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1  引言

    電網規劃是一個具有多目標性、不確定性、非線性和多階段性等特點的復雜系統優化問題，屬于NP難問題（至今沒有找到多項式時間算法解的一類問題）。完全依靠規劃工作者的經驗規劃未來的電力系統，已經遠遠不能滿足現代電力系統的要求。以計算機作為工具，采用新技術、新方法對城市電網進行優化規劃己在電力系統界達成了共識。

    地理信息系統是介于信息科學、空間科學與地球科學之間的交叉學科和技術，它將地學空間數據處理與計算機技術相結合，通過系統建立、操作與模型分析，產生對區域規劃及管理決策等方面的有用信息。隨著計算機軟、硬件技術的發展與普及，地理信息系統進入了全面發展和應用階段。地理信息系統的地理數據包括位置、可能的拓撲關系、地物的特征等，而地理位置特征在配網中是最基本的要素。所以把地理信息系統作為配網規劃設計的數據基礎是非常適宜的。

    實際上，在配電網的設計規劃[1, 2]中，僅靠人工或借助于簡單的CAD制圖工具，不僅費時、費力，而且想兼顧網絡結構、設備材料、居民便利及故障物等各方面的因素，很難進行方案的優選。但是若利用地理信息系統(GIS)強大的空間數據處理和網絡分析的拓撲功能來處理配電系統大部分與空間有關的信息，不僅能夠極大地方便規劃數據的管理，提高規劃人員的效率，同時規劃過程也更直觀、更具有交互性。

2  配電網規劃

2.1  配電網規劃的主要內容

    配電網規劃[3]主要包括以下內容：負荷預測、變電站優化、網絡結構規劃、短路容量分析、無功規劃等。

    負荷預測包含兩個方面的含義，對未來需求量（功率）的預測和對未來用電量的預測。 對未來需求功率的預測，用來決定發電設備的容量，以及相應的輸電與配電的容量；而對未來用電量的預測決定了應當安裝何種類型的發電設備。

    變電站優化也是變電站站址及站容規劃，在滿足諸如負荷需求、線路容量、變電站容量等約束條件的情況下，尋優新建變電站的位置和容量。

    網絡結構的優化規劃，是根據系統未來的電源及負荷水平，確定一個可行的網絡建設方案，滿足投資限額和運行要求的約束條件，并且使投資及運行等費用最少。

    短路容量分析：從網絡的設計、電壓等級、變壓器的容量、阻抗的選擇、運行方式等方面進行控制，使各等級電壓斷路器的開斷電流以及設備的動穩定電流得到配合。

    無功規劃是確定新增無功補償設備的最佳位置、容量、類型及投入時間。

2.2  配電網規劃的基本要求

    配電網規劃的目的是以最好的方法找到最佳的投資決策方案，因此對配電網規劃的基本要求是：保證供電質量；滿足負荷增長的需要；經濟性；同環境協調一致。

3  基于GIS的配電網規劃智能決策支持系統

    人們把配電網拓撲結構信息存儲于地理信息系統數據庫中，構成配電網規劃智能決策支持系統，不僅可加速配電網設計過程，而且可使最終得到的設計方案達到經濟、高效、低耗的目的。

(1)  系統總體結構

    基于GIS的配電網規劃智能決策系統[4, 5]的結構圖，如圖1所示。專家決策模塊式智能決策支持系統的核心部分，它通過利用與配電網規劃相關的各種信息進行綜合分析決策后的相互配電網規劃的最佳方案；知識庫中存儲有與配電網規劃相關的一些難以用數學方法描述的人的知識和經驗；專家決策模塊利用知識庫里的知識進行推理判斷；模型庫中有以標準形式存儲的通用模型、專用模型和用戶模型等各種模型。可為決策者提供推理、比較、選擇、分析整個問題的模型；方法庫存儲有解決配電網規劃問題所需的數學和運籌學方法，能對各種模型的求解分析提供必要的算法；GIS系統平臺為配電網規劃提供了強大的空間分析和顯示功能，配電網規劃中的空間負荷預測、變電站選址、饋線的合理布局等功能都離不開GIS系統的支持；配電網規劃數據庫上集中存儲有地理、經濟、負荷、網絡、費用和可靠性等配電網規劃所需的數據，并與MIS（管理信息系統）、SCADA系統（CIS）等系統相連，從SCADA系統可獲得負荷測量數據，從CIS系統獲得用戶的用電量和用電特性等信息用于負荷分析，從GIS系統中可自動提取配電網規劃所需的空間數據。

(2)  負荷分析子系統

    負荷分析子系統需要充分利用電網中的大量用電量數據和用戶信息，來分析出配電網系統的負荷分布及未來發展的趨勢。

(3)  饋線分析子系統

    饋線分析子系統是借助配電網規劃和設計必要的輔助工具。規劃人員既可以用它對當前系統進行潮流、可靠性和電動機起動等方面的分析，找出系統的薄弱環節，以便確定規劃目標，也可以用它對規劃出的方案進行檢驗。

(4)  優化規劃子系統

    配電網自動規劃系統包括空間負荷預測、變電站優化規劃和饋線優化規劃三個模塊。

    首先按負荷的性質將負荷分為：居民負荷、工業負荷、商業負荷、農業負荷和其他等幾類，利用地理信息系統的功能，將規劃區域化為若干小區，收集各小區的未來負荷分布數據及每一小區各類負荷和相關因素的歷史值。

    實際上同一類負荷也存在很多不同情況，若取相同的負荷密度值則會引起較大誤差。因此，在確定負荷密度值時，先用第一步中得到的各類負荷及相關因素的歷史數據進行聚類分析，然后按小區用地規劃提取小區待測數據與分類數據的隸屬度（即隸屬度分析），通過修正量計算求得小區負荷密度，就可以得到相應的負荷值。

    小區面積構成分析是根據城市規劃部門提供的城市用地規劃，利用GIS的相關功能通過實測來完成的。

4.2  變電站的選址及站容優化規劃

    在各負荷容量和位置已知的基礎上，自動地確定出目標年及中間年待建變（配）電所的地理位置及容量，以滿足未來負荷發展的需要，同時所需投資及運行費用最小。

    根據電壓等級的不同，變電站優化模型可以分為兩類。一類為中壓配電變電站位置及容量的優化模型，另一類為高壓配電變電站位置及容量的優化模型。在第一類中，二次（380kV/220V）配電線的投資和運行費用的影響很大，因而在優化模型中必須較精確的加以計算，而第二類中這部分投資同變電站投資相比較小，優化模型可以適當簡化。

    對于每一個特定容量的組合，要尋求使目標函數最小的待建變電站的位置，可以利用GIS系統和已得到的空間負荷預測信息，在規劃片區的電子地圖上大范圍地自動搜索所有可能的站址，從而確定出待建的候選變電站的地理位置。考慮到變電站優化問題的動態特性，則可先用最優化技術算出滿足目標年負荷情況的目標年最優變電站的位置和容量；然后把基礎年到目標年分為若干階段，用目標年優化出的站址和站容作為候選站址和站容，并可以采用網絡流算法排列出既滿足中間各相應階段的負荷情況又使總投資費用和年運行費用最小的中間各階段建設方案。

    變電站規劃結束后，可以在地圖上按不同電壓等級分層顯示變電站的位置。用戶還可以通過界面上的窗體得到每個變電站的相關信息，包括變電站的位置、各規劃年份的容量、變電站內變壓器的臺數和各變壓器的容量、變電站的供電范圍以及各規劃年份的投資等。

4.3  網絡結構優化規劃

    這部分規劃是在完成負荷預測，并確定了所需投建或增容的變壓器的地理位置和容量的基礎上進行的。

    網絡優化部分規劃出各規劃年度高壓（110kV、35kV）和中壓（10kV）配電線路網架結構。優化模型通常采用非線性混合整數規劃模型。其目標函數取為規劃水平年配電網擴展的投資費用與年損耗費用之和，以負荷需求、變壓器和線路的容量限制、功率平衡和配電網的放射狀條件為約束。系統采用基于最優化算法和基于規則的專家規劃相結合的方法。
這一部分規劃結束后，可以在地圖上顯示各個規劃年度的網絡結構，以及相應的線路信息包括線路型號、線路回數、線路長度、所屬供電變電站、投建（改建）年份等，并可以在地圖上直觀地看到網絡的擴展。

5  結論

    基于GIS的配電網規劃系統提供了完善的圖文查詢功能，配電工作者可以在配電圖上，根據配網的各種信息及地理信息[10]，進行配網的規劃和工程設計，大大提高了設計的效率。

    將GIS平臺引入到配電網規劃系統中，能夠極大地方便規劃數據的管理。同時規劃過程也更直接、更具有交互性。其次，GIS可以方便地輔助規劃人員確定被選的變電站站址和架空線路走廊或電纜通道，這不僅可以縮小優化規劃程序的搜索范圍，而且使得規劃的結果更加符合實際。最后，GIS平臺的引入可以使配電網規劃與城市規劃同步。