GIS在電網規(guī)劃中的應用研究綜述

（上海電力大學 電子與信息工程學院，上海 200120）

0 引 言

電力行業(yè)與國民經濟建設和人民生活密切相關，合理的電網規(guī)劃設計是電網穩(wěn)定運行的重要保證。隨著智能電網和城市建設步伐的推進，我國電網規(guī)劃過程開始引進地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System, GIS）[1]。

GIS技術與電網規(guī)劃工作有機結合可以有效提高原始數(shù)據(jù)的準確性、規(guī)劃過程的高效性和結果顯示的實用性。目前GIS在電網規(guī)劃中的應用主要集中在空間負荷預測、變電站的選址定容和輸電線路的路徑優(yōu)化與選擇等方面；負荷預測是電網規(guī)劃工作的基礎，由于大量移動充電的電動汽車和分布式電源的接入，使得電網負荷變化的隨機性越來越大，依托GIS中的電網信息和地理空間屬性信息進行空間負荷預，是提高空間負荷預測準確性的有力手段[2]。在空間負荷預測結果的基礎上，根據(jù)各區(qū)域的負荷信息及空間地理信息，GIS系統(tǒng)可以對變電站的位置進行優(yōu)化；同時依托GIS平臺結合各類優(yōu)化算法為電網架構設計和輸電線路的路徑優(yōu)化選擇提供了可視化表達平臺。

本文針對GIS技術在電網規(guī)劃中的應用進行研究，從GIS在電網空間負荷預測、變電站定容選址和輸電線路的路徑選擇與優(yōu)化三個方面進行梳理歸納，并在文末提出未來研究方向的展望。

1 GIS技術在電網規(guī)劃中的優(yōu)勢

GIS技術以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎，以具備地理屬性的空間數(shù)據(jù)為研究核心，將對象的屬性與空間位置相結合，為空間決策提供支持。GIS擁有強大的空間數(shù)據(jù)管理查詢與空間分析功能，可以有機結合多個學科，是一個網絡化、標準化、空間化的平臺[3]。

地理信息系統(tǒng)與電網規(guī)劃的有機結合，為電網規(guī)劃的空間決策提供技術支持和可視化表達。GIS技術作為近年來迅速發(fā)展的一門新型信息技術，在電網規(guī)劃中具有以下特點：

（1）GIS技術具有數(shù)據(jù)采集管理與存儲功能，可結合地理、電力、計算機等領域為電網規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持。同時GIS數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)實時更新，實現(xiàn)電網規(guī)劃與城市規(guī)劃及地理環(huán)境變化協(xié)調一致，特別是面對復雜的氣象災害時，可以實時掌握氣象與電網運行數(shù)據(jù)，有助于管理人員實時掌握電網運行情況，做出判斷。

（2）GIS技術擁有強大的空間數(shù)據(jù)查詢與空間分析能力，面對復雜的電網架構，可完成電網的空間定位及動態(tài)分析，為前期電網規(guī)劃提供決策支持，有利于科學管理空間能量分布，提高規(guī)劃效率。

（3）GIS技術可以為電網規(guī)劃工作提供友好的可視化界面并提供各種應用，協(xié)助人工進行電網規(guī)劃工作，對具有空間屬性的電力設備空間分布圖進行繪制，協(xié)助維修人員進行維護與保養(yǎng)，提供工作效率和質量。

2 GIS技術在電網規(guī)劃中的應用

2.1 空間負荷預測

空間負荷預測是指對供電區(qū)域內負荷大小及其位置分布的預測。空間負荷預測不僅可以預測負荷大小，還可以較為精準地預測負荷空間位置。因此空間負荷預測需要大量的空間數(shù)據(jù)，精準的空間負荷預測離不開GIS技術的支持[4]。

GIS系統(tǒng)不僅可以為空間負荷預測提供數(shù)據(jù)和平臺支持，其自身具備的強大運算和可視化圖文對照功能，可以有效提高工作效率減輕工作量。基于GIS的空間負荷預測的基本原理如圖1所示。

圖1 基于GIS的空間負荷預測示意圖

數(shù)據(jù)的整合主要涉及相關空間信息的收集整合，涉及到區(qū)域內的地理空間信息和電網信息，其具體結構如圖2所示。不同的待預測區(qū)對空間負荷預測的相關信息收集有所不同。如待預測區(qū)域為無歷史負荷數(shù)據(jù)的新建小區(qū)或歷史區(qū)域嚴重匱乏區(qū)域時，考慮計及城市發(fā)展程度，整合待預測區(qū)域的市政規(guī)劃方案、業(yè)擴報裝計劃及同類型負荷歷史數(shù)據(jù)進行預測[5]；對于有大量移動充電的電動汽車的接入的區(qū)域，可以通過收集電動汽車的時空分布信息評估移動充電設施對空間負荷可能造成的強烈空間變化影響[6]。

圖2 基于GIS的電力數(shù)據(jù)信息劃分

現(xiàn)有的空間負荷預測方法按照預測原理來分類，大致可分為多變量法、用地仿真法、趨勢外推法和負荷密度法[7]。多變量法對數(shù)據(jù)質量要求高、空間分辨率低，對于發(fā)展程度低、無法獲得原始數(shù)據(jù)的區(qū)域，很難使用此方法進行預測，因此國內外學者對其研究較少。用地仿真法通過分析土地利用的空間信息及發(fā)展規(guī)律，對用地類型的發(fā)展程度進行預測，此方法適用于用地規(guī)劃尚未確定的地區(qū)，對于城市規(guī)劃成熟，用地性質成熟的區(qū)域并不適用[8]。趨勢外推法是一系列基于負荷歷史數(shù)據(jù)外推負荷發(fā)展趨勢的方法的總稱。趨勢外推法因受負荷轉移、非平穩(wěn)增長等不利情況的影響，在實際情況中應用較少。負荷密度法通過將對待測區(qū)域元胞的負荷進行分類，通過預測分類負荷密度及用地信息進行空間負荷預測，因我國政府用地使用性質明確，用地決策不再是突出問題，分類負荷密度受到廣泛關注，因此近年來基于負荷密度法的空間負荷預測相關研究得到廣泛應用。肖白提出了一種基于秩次集對分析理論的空間負荷預測方法[9]，通過秩次原理預測Ⅰ類元胞負荷預測值及分類負荷密度，并結合用地信息進行Ⅱ類元胞負荷預測，進而得到空間負荷預測結果。上述文獻采用秩次集對原理避免了主觀分類帶來的不利影響。文獻[5]提出了一種基于城市發(fā)展程度和分類負荷密度飽和值的多階段空間負荷預測方法，根據(jù)分類負荷密度飽和值、近期空間負荷預測結果及城市建設信息進行中長期負荷預測，此方法對于發(fā)展程度低及新開發(fā)區(qū)域提供了新的解決方案。

基于GIS系統(tǒng)的空間負荷預測可以協(xié)助空間負荷預測收集整理各類資料、數(shù)據(jù)和信息，有效減少數(shù)據(jù)收集及分析處理任務量，且利用GIS功能可以將待預測區(qū)域按照功能劃分小區(qū)，有利于進行分區(qū)分區(qū)負荷預測，提高空間負荷預測的工作質量和效率。

2.2 選址定容

根據(jù)空間負荷預測結果，在各區(qū)域負荷合理分配的基礎上，GIS系統(tǒng)可以對變電站的地理位置和電容量進行優(yōu)化[10]。變電站作為電力輸送的中心環(huán)節(jié)，其選址選擇效果將在很大程度上決定輸電過程中的電能損耗及最終變電站投資運營的實際經濟效益。變電站選址涉及電力負荷、電網現(xiàn)狀、城市規(guī)劃、地形地質條件等一系列影響因素。文獻[11]三維地理信息技術應用于變電站選址工作中，通過構建復雜真實的三維現(xiàn)場環(huán)境，使得復雜的變電站選址過程實現(xiàn)可視化，從而提高數(shù)據(jù)和資源的利用效率。文獻[12]提出了以GIS為可視化分析平臺，引入BP神經網絡算法，建立變電站選址評估指標模型，通過BP神經網絡模型的訓練得到合理的變電站地址。已有的關于變電站定容選址文獻鮮少考慮計及城市未來發(fā)展程度飽和度，城市未來發(fā)展程度飽和度對未來區(qū)域內的電力負荷與潮流分布有顯著影響，進而影響變電站電能損耗與經濟效益，未來學者可以考慮將城市未來發(fā)展程度飽和度作為變電站選址的影響因素，特別是對于發(fā)展程度較低的區(qū)域。

在污染嚴重、能源緊缺的大背景下，風力發(fā)電迅速發(fā)展。它們的接入將改變配電系統(tǒng)的電能質量、潮流和網損，因此確定合理的準入容量和位置顯得尤為重要。近年來國內外學者將GIS技術應用于風電場宏觀選址、風能資源評估、及海上風電選址[13]等風電行業(yè)的各個領域。隨著三維GIS的不斷發(fā)展，三維GIS被越來越多的應用于風電場景可視化，文獻[14]將三維GIS與模糊層次分析法結合，作者根據(jù)基礎數(shù)據(jù)構建虛擬風電場場景，充分利用三維GIS的數(shù)據(jù)管理和空間分析能力并加入模糊層次分析模型對各站址進行綜合評價，實現(xiàn)風電三維可視化選址。文獻[15-16]利用GIS空間分析方法，考慮生態(tài)人文氣象等多種限制因素利用層次分析法評估地區(qū)的風能資源潛力。上述文獻關于GIS技術與升壓站選址結合的研究主要集中在宏觀選址，缺乏針對升壓站內部結構與設施對微觀選址的研究，GIS技術關于升壓站宏觀與微觀選址相結合的研究將是未來GIS在升壓站選址中的主要研究方向。

2.3 輸電線路路徑選擇與優(yōu)化

輸電線路的路徑規(guī)劃是一個涉及經濟、環(huán)境、工程等諸多因素的多目標決策問題[17]。面對電網龐大冗雜的網絡結構系統(tǒng)，GIS技術憑借其突出的數(shù)據(jù)管理和空間分析能力在路徑優(yōu)化問題中應用成果顯著。基于GIS的輸電線路路徑優(yōu)化流程如圖3所示。

圖3 基于GIS平臺的輸電線路路徑選擇示意圖

早期關于GIS技術在輸電線路的路徑規(guī)劃工作，主要集中在利用GIS的數(shù)據(jù)管理和可視化功能輔助人工設計，或優(yōu)化已有備選路徑[18]；近年來越來越多學者利用GIS與優(yōu)化算法結合實現(xiàn)基于GIS的自動選線模型，實現(xiàn)輸電線路路徑的自動選線與優(yōu)化。輸電線路穿越的地理環(huán)境復雜多樣，涉及優(yōu)化的影響因素眾多。文獻[19-20]結合GIS技術采集各類地理影響因素，并采用層次分析法對各因素進行定量分析，但層次分析法在量化各因素權值時需要專家評級具有一定主觀性。蘇海鋒等學者將人工智能算法與GIS結合，并不斷改進算法搜索模型，實現(xiàn)輸電線路路徑的避障和跨越式搜索功能，但自動選線模型均未實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能，需要量化各地理影響因素[21-23]。文獻[24]在地理環(huán)境因素基礎上，提出規(guī)劃雙層優(yōu)化模型，考慮線路最優(yōu)潮流計算，配合輸電網絡規(guī)劃設計，以直觀的表現(xiàn)形式提高規(guī)劃工作的準確率和效率。上述文獻在輸電線路路徑規(guī)劃方面的研究均未考慮加入桿塔位置的選擇，而桿塔位置將直接影響后續(xù)輸電線路占地協(xié)調及安全距離，以及輸電線路拐角和耐張力水平[25]。因此在輸電線路路徑優(yōu)化過程中，可以考慮結合桿塔位置選擇，為輸電線路規(guī)劃提供更好的借鑒作用。

3 展 望

GIS技術強大的數(shù)據(jù)管理查詢及空間分析功能，為電網規(guī)劃海量的數(shù)據(jù)管理和空間分析決策問題提供了科學依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。本文就現(xiàn)有GIS技術的發(fā)展，提出以下幾點GIS技術在電網規(guī)劃中的發(fā)展趨勢。

3.1 4D-GIS

不僅具有數(shù)據(jù)管理和空間分析功能，還可以顯示空間對象隨時間變化的信息，反應對象隨時間演變的過程。將4D-GIS應用于電網規(guī)劃工作中，可以存儲電網規(guī)劃設計工程的全生命周期信息，模擬空間負荷的時空動態(tài)變化過程，有助于電網規(guī)劃工作的協(xié)同設計。

3.2 互聯(lián)網+WebGIS

將動態(tài)、交互式的WebGIS與“互聯(lián)網+”相結合，應用于電網規(guī)劃設計工作中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的廣泛訪問性和打造全自動化網絡協(xié)同工作平臺[26]，以達到數(shù)據(jù)共享服務的目的，真正實現(xiàn)集數(shù)據(jù)收集處理、空間分析到服務的電網規(guī)劃一體化網絡平臺。

3.3 BIM+GIS

BIM在建筑和土木工程等專業(yè)已得到廣泛的應用，其主要通過數(shù)字信息仿真技術來模擬建筑物的真實信息[27]。將GIS與BIM相結合應用于電網規(guī)劃工作，可以實現(xiàn)全方位立體化的電網規(guī)劃設計，提高工作效率和精度，推動電網規(guī)劃工作現(xiàn)代信息化的實現(xiàn)。

4 結 語

電網規(guī)劃工作與GIS技術的結合，是實現(xiàn)電網規(guī)劃工作高效性、科學性和實用性的重要手段，并且可以在電網規(guī)劃階段充分考慮不同的氣象災害的時空分布，從而提升電網針對氣象災害的遠期防御水平。

本文針對GIS在電網規(guī)劃中的應用，從空間負荷預測、變電站選址定容、線路路徑的選擇與優(yōu)化三個方面進行梳理，并對未來GIS技術在電網規(guī)劃工作中的應用進行了展望，以期對今后關于GIS電網規(guī)劃工作給予一定參考。