基于地理信息系統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用

王耀華，高金南，姚 雷

（1.上海市南電力（集團）有限公司，上海 200233；2.上海市電力公司 嘉定供電公司，上海 201800）

隨著信息技術(shù)在電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，各種類型不一的生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)在企業(yè)相繼投入使用，產(chǎn)生了大量不同類型的電子數(shù)據(jù)，在企業(yè)內(nèi)部形成了一個龐大、多樣的海量數(shù)據(jù)庫。這些海量數(shù)據(jù)從多個角度刻畫了電力系統(tǒng)各種屬性，深刻描述了電力生產(chǎn)經(jīng)營的各個環(huán)節(jié)。

上海市電力公司下屬各供電公司目前普遍采用了生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PMS）、調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）及營銷管理系統(tǒng)（MMS）來輔助日常運行及維護工作。如何從這些管理系統(tǒng)中充分挖掘有用數(shù)據(jù)用以輔助電網(wǎng)規(guī)劃決策，這對提高區(qū)域電網(wǎng)規(guī)劃合理性及投資回報率具有重要意義，也是目前研究應(yīng)用的重點方向。

1 基于GIS的電網(wǎng)規(guī)劃空間數(shù)據(jù)庫

1.1 基于GIS平臺的生產(chǎn)管理系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)（GIS）是計算機圖形學(xué)、計算機地理制圖、航空攝影測量與遙感、數(shù)字圖像處理和數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它采用地理模型分析方法，提供多種空間和動態(tài)的地理信息的計算機軟件系統(tǒng)，是一個用于存儲、分析、處理和表達地理空間信息的計算機軟件平臺，目前上海市電力公司生產(chǎn)管理系統(tǒng)即基于GIS平臺。該系統(tǒng)覆蓋了供電區(qū)域內(nèi)變電站、配電站、線路及線路設(shè)備的信息，如線路桿塔、導(dǎo)線、變壓器、桿刀等，設(shè)備數(shù)據(jù)模型包括設(shè)備型號、修理試驗時間、額定容量、遮斷容量等屬性。利用該系統(tǒng)可以了解系統(tǒng)在用設(shè)備的配置情況，對電網(wǎng)運行及規(guī)劃具有重要的參考價值［1，2］。

1.2 空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

隨著地理信息技術(shù)的發(fā)展，空間數(shù)據(jù)庫已經(jīng)逐步取代關(guān)系型數(shù)據(jù)庫成為大多數(shù)地理信息系統(tǒng)的核心存儲機構(gòu)。目前的配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃正向集成化、一體化、智能化方向發(fā)展［3］。電網(wǎng)規(guī)劃過程中需依靠大量的設(shè)備、負(fù)荷、電源等數(shù)據(jù)來確定最優(yōu)方案，空間數(shù)據(jù)庫為電網(wǎng)規(guī)劃提供了完備的數(shù)據(jù)支持平臺。空間數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源包括PMS、SCADA、SG186、配變實時監(jiān)測系統(tǒng)等，其數(shù)據(jù)真實性及實用性很高。空間數(shù)據(jù)庫首先需要從這些現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫中選擇性提取數(shù)據(jù)，并按照空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)組織形式進行篩選，對不同軟件系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)按照一定的物理關(guān)系進行關(guān)聯(lián)。電網(wǎng)規(guī)劃支持系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)規(guī)劃支持系統(tǒng)總體設(shè)計框架

空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)包括區(qū)域用戶負(fù)荷、現(xiàn)狀變電及線路設(shè)備分布、現(xiàn)狀設(shè)備負(fù)荷水平等。其中用電負(fù)荷數(shù)據(jù)來自于SG186系統(tǒng)，現(xiàn)狀變電站及線路負(fù)荷水平來自SCADA系統(tǒng)，變電站及線路地理分布來自PMS系統(tǒng)，將這些數(shù)據(jù)與地理信息系統(tǒng)進行組合，形成一個基于GIS的空間數(shù)據(jù)庫。

2 空間數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建方式

數(shù)據(jù)挖掘（DM），就是從大量、不完全、有噪聲、模糊、隨機的數(shù)據(jù)中，提取隱含在其中、人們事先不知道、但又是潛在有用的信息和知識的過程。數(shù)據(jù)挖掘不是簡單的數(shù)據(jù)庫檢索，而是對現(xiàn)有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析、推理和綜合，提取有用的信息。

空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是從空間數(shù)據(jù)庫中提取有效的、新穎的、潛在有用的知識、空間關(guān)系或是非顯性存儲在空間數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，用于理解空間數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)空間和非空間數(shù)據(jù)間的關(guān)系、構(gòu)建空間知識庫、查詢優(yōu)化、空間數(shù)據(jù)庫重組，以簡單精確的方式描述通用特征。從空間數(shù)據(jù)庫中可以發(fā)現(xiàn)知識包括：普遍的幾何知識、空間分布規(guī)律、空間關(guān)聯(lián)規(guī)則、空間分類規(guī)則等。基于GIS的電網(wǎng)規(guī)劃決策系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫的組織方式如圖2所示。

圖2 空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)組織方式

在構(gòu)建好空間數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)包括負(fù)荷分析、饋線分析及配電網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。利用該系統(tǒng)可以確定區(qū)域負(fù)荷中心、容載比、負(fù)荷密度、中長期負(fù)荷、最優(yōu)線路走向等。具備對現(xiàn)狀電網(wǎng)的供電能力評估以及電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化的功能以及對配電網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性評估，如線路負(fù)載率分析、負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力分析、獲取雙電源能力等分析。

3 變電站優(yōu)化選址模型

電網(wǎng)規(guī)劃需要根據(jù)區(qū)域發(fā)展情況確定新建變電站站址。一般變電站選址可分為兩類：一類是單源選址問題，一類是多源選址問題。單源選址問題是對于位置已知的若干個現(xiàn)有設(shè)施，找出單一的一個新設(shè)施的最優(yōu)地址；多源選址問題是對于已經(jīng)知道的若干現(xiàn)有設(shè)施，找出兩個或更多的新設(shè)施的最優(yōu)地址。單源選址也可以認(rèn)為是多源選址的一種特殊情況。利用GIS空間數(shù)據(jù)庫的地理圖形功能及區(qū)域內(nèi)點負(fù)荷信息，可以按照一定的規(guī)劃模型對變電站的站址優(yōu)化排序。

等負(fù)荷矩原則是基于單位電力負(fù)荷路徑最短目標(biāo)出發(fā)，同時考慮到降低線損，該模型在確定負(fù)荷中心的應(yīng)用較為普遍。設(shè)新建變電站的站址坐標(biāo)是（u，v），第i個供電點的坐標(biāo)是（xi，yi），i≥1，該供電點的有功負(fù)荷是Pi。利用等負(fù)荷距原理，選取各負(fù)荷點的最大負(fù)荷，目標(biāo)函數(shù)可定義為：

式中：C為各負(fù)荷點由該變電站供電而產(chǎn)生的經(jīng)濟費用。

站址規(guī)劃目標(biāo)是使經(jīng)濟費用C最小。單源選址的模型求解是一個無約束條件的優(yōu)化問題。對式（1）求最小值問題，即在用電點位置確定的情況下，規(guī)劃站址坐標(biāo)（u，v）為何值時經(jīng)濟費用最小。對式（1）求偏導(dǎo)數(shù)，有：

可以得到：

同理可以得到：

利用式（3）和式（4），可以使用迭代法來計算新建變電站坐標(biāo)。選取初值（u0，v0），代入上述兩式，可以得到一次迭代結(jié)果（u1，v1），依次類推得到第k次的迭代結(jié)果（uk，vk）和第k＋1次的迭代結(jié)果（uk＋1，vk＋1），當(dāng)連續(xù)兩次迭代數(shù)據(jù)充分接近時，可以停止計算，即可得出新建變電站的理論最佳坐標(biāo)，程序算法流程如圖3所示。

圖3 單源站址坐標(biāo)計算迭代算法流程

4 單源選址方案實例

嘉定城區(qū)西北區(qū)域因道路新建，房產(chǎn)開發(fā)迅速，原有電源站、線路已不能滿足供電需求，故需要選擇合理的位置新建一座35kV變電站。工程采用單源選址方法，使經(jīng)濟費用C最小，計算、選擇新建變電站的站址坐標(biāo)（u，v）。從GIS空間數(shù)據(jù)庫的地理圖形功能及區(qū)域內(nèi)點負(fù)荷信息，獲得表1數(shù)據(jù)。

表1 從GIS空間數(shù)據(jù)庫獲得點負(fù)荷信息

計算選取初值（－23 332，16 013），將表中數(shù)值代入式（3）和式（4），用圖3所示迭代算法流程計算結(jié)果，經(jīng)過比較，得出新建變電站理論最佳坐標(biāo)為（－22 895，16 046），故站址可以選擇該點附近區(qū)域。經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，該坐標(biāo)區(qū)域現(xiàn)為空地，靠近新建道路東側(cè)，經(jīng)聯(lián)系區(qū)發(fā)改委和土地管理部門，可作為供電服務(wù)用地。

5 電網(wǎng)規(guī)劃方案的評價

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，需要對不同的規(guī)劃方案進行評價，包括技術(shù)和經(jīng)濟指標(biāo)。網(wǎng)架優(yōu)化規(guī)劃一般根據(jù)負(fù)荷增長及變電站規(guī)劃方案，采用凈現(xiàn)值最大、年費用最少、內(nèi)部收益最高、投資回收最短的方案［4］。因此，需要對輸變電工程在一定使用時間內(nèi)投資總費用進行評估以確定最佳的建設(shè)方案。總費用包括建設(shè)投資成本及運營成本［5］。建設(shè)投資成本包括輸變電工程基建、設(shè)備安裝后運行壽命期間內(nèi)的運行及維護費用。運營成本包括輸變電工程的擴展費用，該費用與線路傳輸損耗及技術(shù)條件限制有關(guān)。

一般在電網(wǎng)規(guī)劃評價中，采用直流潮流模型，則有：Pij＝Iij，功率損耗P＝rl×P2l，其中rl為支路電阻，Pl為支路有功損耗，建立輸電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化模型：

式中：C為規(guī)劃方案總費用；Ci為支路設(shè)備折舊維修費用；Fi為支路投資成本；δi＝1表示該支路為新建線路，否則為0；τmax為最大負(fù)荷利用小時數(shù)；r為貼現(xiàn)率；n為架設(shè)線路總數(shù)；m（k）＝Σki＝1y（i），y（i）為第i階段包含的年數(shù)；M為規(guī)劃階段數(shù)；λ1、λ2為權(quán)重系數(shù)，且λ1＋λ2＝1。

約束條件包括線路載流量、配電線路供電半徑、饋線最大容量等。空間數(shù)據(jù)庫中包含上述參數(shù)，通過系統(tǒng)優(yōu)化計算，可以得到規(guī)劃方案總費用C為最優(yōu)的方案。

在制定電網(wǎng)規(guī)劃方案時，還包括對原有休止線路的重新使用。起用這部分線路產(chǎn)生費用包括線路大修工程費用，連接至該段線路的費用。對使用年限較長的線路，有可能出現(xiàn)可靠性降低而增加該線路的實際運行成本。

6 電網(wǎng)規(guī)劃方案的確認(rèn)

電網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)達到安全、經(jīng)濟、可靠三個目標(biāo)，滿足《上海電網(wǎng)若干技術(shù)原則的規(guī)定》、《上海中、低壓電網(wǎng)配置原則及典型設(shè)計》等技術(shù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對城市電網(wǎng)，其負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力應(yīng)滿足“N－1”準(zhǔn)則，重要用戶達到“N－N”準(zhǔn)則。使電網(wǎng)能夠為本區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展提供可靠支撐。

在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，由于眾多因素制約，目前的智能決策系統(tǒng)還不能完全量化規(guī)劃工作中的非線性問題。在實際電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃時，還需要考慮如區(qū)域規(guī)劃、站址審批、動拆遷成本、投資回報率、環(huán)境評價等因素。按照目前的經(jīng)驗來看，這類因素往往起到一定的作用，因此需要規(guī)劃人員對最終方案進行修改。

7 結(jié)論

1）通過地理信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，可以在公司現(xiàn)有業(yè)務(wù)平臺中獲得與電網(wǎng)規(guī)劃相關(guān)的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，形成基于GIS的電力生產(chǎn)運行空間數(shù)據(jù)庫，為配網(wǎng)規(guī)劃提供完備的現(xiàn)實數(shù)據(jù)平臺。

2）基于GIS空間數(shù)據(jù)庫的電網(wǎng)規(guī)劃系統(tǒng)將規(guī)劃算法、約束條件、組合問題統(tǒng)籌考慮，整合了電網(wǎng)運行信息、規(guī)劃原則、規(guī)劃人員經(jīng)驗等條件，使規(guī)劃方案更加科學(xué)合理，為電網(wǎng)建設(shè)決策提供了完善的方案支持。因此，基于GIS平臺的配電網(wǎng)規(guī)劃工作將是應(yīng)用的趨勢。

3）配電網(wǎng)規(guī)劃中的影響因素較多，規(guī)劃人員仍需要根據(jù)實際情況變化做必要的調(diào)整以符合網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運行的需要。

［1］Benoit de NEUVILLE，Phillippe SOMMEREYNS，DMS，Scada and GIS interactions redesigned while renewing the GIS legacy system［C］.CIGRE，2007.

［2］Zmijarevic Z，Krajcar S，Sklec D.GIS Enhanced Long Term Planning of MV Distribution Networks［J］.Proc of the 6th IASTED Multi－Conference Transmission and Distribution Marina del Ray（USA），2002.

［3］陳擁軍，姜憲.農(nóng)村電力需求評價和電網(wǎng)規(guī)劃［M］.北京：中國水利電力出版社，2009.

［4］國家電網(wǎng)公司.城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則［S］.北京：中國電力出版社，2006.

［5］Rafael de Dios and Pablo Martin，Network planning.Methodology and Application［C］.CIGRE，2006.