从系统论的视角剖析智能配电网构架体系

1  引言

所谓系统论就是研究系统的一般模式，结构和 规律的学问，它研究各种系统的共同特征，用数学方 法定量地描述其功能，寻求并确立适用于一切系统 的原理、原则和数学模型，是具有逻辑和数学性质 的一门新兴的科学。广义系统论研究的领域划分为三 个方面:一是系统的科学、数学系统论;二是系统技术, 涉及到控制论、信息论、运筹学和系统工程等领域； 三是系统哲学，包括系统的本体论、认识论、价值论 等方面的内容。这一关于系统科学体系的富有探索性 和启发性的构想，在系统研究领域产生了广泛的影响。

系统论的主要思想则是：⑴系统是由相互联系 的要素构成的。系统的各个组成部分既是独立存在 的，又是相互关联的、相互依存的；⑵系统的整体性。 系统的各组成部分不是可以分离的简单集聚，而是按 一定规律、一定方式组成的整体；（3）系统的等级性。 每一个系统都归属于一个更大的系统，而每个系统内 部又存在着组成这一系统的分系统。

任何系统都是一个有机的整体，它不是各个部 分的机械组合或简单相加，系统的整体功能是各要 素在孤立状态下所没有的新质。系统中各要素不是孤 立地存在着，每个要素在系统中都处于一定的位置 上，起着特定的作用。要素之间相互关联，构成了一 个不可分割的整体。要素是整体中的要素，如果将要 素从系统整体中割离出来，它将失去要素的作用。

系统论反映了现代科学发展的趋势，反映了现代社会化大生产的特点，反映了现代社会生活的复杂性，所以它的理论和方法能够得到广泛地应用。系统论不仅为现代科学的发展提供了理论和方法，而且也为解决现代社会中的政治、经济、军事、科学、文化等等方面的各种复杂问题提供了方法论的基础，系统观念正渗透到每个领域。本文尝试从系统论的视角来分析未来智能配电网的框架。

2 智能配电网是涉及控制论、信息论、运筹学的系统工程

不论系统的具体种类﹑组成部分的性质和它们之间的关系如何，只要存在着适用于综合系统或子系统的一般模式﹑原则和规律，就是现代一般系统论的主要研究内容。其系统思想是一般系统论的认识基础，是对系统的本质属性 ( 包括整体性﹑关联性﹑层次性﹑统一性 ) 的根本认识。

系统思想的核心问题是如何根据系统的本质属性使系统最优化。整体性系统虽然是由要素或子系统组成的，但系统的整体性能可以大于各要素的性能之和。因此在处理系统问题时，要注意研究系统的结构与功能的关系，重视提高系统的整体功能。任何要素一旦离开系统整体，就不再具有在系统中所能发挥的功能。关联性是指系统与其子系统之间﹑系统内部各子系统之间和系统与环境之间的相互作用﹑相互依存和相互关系。离开关联性就不能揭示复杂系统的本质。层次性是指一个系统总是由若干子系统组成的，该系统本身又可看作是更大的系统的一个子系统，这就构成了系统的层次性，不同层次上的系统运动有其特殊性。在研究复杂系统时要从较大的系统出发，考虑到系统所处的上下左右关系。统一性一般是指系统论承认客观物质运动的层次性和各不同层次上系统运动的特殊性，这主要表现在不同层次上系统运动规律的统一性，不同层次上的系统运动都存在组织化的倾向，而不同系统之间存在着系统同构。系统同构是一般系统论的重要理论依据和方法论的基础。系统同构一般是指不同系统的数学模型之间存在着数学同构。不同系统间的数学同构关系是等价关系，等价关系具有自返性﹑对称性和传递性，根据等价关系可将现实系统划分为若干等价类。同一等价类之内，系统彼此等价。因此，借助于数学同构的研究，可在现实世界中各种不同的系统运动中找出共同规律。对于许多复杂系统，不能用数学形式进行定量的研究，因此就有必要将数学同构的概念拓广为系统同构。人们常常把具有相同的输入和输出且对外部激励具有相同响应的系统称为同构系统，而把通过集结使系统简化而得到的简化模型称为同态模型。一个系统根据研究的目的不同可以得出不同的同态模型，而对于结构和性能不同的系统，它们的同态模型的行为特征却可能存在着形式上的相似性。不同的学科领域之间和不同的现实系统之间存在着系统同构的事实，是各学科进行横向综合和建立一般系统论的客观基础。复杂系统一般具有多目标，甚至互相矛盾的目标，这些目标需要通过各子系统之间的协调或协同作用才能达到。对于开放系统，从不同的初始条件出发和通过不同的途径可以达到相同的最终状态。这种现象称为系统的等终极性或系统发展的多途径性。对于各种社会系统，可以针对不同的初始状态，采取多种发展途径，实现同一目标。这种系统往往没有唯一的最优解，具有一定的灵活性。

钱学森指出，系统学是提炼系统论、信息论、控制论的共同基础理论而形成的一门学科。

与系统论相比较，系统学的内容，一方面表现为它是更高层次上的理论科学，因此它是对运筹学、信息论、控制论等技术科学的提炼。另一方面表现为它的综合性，它不仅建立在一般系统论的基础之上，而且也广泛地吸收了如耗散结构理论、协同学、突变论、超循环理论等新兴的系统理论的基本思想。因而，系统学思想即在自然科学和社会科学领域均得到广泛的应用，并成为科学体系中极为重要的学科。但作为一门完整的学科，系统学正处在形成和更加系统化的过程之中。

智能配电网是基于计算机、通信、传感器等技术的系统。按照功能要求的不同，可建立不同的指标体系，每一指标体系可以视为一个功能子系统。基础功能子系统生长成为功能子系统，最终生长成为高级应用功能的子系统。

3 智能配电网构架体系分析

智能配电网构架体系在物理上包括配电网网架系统与建立在通信平台上的智能化控制系统（见图 1）。

从系统论这个高度来看，智能配电网构架就是由若干个子系统组成的巨复杂系统。在电力网中起重要分配电能作用的网络就称为配电网；配电网是由架空线路、电缆、杆塔、配电变雎器、隔离开关、无功补偿电容以及一些附属设施等组成的。按电压等级来分类，可分为高压配电网（35-110 kV），中压配电网（6-10 kV），低压配电网（220/380 V）；按供电区的功能来分类，可分为城市配电网，农村配电网和工厂配电网等。图２是典型的配电网网络示意图。

从系统论的发展观点来看，智能配电系统框架由若干个配电子系统、终端组成。系统具有显著的分布分层特征。在信息技术高速发展的时代，从系统到终端无一不具备“智能”的功能，即分析处理信息的功能。每个子系统具有相对的独立性，一个子系统与另外的子系统关联构成一个新的系统，即系统生长论。每一个子系统均可以具备独立的单元运行，也可以生长成为更高一级的系统，显示了系统的分级分层特征。图 3 是智能配电网应用单元及其生长示意图。

从智能配电网发展及建设过程来看，与系统论是吻合的。经济的发展需求是驱动智能配电网的动力，而经济的发展也是分区块建设的，多个区块组成一个区域，多个区域带动整个地区。智能配电网建设在时间上前置于经济建设，但路径是相通的。

随着新能源、可再生分布式电源的接入，配电网末端的子系统会形成一个个微电网，即一个新的子系统。多个微电网与配电网系统将构成未来的智能配电系统。

计算机技术的发展，云计算平台的应用，也是系统论的一个典型应用。每一台服务器都是平级的，多台平级的服务器级联起来，就构成了云计算平台。该系统也是从“一朵云”生长成为“一片云”再到“一层云”。

4 结 语

供配电产业的发展及可靠性对国民经济的发展起着举足轻重的作用，重点工程项目、标志性建筑、经济开发区、大型公共设施等大面积多变电所用户的急剧增加，对供配电系统的可靠性、安全性、实时性、易用性、兼容性及缩小故障影响范围提出了更高的要求。以系统论为指导，构建智能配电网系统，实现配电网故障隔离与网络重构，同时可实现配电网自愈的功能。

系统生长论是系统扩展延伸论的新发展，是智能化时代的必然产物。可以形象地称为“壁虎尾巴理论”或者“蚯蚓理论”。配电网的特征是点多、面广、线长，建设智能配电网首先要建设各个功能子系统，再经过不断优化、整合生长成为未来完善的大系统。实际上，分步实施、分区完善、整合级联是智能配电网建设的必要步骤。

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