基于智能控制的配电网一体化运维方案

郭大鑫

（广东电网公司汕头潮阳供电局和平供电所）

0 引言

配电网作为电力系统的重要组成部分，在电力传输中发挥重要作用[1-2]。同时，由于配电网存在运行环境复杂、线路多、架构不合理、设备陈旧等问题，是整个电力系统中可靠性最差的环节[3]。对配电网展开配电自动化升级改造是提高其可靠性、安全性、稳定性的重要手段；另一方面，更多的负荷和新设备不断接入到配电网，也给配电网的运行和维护带来了挑战[4-5]。因此，必须对配电网的运行维护模式进行变革，为用户提供高质量的电力供应[6]。

1 配电自动化技术

1.1 配电自动化概念

配电自动化是指利用网络通信技术、计算机控制技术等对配电网中的设备进行智能化管理，自动完成配电网运行数据的监测、采集、分析、存储，由计算机发出指令控制配电网中的执行部件，完成故障隔离、线路转换等操作，配电自动化系统的层级结构如下图所示[7-8]。

图 配电自动化系统层级结构

1.2 配电自动化功能

配电自动化从功能上描述来看，可以分为如下几个方面。

1）配电网数据监控和采集功能：通过网络通信技术将配电自动化设备采集到的电压、电流、功率等数据[9]，设备状态、故障状态，以及对配电自动化设备的控制指令等上传到控制中心，由控制中心完成数据的处理、分析、存储，将最终结果显示在上位机界面上[10]。配电自动化系统与能量关系系统和负荷管理系统之间能够实现数据交互。

2）配电网故障诊断、配电网重构功能：实现故障的自动化处理，先通过配电自动化主站和线路保护装置进行故障诊断，再通过线路分段和联络开关将故障区段与非故障区段隔离开，保证非故障区段不受影响，然后完成负荷转移和配电网络重构[11]。

3）配电网电压管理功能：电力系统处于正常运行状态时，实时监控系统电压状态，通过电容器的投切和变压器调压线圈的调节配合完成电力系统电压的稳定控制[12]。

4）配电网工作管理功能：配电网中设备数量和种类繁多，不便进行人工管理。通过该项功能，能够在一定的输入条件下，自动输出设备属性、实时数据、历史数据等信息报表。

5）配电网停电管理功能：能够通过计算机对停电数据进行科学、合理的统计，直接生成数据报表与相关系统对接，并及时将停电信息告知用户，提高供电服务质量。

1.3 配电自动化主站

配电自动化主站是配电自动化系统的核心，负责对整个配电网供电区域内全部变电站的监测和控制，其主要功能包括：

1）平台服务：配电自动化主站为配电自动化系统中的各个应用提供一个统一化的平台，各个应用全部接入到这个平台中，在这个平台上互相配合完成各自的功能。

2）SCADA功能：配电自动化主站能够实时采集配电网运行数据，包括电压、电流、档位等模拟量，开关状态、设备状态等数字量，并且对采集到的模拟量和数字量进行处理，完成数据存储功能。

3）信息发布功能：配电自动化主站会配置Web服务器，能够将SCADA数据实时发布，并且能够将数据报表提供给运维人员。

4）故障诊断：能够对配电自动化从站或配电终端传来的故障信息进行诊断，完成故障区段的隔离，然后自主完成故障恢复，最大程度上缩短停电时间。

2 配电网一体化运维模式

配电网一体化运维模式下，运维设备共分为两层，即控制中心和运维操作站，一个配电网配置有一个控制中心，运维操作站的数量根据变电站的数量来配置。控制中心和运维操作站都采用全天候无人值守模式，控制中心负责完成电网调度，系统运行状态监控，以及其他一些远程操作任务；运维操作站接收来自控制中心的指令，直接执行设备的现场操作，变电站的日常巡检和维护工作，一般情况下，一个运维操作站可以承担多个变电站的运维任务。

配电网运维一体化模式下，控制中心能够实时采集配电网的设备状态信息，并且能够直接对现场配电设备进行远程操控，具有很强的操控能力。一体化运维模式的架构简单，信息传输便捷，提高了故障反应速度；管理流程便捷，优化了人力资源的配置。随着配电网规模的扩大，仅仅需要增加运维操作站数量即可，不需要额外增加运维人员。

配电网运维一体化模式下，一个运维操作站需要负责多个变电站的运维，运维操作站的选址直接关系到故障处理的效率。另外，原有的电能调度自动化系统、配电网管理系统都是独立开发的，控制中心需要重新进行功能整合，在多种系统的配合下，完成一体化运维。

3 一体化运维操作站选址方法

3.1 选址求解算法

一体化运维操作站的选址可以在配电网供电区域内的任意一点。

进行选址前，假设一体化运维操作站的当前位置为（M,N）∈R×R，则要保证实际需求位置到一体化运维操作站当前位置（αk,βk）（k∈K）的加权距离λk Lk（m , n）的和为最小，则数学模型可以表示为：

式中，K为需求节点的集合；为与节点k相关距离的权重参数，非加权距离为：

采用遗传算法来对寻址问题进行求解，遗传算法是一种源自于生物进化论的随机搜索方法，对于多目标、非线性问题求解效果良好。遗传算法的实现原理是：首先构造一个包含有若干个体的初始种群，种群中的每一个个体都需要进行编码，并且需要根据实际问题确定匹配度函数用来对个体质量进行评价；在进行运算的时候，需要依据匹配度函数评价个体的状态，优胜劣汰，保留匹配度高的个体，并通过遗传产生下一代个体，这样逐代遗传下去，个体匹配度越来越高，越来越接近最优解，直到满足终止条件，完成最优解的寻解。

遗传算法的基本步骤：

1）种群个体编码：采用二进制型式对与寻址问题相关的种群特征进行编码；

2）初始种群生成：普遍情况下通过随机方式生成；

3）匹配度函数确定：对当前种群Q中的个体qi，确定其匹配度函数f(qi)；

4）选择计算：通过选择算子产生过渡遗传种群Qj；

5）产生遗传下一代：对于上一个步骤产生的过渡遗传种群Qj，通过交叉算子和变异算子的作用产生下一代种群Qj+1；

6）进行条件判断，如果满足终止条件则完成运算，如果不满终止条件则返回到步骤3继续执行运算。

3.2 选址模型

理论情况下，一体化运维操作站的选址可以在配电网供电区域内的任意一点。但是在配电网一体化运维改造中，运维操作站通常都会配置在原址或者变电站内部。对于该问题构建通用数学模型。

目标函数：保证实际需求位置到一体化运维操作站当前位置的加权距离最小，则：

约束条件：

式中，K为配电网供电区域内变电站的数量；I为运维操作站的被选址数量；λkLki为变电站k与运维操作站i之间的加权参数距离；ρki为路径曲折参数；σmax和σmin为每个运维操作站所负责运维的变电站数目的上下限；mki表示变电站k与运维操作站i之间运维情况（取值为1的情况下进行运维，取值为0的情况下不进行运维）；σ为运维操作站的数量；ni表示变电站i的候选情况（取值为1的情况下被选作，取值为0的情况下不被选作）。约束条件①中保证了每个变电站都要配置运维操作站，约束条件②中保证了每个运维操作站负责的变电站数量是受限的，约束条件③保证了只能是运维操作站负责运维变电站，约束条件④则限定了运维操作站的数量。

4 实例分析

选取某省某市的市中心区域配电网进行研究，将原有的配电网运维方案按照本文所提出的策略进行优化升级，得到新的配电网接入信息，如下表所示。

5 结束语

一体化运维是电力系统运营维护的必然趋势，随着电力系统规模的不断扩大，传统的配电网运维模式已经不能够与配电网的发展相匹配。配电网作为电力系统的重要组成部分，在电力供应中发挥重要作用，因此构建配电网一体化运维是保证配电网安全、稳定、可靠运行的必然要求。在构建智能电网的大背景下，配电网也必须要逐步推进一体化运维。

本文从配电自动化的概念入手，详细论述配电自动化的技术架构以及所需要实现的各项基本功能，配电自动化主站作为配电自动化系统的核心，在配电网一体化运维中承担了重要的作用，并且专门针对运行维护操作站的问题进行深入研究，通过遗传算法进行选址运算，给出运行维护操作站的选址模型。根据本文所给出的方案对某城市中心区的配电网一体化运维方案进行研究，给出配电自动化信息接入表。经过本文的研究，基于智能控制的配电网一体化运维对于配电网的高效运行具有重要意义。

表 配电自动化接入信息表