配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃分析及技術(shù)發(fā)展研究

顧思慶

[摘要]文章在討論分析了配電網(wǎng)規(guī)劃在實(shí)踐應(yīng)用中的步驟、方法、關(guān)鍵點(diǎn)及目前存在的主要難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對近年來國內(nèi)基于地理信息系統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃思路及空間負(fù)荷預(yù)測方法兩大研究熱點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)勢綜述和理論成果分析，探討了配電網(wǎng)規(guī)劃的GIs平臺(tái)理論研究方案，運(yùn)用于工程實(shí)際中的急需解決的技術(shù)問題及今后的發(fā)展前景。

[關(guān)鍵詞]配電網(wǎng)規(guī)劃地理信息系統(tǒng)空間負(fù)荷預(yù)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

O引言

配電系統(tǒng)的規(guī)劃是供電企業(yè)規(guī)劃活動(dòng)中的基本環(huán)節(jié)，配電網(wǎng)的規(guī)劃質(zhì)量直接影響到配網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)水平及投資效益，其對于降低網(wǎng)損、提高可靠性和保障電能質(zhì)量的影響不亞于配電網(wǎng)的運(yùn)行管理，因此說，配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)的發(fā)展對整個(gè)電力的發(fā)展至關(guān)重要。由于配電網(wǎng)規(guī)劃是非常復(fù)雜的工程問題，需要考慮諸多因素，因此實(shí)際規(guī)劃中多數(shù)還是依靠人工及CAD制圖工具完成，也有部分地區(qū)嘗試在規(guī)劃過程中的某些步驟采用軟件完成，但依然需要耗費(fèi)大量的人力物力，而且在眾多可選方案及制約因素下，很難找到一個(gè)最優(yōu)方案。

近年來，地理信息系統(tǒng)(Geographic InformationSystem，簡稱GIS)在我國電力系統(tǒng)中的開發(fā)應(yīng)用，為建立高效、實(shí)用的配網(wǎng)規(guī)劃體系提出了新的課題。另一方面，空間負(fù)荷預(yù)測方法由于其在預(yù)測負(fù)荷量的同時(shí)，也能預(yù)測出負(fù)荷的增長位置，使其越來越受到預(yù)測者的青睞。目前，已有不少基于GIS的電網(wǎng)規(guī)劃軟件包及智能決策支持系統(tǒng)的產(chǎn)生，這些理論研究對于計(jì)算機(jī)應(yīng)用于配電網(wǎng)規(guī)劃有著重要意義，但由于配電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)本身在國內(nèi)還處于起步階段，基于該系統(tǒng)的配網(wǎng)規(guī)劃在實(shí)際中尚處于探索、研究及試點(diǎn)階段。

1配電網(wǎng)規(guī)劃的發(fā)展現(xiàn)狀、主要內(nèi)容及存在問題

配電網(wǎng)規(guī)劃按照電壓等級可以分為高、中、低壓三類，其中的中、低壓配電網(wǎng)規(guī)劃在國內(nèi)開展較晚，相對主網(wǎng)規(guī)劃而言，配網(wǎng)規(guī)劃尚待完整。

1.1配電網(wǎng)規(guī)劃的主要內(nèi)容

無論以人工為主進(jìn)行的配網(wǎng)規(guī)劃還是以軟件系統(tǒng)協(xié)助參與的配電網(wǎng)規(guī)劃，其內(nèi)容必然包括配網(wǎng)現(xiàn)狀分析、負(fù)荷預(yù)算、技術(shù)原則的確定、建設(shè)改造規(guī)劃方案確定、投資估算于經(jīng)濟(jì)評價(jià)幾個(gè)方面，其細(xì)節(jié)及關(guān)鍵點(diǎn)如下：

(1)配電網(wǎng)現(xiàn)狀分析

該過程主要通過收集配網(wǎng)的設(shè)備及運(yùn)營數(shù)據(jù)，完成配網(wǎng)現(xiàn)狀的分析。主要包括配電網(wǎng)整體營運(yùn)指標(biāo)計(jì)算及分析、配電網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量及年限統(tǒng)計(jì)、配網(wǎng)電源的負(fù)載率情況、1OkV出線間隔的利用率情況、中壓配網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行情況、中壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。通過以上內(nèi)容的分析，得出配網(wǎng)的高電壓布點(diǎn)是否合理、供電半徑是否滿足要求、負(fù)荷分布是否合理、設(shè)備的狀況等結(jié)論，從而確定規(guī)劃期的改造目標(biāo)及方向。

(2)規(guī)劃期的負(fù)荷預(yù)算

主要包括電量和最大負(fù)荷總量預(yù)測、負(fù)荷地理分布預(yù)測兩個(gè)方面。前者用于衡量高壓電源總量規(guī)劃的合理性和初步測算規(guī)劃期內(nèi)需新建輸變電設(shè)施的規(guī)模；后者確定城市各供電區(qū)域規(guī)劃期內(nèi)的負(fù)荷增長情況，是高壓電源供電分區(qū)劃定、線路布置和供電范圍確定的依據(jù)，在實(shí)踐中目前多采用空間負(fù)荷預(yù)測的思路完成。

(3)規(guī)劃技術(shù)原則的確定

一般以上級確定的技術(shù)原則為基礎(chǔ)，綜合規(guī)劃區(qū)實(shí)際情況，從配網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、架空及電纜線路的選型、變壓器及開關(guān)設(shè)備選型、二次系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求等方面確定技術(shù)細(xì)則。

(4)電網(wǎng)建設(shè)改造規(guī)劃

這是目前配電網(wǎng)規(guī)劃的重中之重，具體要進(jìn)行高壓變電站選址、定容量及供電區(qū)域劃分，之后進(jìn)行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的規(guī)劃和優(yōu)化，然后提出分年度具體的建設(shè)和改造項(xiàng)目，最后進(jìn)行相應(yīng)地地理接線圖的繪制。

1.2配電網(wǎng)規(guī)劃中存在的主要問題和難點(diǎn)

(1)規(guī)劃數(shù)據(jù)收集的困難

隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，配網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)越來越龐大，更新速度快，每次規(guī)劃均需要花費(fèi)大量的時(shí)間及人力整理相關(guān)資料。配電網(wǎng)規(guī)劃主要涉及配網(wǎng)設(shè)備的裝備及運(yùn)行數(shù)據(jù)、規(guī)劃區(qū)域的用電及負(fù)荷數(shù)據(jù)、規(guī)劃區(qū)域的市政規(guī)劃資料、規(guī)劃區(qū)的國民經(jīng)濟(jì)類數(shù)據(jù)等，其中數(shù)據(jù)量最大的為配網(wǎng)設(shè)備的裝備及運(yùn)行數(shù)據(jù)。該部分?jǐn)?shù)據(jù)的收集整理占用大量時(shí)間。

(2)空間負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確性有待提高

配網(wǎng)規(guī)劃負(fù)荷預(yù)測中總量預(yù)測的方法和技術(shù)經(jīng)過多年的實(shí)踐已較為成熟，而作為配網(wǎng)規(guī)劃核心的空間負(fù)荷預(yù)測方法由于既要預(yù)測負(fù)荷的量還要預(yù)測負(fù)荷的增長位置，在城市用地類型變化頻繁、配網(wǎng)負(fù)荷發(fā)展較為復(fù)雜的情況下，其準(zhǔn)確性受多種條件制約。

(3)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化困難

網(wǎng)架規(guī)劃的目的是根據(jù)規(guī)劃期內(nèi)的負(fù)荷水平及電源規(guī)劃確定相應(yīng)的最佳配網(wǎng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)性、可靠性要求。因此，配網(wǎng)規(guī)劃是一個(gè)具有多目標(biāo)性、不確定性、非線性和多階段性的復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化問題，求解困難。

2基于GIS平臺(tái)進(jìn)行配網(wǎng)規(guī)劃的優(yōu)勢

配電GIS是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將配電網(wǎng)絡(luò)的分布、屬性及實(shí)時(shí)信息按其實(shí)際地理位置描述在地理背景上，形成的集查詢、統(tǒng)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)、分析、管理等多種功能于一體的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。利用GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)分析的拓補(bǔ)功能來處理配電系統(tǒng)與空間有關(guān)的信息，不僅能夠極大地方便規(guī)劃數(shù)據(jù)的獲取、處理，提高規(guī)劃人員的效率，而且規(guī)劃過程和結(jié)果也更加直觀、更具交互性。以下是GIS平臺(tái)上進(jìn)行配電網(wǎng)規(guī)劃的主要優(yōu)勢：

2.1配電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢

面對越來越密集的電網(wǎng)、復(fù)雜的電力設(shè)備、時(shí)刻變化的負(fù)荷信息、不斷變遷的道路和建筑，GIS為我們提供了各種圖形、地圖、數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一共享的平臺(tái)。GIS數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)了用于進(jìn)行系統(tǒng)各部分分析和顯示的空間及屬性數(shù)據(jù)，對于配網(wǎng)規(guī)劃中所需的配電網(wǎng)、變電站及設(shè)備、用戶等大量數(shù)據(jù)，如果結(jié)合地理環(huán)境，采用空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，可以使數(shù)據(jù)管理更加直觀、有效，規(guī)劃結(jié)果更具實(shí)際意義，從而大大減輕規(guī)劃人員的工作量。

2.2配網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)行情況分析優(yōu)勢

科學(xué)的決策在某種程度上依賴于決策者所掌握的信息量的大小。GIS可以最大限度地將有關(guān)信息集成起來，從而為電力系統(tǒng)決策人員提供一個(gè)多元化的決策依據(jù)。在規(guī)劃地址及預(yù)測中涉及諸多關(guān)聯(lián)因素，如資源、人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、負(fù)荷情況、用戶報(bào)裝情況等，它們都與地理系統(tǒng)有關(guān)。將GIS作為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)規(guī)劃的數(shù)據(jù)分析、管理功能的工具，通過與其他系統(tǒng)，如SCADA、MIS、用電營業(yè)系統(tǒng)、配變監(jiān)測儀等接口有效地組織數(shù)據(jù)信息，從而方便運(yùn)行數(shù)據(jù)的整理、分析，使規(guī)劃更貼近實(shí)際。

2.3配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、自動(dòng)布線優(yōu)勢

地理信息系統(tǒng)是配網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化得以實(shí)現(xiàn)的重要前提：在GIS平臺(tái)上采用人工智能的搜索算法以求解網(wǎng)架優(yōu)化問題，由于GIS空間分析功能，在變電站選址尋優(yōu)過程中，可以有效避開障礙物；另一方面，利用GIS進(jìn)行配電網(wǎng)規(guī)劃可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)規(guī)劃的可視化、自動(dòng)化，

而且能直接得到網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案的地理接線圖，從而將網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與圖形輸出緊密結(jié)合。

近年來，國內(nèi)很多學(xué)者在GIS規(guī)劃平臺(tái)理論研究方面取得了一定突破。文獻(xiàn)[1]結(jié)合地理信息的空間特性與人工智能兩者的優(yōu)點(diǎn)，詳細(xì)論述了用于配網(wǎng)規(guī)劃的智能決策支持系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組合，為GIS平臺(tái)下配網(wǎng)規(guī)劃提出了研究方向。文獻(xiàn)[2]以文獻(xiàn)[1]為基礎(chǔ)，討論了在地理信息系統(tǒng)環(huán)境中，采用遺傳算法尋找最優(yōu)布線路徑的數(shù)學(xué)模型及算法。文獻(xiàn)[3]采用一種基于空間GIS的變長度符號(hào)編碼策略來表示線路的結(jié)構(gòu)，以最短路徑法形成初始網(wǎng)架；并采用具有禁忌搜索思想的TS算法對初始網(wǎng)架進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[4]、[5]、[6]分別運(yùn)用空間GIS和人工智能優(yōu)化算法對城市中壓配電網(wǎng)輻射型、多分段多聯(lián)絡(luò)、帶開閉所接線模式下的自動(dòng)布線進(jìn)行了深入研究，并通過算例驗(yàn)證了該方法的可行性。在實(shí)際城網(wǎng)中，一般是幾種接線模式并存的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的自動(dòng)布線目前尚未見到解決的有效方式。

3空間負(fù)荷預(yù)測方法的研究成果

實(shí)踐表明，空間負(fù)荷預(yù)測方法是眾多預(yù)測方法中最適宜于配網(wǎng)規(guī)劃的方法之一，但由于配網(wǎng)自動(dòng)化尚未發(fā)展成熟，使配網(wǎng)的數(shù)據(jù)積累基礎(chǔ)較差，從而制約了該方法的預(yù)測準(zhǔn)確性，在這方面很多學(xué)者也進(jìn)行了不同角度的研究和改進(jìn)。文獻(xiàn)[7]將模糊推理方法用于空間負(fù)荷預(yù)測的小區(qū)用地適應(yīng)性和優(yōu)劣分析中，建立了能夠充分體現(xiàn)專家決策的基于模糊集理論的城市土地開發(fā)和土地改造預(yù)測的基本原理，為預(yù)測中確定小區(qū)土地開發(fā)時(shí)間和使用性質(zhì)提供了系統(tǒng)的方法。文獻(xiàn)[8]對影響空間負(fù)荷預(yù)測的不確定因素進(jìn)行了詳細(xì)分類，將空間負(fù)荷分解為基礎(chǔ)分布和事件分布的疊加，并針對大事件出現(xiàn)時(shí)間和位置的不確定性，提出了多方案預(yù)測法，改進(jìn)了用地最優(yōu)分配模式，從而解決了城市改造中的不確定性問題。文獻(xiàn)[9]通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)訓(xùn)練使從專家獲取的模糊規(guī)則庫更符合每個(gè)地區(qū)的實(shí)際地理情況，得出的小區(qū)用地評分更加合理。

4基于GIs的配電網(wǎng)規(guī)劃的實(shí)踐應(yīng)用建議

由第三部分介紹的情況來看，目前基于GIS平臺(tái)的配網(wǎng)規(guī)劃研究多集中于網(wǎng)架優(yōu)化、自動(dòng)布線方面，且在該方面也未能全面應(yīng)付實(shí)際規(guī)劃中的復(fù)雜情況，故研究成果也還未能廣泛應(yīng)用。另一方面，從GIS系統(tǒng)本身的實(shí)踐情況來看，目前國內(nèi)部分地區(qū)開發(fā)的配網(wǎng)GIS系統(tǒng)由于資料量大、更新快等原因，暫時(shí)還沒有非常成功的例子，要真正應(yīng)用規(guī)劃軟件進(jìn)行輔助規(guī)劃，前提之一是有較為成熟的GIS系統(tǒng)，并能夠保證GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的及時(shí)更新及完整、正確，前提之二是在空間負(fù)荷預(yù)測及網(wǎng)架優(yōu)化等開發(fā)出較為實(shí)用的算法及配套規(guī)劃軟件。

在目前形勢下，應(yīng)該以規(guī)劃試點(diǎn)的模式對基于GIS平臺(tái)的配網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行嘗試，建議可以如下方式展開：

(1)軟件的試點(diǎn)必須在開發(fā)有GIs系統(tǒng)，并且相對管理應(yīng)用較為成熟的地區(qū)進(jìn)行。同時(shí)規(guī)劃軟件必須能夠很好地與GIS系統(tǒng)整合。

(2)由于現(xiàn)階段還沒成熟的基于GIS的規(guī)劃軟件，故建議采用試點(diǎn)的方式，供電部門與科研單位進(jìn)行合作開發(fā)，根據(jù)應(yīng)用情況不斷進(jìn)行軟件的改進(jìn)。

(3)進(jìn)行軟件開發(fā)試點(diǎn)的時(shí)候，配合相關(guān)工作崗位的設(shè)置試點(diǎn)及人員的規(guī)劃理論等培訓(xùn)。

(4)目前中壓配電網(wǎng)規(guī)劃的難點(diǎn)在于準(zhǔn)確的空間負(fù)荷預(yù)測及10kV線路的自動(dòng)布線。在自動(dòng)布線不成熟的時(shí)候，可以通過GIS平臺(tái)給出一些布線的走向建議，提供人工布線的工具，重點(diǎn)則實(shí)現(xiàn)對規(guī)劃布線方案的效果分析上。

(5)在基于GIS的規(guī)劃軟件未真正成熟之前，即使不能夠利用其進(jìn)行完整的規(guī)劃，仍然可以利用規(guī)劃軟件中的成熟部分，輔助進(jìn)行一部分的規(guī)劃工作，然后隨軟件的升級及成熟，逐步加大軟件的應(yīng)用及在規(guī)劃中的使用比例。

5結(jié)束語

本文從配網(wǎng)規(guī)劃的應(yīng)用需求出發(fā)，從規(guī)劃平臺(tái)和預(yù)測方法兩個(gè)配網(wǎng)規(guī)劃中的關(guān)鍵點(diǎn)切入，著重分析了利用GIS平臺(tái)進(jìn)行配網(wǎng)規(guī)劃的迫切性及已有的理論研究成果，重點(diǎn)討論了將GIS平臺(tái)引入實(shí)際規(guī)劃過程的技術(shù)準(zhǔn)備及應(yīng)用策略。今后，以配網(wǎng)地理信息為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)的配網(wǎng)規(guī)劃方案，應(yīng)該成為配網(wǎng)規(guī)劃的方向和主流，而空間負(fù)荷預(yù)測方法也因其實(shí)用性而成為配電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測的核心方法，這兩大主題的成果實(shí)踐是理論研究人員與規(guī)劃實(shí)踐人員共同努力的方向。

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