前搜索到的最優值來尋找全局最優。這種算法實現容易、精度高、收斂快，本文應用粒子群算法求解配電自動化終端布局規劃問題。

4 粒子群算法在配電自動化通信建設中的應用

采用粒子群算法求解模型最優解可分為以下步驟。

步驟1：輸入基礎數據，包括網絡拓撲結構數據，配電站（所）位置數據、開關數據、變電站位置、光纜單價、可靠性相關參數等，并對相應的光交箱進行編號初始化其位置，記為：

式中：P為光交箱位置的集合；pi為第i個光交箱的位置；i為光交箱的序號。

步驟2：依據粒子群算法，設定初始參數。粒子群算法的初始參數有：粒子數、最大迭代次數、學習因子、慣性權重。粒子數與最大迭代次數根據實際計算量確定，學習因子通常取2.0。本文使用的粒子群算法采用變化的慣性權重，隨著迭代次數的增加，減小慣性權重，根據這種慣性權重的變化來改善粒子群算法的性能。

式中：w為慣性權重；t為迭代次數；gmax為最大迭代次數。

設立20個初始粒子，每個粒子代表一組光交箱的位置，即實際中的一組解，初始粒子的位置由隨機數確定，同時，為每個粒子設定進化速度，初始進化速度由隨機數確定。

步驟3：代入公式（1），計算函數適應度并保留全局最優解。

式中：fmin為最低成本；j為配電站（所）序號；m為配電站（所）個數；Lij為第j個配電站（所）到第i個光交箱的光纜長度；Lik為第i個光交箱到第k個變電站的光纜長度。

步驟4：向最優解靠攏。每次迭代后會產生一個此次迭代中的最優解，將最優解與全局最優解進行比較，保留較好的最優解作為新的全局最優解。每個粒子自身與全局最優解進行比較，學習最優解，獲得一次新的迭代。

步驟5：根據初始設定的終止條件，判斷是否結束循環，若是則輸出結果，否則返回步驟3。

5 算例分析

以某縣級市配電自動化改造工程為例，73個配電站點計劃裝設DTU“三遙”終端，涉及3座變電站，5條主干道。

粒子群算法設置：粒子數為20，慣性權重w=0.9，學習因子為2.0，最大迭代次數gmax=100，慣性權重隨迭代次數增加而減小。

光纜單價β按0.5萬元/km計算，選取不同的光交箱數量，進行迭代計算，分別求出對應光交箱數量的最短路徑以及最低成本。

本文設計了10種不同光交箱數量下的布點方式，經過迭代計算，得到不同的投資費用如表1所示。

表1 不同光交箱數量對應的投資總額

經分析發現：當光交箱數量在9以下時，總投資隨著數量的增加而減少；當光交箱數量在9以上時，總投資隨著數量的增加而增加；在光交箱數量為9時取得最小值。故取最優解為光交箱數量9個，迭代結果如圖1所示。其具體位置如表2所示。

6 結論

根據配電自動化建設要求以及實際配電站點分布情況，以經濟成本最低為目標，綜合考慮光纜成本、光交箱購置費用、配電自動化運行維護成本、配電網發生故障時造成的損失等因素，建立了配電自動化有線組網通信的模型，并結合某縣公司實際案例進行求解。主要結論如下：

（1）模型依據實際情況建立，考慮站點分布、通信網絡架構、可靠性等實際指標，對配電自動化有線通信網絡進行設計，并確定光交箱的安裝數量和安裝位置，使配電自動化的通信網絡更加科學、合理。

圖1 不同數量光交箱迭代結果對比

表2 光交箱最優位置

（2）模型優化了配電自動化有線通信網絡結構，節約了成本，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）研究成果對縣域范圍內配電自動化建設具有參考借鑒價值，完善了配電自動化建設中符合縣域實際情況的有線通信網絡建設方式與策略。算例結果表明，該模型能有效降低建設成本，對供電公司開展配電自動化改造工作具有指導意義。