基于三维地理信息的配电网线路布局规划方法

陈刚， 李冰， 魏弋然， 陈德高

(国网乌鲁木齐供电公司， 新疆,乌鲁木齐 830011)

0 引言

配电网与广大人民群众的生产和生活息息相关，是服务民生的重要公共基础设施，能够为我国建成社会主义现代化强国奠定坚实的基础、促进“新常态”下经济社会发展具有支撑作用。配电网线路布局规划的合理性有利于国家对电力系统的管理，提升电网运行效果，减少线路损耗，降低建设费用，提升配电网线路规划的综合效益。

这几年，虽然改进蚁群方法[1]、模糊层次分析方法[2]虽在配电网线路布局规划方面取得了一定成果，但还存在一些弊端，如配电网线路规划没有与地理位置数据相结合，规划方法的设计不够全面，资源浪费严重，建设成本高等，因此急需找一种行之有效的配电网线路布局规划方法。

三维地理信息系统(GIS)是一种重要的空间信息系统[3-5]。它是在计算机硬、软件系统的支持下，对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的系统。将GIS系统应用在配电网线路布局规划中，可以采集到更为直观的数据，保证了数据采集的准确性。为此本文提出基于三维地理信息的配电网线路布局规划方法，这种方法既能够节省配电网线路的总费用又降低配电网线路建设总成本的同时，又能加速配电网能源结构的转型升级和电力资源的合理配置。

1 基于三维地理信息的配电网线路布局规划方法

1.1 总体规划方法设计

通过电网GIS数据库[6]、变电所优化布局、20 kV路线优化规划等步骤实现基于GIS的配电网线路布局规划，总体规划步骤如图1所示。

图1 基于GIS的配电网线路布局规划步骤

分析图1可知，基于GIS的配电网线路布局规划步骤为用户在GIS软件平台以及电网GIS数据库支持下，利用GIS Data base 接口与外部进行信息交互，信息交互的内容包括变电所容量分析评价结果、变电所优化布局、变电所位置评价，经过一系列分析工作，得到20kV线路规划优化结果，并将此结果通过GIS相关软件反馈给用户，以提升配电网线路布局规划效果。

1.2 基于GIS的配电网变电所布局规划

供给区位优化问题(“空间位置—配置”问题)是配电网变电所优化布局的基本问题[7]。进行配电网变电所优化布局的目的在于使配电网变电所供电位置更加合理及完善，因此需要在配电网年费最小化的基础上，明确配电网负荷需求和电源供给之间的关系，以此实现配电网变电所优化布局。造成配电网变电所年费差异的主要原因是配电网变电所的数量、区位及容量在规划范围布置[8]。所以为了在该规划范围内使电网的总负荷、新添高压线路投入资本、电网变电所年费都最少，在符合容载比约束和全部负荷点供电持久的情况下，选择m个位于负荷中心的变电所[9]。

配电网变电所合理布点问题描述如下。

已知(xj,yj)、(j=1,2,…,n)以及Bj是n个负荷点的位置和各负荷点的负荷。

求：

(1) 电网变电所的优化数目m。

(2) 设置决策变量Xij，其描述如下

(1)

(3) 各配电网变电所的最优区位(ui,vi),(i=1,2,…,m)。

利用配电网变电所的多目标优化规划模型来解决上述现象。电网的总负荷、新增电网线路总投资、电网变电所年费用，分别由f1(xij)、f2(xij)、f3(xij)描述。

(2)

其中，

(3)

存在的2种约束条件分别是：能够为全部负荷点提供供电服务；符合配电网变电所最高容量限制[10-11]。其中，现有电网变电所的数量用ms表示。

利用评价函数法求解配电网变电所的多目标优化规划模型。对模型各目标分别设置一个权值，求解配电网的变电所最优化问题，需要计算目标函数的权系数ωk>0，如式(4),

(4)

配电网变电所规划各目标的重要程度用权系数表示，较高的权系数、较低的权系数分别表示重要的目标和不重要的目标[12]。因此需要各分量目标函数值量纲处理后确定权系数。

α-法，专家评估法、判断矩阵法是确定权系数的几种主要方法。α-法或专家评估法主要是在目标函数维数k较小情况下确定权系数。判断矩阵法主要是在目标函数维数k较大情况下确定权系数[13]。α-法是根据目标函数在可行域上的最低值，设置单独辅助参数α，并通过求取一个线性方程组确定权系数。当目标函数维数k<2时，无法确保各权系数均大于零，即ωk≥0,k=1,2,…,m，是α-法的弊端。与其相比，专家评估法比较简洁实用，所以选取专家评估法确定权系数[14]。过程如下。

设置参数ωij表示第i位专家对第j个目标赋予的权系数。需要专家对目标进行单独评价，然后获取各目标权系数均值，计算式如下：

(5)

下一步获取专家对目标所赋予的权系数和其对应权系数均值的偏差，其计算式为

(6)

假如上述满足所选定的最大允许偏差ε，则专家们的评估误差无明显不同。相反，则需再一次计算权系数，反复以上流程以符合所有偏差要求。根据以上方法将ω1，ω2，ω3分别确定为0.4，0.2，0.4。

1.3 基于GIS的配电网线路布局规划

基于配电网变电所规划布局结果，对配电网线路优化布局进行规划，以某地区配电网年费最小作为目标函数，实现配电网线路规划。

(1) 目标函数

以电网的年费为目标函数：

式中，F(X,Y)为年费,X∈[0,1]，当X=0时表示变电站未被选用，当X=1时表示变电站被选用；Y∈[0,1]，当Y=0时表示线路未被选用，当Y=1时表示线路未被选用；Nb、Nx、∂、γ分别表示原有线路和待选线路集合、投资回报率、年运行维护率。

Ci表示第i个变电站的固定投资(万元),Cj表示第j条线路的固定投资(万元/公里),Lj表示长度(公里)，BLossj、τmax、C分别表示极限负荷运行时的线路损耗量(千瓦)、损耗时间(小时)、电价。

(2) 约束条件

辐射状网架结构、变电站容载比、线路负载和最大电压损耗等是配电网线路规划的约束条件[15]。为了解决辐射状配电网线路布局规划问题。配电网线路布局规划的约束用式(8)—式(10)描述：

LoadRatei≥LRmin,i∈Nb

(8)

(9)

(10)

2 应用实例

2.1 实例概况

以某地区配电网为实验对象，验证所设计的基于三维地理信息的配电网线路布局规划方法的有效性。本次规划的基础年为2018年，远景年为2025年。该配电网存在6个120 kV变电所，容量大小为100 MVA，各个变电站的负荷大小及位置均已明确，存在290条20 kV的线路，158条120 kV的线路，且均为架空线路，其中主干线路与分支线路型号分别是LGJ-250、LGJ-160，隶属于该配电网中某条主干线路的负荷点的部分情况如表1所示。其中容量为0的负荷点是该条线路中的变电所。

2.2 变电所规划结果

利用本方法对该配电网2018年的6座变电所进行规划，结果如图2所示。

图2显示了采用本文方法规划后的配电网变电所布局，结果显示本文方法能够很好地解决配电网变电所区位优化问题，可实现配电网变电所规划布局效果的最大化。

2.3 配电网线路布局规划

为验证本文方法的配电网线路布局规划优势，分别采用本文方法与另外2种方法对该配电网进行线路规划，另外2种对比方法分别为文献[1]的改进蚁群方法、文献[2]的模糊层次分析方法，3种方法规划后的配电网线路总长度与配电网线路总费用的结果如图3、图4所示。

表1 部分负荷点情况

图3 布局规划后线路总费用

图4 布局规划后线路总长度

在配电网线路布局规划过程中需要考虑的因素很多，其中三维地理信息在山区以及其他地形比较复杂的区域架设输电线路的重要性更为凸显，因此在实际中应重点考虑到布局区域的地形、地势、气候等条件，结合三维地理信息，进行配电网线路布局规划。

分析图3、图4可知，本文方法布局的配电网线路建设总费用明显低于改进蚁群方法和模糊层次分析法，且采用本文方法布局优化后的配电网线路总长度最少，与对比方法相比分别缩减了5 km、8 km。实验结果表明本文方法的线路建设总费用和总长度均较小，原因在于该方法有效利用了GIS系统，可以精准采集配电网线路相关数据的详细信息，为后续配电网线路的规划布局奠定基础，因此能够在有限的范围内最大程度节省线路长度和所需费用。

2.4 配电网线路布局规划的经济性

将本文方法的线路布局方案命名为方案一，改进蚁群方法、模糊层次分析方法规划的线路布局方案分别命名为方案二、方案三。采用3种规划方案对该配电网远景年的120 kV变电所和配电网线路的整体规划和投资预算进行分析。不同规划方案的远景年配电网线路规模统计结果如表2所示。

依据三种方案的远景年配电网线路规模统计结果，获取远景年该配电网在不同规划方案下所需电网的投资数据信息，如表3所示。

通过3个规划方案的对比数据信息得出，方案一中该地区配电网远景年投资是15786万元，方案二、方案三中，该地区配电网远景年投资分别是18020万元、20528万元，方案一较方案二、三分别节省投资2234万元、4742万元。实验结果表明，本文方法可有效节省电网的投资成本，具备较好线路规划效果，实际应用效果更好。

3 总结

制定与实施配电网建设改造计划，是推动能源技术革命、带动产业升级、实现电网行业创新发展的战略性选择，能够为我国全面建成小康社会奠定坚实的基础。

针对现阶段配电网线路布局规划的不合理问题，根据三维地理信息进行配电网线路布局规划，通过实验结果证明了该方法的实用性与经济性。由于时间与精力有限，本文研究还存在许多不足，主要是没有考虑到运行环境的不稳定性、模型的约束性等，以后可以对这一部分的内容进行改进，能够为我国建成社会主义现代化强国奠定坚实的基础。

表2 不同规划方案的远景年配电网线路规模统计

表3 三种规划方案远景年投资对比