基于地理信息系統(tǒng)技術的大規(guī)模地塊負荷統(tǒng)計方法

馮華然，庾力維，何敬開，梁錫亮，蔡昭群

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000；2.廣州依萊科電力科技有限公司，廣東 廣州 510630)

隨著電網(wǎng)發(fā)展，配電網(wǎng)規(guī)劃、供電部門日常負荷管理等工作日益精細化。空間負荷預測[1-2]作為配電網(wǎng)規(guī)劃和負荷管理的基礎，其預測的精細度、準確性要求越來越高。目前不少地區(qū)已逐漸普及以網(wǎng)格[3-4]、地塊[5-6]為單位進行空間負荷預測。而現(xiàn)狀負荷統(tǒng)計是負荷預測的基礎，無論是短期負荷預測、中期負荷預測、遠期飽和負荷預測均需對比參照現(xiàn)狀負荷數(shù)據(jù)。因此，準確統(tǒng)計地塊現(xiàn)狀負荷，對配電網(wǎng)規(guī)劃和負荷管理意義重大。

目前供電部門現(xiàn)有各數(shù)據(jù)系統(tǒng)可方便地查詢、統(tǒng)計省、市、鎮(zhèn)等各級行政單位負荷、各變電站負荷、線路負荷、變壓器負荷、電表負荷，但無記錄、查詢地塊負荷。目前規(guī)劃管理人員統(tǒng)計地塊現(xiàn)狀負荷往往依賴于人工，常用的主要有以下2種估算方法：

a)配用變壓器(以下簡稱“配變”)負載率法。通過統(tǒng)計現(xiàn)狀地塊內(nèi)各行業(yè)配變?nèi)萘浚烁餍袠I(yè)配變實際平均負載率[7]，結(jié)果求和再乘同時率得出地塊現(xiàn)狀負荷。該方法需人工逐個地塊統(tǒng)計配變?nèi)萘?，當?shù)貕K數(shù)量多時，該工作量巨大。該方法默認同一行業(yè)的配變采用相同的負載率，同時率取值受主觀影響較大。

b)線路負荷分配法。通過統(tǒng)計現(xiàn)狀地塊內(nèi)各配變?nèi)萘考捌渌鶎?0 kV線路，按各回路10 kV線路位于該地塊內(nèi)的配變?nèi)萘空荚摼€路總配變?nèi)萘康谋壤?，?0 kV線路負荷分配到各地塊，從而得出各地塊現(xiàn)狀負荷。該方法需人工逐個地塊統(tǒng)計配變?nèi)萘亢退鶎倬€路，當?shù)貕K數(shù)量多時，該工作量巨大。該方法默認同一線路的配變采用相同的負載率，同時率取值受主觀影響較大。

傳統(tǒng)統(tǒng)計方法較多依賴于人工，不適合大規(guī)模統(tǒng)計。為此，本文提出一種基于地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)[8-9]技術的統(tǒng)計方法。該方法通過GIS平臺確定配變與地塊的耦合關系，無需人工逐個地塊統(tǒng)計，適用于大規(guī)模地塊現(xiàn)狀負荷統(tǒng)計，可有效提高統(tǒng)計效率。該方法顆粒度精細至配變，各配變最大負荷均由計量自動化系統(tǒng)[10-11]導出，通過負荷曲線疊加計算地塊負荷，擺脫了傳統(tǒng)統(tǒng)計方法中配變負載率一刀切和同時率主觀取值影響，可有效提高統(tǒng)計結(jié)果可靠性。

1 總體方法流程

本文所提出的基于GIS技術的大規(guī)模地塊現(xiàn)狀負荷統(tǒng)計方法流程如圖1所示。

圖1 總體方法流程Fig.1 Overall method flow

基于GIS技術的大規(guī)模地塊現(xiàn)狀負荷統(tǒng)計方法流程為：

a)根據(jù)政府規(guī)劃部門提供的總規(guī)和控規(guī)資料，利用MapInfo軟件，建立地塊GIS信息數(shù)據(jù)庫。

b)將配變坐標轉(zhuǎn)換[12-13]為GIS信息數(shù)據(jù)庫所用坐標，利用MapBasic編程對MapInfo軟件進行二次開發(fā)[14-15]，增加配變與地塊耦合功能，實現(xiàn)配變與地塊的耦合。

c)確定地區(qū)和配變的行業(yè)，提取主要行業(yè)日負荷曲線[16-17]和配變最大負荷，進而模擬出各配變?nèi)肇摵汕€。

d)將各地塊內(nèi)配變?nèi)肇摵汕€進行疊加得出各地塊日負荷曲線，從中提取地塊最大負荷。

2 建立地塊GIS信息數(shù)據(jù)庫

2.1 MapInfo平臺

建立地塊GIS信息數(shù)據(jù)首先需要GIS平臺，如本文采用的MapInfo軟件。MapInfo可以將地塊面積、用地屬性、容積率、地塊配變?nèi)萘?、負荷水平等?shù)據(jù)在GIS平臺上記錄、匯總,形成各種地理分布專題圖，方便規(guī)劃人員查看、統(tǒng)計任意范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，專題圖如圖2所示。

圖2 MapInfo地塊信息統(tǒng)計Fig.2 Information statistics of land parcel in MapInfo

2.2 建立地塊GIS信息數(shù)據(jù)庫

政府規(guī)劃部門提供的總規(guī)和控規(guī)地塊信息一般為CAD文件或mdb數(shù)據(jù)庫文件，需要先整理原始資料，提取有用數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)換為MapInfo TAB文件，最后處理TAB文件字段、圖層，導入地塊信息形成地塊GIS數(shù)據(jù)庫，如圖3所示。

3 配變與地塊耦合

3.1 配變坐標轉(zhuǎn)換和導入GIS數(shù)據(jù)庫

首先從供電部門營銷系統(tǒng)[18]提取各配變坐標數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)坐標數(shù)據(jù)通常為WGS84大地坐標，需統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為GIS數(shù)據(jù)庫所用坐標(一般為平面坐標)。

圖3 地塊GIS信息數(shù)據(jù)庫Fig.3 GIS information database of land parcel

對于范圍較廣的地區(qū)坐標轉(zhuǎn)換，如某市配變坐標轉(zhuǎn)換，可采用七參數(shù)法轉(zhuǎn)換，以降低誤差?？蓮膰敛块T直接獲取轉(zhuǎn)換參數(shù)，或者獲取若干控制點坐標自行計算七參數(shù)。

利用MapInfo的創(chuàng)建點功能，將配變導入MapInfo形成配變點，1個配變1個點，如圖4所示。

圖4 配變導入GIS數(shù)據(jù)庫Fig.4 Import of distribution transformer into GIS database

3.2 配變與地塊耦合

GIS數(shù)據(jù)庫中可清楚顯示配變位置、所在地塊，但要查看所在地塊編號還需要單獨點開查看地塊信息，這樣顯然效率太低。

通過MapBasic編程對MapInfo軟件進行二次開發(fā)，增加配變與地塊耦合功能，可批量實現(xiàn)配變與地塊的耦合，精準大批量確定配變所在地塊。

3.2.1 MapBasic與二次開發(fā)

MapBasic是MapInfo軟件的二次開發(fā)工具，運行于MapInfo環(huán)境下的編程語言，語法與Basic相似，可用于擴展MapInfo軟件功能，實現(xiàn)程序的自動重復操作。MapBasic具有功能很強的內(nèi)含地理特性的語句和函數(shù)，利用它可以完成很多有關圖元地理特性的復雜運算和操作，并且支持多種技術標準，易與其他應用軟件互通、集成，便于集成二次開發(fā)。

目前GIS二次開發(fā)主要有獨立開發(fā)、單純二次開發(fā)和集成二次開發(fā)3種方式。其中單純二次開發(fā)是指利用GIS平臺提供的二次開發(fā)工具，直接在該GIS平臺上進行開發(fā)，開發(fā)出的功能、插件直接運行于該GIS平臺。此方法開發(fā)周期短，省時省力，本文采用單純二次開發(fā)方式實現(xiàn)配變與地塊的耦合。

3.2.2 配變與地塊耦合功能開發(fā)

地理運算符[19]能夠根據(jù)某些對象與其他對象的空間關系來選中。MapInfo有1個能用于地理運算符的特殊列名：“obj”或“object”。此列名引用與表相連接的圖形對象，地理運算符作用于所指定的對象?？蓳?jù)此判斷配變所屬地塊，具體實現(xiàn)步驟如下：

a)判斷打開的圖層是否為2個(地塊圖層、配變圖層)，如果不是則提示用戶打開這2個圖層，程序停止往下執(zhí)行。

b)檢測地塊圖層是否含有線、弧等非區(qū)域圖元，如果是，則提示用戶，程序停止往下執(zhí)行。

c)設置內(nèi)部坐標系，以便程序能夠在MapInfo上準確運行。

d)將配變圖層的“所屬地塊”字段清空。

e)逐個計算配變所屬地塊。利用MapBasic的地理運算符intersects計算配變所屬地塊。

f)若配變不在任何地塊中，則建立緩沖區(qū)放寬條件再查找。以配變所在位置為中心建立緩沖區(qū)，緩沖區(qū)半徑從2 m開始，搜索該緩沖區(qū)是否與某地塊相交，如果搜索不到任何地塊則緩沖區(qū)半徑增加2 m，直到半徑為200 m為止。

g)如果配變或其緩沖區(qū)與某一地塊相交，則將該地塊的編碼寫入該配變的“所屬地塊”字段。

4 模擬配變?nèi)肇摵汕€并統(tǒng)計地塊負荷

理論上要統(tǒng)計地塊現(xiàn)狀最大負荷，只需將地塊內(nèi)全部配變負荷曲線疊加取最大值即可,但配變負荷數(shù)據(jù)來源于計量自動化系統(tǒng)，其采樣周期為15 min，每臺配變每年采樣52.56萬次。以某市為例，全市共約8萬臺配變，則合共采樣約420億次，且該市共規(guī)劃5萬多個地塊。對于規(guī)劃人員，要從計量自動化系統(tǒng)提取如此巨量的數(shù)據(jù)，并按地塊進行疊加分析顯然是不現(xiàn)實的。

本文提出利用各配變最大負荷和各行業(yè)日負荷曲線，模擬各配變?nèi)肇摵汕€進行疊加統(tǒng)計地塊負荷。

根據(jù)計量自動化系統(tǒng)的電量和負荷統(tǒng)計數(shù)據(jù)，確定地區(qū)主要行業(yè)分類。系統(tǒng)現(xiàn)有行業(yè)分類[20]200多個，理論上行業(yè)分類越精細，則統(tǒng)計結(jié)果越準確；但考慮到實際可操作性問題，可以將性質(zhì)相近的行業(yè)合并，最終合并出少量主要的行業(yè)分類。

部分配變可能包含多種類型負荷，但這部分負荷沒有明確的數(shù)據(jù)來源，現(xiàn)有技術條件下無法大規(guī)模精確統(tǒng)計。按照運行經(jīng)驗，這部分負荷很小，對于大規(guī)模的統(tǒng)計可忽略不計。如果是局部區(qū)域少量地塊統(tǒng)計，可細化分析低壓負荷性質(zhì)，使統(tǒng)計結(jié)果更精確。

從計量自動化系統(tǒng)可導出上文主要行業(yè)分類的日負荷曲線。該日負荷曲線既要能夠準確反映該類負荷日負荷特性，又要盡量精簡數(shù)據(jù)以提高后期數(shù)據(jù)處理效率，日負荷曲線的采樣周期需要在兩者之間取得平衡。負荷曲線縱軸統(tǒng)一以各點負荷相對于最大負荷的比值來表示。

從計量自動化系統(tǒng)可提取各配變所屬行業(yè)，按上文分類原則歸類到各主要行業(yè)。從計量自動化系統(tǒng)后臺可導出各配變最大負荷。各配變最大負荷乘所屬主要行業(yè)日負荷曲線對應數(shù)據(jù)即可模擬得出各配變?nèi)肇摵汕€。

根據(jù)之前確定的配變與地塊的耦合關系，把同一地塊內(nèi)的配變?nèi)肇摵汕€疊加即可得出各地塊的日負荷曲線，取其中最大值即為地塊現(xiàn)狀最大負荷值。

5 實例分析

5.1 實例計算

以某市2018年配電網(wǎng)為例，采用本文所提出的方法統(tǒng)計全市各地塊負荷現(xiàn)狀。

首先通過MapInfo建立全市地塊GIS信息數(shù)據(jù)庫，把全部配變通過坐標匹配導入MapInfo，然后使用二次開發(fā)的配變與地塊耦合功能，確定各配變所屬地塊，如圖5所示。

圖5 確定配變所屬地塊Fig.5 Determination of land parcel of distribution transformer

將該市各行業(yè)劃分為居民、商業(yè)、辦公、電氣機械及設備制造業(yè)、電子信息制造業(yè)、紡織服裝鞋帽制造業(yè)、食品飲料及煙草制造業(yè)、造紙及紙制品業(yè)、玩具及文體用品制造業(yè)、木材加工及制品和家具制品業(yè)、化工制品制造業(yè)、包裝印刷業(yè)、金屬制造業(yè)、非金屬制造業(yè)、其他制造業(yè)和其他共16個主要行業(yè)。將該市全部配變歸類到該16個主要行業(yè)中。

從計量自動化系統(tǒng)導出該16個主要行業(yè)日負荷曲線，采樣周期為1 h，如圖6所示。

通過主要行業(yè)日負荷曲線和各配變最大負荷，模擬計算各配變?nèi)肇摵汕€，計算結(jié)果見表1。

利用配變與地塊的耦合關系，疊加各地塊內(nèi)的配變?nèi)肇摵汕€，得出各地塊的日負荷曲線，計算結(jié)果見表2。各地塊日負荷曲線的最大值即為該地塊的現(xiàn)狀最大負荷值。

利用該方法統(tǒng)計的各地塊現(xiàn)狀負荷，已經(jīng)結(jié)合GIS平臺，應用于該市供電局規(guī)劃部門日常工作中，包括地塊和網(wǎng)格負荷管理、用戶報裝管理、10 kV線路及變電站供電范圍劃分、變電站布點規(guī)劃、網(wǎng)架規(guī)劃等。

5.2 效率分析

該市2018年共有10 kV配變79 918臺，從政府規(guī)劃部門獲取各地區(qū)總規(guī)和控規(guī)，合計地塊51 174個。約8萬臺配變分布在5萬多個地塊上，無論配變數(shù)量還是地塊數(shù)量均規(guī)模巨大，依靠傳統(tǒng)方法人工篩查各地塊所含配變?nèi)萘?，進而統(tǒng)計地塊現(xiàn)狀負荷，顯然效率太低。對比傳統(tǒng)方法和本文方法統(tǒng)計該市全市地塊現(xiàn)狀負荷所需時間，結(jié)果見表3。其中配變負載率法所需工時根據(jù)以往經(jīng)驗按每個地塊1 min估算，線路負荷分配法所需工時根據(jù)以往經(jīng)驗按每個地塊1.2 min估算，本文方法所需工時為實際操作真實數(shù)據(jù)。

圖6 主要行業(yè)日負荷曲線Fig.6 Daily load curves of main industries

表1 配變?nèi)肇摵蒚ab.1 Daily load curves of distribution transformers

由表3對比結(jié)果可知：與傳統(tǒng)方法相比，本文基于GIS技術的方法對于該市地塊負荷統(tǒng)計可節(jié)約75%～79%工時，按每天8 h計算約節(jié)省工作日149～189 d，按3人項目小組計算則可將工期從67～80 d縮減為17 d，工作效率有明顯提升。

5.3 可靠性分析

以某供電區(qū)域為例，區(qū)域1以商業(yè)、辦公負荷為主，區(qū)域2以居民負荷為主，區(qū)域3以工業(yè)負荷為主，現(xiàn)狀由3座變電站共10回10 kV線路對該區(qū)域供電,各區(qū)域用地性質(zhì)如圖7所示。

將利用本文方法對各區(qū)域的計算結(jié)果導入MapInfo，統(tǒng)計如圖8所示。

比較本文方法與傳統(tǒng)方法的結(jié)果見表4，計算結(jié)果誤差在0.4 MW以內(nèi)，誤差極小。本文方法顆粒度精細至配變，各配變最大負荷均由計量自動化系統(tǒng)導出，利用負荷曲線疊加計算地塊負荷，擺脫了傳統(tǒng)統(tǒng)計方法中配變負載率一刀切和同時率主觀取值影響，結(jié)果更加客觀，計算機技術代替大量人工統(tǒng)計可有效提高統(tǒng)計結(jié)果可靠性。

表2 地塊日負荷Tab.2 Daily load curves of land parcels

表3 統(tǒng)計地塊負荷效率分析Tab.3 Analysis of statistical land load efficiency

圖7 區(qū)域地塊用地屬性Fig.7 Land use properties of regional parcels

圖8 現(xiàn)狀負荷統(tǒng)計Fig.8 Current load statistics

表4 地塊負荷計算結(jié)果比較Tab.4 Comparisons of calculation results of land parcel load MW

6 結(jié)束語

本文提出一種基于GIS技術的大規(guī)模地塊現(xiàn)狀負荷統(tǒng)計方法，解決了傳統(tǒng)方法過度依賴人工統(tǒng)計和同時率主觀取值的缺點，彌補了現(xiàn)有供電部門各數(shù)據(jù)系統(tǒng)無統(tǒng)計地塊負荷的不足，有效提高大規(guī)模地塊現(xiàn)狀負荷統(tǒng)計效率和結(jié)果可靠性，為配電網(wǎng)精細化規(guī)劃和日常負荷精細化管理提供基礎，具有一定實用價值。