基于地理信息系统的配电网规划优化系统的应用

王耀华，高金南，姚 雷

（1.上海市南电力（集团）有限公司，上海 200233；2.上海市电力公司 嘉定供电公司，上海 201800）

随着信息技术在电力系统的广泛应用，各种类型不一的生产业务系统在企业相继投入使用，产生了大量不同类型的电子数据，在企业内部形成了一个庞大、多样的海量数据库。这些海量数据从多个角度刻画了电力系统各种属性，深刻描述了电力生产经营的各个环节。

上海市电力公司下属各供电公司目前普遍采用了生产管理系统（PMS）、调度监控系统（SCADA）及营销管理系统（MMS）来辅助日常运行及维护工作。如何从这些管理系统中充分挖掘有用数据用以辅助电网规划决策，这对提高区域电网规划合理性及投资回报率具有重要意义，也是目前研究应用的重点方向。

1 基于GIS的电网规划空间数据库

1.1 基于GIS平台的生产管理系统

地理信息系统（GIS）是计算机图形学、计算机地理制图、航空摄影测量与遥感、数字图像处理和数据库管理技术相结合的产物。它采用地理模型分析方法，提供多种空间和动态的地理信息的计算机软件系统，是一个用于存储、分析、处理和表达地理空间信息的计算机软件平台，目前上海市电力公司生产管理系统即基于GIS平台。该系统覆盖了供电区域内变电站、配电站、线路及线路设备的信息，如线路杆塔、导线、变压器、杆刀等，设备数据模型包括设备型号、修理试验时间、额定容量、遮断容量等属性。利用该系统可以了解系统在用设备的配置情况，对电网运行及规划具有重要的参考价值［1，2］。

1.2 空间数据库的数据结构

随着地理信息技术的发展，空间数据库已经逐步取代关系型数据库成为大多数地理信息系统的核心存储机构。目前的配电网络规划正向集成化、一体化、智能化方向发展［3］。电网规划过程中需依靠大量的设备、负荷、电源等数据来确定最优方案，空间数据库为电网规划提供了完备的数据支持平台。空间数据库基础数据来源包括PMS、SCADA、SG186、配变实时监测系统等，其数据真实性及实用性很高。空间数据库首先需要从这些现状数据库中选择性提取数据，并按照空间数据库数据组织形式进行筛选，对不同软件系统下的数据按照一定的物理关系进行关联。电网规划支持系统总体框架如图1所示。

图1 电网规划支持系统总体设计框架

空间数据库数据包括区域用户负荷、现状变电及线路设备分布、现状设备负荷水平等。其中用电负荷数据来自于SG186系统，现状变电站及线路负荷水平来自SCADA系统，变电站及线路地理分布来自PMS系统，将这些数据与地理信息系统进行组合，形成一个基于GIS的空间数据库。

2 空间数据库的构建方式

数据挖掘（DM），就是从大量、不完全、有噪声、模糊、随机的数据中，提取隐含在其中、人们事先不知道、但又是潜在有用的信息和知识的过程。数据挖掘不是简单的数据库检索，而是对现有数据的统计、分析、推理和综合，提取有用的信息。

空间数据挖掘技术是从空间数据库中提取有效的、新颖的、潜在有用的知识、空间关系或是非显性存储在空间数据库中的数据，用于理解空间数据、发现空间和非空间数据间的关系、构建空间知识库、查询优化、空间数据库重组，以简单精确的方式描述通用特征。从空间数据库中可以发现知识包括：普遍的几何知识、空间分布规律、空间关联规则、空间分类规则等。基于GIS的电网规划决策系统的空间数据库的组织方式如图2所示。

图2 空间数据库的数据组织方式

在构建好空间数据库的基础上，系统能够实现包括负荷分析、馈线分析及配电网络优化。利用该系统可以确定区域负荷中心、容载比、负荷密度、中长期负荷、最优线路走向等。具备对现状电网的供电能力评估以及电网规划优化的功能以及对配电网络的安全性、可靠性评估，如线路负载率分析、负荷转移能力分析、获取双电源能力等分析。

3 变电站优化选址模型

电网规划需要根据区域发展情况确定新建变电站站址。一般变电站选址可分为两类：一类是单源选址问题，一类是多源选址问题。单源选址问题是对于位置已知的若干个现有设施，找出单一的一个新设施的最优地址；多源选址问题是对于已经知道的若干现有设施，找出两个或更多的新设施的最优地址。单源选址也可以认为是多源选址的一种特殊情况。利用GIS空间数据库的地理图形功能及区域内点负荷信息，可以按照一定的规划模型对变电站的站址优化排序。

等负荷矩原则是基于单位电力负荷路径最短目标出发，同时考虑到降低线损，该模型在确定负荷中心的应用较为普遍。设新建变电站的站址坐标是（u，v），第i个供电点的坐标是（xi，yi），i≥1，该供电点的有功负荷是Pi。利用等负荷距原理，选取各负荷点的最大负荷，目标函数可定义为：

式中：C为各负荷点由该变电站供电而产生的经济费用。

站址规划目标是使经济费用C最小。单源选址的模型求解是一个无约束条件的优化问题。对式（1）求最小值问题，即在用电点位置确定的情况下，规划站址坐标（u，v）为何值时经济费用最小。对式（1）求偏导数，有：

可以得到：

同理可以得到：

利用式（3）和式（4），可以使用迭代法来计算新建变电站坐标。选取初值（u0，v0），代入上述两式，可以得到一次迭代结果（u1，v1），依次类推得到第k次的迭代结果（uk，vk）和第k＋1次的迭代结果（uk＋1，vk＋1），当连续两次迭代数据充分接近时，可以停止计算，即可得出新建变电站的理论最佳坐标，程序算法流程如图3所示。

图3 单源站址坐标计算迭代算法流程

4 单源选址方案实例

嘉定城区西北区域因道路新建，房产开发迅速，原有电源站、线路已不能满足供电需求，故需要选择合理的位置新建一座35kV变电站。工程采用单源选址方法，使经济费用C最小，计算、选择新建变电站的站址坐标（u，v）。从GIS空间数据库的地理图形功能及区域内点负荷信息，获得表1数据。

表1 从GIS空间数据库获得点负荷信息

计算选取初值（－23 332，16 013），将表中数值代入式（3）和式（4），用图3所示迭代算法流程计算结果，经过比较，得出新建变电站理论最佳坐标为（－22 895，16 046），故站址可以选择该点附近区域。经过现场踏勘，该坐标区域现为空地，靠近新建道路东侧，经联系区发改委和土地管理部门，可作为供电服务用地。

5 电网规划方案的评价

网络规划时，需要对不同的规划方案进行评价，包括技术和经济指标。网架优化规划一般根据负荷增长及变电站规划方案，采用净现值最大、年费用最少、内部收益最高、投资回收最短的方案［4］。因此，需要对输变电工程在一定使用时间内投资总费用进行评估以确定最佳的建设方案。总费用包括建设投资成本及运营成本［5］。建设投资成本包括输变电工程基建、设备安装后运行寿命期间内的运行及维护费用。运营成本包括输变电工程的扩展费用，该费用与线路传输损耗及技术条件限制有关。

一般在电网规划评价中，采用直流潮流模型，则有：Pij＝Iij，功率损耗P＝rl×P2l，其中rl为支路电阻，Pl为支路有功损耗，建立输电网络规划优化模型：

式中：C为规划方案总费用；Ci为支路设备折旧维修费用；Fi为支路投资成本；δi＝1表示该支路为新建线路，否则为0；τmax为最大负荷利用小时数；r为贴现率；n为架设线路总数；m（k）＝Σki＝1y（i），y（i）为第i阶段包含的年数；M为规划阶段数；λ1、λ2为权重系数，且λ1＋λ2＝1。

约束条件包括线路载流量、配电线路供电半径、馈线最大容量等。空间数据库中包含上述参数，通过系统优化计算，可以得到规划方案总费用C为最优的方案。

在制定电网规划方案时，还包括对原有休止线路的重新使用。起用这部分线路产生费用包括线路大修工程费用，连接至该段线路的费用。对使用年限较长的线路，有可能出现可靠性降低而增加该线路的实际运行成本。

6 电网规划方案的确认

电网规划应达到安全、经济、可靠三个目标，满足《上海电网若干技术原则的规定》、《上海中、低压电网配置原则及典型设计》等技术设计标准，对城市电网，其负荷转移能力应满足“N－1”准则，重要用户达到“N－N”准则。使电网能够为本区域经济发展提供可靠支撑。

在网络规划中，由于众多因素制约，目前的智能决策系统还不能完全量化规划工作中的非线性问题。在实际电网建设规划时，还需要考虑如区域规划、站址审批、动拆迁成本、投资回报率、环境评价等因素。按照目前的经验来看，这类因素往往起到一定的作用，因此需要规划人员对最终方案进行修改。

7 结论

1）通过地理信息系统和数据挖掘技术，可以在公司现有业务平台中获得与电网规划相关的生产运行数据，形成基于GIS的电力生产运行空间数据库，为配网规划提供完备的现实数据平台。

2）基于GIS空间数据库的电网规划系统将规划算法、约束条件、组合问题统筹考虑，整合了电网运行信息、规划原则、规划人员经验等条件，使规划方案更加科学合理，为电网建设决策提供了完善的方案支持。因此，基于GIS平台的配电网规划工作将是应用的趋势。

3）配电网规划中的影响因素较多，规划人员仍需要根据实际情况变化做必要的调整以符合网络建设和运行的需要。

［1］Benoit de NEUVILLE，Phillippe SOMMEREYNS，DMS，Scada and GIS interactions redesigned while renewing the GIS legacy system［C］.CIGRE，2007.

［2］Zmijarevic Z，Krajcar S，Sklec D.GIS Enhanced Long Term Planning of MV Distribution Networks［J］.Proc of the 6th IASTED Multi－Conference Transmission and Distribution Marina del Ray（USA），2002.

［3］陈拥军，姜宪.农村电力需求评价和电网规划［M］.北京：中国水利电力出版社，2009.

［4］国家电网公司.城市电力网规划设计导则［S］.北京：中国电力出版社，2006.

［5］Rafael de Dios and Pablo Martin，Network planning.Methodology and Application［C］.CIGRE，2006.