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    基于GIS建模的配网变电设计及工程管理研究*

    时间：2023-01-19 16:30:29来源：百花范文网本文已影响人

    李 清，杨骏涛，陶 燕

    (1.国网上海市电力科学研究院，上海 200540；
    2.国网上海金山供电公司，上海 200540；
    3.华北电力大学电力工程系，河北 保定 071003)

    随着社会的不断发展，中国经济自改革开放以来发展速度明显提升，城市经济的增长更为突出[1].经济的发展促使居民的生活水平不断提高，城市生活变得更加便利，工业和商业也迅速崛起，高速发展的社会对电力提出了更高的要求.在电力传输的过程中，配电网作为最重要的环节，直接决定电力传输网络的稳定性和可靠性[2].电力的可靠性和稳定性不仅关系到地区经济竞争力，也影响着每位居民的生活和工作，通过技术手段增强电力稳定性，提高整个配电网的可靠性是目前该领域需要解决的重点问题[3].各个电力公司都积极响应国家策略，配合配网变电设计及工程建设的开展，大力推进制度改革，这将是一场重要的历史变革，使整个配电网的整体性能加强，为现代化社会建设提供有力的电力支持.

    王平等[4]为了提高矿井配电网络的智能化，利用GIS模型在实时监测系统的基础上，构建了适用于矿井配电网络的智能模型方案，并将该模型在实际矿井配电网络中应用，通过SCADA操作页面，对井下空间配电网络的操作界面进行参数设置，并通过FME定义，实现对CAD模板的映射，从而结合GIS模型完成矿井现场使用的配电网络方案，并用过实例验证，证明了该系统可以合理地对矿井配电网络进行设置，并且能够准确地判断配电网的运行状态，但是缺乏一定合理性.王梓耀等[5]提出了一种基于数字化技术的配电网负荷信息计算方法，首先利用数字化技术对配电网的基本特点进行精细化整理，并根据元件抽象理论，对中压配电网的负荷信息进行采集，结合配电网可靠性目标，构建一种新型的配电网负荷模型，并利用编码的模式，对配电网负荷模型进行解码处理，使其计算过程变得简单易懂，根据最短线路的原理，对原有的关联线路进行优化，再利用迭代处理法，得到配电网最优负荷网架，获取最后的配电网负荷信息.通过实例验证了该方法的有效性.

    本文利用GIS建模设计了配网变电方式，并针对配网变电工程给出了管理策略，从而提高配网变电工程的效益.

    1.1 基于GIS建模设计配网变电节点与光电混合双稳态电路

    在配网变电节点与光电混合双稳态电路上，利用GIS模型对配网变电节点进行建模[6]，当配网变电节点接收到信号时，输出端口会根据信号的强弱进行依次传输.配网变电节点的组成结构如图1所示.

    图1 配网变电节点的组成结构Fig.1 Composition and structure of substation nodes in distribution network

    从图1中可以看出，将配网变电节点分别用port#0，port#1、port#2和port#3表示.并且在每个配网变电节点的接收端口都会有相应的组成代表，并用e0、e1、e2和e3表示信号接收的强度，利用q0、q1、q2和q3表示配网变电节点信号输出的强度.

    利用GIS模型采集配网变电节点输入信号，并结合加权处理[7]，从每个端口处采集相应的加权平均值.并计算负载值.根据负载值判断输入和输出信号的强度.配网变电节点的端口权重用ω1、ω2和ω3表示，用下式定义：

    (1)

    (2)

    (3)

    其中，λ表示一般常数，当e1、e2和e3均不为零时，这个常数值可以不考虑.将配网变电节点端口的权重信息e1、e2和e3进行相乘，并结合GIS模型可表示为：

    (4)

    公式(4)表达了组成配网变电节点的基本元素，通过这些基本元素构成了配网变电节点的传播路径，每个信号进入传输入口时，受传播路径的影响，信号会变弱.为了保持信号原有的强度，利用GIS模型设计配网变电节点与光电混合双稳态电路[8]，当信号超过标准值后，切断配电网的光电混合稳态电路.配网变电节点进行自我保护状态，详细如下：

    (5)

    上式中：α表示配网变电光电混合稳态电路的阈值；
    β表示常数值.当e1小于β时，通过上式可以计算出配网变电节点的负载数值.当e1大于β时，根据公式5可以得出ω1=1，ω2=0.因此，当配网变电节点的水平信号增强到某个值时，配网变电点会进入自我保护状态[9].配网变电节点与光电混合双稳态电路结构如图2所示.

    图2 配网变电节点的光电混合双稳态电路结构图Fig.2 Structure diagram of optoelectronic hybrid bistable circuit of substation nodes in distribution network

    根据配网变电节点的结构组成，计算了每一个节点端口的权重，通过GIS模型的处理，实现配网变电节点的自保护功能，完成配网变电节点与光电混合双稳态电路的设计.

    1.2 优化配电线路

    根据配网变电节点与光电混合双态稳定电路，对配电线路进行优化，采用混合线路安装方式[10]，对塔杆线路进行合理规划，在对配电线路优化的过程中，不仅要考虑杆塔的承重能力和路径的可行性，还要考虑杆塔是否可以满足线路优化过程中的各种要求[11].本文的优化配电线路，全程的杆塔共有36处，具体详细情况见下表1所示.

    表1 杆塔数量统计表

    根据配网变电线路的杆塔排布情况，确定配网变电节点导线连接情况[12]，并对配电线路进行优化，对于低压配电线路，要长远的规划，对于配电导线进行一次选定.同时每个区域内的导线截面不可以种类太多.配电线路导线截面推荐表如表2所示.

    表2 配电线路导线截面推荐表

    基于配电线路输电杆塔的组成情况，确定了配网变电杆塔的数量，根据供电区域的类型，选择了合适的输电线路导线，完成配电线路的优化.

    1.3 构建配网变电设备模型

    结合GIS模型构建配网变电设备模型，首先绘制配网变电的CAD图，并将其导入到GIS模型中，并设置相应的菜单栏，在CAD中进行配网变电模型的绘制，如果发现导入的CAD图像不能进行有效识别，需要进行下一指令的处理[13]，在CAD图形中使用移动命令，并构建相交坐标系，分别输入第一坐标(0,0,0,)和第二坐标(0,0,1e99)，并对图像进行选择，将两个坐标系进行同时移动，经过多次操作完成输入坐标(0,0,0,)和坐标(0,0,1e99)的移动.此时再进行CAD图片导入，保证图片都在一个平面内.需要注意的是，在进行该项工作前，需要将图形中的坐标信息进行按区域规划，具体步骤如下：

    步骤1：首先根据配电设备的形状，利用CAD对其进行绘图，并将图形中的所有内容绘制到一个界面内，得到一个完整的平面图.

    步骤2：根据配网变电设备的实际高度，对模型进行同比例缩小绘制，得到一个GIS三维模型[14].

    步骤3：对配网变电设备中不同规则的物体进行同化，将不规则物体进行分割，并对分割后的不同区域进行统一建模.

    步骤4：对配网变电设备的轮廓进行修改，对细节进行优化，删除与设备本身不相符的多余线条，对局部进行美化，并对物体的表面进行填充，使其更加接近配网变电设备.

    步骤5：根据配网变电设备的实际颜色进行填充，以及环境烘托渲染.

    配网变电设备的GIS模型如下图3所示.

    图3 配电杆塔的GIS模型Fig.3 GIS model of distribution tower

    综上所述，通过将配网变电设备的CAD图导入到GIS软件中，构建了配网变电设备模型，实现了配网变电的设计.

    为了保证配网变电工程的施工安全性，需要对配网变电工程加以管理，领会到如何将工程项目管理对策应用到配网变电工程中，并落实每个环节的责任人在工程安全方面的职责，具体措施如下.

    2.1 健全安全组织机构和管理制度

    对配网变电设计完成后，应该完善配网变电工程管理制度和安全组织机构，形成健全的安全预防管理体系.不仅要严格遵守国家对于配电网的要求，还要结合各个配网变电设备的实际情况[15]，将安全管理标准详细化，将责任落到个人.建立健全的奖惩考核机制，鼓励先进用电安全单位和企业，对于不符合行为标准的事件进行警示违章.将健全的安全组织机构和管理制度全面落实，严格执行各项章程，同时更要注重对配网变电的安全把控，保证配电网络的可靠性.

    2.2 加强现场监督检査

    对于复杂的配网变电施工现场，人员和机械都较为集中，应该加强现场监督检查，降低出现危险事故的概率.对现场监督，首先是对人为不安全因素进行制止，防止因为操作不当引起相应的电力事故，同时考虑到工作人员的身体情况与技术水平，为其进行安全知识普及，并按照个人自身情况进行岗位分配，使配网变电的工作环境和工作人员都在安全可靠的形态范围内.还应该制定详细的安全检查计算，按时对现场进行多层次的安全检查，还要做好随时抽查的工作.落实配网变电工程管理施工目标，加强工程施工过程中安全施工责任的落实，同时做到安全生产的四不伤害和五个统一，杜绝一切安全事故的发生.

    3.1 工程概况

    本文的实例分析以某一高层建筑小区为研究对象，该小区于2018年施工完毕，可以代表大多数小区的施工特点.小区内部的结构为4栋由24层组成的高层住宅，1#楼和2#楼分别有三个单元，3#楼和4#楼分别有四个单元，一共覆盖980户居民.该小区的地下停车场建在地下人防区域，停车场的中心建有一个弱电机房，在弱电机房内部已经预留了通往各户居民的配线管道.该配网变电工程的设计目标为：

    ·40 Mbps用户办理的宽带上网业务平均带宽，

    ·客户端万兆IP广播信号接收光功率不低-14 dBm，

    ·双向接入采用EPON.

    3.2 制定施工方案

    根据该高层建筑小区的实际用户量，当居民较多且分布密集时，应该选择光放大器及 OLT 局端设备下移的设计方案，将变电设备安装在弱电机房内部，由于该位置的取电比较方便，而且温湿度条件也满足变电设备的运行需求.将光缆交接箱和标准机柜设在弱电机房内，并在机柜内安装局端设备和光放大器数台.根据小区的用户数量以及各个楼层的分布情况，确定小区的配网变电线路铺设形式，以便为居民提供电能.

    3.3 设置评价指标

    为了验证文中基于GIS建模的配网变电方式在实际应用中的成效，将该配网变电方式应用到该小区配网变电工程中，实验分两个阶段进行，先利用配网变电设计图纸的完整率Rf衡量配网变电方式的合理性，计算公式为：

    (6)

    式中：d为配网变电工程中设计图纸的数量；
    D为GIS模型下标准图纸的数量.

    接着利用工程收益和单位建筑面积能耗衡量配网变电方式的效果，收益越高、能耗越低，说明配网变电的效果越好.

    3.4 结果分析

    3.4.1 合理性测试将基于GIS建模的配网变电方式分别应用到该小区4栋高层住宅的输电线路铺设中，测试了配网变电设计图纸的完整率，结果如图4所示.

    根据图4的结果可知，采用基于GIS建模的配网变电方式，对该小区4栋高层住宅的输电线路进行铺设时，由于GIS能够采集该小区的结构空间数据和地理分布数据，在简化设计图纸的绘画过程同时，也丰富了图纸的内容，可以将配网变电设计图纸的完整率提高到90%以上，说明文中的配网变电方式具有一定的合理性.

    图4 配网变电设计图纸的完整率Fig.4 Integrity rate of distribution network substation design drawings

    3.4.2 配网变电工程的收益测试根据该小区每栋高层住宅的单元组成，利用基于GIS建模的配网变电方式铺设每个单元的输电线路，得到配网变电工程的收益如表3所示.

    表3 配网变电工程的收益

    从表3的结果可以看出，利用基于GIS建模的配网变电方式铺设每个单元的输电线路时，无论是环境经济收益还是投资收益都非常高，铺设整个小区的输电线路得到的环境经济收益和投资收益分别为4.16万元和11.94万元，说明利用文中设计的基于GIS建模的配网变电方式，可以提高输电线路铺设的收益.

    在获取较高收益的基础上，还需要对基于GIS建模的配网变电方式在能耗方面的效果进行测试，结果如表4所示.

    表4 配网变电工程的能耗

    表4的结果显示，在配网变电工程的能耗方面，采用基于GIS建模的配网变电方式铺设的输电线路，可以将该小区每一个单元的配网变电工程能耗控制在0.015 kJ以内，经计算该小区配网变电工程能耗的平均值大约为0.011 kJ，能够满足配网变电工程的能耗要求，具有更好的效果.

    本文提出了基于GIS建模的配网变电设计及工程管理方法，经过实例分析发现，该配网变电方式具有一定的合理性，通过提高输电线路铺设的收益和降低配网变电工程的能耗，保证了配网变电方式在输电线路铺设中的效果.但是本文的研究还存在很多不足，在今后的研究中，希望可以考虑到配网变电工程的施工质量问题，认证审核配网变电设计图纸，并结合现场勘查，避免出现配网变电设计图纸与实际情况不符的现象.

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