基于GIS的電力最優(yōu)線網(wǎng)模型研究

以成都市中心城區(qū)110 kV和220 kV綜合輸電線網(wǎng)設(shè)計(jì)為例，構(gòu)建基于GIS的多因子綜合最優(yōu)路徑模型。首先，對(duì)影響城市輸電線路路徑選擇的各項(xiàng)影響因素進(jìn)行數(shù)據(jù)圖層化，然后采用專(zhuān)家評(píng)分、層次分析法，量化和整合各類(lèi)因素的路徑通過(guò)成本權(quán)重，利用GIS反復(fù)迭代優(yōu)化得到最適合該規(guī)劃區(qū)域的電力最優(yōu)線網(wǎng)模型，該模型是綜合電力最優(yōu)線網(wǎng)生成的核心基礎(chǔ)。

電力線網(wǎng); GIS模型; 網(wǎng)絡(luò)分析; 最優(yōu)路徑

TU994A

市政工程市政工程

［定稿日期］2022-12-02

［作者簡(jiǎn)介］吳長(zhǎng)江（1991—），男，碩士，工程師， 研究方向?yàn)槌青l(xiāng)規(guī)劃信息化應(yīng)用。

0" 引言

高壓電力輸送通道是城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，在保障城市生產(chǎn)、生活能源供應(yīng)中處于重要地位。城市高壓電力線路的路徑選擇，要結(jié)合規(guī)劃區(qū)域的用地布局、道路分布、投資成本、建設(shè)施工等影響因素來(lái)綜合判斷，越來(lái)越復(fù)雜的城市地理環(huán)境給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)極大的不確定性［1-2］。近年來(lái)，隨著城市規(guī)劃過(guò)程更加科學(xué)，輸電線路選擇的要求也在不斷提高，不僅要考慮建設(shè)費(fèi)用和投資成本，還要顧及施工難度和線網(wǎng)與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)［3］。傳統(tǒng)的輸電線路路徑規(guī)劃工作主要憑借設(shè)計(jì)人員的豐富經(jīng)驗(yàn)，這種設(shè)計(jì)方式無(wú)法滿足像成都這種超大體量城市的科學(xué)用電供需平衡，而且人工設(shè)計(jì)難以兼顧大量各種類(lèi)型的約束要素，也就很難保證整體線網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和科學(xué)性［4］。因此，通過(guò)信息技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)輸電線網(wǎng)的綜合選線，是城市輸電線路設(shè)計(jì)的必然選擇。本文以成都市中心城區(qū)電力線網(wǎng)規(guī)劃為例，探索利用GIS技術(shù)搭建城市綜合電力線網(wǎng)最優(yōu)路徑模型，提高規(guī)劃編制的科學(xué)性。

1" 模型原理及技術(shù)路線

1.1" 最短路徑原理

成本距離工具用于計(jì)算各像元到成本面上指定的源位置處的最小累積成本，該算法應(yīng)用在圖論中使用的結(jié)點(diǎn)/連接線像元制圖表達(dá)［5］。在結(jié)點(diǎn)/連接線制圖表達(dá)中，各像元的中心被視為結(jié)點(diǎn)，并且各結(jié)點(diǎn)通過(guò)多條連接線與其相鄰結(jié)點(diǎn)連接，每條連接線都帶有關(guān)聯(lián)的阻抗。阻抗是根據(jù)與連接線各端點(diǎn)上的像元相關(guān)聯(lián)的成本（從成本表面），和在像元中的移動(dòng)方向確定的，分配給各像元的成本表示在像元中移動(dòng)每單位距離所需的成本［6］。每個(gè)像元的最終值由像元大小乘以成本值求得，為每個(gè)像元計(jì)算與最近源之間的最小累積成本距離，同時(shí)考慮表面距離以及水平和垂直成本因素［7］。

1.2" 技術(shù)路線

本文研究的電力線網(wǎng)最短路徑模型以潮流模擬構(gòu)建的網(wǎng)架為基礎(chǔ)，同時(shí)將站址和通道的優(yōu)選順序納入考慮，構(gòu)建選址模型，模擬綜合效應(yīng)最佳的站址和電力通道布局。通過(guò)梳理現(xiàn)狀通道存量、提取既有規(guī)劃通道、確定新增通道可選用地、明確優(yōu)選通道順序等方面評(píng)估，確定優(yōu)選通道分布。

首先，將城市內(nèi)不同空間要素賦值不同成本，作為選擇最優(yōu)路徑的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；其次，基于ArcGIS網(wǎng)絡(luò)分析模型采用python構(gòu)建可視化模型，在兼顧用地優(yōu)先級(jí)、通道優(yōu)先級(jí)的前提下迭代生成變電站之間的最短路徑；最后，檢查生成結(jié)果，計(jì)算每段通道的利用情況，抽樣校驗(yàn)調(diào)整部分電力通道，使規(guī)劃后的每條電力通道得到較均等、合理的利用，并根據(jù)選取的電力通道，選擇與之匹配的站址，從而確定最優(yōu)布局。

電力最優(yōu)路徑構(gòu)建原則包括經(jīng)濟(jì)節(jié)約性、實(shí)施可行性和調(diào)整難度等，綜合確定優(yōu)選通道。基于上述原則可初步確定選線順序：現(xiàn)狀可利用電力通道——在建電力通道——已規(guī)劃電力通道——綜合管廊——防護(hù)綠地——生態(tài)用地，來(lái)綜合確定電力線網(wǎng)走向。在構(gòu)建柵格成本時(shí)，如何確定不同類(lèi)型的成本權(quán)重是需要解決的難題之一，如果各因子成本權(quán)重差距過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致最優(yōu)路徑過(guò)于繞路，一方面會(huì)增加線路經(jīng)濟(jì)成本，另一方面也會(huì)增加實(shí)際運(yùn)營(yíng)管理難度。為了使模型達(dá)到預(yù)期的最優(yōu)路徑，采用迭代更新參數(shù)模型，擬定模型流程如圖1所示。該模型主要包括幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)：

（1） 構(gòu)建線網(wǎng)起點(diǎn)-終點(diǎn)OD點(diǎn)對(duì)。

（2）確定各因子的成本權(quán)重，構(gòu)建成本柵格。

（3） 初步搭建以GIS成本距離分析為基礎(chǔ)的電力線網(wǎng)最優(yōu)路徑模型。

（4） 通過(guò)局部尺度優(yōu)化技術(shù)提升迭代計(jì)算效率。

（5） 對(duì)輸出的線網(wǎng)進(jìn)行通道效率計(jì)算及線網(wǎng)超容量分析，對(duì)局部線網(wǎng)進(jìn)行迭代優(yōu)化，直至整體線網(wǎng)均滿足預(yù)設(shè)約束要求。

1.3" 核心優(yōu)化技術(shù)

在初版模型中，由于最優(yōu)路徑計(jì)算量較大，運(yùn)行效率較低，通過(guò)路徑算法尺度優(yōu)化技術(shù)將單次運(yùn)行效率從10 h縮短至2 h內(nèi)，且不受局部的優(yōu)化路徑長(zhǎng)短限制；該技術(shù)通過(guò)在每次迭代中裁剪出該OD點(diǎn)對(duì)的潛在路徑區(qū)域，縮小計(jì)算區(qū)域大小，減少無(wú)用數(shù)據(jù)參與運(yùn)算，進(jìn)而大幅提高計(jì)算效率［8，9］。具體原理如圖2所示（裁剪對(duì)應(yīng)的OD點(diǎn)對(duì)的潛在區(qū)域（a）; 對(duì)應(yīng)的路徑成本方向分布（b）；對(duì)應(yīng)的累計(jì)路徑成本分布（c）；對(duì)應(yīng)的OD最優(yōu)路徑（d））。

2" 模型實(shí)現(xiàn)

2.1" 構(gòu)建綜合路徑成本柵格

首先，收集現(xiàn)狀可利用電力通道、在建電力通道、已規(guī)劃電力通道、綜合管廊、防護(hù)綠地、生態(tài)用地等矢量地理數(shù)據(jù)，根據(jù)電力線網(wǎng)走向規(guī)則，給予這些地理要素不同的成本權(quán)重賦值（表1）；然后，利用ArcGIS建模對(duì)其柵格化并疊加處理成綜合成本柵格 （圖3）。

2.2" 線網(wǎng)模型實(shí)現(xiàn)

根據(jù)預(yù)定的技術(shù)路線和關(guān)鍵設(shè)計(jì)方法，通過(guò)ArcGIS構(gòu)建模型，通過(guò)將該模型應(yīng)用于成都市電力線網(wǎng)優(yōu)化中，自動(dòng)生成區(qū)域整體最優(yōu)線網(wǎng)（圖4）。通過(guò)對(duì)該線網(wǎng)初步核查，除了邊緣地區(qū)、零星的節(jié)點(diǎn)等區(qū)域出現(xiàn)線網(wǎng)容量超限、繞路等問(wèn)題，線網(wǎng)整體分布合理，達(dá)到預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)效果。

市政工程吳長(zhǎng)江， 張誠(chéng)， 崔銘： 基于GIS的電力最優(yōu)線網(wǎng)模型研究

2.3" 結(jié)果驗(yàn)證及優(yōu)化

為了驗(yàn)證模型及修正優(yōu)化，針對(duì)線網(wǎng)較密、走向復(fù)雜的區(qū)域，通過(guò)設(shè)立抽樣檢測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行人工輔助驗(yàn)證。在實(shí)際規(guī)劃中，為了保證高壓線網(wǎng)的安全運(yùn)行，每個(gè)通道都設(shè)置了最大容納線網(wǎng)數(shù)。利用線路超限容量檢測(cè)可視化分析每條線網(wǎng)的線路容量數(shù)見(jiàn)圖5（a），并檢測(cè)出需要整體優(yōu)化調(diào)整的電力通道區(qū)域見(jiàn)圖5（b）；利用上述分析結(jié)果輔助調(diào)整局部的柵格成本權(quán)重，對(duì)路徑結(jié)果進(jìn)行迭代優(yōu)化，直到所有的線網(wǎng)均滿足預(yù)設(shè)要求。最后，可視化顯示綜合最優(yōu)電力線網(wǎng)的電力通道容量分布情況見(jiàn)圖5（c），在一些共用主要電力通道方向，其容量飽和度較高，不僅節(jié)約用地，還可以減少對(duì)周邊居民的影響，降低后期電力線網(wǎng)集中運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用。

3" 展望

本研究依托成都市電力線網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目，通過(guò)GIS構(gòu)建了一套具有普適性的最優(yōu)線網(wǎng)模型，該模型不僅考慮了選線的局部影響因素，并從區(qū)域全局出發(fā)，以線網(wǎng)整體的投資成本和全域的建設(shè)施工影響為約束條件，綜合考慮線網(wǎng)的合理性和可行性，并為以后的規(guī)劃設(shè)計(jì)預(yù)留了容量通道，在后續(xù)類(lèi)似規(guī)劃研究中，可以結(jié)合更多的影響因素，改進(jìn)、優(yōu)化該模型。

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