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1 引言
電網(wǎng)規(guī)劃是一個(gè)具有多目標(biāo)性、不確定性、非線性和多階段性等特點(diǎn)的復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化問題，屬于NP難問題（至今沒有找到多項(xiàng)式時(shí)間算法解的一類問題）。完全依靠規(guī)劃工作者的經(jīng)驗(yàn)規(guī)劃未來的電力系統(tǒng)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求。以計(jì)算機(jī)作為工具，采用新技術(shù)、新方法對(duì)城市電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃己在電力系統(tǒng)界達(dá)成了共識(shí)。
地理信息系統(tǒng)是介于信息科學(xué)、空間科學(xué)與地球科學(xué)之間的交叉學(xué)科和技術(shù)，它將地學(xué)空間數(shù)據(jù)處理與計(jì)算機(jī)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(duì)區(qū)域規(guī)劃及管理決策等方面的有用信息。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展與普及，地理信息系統(tǒng)進(jìn)入了全面發(fā)展和應(yīng)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?fù)潢P(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(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是非常適宜的。
實(shí)際上，在配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃[1, 2]中，僅靠人工或借助于簡(jiǎn)單的CAD制圖工具，不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且想兼顧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備材料、居民便利及故障物等各方面的因素，很難進(jìn)行方案的優(yōu)選。但是若利用地理信息系統(tǒng)(GIS)強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)分析的拓?fù)涔δ軄硖幚砼潆娤到y(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(shí)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(fù)荷預(yù)測(cè)、變電站優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)劃、短路容量分析、無功規(guī)劃等。
負(fù)荷預(yù)測(cè)包含兩個(gè)方面的含義，對(duì)未來需求量（功率）的預(yù)測(cè)和對(duì)未來用電量的預(yù)測(cè)。 對(duì)未來需求功率的預(yù)測(cè)，用來決定發(fā)電設(shè)備的容量，以及相應(yīng)的輸電與配電的容量；而對(duì)未來用電量的預(yù)測(cè)決定了應(yīng)當(dāng)安裝何種類型的發(fā)電設(shè)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(fù)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(luò)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(fù)荷水平，確定一個(gè)可行的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案，滿足投資限額和運(yùn)行要求的約束條件，并且使投資及運(yùn)行等費(fèi)用最少。
短路容量分析：從網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、電壓等級(jí)、變壓器的容量、阻抗的選擇、運(yùn)行方式等方面進(jìn)行控制，使各等級(jí)電壓斷路器的開斷電流以及設(shè)備的動(dòng)穩(wěn)定電流得到配合。
無功規(guī)劃是確定新增無功補(bǔ)償設(shè)備的最佳位置、容量、類型及投入時(shí)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(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃的基本要求是：保證供電質(zhì)量；滿足負(fù)荷增長(zhǎng)的需要；經(jīng)濟(jì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息存儲(chǔ)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(shè)計(jì)過程，而且可使最終得到的設(shè)計(jì)方案達(dá)到經(jīng)濟(jì)、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(jìn)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(shí)庫中存儲(chǔ)有與配電網(wǎng)規(guī)劃相關(guān)的一些難以用數(shù)學(xué)方法描述的人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)；專家決策模塊利用知識(shí)庫里的知識(shí)進(jìn)行推理判斷；模型庫中有以標(biāo)準(zhǔn)形式存儲(chǔ)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(gè)問題的模型；方法庫存儲(chǔ)有解決配電網(wǎng)規(guī)劃問題所需的數(shù)學(xué)和運(yùn)籌學(xué)方法，能對(duì)各種模型的求解分析提供必要的算法；GIS系統(tǒng)平臺(tái)為配電網(wǎng)規(guī)劃提供了強(qiáng)大的空間分析和顯示功能，配電網(wǎng)規(guī)劃中的空間負(fù)荷預(yù)測(cè)、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(chǔ)有地理、經(jīng)濟(jì)、負(fù)荷、網(wǎng)絡(luò)、費(fèi)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(fù)荷測(cè)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(fù)荷分析，從GIS系統(tǒng)中可自動(dòng)提取配電網(wǎng)規(guī)劃所需的空間數(shù)據(jù)。
(2) 負(fù)荷分析子系統(tǒng)
負(fù)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(fù)荷分布及未來發(fā)展的趨勢(shì)。
(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(shè)計(jì)必要的輔助工具。規(guī)劃人員既可以用它對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行潮流、可靠性和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)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(biāo)，也可以用它對(duì)規(guī)劃出的方案進(jìn)行檢驗(yàn)。
(4) 優(yōu)化規(guī)劃子系統(tǒng)
配電網(wǎng)自動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)包括空間負(fù)荷預(yù)測(cè)、變電站優(yōu)化規(guī)劃和饋線優(yōu)化規(guī)劃三個(gè)模塊。
圖1 基于GIS的配電網(wǎng)規(guī)劃智能決策系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
4 基于GIS系統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃方法
用GIS系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，主要涉及空間負(fù)荷預(yù)測(cè)、變電站站址站容的選擇、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化規(guī)劃這幾個(gè)部分。首先應(yīng)將地理圖和配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖數(shù)字化，并將地理元件和網(wǎng)絡(luò)的屬性數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)庫；接著在地圖上對(duì)配電網(wǎng)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析[6]；然后直接在地理圖上將供電區(qū)域分成若干小區(qū)，利用空間負(fù)荷預(yù)測(cè)到的結(jié)果，形成負(fù)荷分布圖及未來發(fā)展的趨勢(shì)；最后調(diào)用變電站選址和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序，得到最佳的規(guī)劃方案，并將規(guī)劃結(jié)果顯示在配電網(wǎng)絡(luò)地理接線圖上。
4.1 空間負(fù)荷預(yù)測(cè)
(1) 利用城市規(guī)劃部門提供的城市用地性質(zhì)和GIS的相關(guān)功能，將城市供電區(qū)劃分為若干個(gè)規(guī)則小區(qū)，根據(jù)總量負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，預(yù)測(cè)出規(guī)劃水平年的小區(qū)負(fù)荷。當(dāng)小區(qū)足夠小時(shí)，該小區(qū)位置即為負(fù)荷位置。空間負(fù)荷預(yù)測(cè)實(shí)際上是將總量負(fù)荷分配給各個(gè)小區(qū)的過程。
空間負(fù)荷預(yù)測(cè)（又稱負(fù)荷分布預(yù)測(cè)）[7, 8]是配電網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)。只有確定了配電網(wǎng)供電區(qū)域內(nèi)各小區(qū)的未來負(fù)荷，才能對(duì)變電站的位置、容量，線路的路徑、型號(hào)，開關(guān)設(shè)備的裝設(shè)及其投入時(shí)間等決策變量進(jìn)行規(guī)劃。
目前在我國(guó)，小區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)主要采用負(fù)荷密度法。負(fù)荷密度法重點(diǎn)放在對(duì)負(fù)荷密度的預(yù)測(cè)，但負(fù)荷密度的取值容易受人為因素影響。分類分區(qū)預(yù)測(cè)法通過簡(jiǎn)單的修正來彌補(bǔ)采用同一負(fù)荷密度的誤差，規(guī)劃結(jié)果比較粗略，特別是對(duì)于缺乏歷史數(shù)據(jù)的新區(qū)進(jìn)行負(fù)荷密度預(yù)測(cè)，往往不能得到滿意的結(jié)果，但該方法簡(jiǎn)單、計(jì)算量小。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法的聚類分析方法[9]能夠得到較好的考慮不同因素對(duì)同一類負(fù)荷的影響，使規(guī)劃結(jié)果更加細(xì)致，同樣適于新建小區(qū)。
(2) 基于GIS系統(tǒng)的預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)方法
由于GIS系統(tǒng)為一位空間負(fù)荷預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)收集、處理和結(jié)果的表示提供為一個(gè)良好的平臺(tái)，因此，將GIS系統(tǒng)引入空間負(fù)荷預(yù)測(cè)，可以極大地減少數(shù)據(jù)的收集量。這里僅介紹基于GIS系統(tǒng)的負(fù)荷密度法的空間負(fù)荷預(yù)測(cè)的一種實(shí)現(xiàn)方法，如圖2所示。
圖2 基于GIS的聚類分析空間負(fù)荷預(yù)測(cè)總體結(jié)構(gòu)圖
首先按負(fù)荷的性質(zhì)將負(fù)荷分為：居民負(fù)荷、工業(yè)負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷、農(nóng)業(yè)負(fù)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(fù)荷分布數(shù)據(jù)及每一小區(qū)各類負(fù)荷和相關(guān)因素的歷史值。
實(shí)際上同一類負(fù)荷也存在很多不同情況，若取相同的負(fù)荷密度值則會(huì)引起較大誤差。因此，在確定負(fù)荷密度值時(shí)，先用第一步中得到的各類負(fù)荷及相關(guān)因素的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，然后按小區(qū)用地規(guī)劃提取小區(qū)待測(cè)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(jì)算求得小區(qū)負(fù)荷密度，就可以得到相應(yīng)的負(fù)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(shí)測(cè)來完成的。
4.2 變電站的選址及站容優(yōu)化規(guī)劃
在各負(fù)荷容量和位置已知的基礎(chǔ)上，自動(dòng)地確定出目標(biāo)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(fù)荷發(fā)展的需要，同時(shí)所需投資及運(yùn)行費(fèi)用最小。
根據(jù)電壓等級(jí)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(yùn)行費(fèi)用的影響很大，因而在優(yōu)化模型中必須較精確的加以計(jì)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(dāng)簡(jiǎn)化。
對(duì)于每一個(gè)特定容量的組合，要尋求使目標(biāo)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(fù)荷預(yù)測(cè)信息，在規(guī)劃片區(qū)的電子地圖上大范圍地自動(dòng)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(dòng)態(tài)特性，則可先用最優(yōu)化技術(shù)算出滿足目標(biāo)年負(fù)荷情況的目標(biāo)年最優(yōu)變電站的位置和容量；然后把基礎(chǔ)年到目標(biāo)年分為若干階段，用目標(biāo)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(luò)流算法排列出既滿足中間各相應(yīng)階段的負(fù)荷情況又使總投資費(fèi)用和年運(yùn)行費(fèi)用最小的中間各階段建設(shè)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(jí)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(gè)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(tái)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(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化規(guī)劃
這部分規(guī)劃是在完成負(fù)荷預(yù)測(cè)，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(chǔ)上進(jìn)行的。
網(wǎng)絡(luò)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(biāo)函數(shù)取為規(guī)劃水平年配電網(wǎng)擴(kuò)展的投資費(fèi)用與年損耗費(fèi)用之和，以負(fù)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(gè)規(guī)劃年度的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及相應(yīng)的線路信息包括線路型號(hào)、線路回?cái)?shù)、線路長(zhǎng)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(luò)的擴(kuò)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(jìn)行配網(wǎng)的規(guī)劃和工程設(shè)計(jì)，大大提高了設(shè)計(jì)的效率。
將GIS平臺(tái)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(shí)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(shí)際。最后，GIS平臺(tái)的引入可以使配電網(wǎng)規(guī)劃與城市規(guī)劃同步。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)