考慮路徑優化和變電站選址的空間電網規劃分析

鐘 紅

國網江西省電力公司鷹潭供電分公司，江西鷹潭 335000

0 引言

隨著經濟的快速發展，社會對于電力的需求不斷增加，電網工程的建設和完善也因此受到了社會各界的廣泛關注。作為電力系統的重要組成部分，電網承擔著連接發電側和用戶側，輸送電能的重要職能，其規劃設計一直是電力系統研究領域的重點。但是在電力體制改革的影響下，電網的規劃工作面臨著許多新的問題和挑戰，需要電力企業和相關管理部門的充分充分重視。

1 電網規劃設計現狀

在經濟發展的帶動下，我國社會對于電力的需求不斷增加，原有的電力網絡已經逐漸無法滿足實際供電需求，跳閘、斷電、短路等事故頻繁發生，嚴重影響了供電的可靠性和安全性。因此，對電網進行重新規劃設計，確保其能夠滿足社會對于電力的需求，是十分必要的。而隨著電力體制改革的深化和人們環保意識的增強，電網的規劃工作也開始面臨著新的問題和挑戰，這些問題主要表現在：1）在市場經濟環境中，決策的分散化在很大程度上增加了電網規劃協調的難度；2）可再生能源（太陽能、風能、水能等）的大規模接入，使得電網規劃工作中存在許多的不確定因素；3）環境因素的多樣性和復雜性使得電網規劃建模和求解更加困難。對此，國內許多專業技術人員對展開了對于電網規劃工作的探索和研究，并取得了相當顯著的成果。但是相對來說，這些研究成果多是單獨考慮輸配電線路路徑優化以及電網網架規劃，而忽略了兩者之間存在的密切關系。由此，本文對這些文獻進行了總結，提出建立考慮路徑優化的雙層非線性空間電網規劃模型，由遺傳算法和動態規劃法結合而成的混合優化方法進行求解，可以有效提高了空間電網規劃的求解質量和求解效率。

2 考慮路徑優化和變電站選址的空間電網規劃

在GIS 技術發展的帶動下，相關技術人員在電網線路的路徑進行優化選擇時，往往會借助GIS 技術，將矢量地圖轉化為相對規則的柵格地圖，然后建立柵格的走向變量，采用動態規劃法尋找變電站之間的最優線路徑，不僅考慮了環境約束和投資成本，而且計算了地形斜坡對成本的影響。

2.1 柵格化三維地圖

地圖的柵格化在空間電網的規劃中發揮著極其關鍵的作用，根據地圖附帶的環境信息，可以將其劃分為相應的柵格地圖，這里假設在同一個柵格中，同一類型的線路和變電站建設成本相同。結合相應的文獻資料，可以得出柵格的線路綜合成本矩陣和柵格的高度矩陣，如下式（1）和式（2）。

其中，bij表示柵格Cij上新建線路的單位化綜合成本，而hij則表示柵格Cij的單位化高速。當變電站建設在不同的柵格上時，其投資成本也會存在一定的區別，假設綜合成本矩陣為E，則與式（1）類似，矩陣中eij表示柵格Cij上新建線路的綜合成本。

當柵格數量巨大時，可以采用模式識別法或者神經網絡法，對柵格上線路的綜合成本進行計算，如果必要，也可以對計算結果進行人工修正。

2.2 空間電網規劃模型

1）上層問題

空間電網規劃的上層問題，屬于一個傳統的電網規劃問題，其目的主要是為了確定投建的候選路線，以及變電站的建設位置，在滿足電網滿負荷安全運行的前提下，確保電網投資和運行成本的綜合最小。換言之，上層問題的優化目標，就是最小化投資成本和運行成本，由相應的公式表達，則

其中，表示年平均電價，Tmax表示最大負荷損耗小時數，t 代表年度索引，NT指投資回收年限，φ為年收益率，Ploss為有功網損，Nw為新建的變電站數量，w 指新建變電站索引，iw,jw表示變電站的建設位置。

2）下層問題

下層問題主要是線路路徑的優化問題，其優化目標是最小化每一條線路的投資成本，用公式表示為

Ω={（i，j，d）|如果線路l 在Ci，j上選擇方向d}

式中，Ω 表示線路l 選中柵格及其上方向的集合，Di,j,d表示線路在柵格Ci，j方向d 上的長度。

2.3 模型求解

電網的規劃屬于一個多決策變量、多約束條件的混合整數非線性規劃問題，因此可以采用遺傳算法進行求解。將每一跳候選線路的投建狀態和變電站建設位置作為個體基因，其構成如圖：

針對柵格地圖上線路路徑優化問題，可以采用動態規劃法進行求解。其基本的思路為：對于一個柵格，如果始端柵格到其鄰近8 個柵格的最優路徑已知，則始端柵格到該柵格的最優路徑只與鄰近8 個柵格的最優路徑有關。在實際計算中，如果鄰近柵格的當前最優路徑發生改變，則需要對柵格當前的最優路徑進行及時更新，以確保路徑選擇的合理性。

為了充分發揮遺傳算法和動態規劃法的優勢，本文提出了一種以遺傳算法為主體的混合優化算法，遺傳算法實現網架結構的優化和變電站選址，動態規劃法優化線路路徑。同時，為了提高求解效率，在算法中增加了一個記憶體，對最近經常用到的路徑記錄集合進行保存。一個路徑記錄由記錄號、始端點、末端點、線路成本、線路長度和退出計數6 部分構成。當進行求解時，如果某線路的兩端點存在與記憶體中，則可以直接從記憶體中得到線路的長度和成本，如果不存在，則利用動態規劃法，對優化路徑進行構建，從而極大地節約了計算時間。

這里以某省級電網的規劃為例，對其進行簡單闡述。該電網主網目前存在有402 個節點，502 條支路，結合電網的實際情況，以相應的220×220 柵格地圖，對電網進行擴展規劃，在電網中新增4 個變電站以及340 條支路線路。

整個求解過程耗時3671s，由于電網規劃屬于離線分析，因此對于計算的實效性并沒有太高的要求，雖然計算耗時較長，但是可以滿足實際應用的要求。

3 結論

總而言之，在經濟發展的帶動下，社會對于電力的需求不斷增長，電網的規劃問題也引起了社會各界的廣泛關注。本文提出了一種考慮路徑優化和變電站選址的空間電網規劃模型，并采用綜合了遺傳算法和動態規劃法優勢的混合優化算法進行求解，保證了電網規劃的合理性和可靠性，推動了我國電網建設的順利進行。

[1]王學良.基于輸電線路設計相關問題研究[J].建筑遺產，2013(10):272.