GIS和變權(quán)權(quán)重模型在變電站選址研究中的應(yīng)用

許立凱，丁連榮，劉朔銘

(國網(wǎng)天津市電力公司檢修公司，天津 300230)

變電站的建址對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)起到?jīng)Q定性的作用[1-5]。變電站位置選擇合適，電力系統(tǒng)網(wǎng)架就越堅固，系統(tǒng)受到小干擾的影響也越小，電網(wǎng)就能夠經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行；變電站位置選擇不當(dāng)，則系統(tǒng)中的小擾動就有可能逐漸放大，造成災(zāi)難性的后果，很難保證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。此外，變電站的位置對電能質(zhì)量也有重要影響。《城市電力網(wǎng)設(shè)計規(guī)劃導(dǎo)則》中指出，變電站的選址應(yīng)當(dāng)盡可能靠近負(fù)荷中心，否則電壓質(zhì)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(biāo)高宜高出幅度為1%的高水位之上，否則應(yīng)有可靠的防洪措施。

變電站的位置對自身及配電網(wǎng)輸電系統(tǒng)都有著較大的影響。變電站建設(shè)投資巨大，且變電站是配電輸電系統(tǒng)的電源點(diǎn)，變動變電站位置對配電系統(tǒng)吸負(fù)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(cè)出線路徑的選擇也會隨之出現(xiàn)問題，結(jié)果導(dǎo)致輸電線和饋線更長，費(fèi)用更高。

文獻(xiàn)[6]提出一種基于直流偏磁風(fēng)險指標(biāo)的變電站選址模型，較好地解決了直流偏磁風(fēng)險對變電站的影響；文獻(xiàn)[7]將云理論運(yùn)用在配電網(wǎng)絡(luò)變電站選址定容模型中，大量數(shù)據(jù)分析讓變電站的選址更加合理；文獻(xiàn)[8]將人工智能搜索算法應(yīng)用到變電站選址研究中；文獻(xiàn)[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(xiàn)[10]將GIS系統(tǒng)運(yùn)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(tǒng)對城市地理信息掌握的全面性特點(diǎn)，將其運(yùn)用在變電站的選址模型中，同時構(gòu)建變電站選址綜合評價模型，較好地解決了選址模型出現(xiàn)多解的情況，從而在基于GIS的變電站選址模型基礎(chǔ)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(wǎng)結(jié)構(gòu)、電能質(zhì)量以及下級輸電系統(tǒng)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(fù)荷中心。變電站站址的選擇必須適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃和布局的要求，盡可能地接近主要用戶，靠近負(fù)荷中心，這樣必然會減少線路投資和電能損耗，既經(jīng)濟(jì)又節(jié)省能源。因此，變電站靠近負(fù)荷中心是站址選擇的基本原則之一。這一原則既符合技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的建設(shè)目的，又可避免由于站址遠(yuǎn)離負(fù)荷中心而帶來的一些其他問題[11]。

(2)節(jié)約用地。變電站選址時，應(yīng)盡量避免拆遷各種建筑物。拆遷不僅要補(bǔ)償大量費(fèi)用，而且變電站選址應(yīng)該放在區(qū)域的負(fù)荷中心，這樣負(fù)荷到變電站的距離最小，中壓線路投資費(fèi)用最少，線路的損耗也最小。因此，利用GIS能夠?qū)⒛彻╇姺秶鷥?nèi)的負(fù)荷等效為一個點(diǎn)負(fù)荷，通過找出包含負(fù)荷中心點(diǎn)的地理區(qū)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(zhì)條件是直接影響變電站能否順利建設(shè)和安全生產(chǎn)的重要關(guān)鍵。對于地形條件，站址地形的條件應(yīng)有利于變電站的建設(shè)和運(yùn)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(yīng)便于各級電壓線路的引進(jìn)和引出。變電站進(jìn)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(jìn)出線走廊應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)規(guī)劃，做出統(tǒng)一安排，并應(yīng)留有擴(kuò)建發(fā)展余地，防止因站址選擇不當(dāng)造成進(jìn)出線困難，影響擴(kuò)建或增大送電線路建設(shè)費(fèi)用。

(5)交通運(yùn)輸。變電站站址應(yīng)盡可能選擇在己有或規(guī)劃的鐵路、公路、河流交通線附近，以減少交通運(yùn)輸?shù)耐顿Y，加快建設(shè)和降低運(yùn)輸成本。選擇站址時應(yīng)考慮施工時設(shè)備材料的運(yùn)輸，特別應(yīng)考慮大型超限設(shè)備，主變壓器、調(diào)相機(jī)等大件的過河過橋運(yùn)輸方案，以及運(yùn)行時搶修、維護(hù)的道路。

(6)適應(yīng)城市規(guī)劃。選擇變電站站址必須考慮城市規(guī)劃的要求。變電站規(guī)劃和建設(shè)與城市規(guī)劃建設(shè)有密切關(guān)系，它是城市建設(shè)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(fā)展有重大影響，同時對變電站本身的運(yùn)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(huán)境保護(hù)、利于施工和未來發(fā)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(huán)境的要求要素較多，而GIS系統(tǒng)能夠很好地為變電站的選址模型提供相應(yīng)的邊界已知條件，可將GIS系統(tǒng)應(yīng)用到變電站的選址研究中。

1.2 負(fù)荷半徑和經(jīng)濟(jì)成本模型

對于城市供電網(wǎng)中的負(fù)荷容量，能夠?qū)⑵涞刃С蓡蝹€負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，而變電站的建址中心，應(yīng)當(dāng)選在負(fù)荷包絡(luò)圓的圓心處。基于以上原則，本文構(gòu)建變電站的供電負(fù)荷半徑模型，具體公式如下：

(1)

式中，RL為變電站的供電負(fù)荷半徑；Sr為變電站主變總?cè)萘浚瑢τ谂潆娋W(wǎng)而言，變電站的主變總?cè)萘肯鄬潭ǎǔ?×120 MVA或者2×80 MVA；λ為負(fù)荷平均功率因數(shù)；ο為面負(fù)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(shè)的經(jīng)濟(jì)成本，主要包括以下方面。

(1)建設(shè)成本。

CB=(1+η)(k0+k1ST+k2Ln)

(2)

式中，CB為變電站的建設(shè)成本；ST為變電站主變總?cè)萘?；Ln為低壓線路出線回路數(shù)量，對于配電網(wǎng)，低壓出線是供給用電負(fù)荷的主要輸電線路；k0、k1、k2為各自成本系數(shù)；η為設(shè)備設(shè)備折舊維護(hù)費(fèi)用比例系數(shù)，因?yàn)樽冸娬镜脑O(shè)備折舊維護(hù)費(fèi)用和建設(shè)成本呈正比，因此本文用來表示該項(xiàng)成本費(fèi)用。

(2)電能損耗費(fèi)用。

(3)

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

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(wǎng)運(yùn)行的可靠性以及電網(wǎng)建設(shè)和電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。從1.2節(jié)可以看出，變電站供電范圍與電力負(fù)荷密度密切相關(guān)，電力負(fù)荷密度唯一確定了變電站的供電范圍。而利用GIS系統(tǒng)能夠全方位地掌握待建區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)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(shè)的經(jīng)濟(jì)成本不超過預(yù)定的變電站建設(shè)預(yù)算范圍內(nèi)，利用GIS系統(tǒng)分析負(fù)荷節(jié)點(diǎn)分布和地形地貌特征，找出供電負(fù)荷半徑最大的變電站建址。

2 變電站選址評價指標(biāo)構(gòu)建

2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

利用GIS系統(tǒng)構(gòu)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(jié)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(gòu)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(guān)鍵之一在于構(gòu)建合理的評價指標(biāo)體系。本文在變電站選址基本原則分析基礎(chǔ)上，構(gòu)建出變電站選址綜合評價雙層指標(biāo)體系，一級指標(biāo)分別為：經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性和社會性指標(biāo)，不同一級指標(biāo)分別下設(shè)多個二級評價指標(biāo)，如圖1所示。

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

2.2 評價指標(biāo)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

本文評價指標(biāo)的賦值及標(biāo)準(zhǔn)化僅針對二級指標(biāo)，最終的評價模型也是利用二級指標(biāo)進(jìn)行評價分析。

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

定義三角模糊數(shù)的清晰值為：

N′=(x+2y+z)/40

(4)

三角模糊數(shù)的三標(biāo)度法如圖2所示[13]，將定性指標(biāo)量化為三角模糊數(shù)，然后再根據(jù)式(4)，進(jìn)行數(shù)據(jù)計算。

對于圖2中的三標(biāo)度，一級表示指標(biāo)性能最優(yōu)，七級表示指標(biāo)性能最低，一級至七級表示指標(biāo)性能依次降低。

圖2 三角模糊數(shù)的三標(biāo)度法Fig.2 Three scale method of triangular fuzzy numbers

在得到不同指標(biāo)的賦值后，還需要將不同量綱的指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，才能運(yùn)用到統(tǒng)一的評價模型中，指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化公式如下所示：

(5)

相比于傳統(tǒng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方法存在嚴(yán)重的逆序缺陷，本文中的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方法則很好地避開了逆序結(jié)果的產(chǎn)生。

3 基于變權(quán)權(quán)重的變電站選址模型

3.1 變權(quán)權(quán)重劃分

本文采用變權(quán)權(quán)重模型對變電站選址綜合評價指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重劃分。首先，利用熵權(quán)法得到常權(quán)權(quán)重。熵權(quán)法主要用來計算客觀權(quán)值，具體步驟如下。

把評價指標(biāo)值大小Ri轉(zhuǎn)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(quán)重計算公式為：

(8)

在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，評價過程中，某些指標(biāo)對最終的評價結(jié)果不是一成不變的，這些指標(biāo)的指標(biāo)值在“量變”超過一定標(biāo)準(zhǔn)后，會對最終的評價結(jié)果產(chǎn)生“質(zhì)變”的影響。當(dāng)這些指標(biāo)值下降到一定程度后，即使評價指標(biāo)中的其他指標(biāo)值均很高，最終的評價結(jié)果也會急劇變差，采用權(quán)重固定的模型則難以反映上述的“量變引起質(zhì)變”的定的現(xiàn)象。因此，本文引入變權(quán)修正系數(shù)，來對評估指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行修正。

本文引入狀態(tài)變權(quán)因子，來對常權(quán)權(quán)重進(jìn)行調(diào)整。具體計算方法如下：

(9)

式中，δ(Ri)為各指標(biāo)的狀態(tài)變權(quán)因子；max(Ri)、min(Ri)分別為指標(biāo)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(tài)變權(quán)因子后，各評價指標(biāo)的權(quán)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(jìn)行綜合評價，具體方法如下。

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

(11)

各評價指標(biāo)到負(fù)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(yàn)證

以廣州南沙經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)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(yàn)證本文中模型的有效性。

利用第1章中的模型，結(jié)合式(1)—式(3)，通過GIS系統(tǒng)找出滿足變電站建設(shè)預(yù)算總成本的待建位置，且供電負(fù)荷半徑為最大，通過建模計算得到3個待建地址，其對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)成本和供電負(fù)荷半徑見表1。

表1 待建地址經(jīng)濟(jì)成本和負(fù)荷半徑參數(shù)Tab.1 Economic cost and load radius parameters of site to be built

注：變電站的總預(yù)算為5 000 萬元。

從表1可以看出，若單從建設(shè)成本角度考慮，變電站的選址優(yōu)先級為：T2>T1>T3；若單從供電負(fù)荷半徑監(jiān)督考慮，變電站的選址優(yōu)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(biāo)的賦值和標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)信息見表2。

表2 變電站選址綜合評價指標(biāo)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(biāo)的變權(quán)權(quán)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(fù)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(jié)果Tab.3 Comprehensive evaluation results of substation site selection

由表3可知，變電站的建址優(yōu)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(fù)荷半徑雖然較T1小，但其各項(xiàng)綜合評價指標(biāo)較T1優(yōu)，所以其最終的綜合評價結(jié)果也為最優(yōu)，因此上述評價模型符合實(shí)際情況。實(shí)際變電站的建址位置也為T1位置，仿真與實(shí)際結(jié)果一致。

5 結(jié)語

變電站的選址合理性將直接關(guān)于到電網(wǎng)的架構(gòu)堅強(qiáng)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(tǒng)的重點(diǎn)之一。本文將變電站的選址模型和GIS系統(tǒng)相結(jié)合，利用GIS系統(tǒng)能夠全方位掌握到待建區(qū)域的所有影響因素，合理利用GIS系統(tǒng)，能夠?yàn)樽冸娬镜倪x址模型帶來較大的改進(jìn)。本文解決了選址模型出現(xiàn)多解的情況，在GIS系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)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(chǔ)上，找出最佳的變電站選擇地址，實(shí)際仿真算例也驗(yàn)證了本文模型的有效性。