基于三維地理信息的配電網(wǎng)線路布局規(guī)劃方法

陳剛， 李冰， 魏弋然， 陳德高

(國網(wǎng)烏魯木齊供電公司， 新疆,烏魯木齊 830011)

0 引言

配電網(wǎng)與廣大人民群眾的生產(chǎn)和生活息息相關(guān)，是服務(wù)民生的重要公共基礎(chǔ)設(shè)施，能夠為我國建成社會主義現(xiàn)代化強國奠定堅實的基礎(chǔ)、促進“新常態(tài)”下經(jīng)濟社會發(fā)展具有支撐作用。配電網(wǎng)線路布局規(guī)劃的合理性有利于國家對電力系統(tǒng)的管理，提升電網(wǎng)運行效果，減少線路損耗，降低建設(shè)費用，提升配電網(wǎng)線路規(guī)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(wǎng)線路布局規(guī)劃方面取得了一定成果，但還存在一些弊端，如配電網(wǎng)線路規(guī)劃沒有與地理位置數(shù)據(jù)相結(jié)合，規(guī)劃方法的設(shè)計不夠全面，資源浪費嚴重，建設(shè)成本高等，因此急需找一種行之有效的配電網(wǎng)線路布局規(guī)劃方法。

三維地理信息系統(tǒng)(GIS)是一種重要的空間信息系統(tǒng)[3-5]。它是在計算機硬、軟件系統(tǒng)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(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的系統(tǒng)。將GIS系統(tǒng)應用在配電網(wǎng)線路布局規(guī)劃中，可以采集到更為直觀的數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)采集的準確性。為此本文提出基于三維地理信息的配電網(wǎng)線路布局規(guī)劃方法，這種方法既能夠節(jié)省配電網(wǎng)線路的總費用又降低配電網(wǎng)線路建設(shè)總成本的同時，又能加速配電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)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(wǎng)線路布局規(guī)劃方法

1.1 總體規(guī)劃方法設(shè)計

通過電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)庫[6]、變電所優(yōu)化布局、20 kV路線優(yōu)化規(guī)劃等步驟實現(xiàn)基于GIS的配電網(wǎng)線路布局規(guī)劃，總體規(guī)劃步驟如圖1所示。

圖1 基于GIS的配電網(wǎng)線路布局規(guī)劃步驟

分析圖1可知，基于GIS的配電網(wǎng)線路布局規(guī)劃步驟為用戶在GIS軟件平臺以及電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)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(nèi)容包括變電所容量分析評價結(jié)果、變電所優(yōu)化布局、變電所位置評價，經(jīng)過一系列分析工作，得到20kV線路規(guī)劃優(yōu)化結(jié)果，并將此結(jié)果通過GIS相關(guān)軟件反饋給用戶，以提升配電網(wǎng)線路布局規(guī)劃效果。

1.2 基于GIS的配電網(wǎng)變電所布局規(guī)劃

供給區(qū)位優(yōu)化問題(“空間位置—配置”問題)是配電網(wǎng)變電所優(yōu)化布局的基本問題[7]。進行配電網(wǎng)變電所優(yōu)化布局的目的在于使配電網(wǎng)變電所供電位置更加合理及完善，因此需要在配電網(wǎng)年費最小化的基礎(chǔ)上，明確配電網(wǎng)負荷需求和電源供給之間的關(guān)系，以此實現(xiàn)配電網(wǎng)變電所優(yōu)化布局。造成配電網(wǎng)變電所年費差異的主要原因是配電網(wǎng)變電所的數(shù)量、區(qū)位及容量在規(guī)劃范圍布置[8]。所以為了在該規(guī)劃范圍內(nèi)使電網(wǎng)的總負荷、新添高壓線路投入資本、電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)變電所的優(yōu)化數(shù)目m。

(2) 設(shè)置決策變量Xij，其描述如下

(1)

(3) 各配電網(wǎng)變電所的最優(yōu)區(qū)位(ui,vi),(i=1,2,…,m)。

利用配電網(wǎng)變電所的多目標優(yōu)化規(guī)劃模型來解決上述現(xiàn)象。電網(wǎng)的總負荷、新增電網(wǎng)線路總投資、電網(wǎng)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(wù)；符合配電網(wǎng)變電所最高容量限制[10-11]。其中，現(xiàn)有電網(wǎng)變電所的數(shù)量用ms表示。

利用評價函數(shù)法求解配電網(wǎng)變電所的多目標優(yōu)化規(guī)劃模型。對模型各目標分別設(shè)置一個權(quán)值，求解配電網(wǎng)的變電所最優(yōu)化問題，需要計算目標函數(shù)的權(quán)系數(shù)ωk>0，如式(4),

(4)

配電網(wǎng)變電所規(guī)劃各目標的重要程度用權(quán)系數(shù)表示，較高的權(quán)系數(shù)、較低的權(quán)系數(shù)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(shù)值量綱處理后確定權(quán)系數(shù)。

α-法，專家評估法、判斷矩陣法是確定權(quán)系數(shù)的幾種主要方法。α-法或?qū)＜以u估法主要是在目標函數(shù)維數(shù)k較小情況下確定權(quán)系數(shù)。判斷矩陣法主要是在目標函數(shù)維數(shù)k較大情況下確定權(quán)系數(shù)[13]。α-法是根據(jù)目標函數(shù)在可行域上的最低值，設(shè)置單獨輔助參數(shù)α，并通過求取一個線性方程組確定權(quán)系數(shù)。當目標函數(shù)維數(shù)k<2時，無法確保各權(quán)系數(shù)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(quán)系數(shù)[14]。過程如下。

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

(5)

下一步獲取專家對目標所賦予的權(quán)系數(shù)和其對應權(quán)系數(shù)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(quán)系數(shù)，反復以上流程以符合所有偏差要求。根據(jù)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(wǎng)線路布局規(guī)劃

基于配電網(wǎng)變電所規(guī)劃布局結(jié)果，對配電網(wǎng)線路優(yōu)化布局進行規(guī)劃，以某地區(qū)配電網(wǎng)年費最小作為目標函數(shù)，實現(xiàn)配電網(wǎng)線路規(guī)劃。

(1) 目標函數(shù)

以電網(wǎng)的年費為目標函數(shù)：

式中，F(xiàn)(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(wǎng)架結(jié)構(gòu)、變電站容載比、線路負載和最大電壓損耗等是配電網(wǎng)線路規(guī)劃的約束條件[15]。為了解決輻射狀配電網(wǎng)線路布局規(guī)劃問題。配電網(wǎng)線路布局規(guī)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(qū)配電網(wǎng)為實驗對象，驗證所設(shè)計的基于三維地理信息的配電網(wǎng)線路布局規(guī)劃方法的有效性。本次規(guī)劃的基礎(chǔ)年為2018年，遠景年為2025年。該配電網(wǎng)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(wǎng)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(guī)劃結(jié)果

利用本方法對該配電網(wǎng)2018年的6座變電所進行規(guī)劃，結(jié)果如圖2所示。

圖2顯示了采用本文方法規(guī)劃后的配電網(wǎng)變電所布局，結(jié)果顯示本文方法能夠很好地解決配電網(wǎng)變電所區(qū)位優(yōu)化問題，可實現(xiàn)配電網(wǎng)變電所規(guī)劃布局效果的最大化。

2.3 配電網(wǎng)線路布局規(guī)劃

為驗證本文方法的配電網(wǎng)線路布局規(guī)劃優(yōu)勢，分別采用本文方法與另外2種方法對該配電網(wǎng)進行線路規(guī)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(guī)劃后的配電網(wǎng)線路總長度與配電網(wǎng)線路總費用的結(jié)果如圖3、圖4所示。

表1 部分負荷點情況

圖3 布局規(guī)劃后線路總費用

圖4 布局規(guī)劃后線路總長度

在配電網(wǎng)線路布局規(guī)劃過程中需要考慮的因素很多，其中三維地理信息在山區(qū)以及其他地形比較復雜的區(qū)域架設(shè)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(qū)域的地形、地勢、氣候等條件，結(jié)合三維地理信息，進行配電網(wǎng)線路布局規(guī)劃。

分析圖3、圖4可知，本文方法布局的配電網(wǎng)線路建設(shè)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(yōu)化后的配電網(wǎng)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(jié)果表明本文方法的線路建設(shè)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(tǒng)，可以精準采集配電網(wǎng)線路相關(guān)數(shù)據(jù)的詳細信息，為后續(xù)配電網(wǎng)線路的規(guī)劃布局奠定基礎(chǔ)，因此能夠在有限的范圍內(nèi)最大程度節(jié)省線路長度和所需費用。

2.4 配電網(wǎng)線路布局規(guī)劃的經(jīng)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(guī)劃的線路布局方案分別命名為方案二、方案三。采用3種規(guī)劃方案對該配電網(wǎng)遠景年的120 kV變電所和配電網(wǎng)線路的整體規(guī)劃和投資預算進行分析。不同規(guī)劃方案的遠景年配電網(wǎng)線路規(guī)模統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

依據(jù)三種方案的遠景年配電網(wǎng)線路規(guī)模統(tǒng)計結(jié)果，獲取遠景年該配電網(wǎng)在不同規(guī)劃方案下所需電網(wǎng)的投資數(shù)據(jù)信息，如表3所示。

通過3個規(guī)劃方案的對比數(shù)據(jù)信息得出，方案一中該地區(qū)配電網(wǎng)遠景年投資是15786萬元，方案二、方案三中，該地區(qū)配電網(wǎng)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(jié)省投資2234萬元、4742萬元。實驗結(jié)果表明，本文方法可有效節(jié)省電網(wǎng)的投資成本，具備較好線路規(guī)劃效果，實際應用效果更好。

3 總結(jié)

制定與實施配電網(wǎng)建設(shè)改造計劃，是推動能源技術(shù)革命、帶動產(chǎn)業(yè)升級、實現(xiàn)電網(wǎng)行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的戰(zhàn)略性選擇，能夠為我國全面建成小康社會奠定堅實的基礎(chǔ)。

針對現(xiàn)階段配電網(wǎng)線路布局規(guī)劃的不合理問題，根據(jù)三維地理信息進行配電網(wǎng)線路布局規(guī)劃，通過實驗結(jié)果證明了該方法的實用性與經(jīng)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(huán)境的不穩(wěn)定性、模型的約束性等，以后可以對這一部分的內(nèi)容進行改進，能夠為我國建成社會主義現(xiàn)代化強國奠定堅實的基礎(chǔ)。

表2 不同規(guī)劃方案的遠景年配電網(wǎng)線路規(guī)模統(tǒng)計

表3 三種規(guī)劃方案遠景年投資對比