基于三維地理信息的配電網線路布局規劃方法

陳剛， 李冰， 魏弋然， 陳德高

(國網烏魯木齊供電公司， 新疆,烏魯木齊 830011)

0 引言

配電網與廣大人民群眾的生產和生活息息相關，是服務民生的重要公共基礎設施，能夠為我國建成社會主義現代化強國奠定堅實的基礎、促進“新常態”下經濟社會發展具有支撐作用。配電網線路布局規劃的合理性有利于國家對電力系統的管理，提升電網運行效果，減少線路損耗，降低建設費用，提升配電網線路規劃的綜合效益。

這幾年，雖然改進蟻群方法[1]、模糊層次分析方法[2]雖在配電網線路布局規劃方面取得了一定成果，但還存在一些弊端，如配電網線路規劃沒有與地理位置數據相結合，規劃方法的設計不夠全面，資源浪費嚴重，建設成本高等，因此急需找一種行之有效的配電網線路布局規劃方法。

三維地理信息系統(GIS)是一種重要的空間信息系統[3-5]。它是在計算機硬、軟件系統的支持下，對整個或部分地球表層(包括大氣層)空間中的地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的系統。將GIS系統應用在配電網線路布局規劃中，可以采集到更為直觀的數據，保證了數據采集的準確性。為此本文提出基于三維地理信息的配電網線路布局規劃方法，這種方法既能夠節省配電網線路的總費用又降低配電網線路建設總成本的同時，又能加速配電網能源結構的轉型升級和電力資源的合理配置。

1 基于三維地理信息的配電網線路布局規劃方法

1.1 總體規劃方法設計

通過電網GIS數據庫[6]、變電所優化布局、20 kV路線優化規劃等步驟實現基于GIS的配電網線路布局規劃，總體規劃步驟如圖1所示。

圖1 基于GIS的配電網線路布局規劃步驟

分析圖1可知，基于GIS的配電網線路布局規劃步驟為用戶在GIS軟件平臺以及電網GIS數據庫支持下，利用GIS Data base 接口與外部進行信息交互，信息交互的內容包括變電所容量分析評價結果、變電所優化布局、變電所位置評價，經過一系列分析工作，得到20kV線路規劃優化結果，并將此結果通過GIS相關軟件反饋給用戶，以提升配電網線路布局規劃效果。

1.2 基于GIS的配電網變電所布局規劃

供給區位優化問題(“空間位置—配置”問題)是配電網變電所優化布局的基本問題[7]。進行配電網變電所優化布局的目的在于使配電網變電所供電位置更加合理及完善，因此需要在配電網年費最小化的基礎上，明確配電網負荷需求和電源供給之間的關系，以此實現配電網變電所優化布局。造成配電網變電所年費差異的主要原因是配電網變電所的數量、區位及容量在規劃范圍布置[8]。所以為了在該規劃范圍內使電網的總負荷、新添高壓線路投入資本、電網變電所年費都最少，在符合容載比約束和全部負荷點供電持久的情況下，選擇m個位于負荷中心的變電所[9]。

配電網變電所合理布點問題描述如下。

已知(xj,yj)、(j=1,2,…,n)以及Bj是n個負荷點的位置和各負荷點的負荷。

求：

(1) 電網變電所的優化數目m。

(2) 設置決策變量Xij，其描述如下

(1)

(3) 各配電網變電所的最優區位(ui,vi),(i=1,2,…,m)。

利用配電網變電所的多目標優化規劃模型來解決上述現象。電網的總負荷、新增電網線路總投資、電網變電所年費用，分別由f1(xij)、f2(xij)、f3(xij)描述。

(2)

其中，

(3)

存在的2種約束條件分別是：能夠為全部負荷點提供供電服務；符合配電網變電所最高容量限制[10-11]。其中，現有電網變電所的數量用ms表示。

利用評價函數法求解配電網變電所的多目標優化規劃模型。對模型各目標分別設置一個權值，求解配電網的變電所最優化問題，需要計算目標函數的權系數ωk>0，如式(4),

(4)

配電網變電所規劃各目標的重要程度用權系數表示，較高的權系數、較低的權系數分別表示重要的目標和不重要的目標[12]。因此需要各分量目標函數值量綱處理后確定權系數。

α-法，專家評估法、判斷矩陣法是確定權系數的幾種主要方法。α-法或專家評估法主要是在目標函數維數k較小情況下確定權系數。判斷矩陣法主要是在目標函數維數k較大情況下確定權系數[13]。α-法是根據目標函數在可行域上的最低值，設置單獨輔助參數α，并通過求取一個線性方程組確定權系數。當目標函數維數k<2時，無法確保各權系數均大于零，即ωk≥0,k=1,2,…,m，是α-法的弊端。與其相比，專家評估法比較簡潔實用，所以選取專家評估法確定權系數[14]。過程如下。

設置參數ωij表示第i位專家對第j個目標賦予的權系數。需要專家對目標進行單獨評價，然后獲取各目標權系數均值，計算式如下：

(5)

下一步獲取專家對目標所賦予的權系數和其對應權系數均值的偏差，其計算式為

(6)

假如上述滿足所選定的最大允許偏差ε，則專家們的評估誤差無明顯不同。相反，則需再一次計算權系數，反復以上流程以符合所有偏差要求。根據以上方法將ω1，ω2，ω3分別確定為0.4，0.2，0.4。

1.3 基于GIS的配電網線路布局規劃

基于配電網變電所規劃布局結果，對配電網線路優化布局進行規劃，以某地區配電網年費最小作為目標函數，實現配電網線路規劃。

(1) 目標函數

以電網的年費為目標函數：

式中，F(X,Y)為年費,X∈[0,1]，當X=0時表示變電站未被選用，當X=1時表示變電站被選用；Y∈[0,1]，當Y=0時表示線路未被選用，當Y=1時表示線路未被選用；Nb、Nx、?、γ分別表示原有線路和待選線路集合、投資回報率、年運行維護率。

Ci表示第i個變電站的固定投資(萬元),Cj表示第j條線路的固定投資(萬元/公里),Lj表示長度(公里)，BLossj、τmax、C分別表示極限負荷運行時的線路損耗量(千瓦)、損耗時間(小時)、電價。

(2) 約束條件

輻射狀網架結構、變電站容載比、線路負載和最大電壓損耗等是配電網線路規劃的約束條件[15]。為了解決輻射狀配電網線路布局規劃問題。配電網線路布局規劃的約束用式(8)—式(10)描述：

LoadRatei≥LRmin,i∈Nb

(8)

(9)

(10)

2 應用實例

2.1 實例概況

以某地區配電網為實驗對象，驗證所設計的基于三維地理信息的配電網線路布局規劃方法的有效性。本次規劃的基礎年為2018年，遠景年為2025年。該配電網存在6個120 kV變電所，容量大小為100 MVA，各個變電站的負荷大小及位置均已明確，存在290條20 kV的線路，158條120 kV的線路，且均為架空線路，其中主干線路與分支線路型號分別是LGJ-250、LGJ-160，隸屬于該配電網中某條主干線路的負荷點的部分情況如表1所示。其中容量為0的負荷點是該條線路中的變電所。

2.2 變電所規劃結果

利用本方法對該配電網2018年的6座變電所進行規劃，結果如圖2所示。

圖2顯示了采用本文方法規劃后的配電網變電所布局，結果顯示本文方法能夠很好地解決配電網變電所區位優化問題，可實現配電網變電所規劃布局效果的最大化。

2.3 配電網線路布局規劃

為驗證本文方法的配電網線路布局規劃優勢，分別采用本文方法與另外2種方法對該配電網進行線路規劃，另外2種對比方法分別為文獻[1]的改進蟻群方法、文獻[2]的模糊層次分析方法，3種方法規劃后的配電網線路總長度與配電網線路總費用的結果如圖3、圖4所示。

表1 部分負荷點情況

圖3 布局規劃后線路總費用

圖4 布局規劃后線路總長度

在配電網線路布局規劃過程中需要考慮的因素很多，其中三維地理信息在山區以及其他地形比較復雜的區域架設輸電線路的重要性更為凸顯，因此在實際中應重點考慮到布局區域的地形、地勢、氣候等條件，結合三維地理信息，進行配電網線路布局規劃。

分析圖3、圖4可知，本文方法布局的配電網線路建設總費用明顯低于改進蟻群方法和模糊層次分析法，且采用本文方法布局優化后的配電網線路總長度最少，與對比方法相比分別縮減了5 km、8 km。實驗結果表明本文方法的線路建設總費用和總長度均較小，原因在于該方法有效利用了GIS系統，可以精準采集配電網線路相關數據的詳細信息，為后續配電網線路的規劃布局奠定基礎，因此能夠在有限的范圍內最大程度節省線路長度和所需費用。

2.4 配電網線路布局規劃的經濟性

將本文方法的線路布局方案命名為方案一，改進蟻群方法、模糊層次分析方法規劃的線路布局方案分別命名為方案二、方案三。采用3種規劃方案對該配電網遠景年的120 kV變電所和配電網線路的整體規劃和投資預算進行分析。不同規劃方案的遠景年配電網線路規模統計結果如表2所示。

依據三種方案的遠景年配電網線路規模統計結果，獲取遠景年該配電網在不同規劃方案下所需電網的投資數據信息，如表3所示。

通過3個規劃方案的對比數據信息得出，方案一中該地區配電網遠景年投資是15786萬元，方案二、方案三中，該地區配電網遠景年投資分別是18020萬元、20528萬元，方案一較方案二、三分別節省投資2234萬元、4742萬元。實驗結果表明，本文方法可有效節省電網的投資成本，具備較好線路規劃效果，實際應用效果更好。

3 總結

制定與實施配電網建設改造計劃，是推動能源技術革命、帶動產業升級、實現電網行業創新發展的戰略性選擇，能夠為我國全面建成小康社會奠定堅實的基礎。

針對現階段配電網線路布局規劃的不合理問題，根據三維地理信息進行配電網線路布局規劃，通過實驗結果證明了該方法的實用性與經濟性。由于時間與精力有限，本文研究還存在許多不足，主要是沒有考慮到運行環境的不穩定性、模型的約束性等，以后可以對這一部分的內容進行改進，能夠為我國建成社會主義現代化強國奠定堅實的基礎。

表2 不同規劃方案的遠景年配電網線路規模統計

表3 三種規劃方案遠景年投資對比