從系統(tǒng)論的視角剖析智能配電網(wǎng)構(gòu)架體系

1  引言

所謂系統(tǒng)論就是研究系統(tǒng)的一般模式，結(jié)構(gòu)和 規(guī)律的學(xué)問(wèn)，它研究各種系統(tǒng)的共同特征，用數(shù)學(xué)方 法定量地描述其功能，尋求并確立適用于一切系統(tǒng) 的原理、原則和數(shù)學(xué)模型，是具有邏輯和數(shù)學(xué)性質(zhì) 的一門新興的科學(xué)。廣義系統(tǒng)論研究的領(lǐng)域劃分為三 個(gè)方面:一是系統(tǒng)的科學(xué)、數(shù)學(xué)系統(tǒng)論;二是系統(tǒng)技術(shù), 涉及到控制論、信息論、運(yùn)籌學(xué)和系統(tǒng)工程等領(lǐng)域； 三是系統(tǒng)哲學(xué)，包括系統(tǒng)的本體論、認(rèn)識(shí)論、價(jià)值論 等方面的內(nèi)容。這一關(guān)于系統(tǒng)科學(xué)體系的富有探索性 和啟發(fā)性的構(gòu)想，在系統(tǒng)研究領(lǐng)域產(chǎn)生了廣泛的影響。

系統(tǒng)論的主要思想則是：⑴系統(tǒng)是由相互聯(lián)系 的要素構(gòu)成的。系統(tǒng)的各個(gè)組成部分既是獨(dú)立存在 的，又是相互關(guān)聯(lián)的、相互依存的；⑵系統(tǒng)的整體性。 系統(tǒng)的各組成部分不是可以分離的簡(jiǎn)單集聚，而是按 一定規(guī)律、一定方式組成的整體；（3）系統(tǒng)的等級(jí)性。 每一個(gè)系統(tǒng)都?xì)w屬于一個(gè)更大的系統(tǒng)，而每個(gè)系統(tǒng)內(nèi) 部又存在著組成這一系統(tǒng)的分系統(tǒng)。

任何系統(tǒng)都是一個(gè)有機(jī)的整體，它不是各個(gè)部 分的機(jī)械組合或簡(jiǎn)單相加，系統(tǒng)的整體功能是各要 素在孤立狀態(tài)下所沒(méi)有的新質(zhì)。系統(tǒng)中各要素不是孤 立地存在著，每個(gè)要素在系統(tǒng)中都處于一定的位置 上，起著特定的作用。要素之間相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了一 個(gè)不可分割的整體。要素是整體中的要素，如果將要 素從系統(tǒng)整體中割離出來(lái)，它將失去要素的作用。

系統(tǒng)論反映了現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)，反映了現(xiàn)代社會(huì)化大生產(chǎn)的特點(diǎn)，反映了現(xiàn)代社會(huì)生活的復(fù)雜性，所以它的理論和方法能夠得到廣泛地應(yīng)用。系統(tǒng)論不僅為現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展提供了理論和方法，而且也為解決現(xiàn)代社會(huì)中的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、科學(xué)、文化等等方面的各種復(fù)雜問(wèn)題提供了方法論的基礎(chǔ)，系統(tǒng)觀念正滲透到每個(gè)領(lǐng)域。本文嘗試從系統(tǒng)論的視角來(lái)分析未來(lái)智能配電網(wǎng)的框架。

2 智能配電網(wǎng)是涉及控制論、信息論、運(yùn)籌學(xué)的系統(tǒng)工程

不論系統(tǒng)的具體種類﹑組成部分的性質(zhì)和它們之間的關(guān)系如何，只要存在著適用于綜合系統(tǒng)或子系統(tǒng)的一般模式﹑原則和規(guī)律，就是現(xiàn)代一般系統(tǒng)論的主要研究?jī)?nèi)容。其系統(tǒng)思想是一般系統(tǒng)論的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)，是對(duì)系統(tǒng)的本質(zhì)屬性 ( 包括整體性﹑關(guān)聯(lián)性﹑層次性﹑統(tǒng)一性 ) 的根本認(rèn)識(shí)。

系統(tǒng)思想的核心問(wèn)題是如何根據(jù)系統(tǒng)的本質(zhì)屬性使系統(tǒng)最優(yōu)化。整體性系統(tǒng)雖然是由要素或子系統(tǒng)組成的，但系統(tǒng)的整體性能可以大于各要素的性能之和。因此在處理系統(tǒng)問(wèn)題時(shí)，要注意研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，重視提高系統(tǒng)的整體功能。任何要素一旦離開系統(tǒng)整體，就不再具有在系統(tǒng)中所能發(fā)揮的功能。關(guān)聯(lián)性是指系統(tǒng)與其子系統(tǒng)之間﹑系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間和系統(tǒng)與環(huán)境之間的相互作用﹑相互依存和相互關(guān)系。離開關(guān)聯(lián)性就不能揭示復(fù)雜系統(tǒng)的本質(zhì)。層次性是指一個(gè)系統(tǒng)總是由若干子系統(tǒng)組成的，該系統(tǒng)本身又可看作是更大的系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，這就構(gòu)成了系統(tǒng)的層次性，不同層次上的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)有其特殊性。在研究復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)要從較大的系統(tǒng)出發(fā)，考慮到系統(tǒng)所處的上下左右關(guān)系。統(tǒng)一性一般是指系統(tǒng)論承認(rèn)客觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的層次性和各不同層次上系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的特殊性，這主要表現(xiàn)在不同層次上系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的統(tǒng)一性，不同層次上的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)都存在組織化的傾向，而不同系統(tǒng)之間存在著系統(tǒng)同構(gòu)。系統(tǒng)同構(gòu)是一般系統(tǒng)論的重要理論依據(jù)和方法論的基礎(chǔ)。系統(tǒng)同構(gòu)一般是指不同系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型之間存在著數(shù)學(xué)同構(gòu)。不同系統(tǒng)間的數(shù)學(xué)同構(gòu)關(guān)系是等價(jià)關(guān)系，等價(jià)關(guān)系具有自返性﹑對(duì)稱性和傳遞性，根據(jù)等價(jià)關(guān)系可將現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)劃分為若干等價(jià)類。同一等價(jià)類之內(nèi)，系統(tǒng)彼此等價(jià)。因此，借助于數(shù)學(xué)同構(gòu)的研究，可在現(xiàn)實(shí)世界中各種不同的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)中找出共同規(guī)律。對(duì)于許多復(fù)雜系統(tǒng)，不能用數(shù)學(xué)形式進(jìn)行定量的研究，因此就有必要將數(shù)學(xué)同構(gòu)的概念拓廣為系統(tǒng)同構(gòu)。人們常常把具有相同的輸入和輸出且對(duì)外部激勵(lì)具有相同響應(yīng)的系統(tǒng)稱為同構(gòu)系統(tǒng)，而把通過(guò)集結(jié)使系統(tǒng)簡(jiǎn)化而得到的簡(jiǎn)化模型稱為同態(tài)模型。一個(gè)系統(tǒng)根據(jù)研究的目的不同可以得出不同的同態(tài)模型，而對(duì)于結(jié)構(gòu)和性能不同的系統(tǒng)，它們的同態(tài)模型的行為特征卻可能存在著形式上的相似性。不同的學(xué)科領(lǐng)域之間和不同的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)之間存在著系統(tǒng)同構(gòu)的事實(shí)，是各學(xué)科進(jìn)行橫向綜合和建立一般系統(tǒng)論的客觀基礎(chǔ)。復(fù)雜系統(tǒng)一般具有多目標(biāo)，甚至互相矛盾的目標(biāo)，這些目標(biāo)需要通過(guò)各子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)或協(xié)同作用才能達(dá)到。對(duì)于開放系統(tǒng)，從不同的初始條件出發(fā)和通過(guò)不同的途徑可以達(dá)到相同的最終狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為系統(tǒng)的等終極性或系統(tǒng)發(fā)展的多途徑性。對(duì)于各種社會(huì)系統(tǒng)，可以針對(duì)不同的初始狀態(tài)，采取多種發(fā)展途徑，實(shí)現(xiàn)同一目標(biāo)。這種系統(tǒng)往往沒(méi)有唯一的最優(yōu)解，具有一定的靈活性。

錢學(xué)森指出，系統(tǒng)學(xué)是提煉系統(tǒng)論、信息論、控制論的共同基礎(chǔ)理論而形成的一門學(xué)科。

與系統(tǒng)論相比較，系統(tǒng)學(xué)的內(nèi)容，一方面表現(xiàn)為它是更高層次上的理論科學(xué)，因此它是對(duì)運(yùn)籌學(xué)、信息論、控制論等技術(shù)科學(xué)的提煉。另一方面表現(xiàn)為它的綜合性，它不僅建立在一般系統(tǒng)論的基礎(chǔ)之上，而且也廣泛地吸收了如耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)、突變論、超循環(huán)理論等新興的系統(tǒng)理論的基本思想。因而，系統(tǒng)學(xué)思想即在自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域均得到廣泛的應(yīng)用，并成為科學(xué)體系中極為重要的學(xué)科。但作為一門完整的學(xué)科，系統(tǒng)學(xué)正處在形成和更加系統(tǒng)化的過(guò)程之中。

智能配電網(wǎng)是基于計(jì)算機(jī)、通信、傳感器等技術(shù)的系統(tǒng)。按照功能要求的不同，可建立不同的指標(biāo)體系，每一指標(biāo)體系可以視為一個(gè)功能子系統(tǒng)?；A(chǔ)功能子系統(tǒng)生長(zhǎng)成為功能子系統(tǒng)，最終生長(zhǎng)成為高級(jí)應(yīng)用功能的子系統(tǒng)。

3 智能配電網(wǎng)構(gòu)架體系分析

智能配電網(wǎng)構(gòu)架體系在物理上包括配電網(wǎng)網(wǎng)架系統(tǒng)與建立在通信平臺(tái)上的智能化控制系統(tǒng)（見(jiàn)圖 1）。

從系統(tǒng)論這個(gè)高度來(lái)看，智能配電網(wǎng)構(gòu)架就是由若干個(gè)子系統(tǒng)組成的巨復(fù)雜系統(tǒng)。在電力網(wǎng)中起重要分配電能作用的網(wǎng)絡(luò)就稱為配電網(wǎng)；配電網(wǎng)是由架空線路、電纜、桿塔、配電變雎器、隔離開關(guān)、無(wú)功補(bǔ)償電容以及一些附屬設(shè)施等組成的。按電壓等級(jí)來(lái)分類，可分為高壓配電網(wǎng)（35-110 kV），中壓配電網(wǎng)（6-10 kV），低壓配電網(wǎng)（220/380 V）；按供電區(qū)的功能來(lái)分類，可分為城市配電網(wǎng)，農(nóng)村配電網(wǎng)和工廠配電網(wǎng)等。圖２是典型的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)示意圖。

從系統(tǒng)論的發(fā)展觀點(diǎn)來(lái)看，智能配電系統(tǒng)框架由若干個(gè)配電子系統(tǒng)、終端組成。系統(tǒng)具有顯著的分布分層特征。在信息技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，從系統(tǒng)到終端無(wú)一不具備“智能”的功能，即分析處理信息的功能。每個(gè)子系統(tǒng)具有相對(duì)的獨(dú)立性，一個(gè)子系統(tǒng)與另外的子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)構(gòu)成一個(gè)新的系統(tǒng)，即系統(tǒng)生長(zhǎng)論。每一個(gè)子系統(tǒng)均可以具備獨(dú)立的單元運(yùn)行，也可以生長(zhǎng)成為更高一級(jí)的系統(tǒng)，顯示了系統(tǒng)的分級(jí)分層特征。圖 3 是智能配電網(wǎng)應(yīng)用單元及其生長(zhǎng)示意圖。

從智能配電網(wǎng)發(fā)展及建設(shè)過(guò)程來(lái)看，與系統(tǒng)論是吻合的。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求是驅(qū)動(dòng)智能配電網(wǎng)的動(dòng)力，而經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也是分區(qū)塊建設(shè)的，多個(gè)區(qū)塊組成一個(gè)區(qū)域，多個(gè)區(qū)域帶動(dòng)整個(gè)地區(qū)。智能配電網(wǎng)建設(shè)在時(shí)間上前置于經(jīng)濟(jì)建設(shè)，但路徑是相通的。

隨著新能源、可再生分布式電源的接入，配電網(wǎng)末端的子系統(tǒng)會(huì)形成一個(gè)個(gè)微電網(wǎng)，即一個(gè)新的子系統(tǒng)。多個(gè)微電網(wǎng)與配電網(wǎng)系統(tǒng)將構(gòu)成未來(lái)的智能配電系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，云計(jì)算平臺(tái)的應(yīng)用，也是系統(tǒng)論的一個(gè)典型應(yīng)用。每一臺(tái)服務(wù)器都是平級(jí)的，多臺(tái)平級(jí)的服務(wù)器級(jí)聯(lián)起來(lái)，就構(gòu)成了云計(jì)算平臺(tái)。該系統(tǒng)也是從“一朵云”生長(zhǎng)成為“一片云”再到“一層云”。

4 結(jié) 語(yǔ)

供配電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及可靠性對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著舉足輕重的作用，重點(diǎn)工程項(xiàng)目、標(biāo)志性建筑、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、大型公共設(shè)施等大面積多變電所用戶的急劇增加，對(duì)供配電系統(tǒng)的可靠性、安全性、實(shí)時(shí)性、易用性、兼容性及縮小故障影響范圍提出了更高的要求。以系統(tǒng)論為指導(dǎo)，構(gòu)建智能配電網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)故障隔離與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自愈的功能。

系統(tǒng)生長(zhǎng)論是系統(tǒng)擴(kuò)展延伸論的新發(fā)展，是智能化時(shí)代的必然產(chǎn)物?？梢孕蜗蟮胤Q為“壁虎尾巴理論”或者“蚯蚓理論”。配電網(wǎng)的特征是點(diǎn)多、面廣、線長(zhǎng)，建設(shè)智能配電網(wǎng)首先要建設(shè)各個(gè)功能子系統(tǒng)，再經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化、整合生長(zhǎng)成為未來(lái)完善的大系統(tǒng)。實(shí)際上，分步實(shí)施、分區(qū)完善、整合級(jí)聯(lián)是智能配電網(wǎng)建設(shè)的必要步驟。

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