县域配电自动化有线组网通信方式建模与求解

任俊东，戴 宇

（国网浙江东阳市供电有限公司，浙江 东阳 322100）

0 引言

按照国家电网公司配电网标准化建设“六化”、“六统一”、顺应智能配电网建设和发展的要求，配电自动化改造工程设计应遵循安全可靠、坚固耐用等原则，做到统一性与适应性、先进性、经济性和灵活性的协调统一[1]。在配电自动化建设改造中，配电通信网起着非常重要的作用，尤其是在有线组网通信系统中，光缆应与配电网一次网架同步规划、同步建设。目前，在常用的EPON（以太无源光网络）组网策略中，EPON技术采用一点到多点的无源分配光纤网构造连接局端与用户，EPON由OLT（光线路终端）、ONU（光网络单元）和光缆交接箱（以下简称“光交箱”）组成[2]。利用OLT和ONU设备组成星型、链型与辐射型等网络结构，通过主干网OLT汇入变电站SDH（同步数字体系）实现配电自动化通信功能，完成主站分析处理，从而实现对配电网的实时监视与运行控制。然而，不同的配电网网架结构、地下光缆管道情况、环网箱（室）分布情况等对有线组网通信系统的构建产生直接影响，尤其是在县域范围内，存在地下光缆管道资源缺少、环网箱（室）分布不均的情况，如何既保障配电站点与主站间的可靠通信，同时又满足经济性与实用性的要求，是值得探讨的问题。通过对影响配电自动化有线组网因素的合理分析，提出了一种适合县域范围内实施配电自动化有线组通信方案的模型并进行优化求解。

1 县域光缆管道资源特点

随着配电自动化的大规模推广应用，县级市中心区域被纳入配电自动化建设与改造范围之内，有线通信系统作为实现环网箱（室）安全可靠通信的首选，势必需要相应的光缆管道资源予以支持，以满足光缆从站所终端ONU至变电站OLT之间的通信连接。根据要求，在配电网规划建设过程中，应同步建设或预留光缆敷设资源，并考虑敷设防护要求、排管敷设时应预留专用的管孔资源。但是，县级市部分负荷核心区域通常集中在老旧城区，尤其旧城规划建设较早，存在管道建设缺失、管孔阻塞与管孔不能满足新增线缆空间需求的矛盾。就县域范围而言，某些建设周期较早的环网箱（室）通常位于主干光缆管孔的分支区域，或者位于较为偏僻的位置，导致光缆无法顺利接入，从而无法与周边邻近站点组成EPON链路；若考虑新建管孔，则造价过高，且工期不允许；若考虑环网箱（室）整体迁移，则涉及众多10 kV线路的迁移割接，工程量巨大。针对此问题，可考虑各通信运营商的光缆管道，但是由于后期运维不便，存在较大安全隐患。

2 有线组网方式的选择

配电自动化有线组网通信的实现需要综合考虑环网箱（室）的地理位置、光缆管道布局与10 kV线路的走向等因素。通常采用电力环组网与地理网格组网2种方式。电力环组网即将2条“手拉手”联络的10 kV线路上的所有串接环网箱（室）通过光缆进行连接，实现站点之间的联络互通。地理网格组网不按照电力环走向，而是将某一相同区域内的若干站点通过光缆进行连接，实现有效通信。地理网格组网由于不依照电力环路行进方向，易造成光缆链路错综复杂，不便于后期运维管理。目前，电力环组网方式仍为有线组网方式的首选，但是在县域范围内，光缆管道资源因规划建设不同步的问题将导致不同电力环的光缆均分布在相同的光缆管道内，当该光缆管道遭外力破坏时，将造成多条环路主干光缆大面积瘫痪，从而影响配电自动化终端设备正常运行，降低可靠性，因此必须在有限的管道资源情况下寻求光缆的最佳路径。

3 县域配电自动化有线组网通信建模与求解

目前，国内学者对配电自动化终端通信组网优化布局方式的研究较多[3-5]。如文献[3]建立了以一次开关设备和配电终端投资费用、运行费用以及故障停电损失费用之和最小为目标的优化模型，并采用遗传算法对模型进行求解，得到了可行的方案。文献[4]结合全国城市供电可靠性统计数据，对各类区域的差异化规划原则的可行性与合理性进行了分析和论证，并对提出的方法的应用进行了详细说明。文献[5]从提高各节点至汇聚点的可靠性入手，依据可靠性理论对新建光缆路径可靠性进行分析比较，提出了光缆路径选择的指导方案，但没有采用光缆路径与主干线路电缆管道相结合的方式。

通过对大量文献的研究，综合考虑有线组网通信方式的可靠性、经济性，本文在采用电力环有线组网拓扑结构上进行创新，提出一种双层EPON组网结构，第一层级由变电站OLT与主干光交箱组成光交主干环路，第二层级由配电站（所）ONU与光交箱组成站（所）环路。通过主干环路与站（所）环路实现每一个配电站点都能就近接入光交箱。配电站点任何一端光缆断裂时，均可通过其他侧的光缆维持正常通信，能够有效减少光缆的迂回曲折布置，缩短光缆长度，使材料成本、建设成本达到最优。这是一个多约束、非线性的组合优化问题。目前，一些进化算法已成功运用于多约束、非线性的组合优化问题求解，主要有模拟退火算法、遗传算法、蚁群算法、粒子群算法[6-9]。粒子群算法是从随机解出发，通过迭代寻找最优解，通过适应度来评价解的品质，通

过追随当前搜索到的最优值来寻找全局最优。相比于其他进化算法，这种算法实现容易、精度高、收敛快，受所求问题维数的影响较小。采用该算法能够合理优化配置光交箱的位置与数量，满足配电自动化实用化应用水平。

3.1 建模原则

县级配电自动化建设的总体目标是改善配电网观测手段，提升运维精益化水平，提高供电可靠性和供电质量，实现配电网管理现代化[10]。通过配电主站和配电终端的配合，实现配电网网络重构、故障区段的快速切除与自动恢复供电，综合分析运行信息，评估设备运行状况，确定配电网薄弱环节，为精益化运维、精准化投资、精细化抢修提供技术支撑[11]。建设过程合理选用光纤、无线等通信方式实现对配电网全面监控，实现配电网通信高可靠性、高安全性和低成本、易维护性的统一。配电自动化建设按照统一规划、统一设计、统一管理、分步实施原则进行[12-14]。

3.2 模型建设

在县域配电自动化有线组网通信方案规划中，配电自动化EPON组网方式的工程建设费用包括3部分，分别为光缆成本、光交箱的购置费用、配电自动化建设成本[15]。故在考虑以上3项费用的情况下，以总支出最小为该数学模型的目标函数：

式中：C光缆为光缆总费用；C光交箱为购置光交箱的费用；C建设为敷设光缆及安装光交箱的费用。

配电自动化建设中，DTU（站所终端）“三遥”终端配电站点需要做到遥测、遥信和遥控，而光缆通信具有信号干扰小、保密性好的特点，故“三遥”配电站（所）采用光缆通信。“二遥”配电站（所）仅需满足遥测、遥信，采用以无线通信为主，选用兼容2G/3G/4G数据通信技术的无线通信模块。

在EPON组网方式中，光缆主要用于光交箱到各个配电站（所）的联络以及光交箱通过主干道汇入变电站OLT，通过OLT与上级联络。故光缆成本模型为：

式中：L1为配电站（所）到光交箱的光缆长度；L2为光交箱到变电站的光缆长度；α为建设损耗保留的裕度，根据实际经验取1.2；β为单位长度电缆价格。

在配电网中，从配电站（所）到光交箱的路径千差万别，很难用统一的模型精确估算。而在实际敷设过程中需要符合工艺规范，光缆路径要求横平竖直沿路敷设，在本次求解过程中，该段光缆以两点间的直角折线距离计算其长度。

从光交箱到变电站的通信需要考虑实际已拥有的主干道通信网络情况，充分利用已有主干道敷设光缆，为节约光缆长度，需要选择最近的光缆路径到达变电站的OLT，其数学模型如下：

式中：jc为光交箱的序号；n为光交箱个数；CHi为经过第i条主干道到变电站的光缆长度。

光交箱是一个连接OLT和ONU的无源设备，它的功能是分发下行数据并集中上行数据，1个光交箱同时连接2个变电站，并接入多个配电站（所）。光交箱成本与所使用的数量线性相关：

式中：C1为单台光交箱的购置价格；n为所使用的光交箱数量。

光缆敷设时，光交箱到变电站的部分可以利用已有通信管道，成本较低；光交箱到配电站（所）的部分需要另外开辟管道，成本较高。光交箱的安装成本固定[16]，故可以得出建设成本为：

式中：a为敷设光交箱到变电站的光缆平均成本；b为敷设光交箱到配电站（所）的光缆平均成本；c为安装单个光交箱的成本。

3.3 约束条件

（1）配电自动化建设的“三遥”开关柜站需全部光缆覆盖。

（2）满足供电可靠性的约束，即满足配电网供电可靠性99.99%的约束。

（3）电压质量的约束，即站点的节点电压Uk满足Ukmin≤Uk≤Ukmax。 其中，Ukmin为节点k电压的最低值；Ukmax为节点k电压的最高值。

从式（1）—（5）中可以看出，配电自动化光缆布局是一个多约束、非线性的组合优化问题[17]。粒子群算法是从随机解出发，通过迭代寻找最优解，利用适应度来评价解的品质，追随当前搜索到的最优值来寻找全局最优。这种算法实现容易、精度高、收敛快，本文应用粒子群算法求解配电自动化终端布局规划问题。

4 粒子群算法在配电自动化通信建设中的应用

采用粒子群算法求解模型最优解可分为以下步骤。

步骤1：输入基础数据，包括网络拓扑结构数据，配电站（所）位置数据、开关数据、变电站位置、光缆单价、可靠性相关参数等，并对相应的光交箱进行编号初始化其位置，记为：

式中：P为光交箱位置的集合；pi为第i个光交箱的位置；i为光交箱的序号。

步骤2：依据粒子群算法，设定初始参数。粒子群算法的初始参数有：粒子数、最大迭代次数、学习因子、惯性权重。粒子数与最大迭代次数根据实际计算量确定，学习因子通常取2.0。本文使用的粒子群算法采用变化的惯性权重，随着迭代次数的增加，减小惯性权重，根据这种惯性权重的变化来改善粒子群算法的性能。

式中：w为惯性权重；t为迭代次数；gmax为最大迭代次数。

设立20个初始粒子，每个粒子代表一组光交箱的位置，即实际中的一组解，初始粒子的位置由随机数确定，同时，为每个粒子设定进化速度，初始进化速度由随机数确定。

步骤3：代入公式（1），计算函数适应度并保留全局最优解。

式中：fmin为最低成本；j为配电站（所）序号；m为配电站（所）个数；Lij为第j个配电站（所）到第i个光交箱的光缆长度；Lik为第i个光交箱到第k个变电站的光缆长度。

步骤4：向最优解靠拢。每次迭代后会产生一个此次迭代中的最优解，将最优解与全局最优解进行比较，保留较好的最优解作为新的全局最优解。每个粒子自身与全局最优解进行比较，学习最优解，获得一次新的迭代。

步骤5：根据初始设定的终止条件，判断是否结束循环，若是则输出结果，否则返回步骤3。

5 算例分析

以某县级市配电自动化改造工程为例，73个配电站点计划装设DTU“三遥”终端，涉及3座变电站，5条主干道。

粒子群算法设置：粒子数为20，惯性权重w=0.9，学习因子为2.0，最大迭代次数gmax=100，惯性权重随迭代次数增加而减小。

光缆单价β按0.5万元/km计算，选取不同的光交箱数量，进行迭代计算，分别求出对应光交箱数量的最短路径以及最低成本。

本文设计了10种不同光交箱数量下的布点方式，经过迭代计算，得到不同的投资费用如表1所示。

表1 不同光交箱数量对应的投资总额

经分析发现：当光交箱数量在9以下时，总投资随着数量的增加而减少；当光交箱数量在9以上时，总投资随着数量的增加而增加；在光交箱数量为9时取得最小值。故取最优解为光交箱数量9个，迭代结果如图1所示。其具体位置如表2所示。

6 结论

根据配电自动化建设要求以及实际配电站点分布情况，以经济成本最低为目标，综合考虑光缆成本、光交箱购置费用、配电自动化运行维护成本、配电网发生故障时造成的损失等因素，建立了配电自动化有线组网通信的模型，并结合某县公司实际案例进行求解。主要结论如下：

（1）模型依据实际情况建立，考虑站点分布、通信网络架构、可靠性等实际指标，对配电自动化有线通信网络进行设计，并确定光交箱的安装数量和安装位置，使配电自动化的通信网络更加科学、合理。

图1 不同数量光交箱迭代结果对比

表2 光交箱最优位置

（2）模型优化了配电自动化有线通信网络结构，节约了成本，提高了可靠性。该模型不仅适用于文中的算例，也适用于其他实际情况，只需重新输入配电站（所）的位置以及主干线即可。

（3）研究成果对县域范围内配电自动化建设具有参考借鉴价值，完善了配电自动化建设中符合县域实际情况的有线通信网络建设方式与策略。算例结果表明，该模型能有效降低建设成本，对供电公司开展配电自动化改造工作具有指导意义。