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1  引言

    電網(wǎng)規(guī)劃是一個具有多目標性、不確定性、非線性和多階段性等特點的復雜系統(tǒng)優(yōu)化問題，屬于NP難問題（至今沒有找到多項式時間算法解的一類問題）。完全依靠規(guī)劃工作者的經(jīng)驗規(guī)劃未來的電力系統(tǒng)，已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求。以計算機作為工具，采用新技術(shù)、新方法對城市電網(wǎng)進行優(yōu)化規(guī)劃己在電力系統(tǒng)界達成了共識。

    地理信息系統(tǒng)是介于信息科學、空間科學與地球科學之間的交叉學科和技術(shù)，它將地學空間數(shù)據(jù)處理與計算機技術(shù)相結(jié)合，通過系統(tǒng)建立、操作與模型分析，產(chǎn)生對區(qū)域規(guī)劃及管理決策等方面的有用信息。隨著計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展與普及，地理信息系統(tǒng)進入了全面發(fā)展和應用階段。地理信息系統(tǒng)的地理數(shù)據(jù)包括位置、可能的拓撲關(guān)系、地物的特征等，而地理位置特征在配網(wǎng)中是最基本的要素。所以把地理信息系統(tǒng)作為配網(wǎng)規(guī)劃設計的數(shù)據(jù)基礎是非常適宜的。

    實際上，在配電網(wǎng)的設計規(guī)劃[1, 2]中，僅靠人工或借助于簡單的CAD制圖工具，不僅費時、費力，而且想兼顧網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、設備材料、居民便利及故障物等各方面的因素，很難進行方案的優(yōu)選。但是若利用地理信息系統(tǒng)(GIS)強大的空間數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡分析的拓撲功能來處理配電系統(tǒng)大部分與空間有關(guān)的信息，不僅能夠極大地方便規(guī)劃數(shù)據(jù)的管理，提高規(guī)劃人員的效率，同時規(guī)劃過程也更直觀、更具有交互性。

2  配電網(wǎng)規(guī)劃

2.1  配電網(wǎng)規(guī)劃的主要內(nèi)容

    配電網(wǎng)規(guī)劃[3]主要包括以下內(nèi)容：負荷預測、變電站優(yōu)化、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)規(guī)劃、短路容量分析、無功規(guī)劃等。

    負荷預測包含兩個方面的含義，對未來需求量（功率）的預測和對未來用電量的預測。 對未來需求功率的預測，用來決定發(fā)電設備的容量，以及相應的輸電與配電的容量；而對未來用電量的預測決定了應當安裝何種類型的發(fā)電設備。

    變電站優(yōu)化也是變電站站址及站容規(guī)劃，在滿足諸如負荷需求、線路容量、變電站容量等約束條件的情況下，尋優(yōu)新建變電站的位置和容量。

    網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的優(yōu)化規(guī)劃，是根據(jù)系統(tǒng)未來的電源及負荷水平，確定一個可行的網(wǎng)絡建設方案，滿足投資限額和運行要求的約束條件，并且使投資及運行等費用最少。

    短路容量分析：從網(wǎng)絡的設計、電壓等級、變壓器的容量、阻抗的選擇、運行方式等方面進行控制，使各等級電壓斷路器的開斷電流以及設備的動穩(wěn)定電流得到配合。

    無功規(guī)劃是確定新增無功補償設備的最佳位置、容量、類型及投入時間。

2.2  配電網(wǎng)規(guī)劃的基本要求

    配電網(wǎng)規(guī)劃的目的是以最好的方法找到最佳的投資決策方案，因此對配電網(wǎng)規(guī)劃的基本要求是：保證供電質(zhì)量；滿足負荷增長的需要；經(jīng)濟性；同環(huán)境協(xié)調(diào)一致。

3  基于GIS的配電網(wǎng)規(guī)劃智能決策支持系統(tǒng)

    人們把配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)信息存儲于地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，構(gòu)成配電網(wǎng)規(guī)劃智能決策支持系統(tǒng)，不僅可加速配電網(wǎng)設計過程，而且可使最終得到的設計方案達到經(jīng)濟、高效、低耗的目的。

(1)  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

    基于GIS的配電網(wǎng)規(guī)劃智能決策系統(tǒng)[4, 5]的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。專家決策模塊式智能決策支持系統(tǒng)的核心部分，它通過利用與配電網(wǎng)規(guī)劃相關(guān)的各種信息進行綜合分析決策后的相互配電網(wǎng)規(guī)劃的最佳方案；知識庫中存儲有與配電網(wǎng)規(guī)劃相關(guān)的一些難以用數(shù)學方法描述的人的知識和經(jīng)驗；專家決策模塊利用知識庫里的知識進行推理判斷；模型庫中有以標準形式存儲的通用模型、專用模型和用戶模型等各種模型。可為決策者提供推理、比較、選擇、分析整個問題的模型；方法庫存儲有解決配電網(wǎng)規(guī)劃問題所需的數(shù)學和運籌學方法，能對各種模型的求解分析提供必要的算法；GIS系統(tǒng)平臺為配電網(wǎng)規(guī)劃提供了強大的空間分析和顯示功能，配電網(wǎng)規(guī)劃中的空間負荷預測、變電站選址、饋線的合理布局等功能都離不開GIS系統(tǒng)的支持；配電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)庫上集中存儲有地理、經(jīng)濟、負荷、網(wǎng)絡、費用和可靠性等配電網(wǎng)規(guī)劃所需的數(shù)據(jù)，并與MIS（管理信息系統(tǒng)）、SCADA系統(tǒng)（CIS）等系統(tǒng)相連，從SCADA系統(tǒng)可獲得負荷測量數(shù)據(jù)，從CIS系統(tǒng)獲得用戶的用電量和用電特性等信息用于負荷分析，從GIS系統(tǒng)中可自動提取配電網(wǎng)規(guī)劃所需的空間數(shù)據(jù)。

(2)  負荷分析子系統(tǒng)

    負荷分析子系統(tǒng)需要充分利用電網(wǎng)中的大量用電量數(shù)據(jù)和用戶信息，來分析出配電網(wǎng)系統(tǒng)的負荷分布及未來發(fā)展的趨勢。

(3)  饋線分析子系統(tǒng)

    饋線分析子系統(tǒng)是借助配電網(wǎng)規(guī)劃和設計必要的輔助工具。規(guī)劃人員既可以用它對當前系統(tǒng)進行潮流、可靠性和電動機起動等方面的分析，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，以便確定規(guī)劃目標，也可以用它對規(guī)劃出的方案進行檢驗。

(4)  優(yōu)化規(guī)劃子系統(tǒng)

    配電網(wǎng)自動規(guī)劃系統(tǒng)包括空間負荷預測、變電站優(yōu)化規(guī)劃和饋線優(yōu)化規(guī)劃三個模塊。

    首先按負荷的性質(zhì)將負荷分為：居民負荷、工業(yè)負荷、商業(yè)負荷、農(nóng)業(yè)負荷和其他等幾類，利用地理信息系統(tǒng)的功能，將規(guī)劃區(qū)域化為若干小區(qū)，收集各小區(qū)的未來負荷分布數(shù)據(jù)及每一小區(qū)各類負荷和相關(guān)因素的歷史值。

    實際上同一類負荷也存在很多不同情況，若取相同的負荷密度值則會引起較大誤差。因此，在確定負荷密度值時，先用第一步中得到的各類負荷及相關(guān)因素的歷史數(shù)據(jù)進行聚類分析，然后按小區(qū)用地規(guī)劃提取小區(qū)待測數(shù)據(jù)與分類數(shù)據(jù)的隸屬度（即隸屬度分析），通過修正量計算求得小區(qū)負荷密度，就可以得到相應的負荷值。

    小區(qū)面積構(gòu)成分析是根據(jù)城市規(guī)劃部門提供的城市用地規(guī)劃，利用GIS的相關(guān)功能通過實測來完成的。

4.2  變電站的選址及站容優(yōu)化規(guī)劃

    在各負荷容量和位置已知的基礎上，自動地確定出目標年及中間年待建變（配）電所的地理位置及容量，以滿足未來負荷發(fā)展的需要，同時所需投資及運行費用最小。

    根據(jù)電壓等級的不同，變電站優(yōu)化模型可以分為兩類。一類為中壓配電變電站位置及容量的優(yōu)化模型，另一類為高壓配電變電站位置及容量的優(yōu)化模型。在第一類中，二次（380kV/220V）配電線的投資和運行費用的影響很大，因而在優(yōu)化模型中必須較精確的加以計算，而第二類中這部分投資同變電站投資相比較小，優(yōu)化模型可以適當簡化。

    對于每一個特定容量的組合，要尋求使目標函數(shù)最小的待建變電站的位置，可以利用GIS系統(tǒng)和已得到的空間負荷預測信息，在規(guī)劃片區(qū)的電子地圖上大范圍地自動搜索所有可能的站址，從而確定出待建的候選變電站的地理位置。考慮到變電站優(yōu)化問題的動態(tài)特性，則可先用最優(yōu)化技術(shù)算出滿足目標年負荷情況的目標年最優(yōu)變電站的位置和容量；然后把基礎年到目標年分為若干階段，用目標年優(yōu)化出的站址和站容作為候選站址和站容，并可以采用網(wǎng)絡流算法排列出既滿足中間各相應階段的負荷情況又使總投資費用和年運行費用最小的中間各階段建設方案。

    變電站規(guī)劃結(jié)束后，可以在地圖上按不同電壓等級分層顯示變電站的位置。用戶還可以通過界面上的窗體得到每個變電站的相關(guān)信息，包括變電站的位置、各規(guī)劃年份的容量、變電站內(nèi)變壓器的臺數(shù)和各變壓器的容量、變電站的供電范圍以及各規(guī)劃年份的投資等。

4.3  網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)優(yōu)化規(guī)劃

    這部分規(guī)劃是在完成負荷預測，并確定了所需投建或增容的變壓器的地理位置和容量的基礎上進行的。

    網(wǎng)絡優(yōu)化部分規(guī)劃出各規(guī)劃年度高壓（110kV、35kV）和中壓（10kV）配電線路網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。優(yōu)化模型通常采用非線性混合整數(shù)規(guī)劃模型。其目標函數(shù)取為規(guī)劃水平年配電網(wǎng)擴展的投資費用與年損耗費用之和，以負荷需求、變壓器和線路的容量限制、功率平衡和配電網(wǎng)的放射狀條件為約束。系統(tǒng)采用基于最優(yōu)化算法和基于規(guī)則的專家規(guī)劃相結(jié)合的方法。
這一部分規(guī)劃結(jié)束后，可以在地圖上顯示各個規(guī)劃年度的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，以及相應的線路信息包括線路型號、線路回數(shù)、線路長度、所屬供電變電站、投建（改建）年份等，并可以在地圖上直觀地看到網(wǎng)絡的擴展。

5  結(jié)論

    基于GIS的配電網(wǎng)規(guī)劃系統(tǒng)提供了完善的圖文查詢功能，配電工作者可以在配電圖上，根據(jù)配網(wǎng)的各種信息及地理信息[10]，進行配網(wǎng)的規(guī)劃和工程設計，大大提高了設計的效率。

    將GIS平臺引入到配電網(wǎng)規(guī)劃系統(tǒng)中，能夠極大地方便規(guī)劃數(shù)據(jù)的管理。同時規(guī)劃過程也更直接、更具有交互性。其次，GIS可以方便地輔助規(guī)劃人員確定被選的變電站站址和架空線路走廊或電纜通道，這不僅可以縮小優(yōu)化規(guī)劃程序的搜索范圍，而且使得規(guī)劃的結(jié)果更加符合實際。最后，GIS平臺的引入可以使配電網(wǎng)規(guī)劃與城市規(guī)劃同步。