GIS和變權權重模型在變電站選址研究中的應用

許立凱，丁連榮，劉朔銘

(國網天津市電力公司檢修公司，天津 300230)

變電站的建址對電網結構起到決定性的作用[1-5]。變電站位置選擇合適，電力系統網架就越堅固，系統受到小干擾的影響也越小，電網就能夠經濟、穩定運行；變電站位置選擇不當，則系統中的小擾動就有可能逐漸放大，造成災難性的后果，很難保證系統的經濟、穩定運行。此外，變電站的位置對電能質量也有重要影響。《城市電力網設計規劃導則》中指出，變電站的選址應當盡可能靠近負荷中心，否則電壓質量難以滿足一些重要用戶的要求。同時，還要求變電站的站址標高宜高出幅度為1%的高水位之上，否則應有可靠的防洪措施。

變電站的位置對自身及配電網輸電系統都有著較大的影響。變電站建設投資巨大，且變電站是配電輸電系統的電源點，變動變電站位置對配電系統吸負荷功率的能力都有較大的影響。如果變電站位置選盾不合適，低壓側出線路徑的選擇也會隨之出現問題，結果導致輸電線和饋線更長，費用更高。

文獻[6]提出一種基于直流偏磁風險指標的變電站選址模型，較好地解決了直流偏磁風險對變電站的影響；文獻[7]將云理論運用在配電網絡變電站選址定容模型中，大量數據分析讓變電站的選址更加合理；文獻[8]將人工智能搜索算法應用到變電站選址研究中；文獻[9]在變電站的選址模型中考慮了分布式電源對其影響程度；文獻[10]將GIS系統運用到變電站選址模型中。上述模型都僅從單方面建立變電站選址模型的邊界條件，缺乏選址模型的全面性。本文利用GIS系統對城市地理信息掌握的全面性特點，將其運用在變電站的選址模型中，同時構建變電站選址綜合評價模型，較好地解決了選址模型出現多解的情況，從而在基于GIS的變電站選址模型基礎上，找出最佳的變電站建址。

1 基于GIS的變電站選址可行域判斷

1.1 變電站選址原則

由上述分析可知，變電站的建址對電網結構、電能質量以及下級輸電系統都有重要的影響，因此變電站的選址因滿足以下基本原則。

(1)靠近負荷中心。變電站站址的選擇必須適應電力系統發展規劃和布局的要求，盡可能地接近主要用戶，靠近負荷中心，這樣必然會減少線路投資和電能損耗，既經濟又節省能源。因此，變電站靠近負荷中心是站址選擇的基本原則之一。這一原則既符合技術經濟合理的建設目的，又可避免由于站址遠離負荷中心而帶來的一些其他問題[11]。

(2)節約用地。變電站選址時，應盡量避免拆遷各種建筑物。拆遷不僅要補償大量費用，而且變電站選址應該放在區域的負荷中心，這樣負荷到變電站的距離最小，中壓線路投資費用最少，線路的損耗也最小。因此，利用GIS能夠將某供電范圍內的負荷等效為一個點負荷，通過找出包含負荷中心點的地理區域圖層，就是變電站選址的地理位置可行域。

(3)地形地貌。良好的地形、地質條件是直接影響變電站能否順利建設和安全生產的重要關鍵。對于地形條件，站址地形的條件應有利于變電站的建設和運行。選擇良好的地形甚為重要，它往往決定整個變電站的布置形式。

(4)線路走廊。變電站站址的選擇，應便于各級電壓線路的引進和引出。變電站進出線所占的范圍和行徑的通道稱為線路走廊，其寬度稱為走廊寬度。進出線走廊應根據電力系統規劃，做出統一安排，并應留有擴建發展余地，防止因站址選擇不當造成進出線困難，影響擴建或增大送電線路建設費用。

(5)交通運輸。變電站站址應盡可能選擇在己有或規劃的鐵路、公路、河流交通線附近，以減少交通運輸的投資，加快建設和降低運輸成本。選擇站址時應考慮施工時設備材料的運輸，特別應考慮大型超限設備，主變壓器、調相機等大件的過河過橋運輸方案，以及運行時搶修、維護的道路。

(6)適應城市規劃。選擇變電站站址必須考慮城市規劃的要求。變電站規劃和建設與城市規劃建設有密切關系，它是城市建設的一個重要組成部分。站址選擇的正確與否，不僅對城市生活及其發展有重大影響，同時對變電站本身的運行和修建條件影響也很大[12]。

此外，還有供水條件、避開污穢路段、防洪排水、環境保護、利于施工和未來發展等方面的基本原則要求。

由上述基本要求可知，變電站的選址模型涉及到城市環境的要求要素較多，而GIS系統能夠很好地為變電站的選址模型提供相應的邊界已知條件，可將GIS系統應用到變電站的選址研究中。

1.2 負荷半徑和經濟成本模型

對于城市供電網中的負荷容量，能夠將其等效成單個負荷節點，而變電站的建址中心，應當選在負荷包絡圓的圓心處。基于以上原則，本文構建變電站的供電負荷半徑模型，具體公式如下：

(1)

式中，RL為變電站的供電負荷半徑；Sr為變電站主變總容量，對于配電網而言，變電站的主變總容量相對固定，通常為2×120 MVA或者2×80 MVA；λ為負荷平均功率因數；ο為面負荷密度。

通過上述計算，能夠得到變電站的供電范圍，這是變電站選址所考慮的最基本要素；另一個要素就是變電站建設的經濟成本，主要包括以下方面。

(1)建設成本。

CB=(1+η)(k0+k1ST+k2Ln)

(2)

式中，CB為變電站的建設成本；ST為變電站主變總容量；Ln為低壓線路出線回路數量，對于配電網，低壓出線是供給用電負荷的主要輸電線路；k0、k1、k2為各自成本系數；η為設備設備折舊維護費用比例系數，因為變電站的設備折舊維護費用和建設成本呈正比，因此本文用來表示該項成本費用。

(2)電能損耗費用。

(3)

式中，Closs為變電站的電能損耗費用；Pk為站內變壓器的短路損耗；P0為變壓器空載損耗；Sl為變壓器負載功率；SN為變壓器額定功率；T為變壓器年投入運行小時數；τ為年最大負荷小時數；ΔPlow為低壓線路總有功損耗；C0為單位電能損耗成本電費。

1.3 基于GIS的變電站選址模型

變電站選址原則，就是要滿足電網運行的可靠性以及電網建設和電網運行的經濟性。從1.2節可以看出，變電站供電范圍與電力負荷密度密切相關，電力負荷密度唯一確定了變電站的供電范圍。而利用GIS系統能夠全方位地掌握待建區域內的負荷節點分布，地形地貌特征以及輸電線路的架線路徑。因此，基于GIS的變電站選址模型的基本思想為：在變電站建設的經濟成本不超過預定的變電站建設預算范圍內，利用GIS系統分析負荷節點分布和地形地貌特征，找出供電負荷半徑最大的變電站建址。

2 變電站選址評價指標構建

2.1 評價指標體系構建

利用GIS系統構建的變電站選址模型，可以找出適合的變電站建址位置，但往往所得結果并不止1個，這就意味著需要在多個待選建址位置中找出最適合的位置。因此，本文還構建了變電站選址綜合評價模型，用于在多個選址位置中選出最佳的變電站位置。

基于以上分析可知，變電站綜合評價模型的關鍵之一在于構建合理的評價指標體系。本文在變電站選址基本原則分析基礎上，構建出變電站選址綜合評價雙層指標體系，一級指標分別為：經濟性、技術性和社會性指標，不同一級指標分別下設多個二級評價指標，如圖1所示。

圖1 變電站選址綜合評價指標體系Fig.1 Comprehensive evaluation index system of substation location

2.2 評價指標的數據標準化

本文評價指標的賦值及標準化僅針對二級指標，最終的評價模型也是利用二級指標進行評價分析。

由變電站選址綜合評價指標體系可以看出，有些指標為定量指標，例如變電站的建設成本，在1.2節中已有具體計算方法，但也存在定性指標，例如地形地貌條件等，對于二級指標中的定性指標賦值，本文采用三角模糊數方法對其賦值。

定義三角模糊數的清晰值為：

N′=(x+2y+z)/40

(4)

三角模糊數的三標度法如圖2所示[13]，將定性指標量化為三角模糊數，然后再根據式(4)，進行數據計算。

對于圖2中的三標度，一級表示指標性能最優，七級表示指標性能最低，一級至七級表示指標性能依次降低。

圖2 三角模糊數的三標度法Fig.2 Three scale method of triangular fuzzy numbers

在得到不同指標的賦值后，還需要將不同量綱的指標進行標準化，才能運用到統一的評價模型中，指標的標準化公式如下所示：

(5)

相比于傳統指標標準化方法存在嚴重的逆序缺陷，本文中的指標標準化方法則很好地避開了逆序結果的產生。

3 基于變權權重的變電站選址模型

3.1 變權權重劃分

本文采用變權權重模型對變電站選址綜合評價指標進行權重劃分。首先，利用熵權法得到常權權重。熵權法主要用來計算客觀權值，具體步驟如下。

把評價指標值大小Ri轉化為比重形式：

(6)

綜合評價模型中的熵Hi的計算公式為：

(7)

權重計算公式為：

(8)

在實際應用中發現，評價過程中，某些指標對最終的評價結果不是一成不變的，這些指標的指標值在“量變”超過一定標準后，會對最終的評價結果產生“質變”的影響。當這些指標值下降到一定程度后，即使評價指標中的其他指標值均很高，最終的評價結果也會急劇變差，采用權重固定的模型則難以反映上述的“量變引起質變”的定的現象。因此，本文引入變權修正系數，來對評估指標的權重進行修正。

本文引入狀態變權因子，來對常權權重進行調整。具體計算方法如下：

(9)

式中，δ(Ri)為各指標的狀態變權因子；max(Ri)、min(Ri)分別為指標合理取值的最大值和最小值；t為懲罰水平，t>0，t越大，懲罰力度越大。

引入狀態變權因子后，各評價指標的權重大小為：

ωi=ωi′δ(Ri)

(10)

3.2 變電站選址評價模型

本文采用Topsis模型來對變電站選址進行綜合評價，具體方法如下。

首先，計算不同評價指標到正負理想解的歐氏距離。各評價指標到正理想解之間的歐氏距離為：

(11)

各評價指標到負理想解之間的歐氏距離為：

(12)

然后，計算綜合評價貼近度Ci。Ci值愈大，變電站的選址越理想；反之，則越不理想。

(13)

4 算例驗證

以廣州南沙經濟技術開發區某新建變電站為例，通過變電站選址模型找出適合的待建地址，驗證本文中模型的有效性。

利用第1章中的模型，結合式(1)—式(3)，通過GIS系統找出滿足變電站建設預算總成本的待建位置，且供電負荷半徑為最大，通過建模計算得到3個待建地址，其對應的經濟成本和供電負荷半徑見表1。

表1 待建地址經濟成本和負荷半徑參數Tab.1 Economic cost and load radius parameters of site to be built

注：變電站的總預算為5 000 萬元。

從表1可以看出，若單從建設成本角度考慮，變電站的選址優先級為：T2>T1>T3；若單從供電負荷半徑監督考慮，變電站的選址優先級為：T1>T2>T3。因此，從不同角度考慮，最后得到的變電站選址位置不同。

利用第變電站選址綜合評價模型，在3個待選位置中選出最佳的變電站建址位置。

首先是評價指標的賦值和標準化，利用式(4)、式(5)可以得到不同位置下的變電站選址綜合評價指標信息見表2。

表2 變電站選址綜合評價指標信息Tab.2 Comprehensive evaluation index information of substation location

再利用式(6)—式(10)，能夠得到不同指標的變權權重大小為：ω=(0.151，0.132，0.111，0.121，0.101，0.081，0.101，0.100，0.102)。

利用式(11)—式(13)，可以得到不同待選變電站待選地址的正負歐式距離和評價貼近度，具體見表3。

表3 變電站選址綜合評價結果Tab.3 Comprehensive evaluation results of substation site selection

由表3可知，變電站的建址優先級為：T1>T2>T3，因此，最后的變電站選址最佳位置為T2，T2位置的供電負荷半徑雖然較T1小，但其各項綜合評價指標較T1優，所以其最終的綜合評價結果也為最優，因此上述評價模型符合實際情況。實際變電站的建址位置也為T1位置，仿真與實際結果一致。

5 結語

變電站的選址合理性將直接關于到電網的架構堅強性和供電可靠性，對于變電站的選址問題研究一直是電力系統的重點之一。本文將變電站的選址模型和GIS系統相結合，利用GIS系統能夠全方位掌握到待建區域的所有影響因素，合理利用GIS系統，能夠為變電站的選址模型帶來較大的改進。本文解決了選址模型出現多解的情況，在GIS系統應用的基礎上，提出變電站選址綜合評價模型，能夠在多待選地址的基礎上，找出最佳的變電站選擇地址，實際仿真算例也驗證了本文模型的有效性。