基于風險分析的變電站選址優化研究

摘要：筆者從全壽命周期角度考慮，基于運籌優化理論和風險分析的評價方法建立了變電站選址化模型。模型改進了選址優化問題中以最小成本為目標函數的局限性，提出了以全壽命周期內最大風險利潤為目標函數，并通過傳統優化方法與智能優化方法的對比，分析了優化結果的可行性。

關鍵詞：全壽命周期；風險分析；解釋結構模

一.國內外研究現狀

隨著城市經濟的發展，土地越來越緊缺，人們環保意識也不斷增強等，使變電站的選址風險越來越大。變電站站址的選擇與落實將影響到電網的投資、運行的經濟性、可靠性等，變電站的站址直接影響著未來電力網的結構，供電質量及運行經濟性。如何基于風險分析來進行城市變電站的優化選址是我國城市電網規劃面臨的現實問題。

國內外學者對變電站的選址問題進行了一定的研究。變電站站址優化是指：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，尋優新建變電站的位置坐標，使某目標值（如年綜合計算費用、線損等）達到最優。我們將擬動力方法引入高中壓變電站長期規劃的站址優化中，但優化方法沒有考慮地理環境等不確定因素帶來的影響。我們提出將啟發規則運用于迭代算法中，從而解決變電站站址優化問題，該方法無需候選站址。有學者也提出使用線性函數表示的總費用成本函數的模型，將站址優化規劃問題確切地闡述成混合整型線性（MILP）規劃問題，從而避免了非線性規劃和得到局部解的可能。我們提出包含啟發式組合優化算法，并通過軟件實現站址優化問題，該法站址優化問題的模擬性強。我們考慮未來系統運行中網絡重構，提出啟發式搜索算法。但該方法的應用基于特定的候選站址數目。我們為多站址整體優化問題提供兩階段優化規劃方案，第一階段采用改進的粒子群算法，得出備選站址；第二階段著重考慮地理因素對選址的影響，結合層次分析法，獲得了更為合理的變電站站址選擇方案。我們提出的方法對新建變電站的上下級電網進行了整體優化，在發揮計算機功能的同時，還充分考慮了電力規劃專家的經驗和判斷能力。變電站選址中不確定性因素的問題得到了初步的解決，但缺少對動態的不確定性因素問題的解決。劉巍等基于優化理論，運用非線性尋優及最小費用最大流法，提出一種在多約束條件下的變電站站址分層優化方法，運用非線性規劃中的步長加速法實現變電站站址的最優化，它能夠在給出優化站址的同時，實現電網網架的最優。基于模糊層次分析法，通過建立遞階層次結構圖，構建模糊統一矩陣，解決變電站選址中涉及的不確定因素，從而得到最優站址。但該法不能定量描述各種不確定風險對變電站站址成本的影響。我們可采用單親遺傳算法加入模擬退火選擇操作，構建了退火單親遺傳算法，得到了較一般遺傳算法更優的結果，但計算復雜，而且缺乏對選址問題中的不確定性因素進行分析。我們在棗西220kV高新變電站選址定容優化規劃中，采用粒子群算法進行一次規劃，并考慮不確定性，建立了變電站評價指標體系，結合綜合評價方法進行二次規劃，從而獲得了最優站址。但方法仍未考慮不確定性對收益和成本的綜合影響。我們提出了將數據融合技術和證據理論應用于變電站選址的問題，并解決了多因素選址問題。我們將GIS中的地理信息引入變電站選址問題，綜合了可量化因素和非量化因素，并結合粒子群算法，進行變電站選址優化，該方法降低了尋優的復雜程度，提高了搜索精度。隨著計算機技術和現代智能優化技術的發展，變電站選址從最初的人工篩選方式發展為通過計算機計算自動生成站址的方式，其優化方法也由傳統的數學優化方法上升到現代的智能優化算法，己發展了多種智能優化算法。我們采用遺傳算法和多目標決策方法的組合方法，得到了變電站選址中的整體最優解。

二.變電站選址的基本理論

1.多源選址問題

多源選址問題比單源選址問題要困難得多。首先，我們將一直的固定位置稱為“終點”或“目的地”。多源選址問題一般是已知各個終點的位置、需求量及有關區域的運價等，求解源的個數、位置及將終點劃分給各個源的情況及容量。然而，同時求出源的個數和位置并對終點進行分配是相當棘手的問題。與單源選址問題類似，采用迭代方法，先假定源的個數已經確定，再求解最優選和分配問題，然后對不同數目的源多次重復迭代，計算求出的最優解即為最優站址。而這樣的迭代算法，需要基于以下兩個假定：一是各個源的容量不受限制，二是單位運價與源的總輸出量無關。

假定源的個數為n，而各個源的資本折舊費和經營管理費是 n的某個函數：f1（n），這個源n向給定的m個終點供貨的最低費用為f2（n）。那么，實際供貨的總費用CT為：

CT=f1（n）+f2（n）

形式上，其最小費用解，也即是當總費用取最小時，源的個數為：

■= ■= ■=0

一般來說，源的個數要精確或分配要完全恰到好處這類要求，最優解并不是特別敏感。而在求解f1（n）和f2（n）的時候，一般情況下，f1（n）是很容易的獲得的，只需要將費用的數據擬合成一個經驗方程或者簡單地總費用數據即可。

在這種情況下，多源選址-分配問題的核心是求解f2（n）。而f2（n）就是給定的m個終點運貨的最小費用，對于不同的終點，f2（n）是不一樣的，則需要先明確某一固定的n值，f2（n）的求解方法。

（1）交替選址-分配法

將m個終點組成的集合劃分成n個元素大致相等的子集；

將每一個子集當作是一個單源選址問題，求解所有的n個子集；

將n個子集求解出的n個源與每一個終點的位置進行比較，將每一個終點與n個源的距離按最短距離原則重新分配；

如果分配結果與上次計算的中分配結果不一致，則返回步驟2。否則，認為選址-分配完成，計算即可終止，輸出分配結果。

交替選址-分配法是一種單調遞降的收斂過程，即計算結果隨著循環次數的增加，而變得越來越好，越來越精確。然而，交替選址-分配法對初值有較強的依賴性，即對于步驟1中選用不同的分配方法，按照該法求得的最優解一般有所不同，往往我們希望可以改進所得的解，可以采用同樣的一組數據多次重復使用交替選址-分配法。

（2）隨機終點法

在1到m個整數中，按照均勻分布函數，隨機取n個整數；

將所產生的n個整數看作是源，并按照1到n做好標記；將其余的m-n個終點分配給費用最小的源，即若（xj，yj）是其中的一個源，分配時應使βjωj[（xs-xj）2+（ys-yj）2] 取得最小值；

重復步驟1和2，直到滿足終止準則為止，每次重復都應保留總費用最小的解；

為了求出最優解，求解n個單源選址問題，比較計算結果。

2.選址優化的主要方法

近年來，變電站選址優化問題受到了國內外學者的關注。學者們積極地做了大量的重要研究，提出或改進了一系列實用可行的分析方法和數學優化模型，大大提高了變電站選址問題的科學性與工作效率。本文從定性分析法、負荷重心法、傳統運籌優化算法和智能優化算法四個方面，將概括地介紹變電站選址優化問題中的常用方法，并分析他們的特點和存在的不足。

定性分析法

定性分析法是基于對社會經濟發展、國家或地方政策、侯選站址的未來負荷分布及成本費用等各方面因素進行綜合考慮，根據變電站的容量、以及中遠期的規劃、與系統的接線方式、供電需求等，采用比較的方法，例如綜合評價方法等，合理地選擇變電站站址。

在定性分析法中，首先要搜集政策方針類的資料，例如城市電網規劃報告、城市土地規劃報告等，擬定工作計劃、有條理地、按計劃地進行選址，并估算變電站選址的各項指標；其次，對有可能建變電站的站址進行實地現場勘查研究；然后，基于現場調查資料的基礎，對備選站址進行綜合評價，綜合得出一個高可靠性且經濟的方案。

負荷重心法

負荷重心法是根據負荷的大小及其位置，根據負荷的大小確定其權重，然后根據負荷的位置與權重的乘積求出重心，該重心的坐標位置就是變電站的站址位置。由負荷重心法的定義可知，若變電站的負荷為P1，P2，…Pn，負荷點的坐標分別為（X1，Y1），（X2，Y2），…，（Xn，Yn），如圖2-1所示。

其中，黑色的坐標點表示負荷點，白色的坐標點表示根據負荷重心法求得的負荷重心點，即新建站址的坐標點。由負荷重心法定義可知，各個負荷的權重如下式（2-20）所示：

ωi=■

（2-20）

3. 變電站選址的簡介

a.變電站選址問題的特點

變電站選址問題是一門綜合的科學的學問。然而，影響變電站的因素按照是否容易量化，大致分為兩大類：第一類是易量化因素，包括變電站的建設成本，如變電站高壓側進線、低壓側出現的新建投資和運行損耗等；第二類是不易量化因素，如地理環境、地形地貌、環境政策、政策因素等。

因此，變電站選址優化問題是一個既龐大又復雜的運籌學優化問題，求解也比較困難；同時，變電站選址過程中涉及到的變量很多，往往有一些重要的因素常常會被忽略。

b.變電站選址的原則

（1）靠近負荷中心。這一原則是變電站選址的首要原則，變電站站址必須是適應電力系統發展要求的，盡可能的接近負荷中心，這樣，既節省了變電站線路的投資又可以降低電網的網損，降低了變電站的線路成本和運行成本。這一原則不僅符合技術經濟的經濟型評價，又可盡可能避免因遠離負荷中心而帶來的其他不必要的問題。

（2）地形地貌

適合的地形地貌是變電站選址問題中將選址規劃付諸于實際建設和安全生產的重要條件，選擇地質地貌較好的站址，可以使變電站建設期大大節省因彌補地形地貌而引起的投資，從而節省變電站建設成本。

變電站的地形條件應選在地勢平坦且開闊的場地，例如大片或成片的坡地、臺地、谷地、丘陵等，以有利于變電站的建設和運行。

在選擇變電站的站址時，應實地調研侯選站址的地形地貌，尤其是地質條件復雜的場地，地址條件的優劣往往對變電站選址起著決定性的作用。

（3）交通運輸

變電站站址應考慮變電站建設施工時期的設備材料的運輸，盡可能在交通較方便的場地，例如鐵路、公路等附近，以減少應交通運輸不便而帶來的投資增加，以此來降低運輸成本，從而減少變電站建設成本。

4.變電站選址風險管理理論

變電站選址風險識別與評價

（1）變電站選址風險識別

變電站選址風險的識別時是指通過系統而全面地發掘所研究問題的風險元，運用多種途徑與方法發現不確定風險因素的過程。風險識別的任務是發掘和總結變電站選址過程中的各種不確定風險因素。

基于全壽命周期的角度來看，變電站選址的風險識別應該從變電站設計規劃期、建設期、運營期及報廢成本回收期這四個時期來發掘各種不確定風險因素的可能性及可能損失的程度。

（2）變電站選址風險評價

在變電站選址風險識別的基礎上進行風險因素的評價，通過變電站選址問題中的風險可能性與可能風險的損失程度之間的函數表達式，將風險事件的發生概率和可能損失的程度統一結合起來進行評價。

一般情況下，風險元是具有統計規律特征的，則能夠運用數理統計與概率論中隨機變量的相關理論知識對風險元進行評價。在數理統計與概率論中，隨機事件一般分為離散型與連續型兩種，則風險元也可分為離散型風險元與連續型風險元，本文只考慮風險元為獨立且單一隨機風險元的

三.基于ISM風險分析的變電站選址優化

1.選址問題的描述

如圖4-1所示，變電站選址問題可描述為對于m個負荷點，在n個備選站址中選擇一定數量（最多選擇p個）的地點作為變電站站址，且變電站的電源點只有一個，使得在變電站選址全壽命周期中的利潤最大。其中，在全壽命周期內，變電站選址需要考慮的問題有：選選擇哪些備選地點作為變電站站址；如何安排變電站對哪些負荷點供電，才能在滿足用戶需求的情況下實現全壽命周期內利潤最大的目標。

2 模型的假設

本文所研究的變電站選址問題是在給定的某一區域所有備選站址的集合中選出一定數目的地址作為變電站站址，主要考慮變電站進出線總費用和由負荷不確定風險引起的變電站全壽命周期內收益、變電站工程費用以及社會補償費用等。在分析影響這些費用主要因素基礎上得出各項費用的表達式，并使總利潤達到最大。

為了便于模型求解，同時使模型不至于太簡單而又具有實用價值，作如下假設：

（1）只考慮所有變電站的電源點為同一個電源點；

（2）僅在一定備選站址范圍內優化選擇最優站址；

（3）一個變電站可以給多個負荷點供電，不考慮變電站之間供電；

（4）系統包括從電源點到變電站以及變電站到負荷點之間兩個部分組成，分別構成進線和出線；

（5）變電站與電源點之間、變電站與負荷點之間的線路型號和運輸單價費用為已知；

（6）負荷點的總數是不變的

參考文獻：

[1]王林梅.城市電網優化規劃問題的研究[D].浙江大學，2006.

[2]《運籌學》教材編寫組.運籌學[M].第2版.北京:清華大學出版社，2004.

[3]嚴司瑋，姚建剛，李豐濤等.基于改進粒子群算法的變電站兩階段優化選址[J].電力系統自動化.2010， 38(5):34-38.

[4]王林梅，黃民翔.變電站站址兩階段優化規劃的實用改進方法[J].浙江電力.2006，5:1-5.

（作者單位：山東電力集團公司德州供電公司）