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1  引言

    電網(wǎng)規(guī)劃是一個具有多目標(biāo)性、不確定性、非線性和多階段性等特點(diǎn)的復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)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(guī)劃工作者的經(jīng)驗規(guī)劃未來的電力系統(tǒng)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求。以計算機(jī)作為工具，采用新技術(shù)、新方法對城市電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃己在電力系統(tǒng)界達(dá)成了共識。

    地理信息系統(tǒng)是介于信息科學(xué)、空間科學(xué)與地球科學(xué)之間的交叉學(xué)科和技術(shù)，它將地學(xué)空間數(shù)據(jù)處理與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，通過系統(tǒng)建立、操作與模型分析，產(chǎn)生對區(qū)域規(guī)劃及管理決策等方面的有用信息。隨著計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展與普及，地理信息系統(tǒng)進(jìn)入了全面發(fā)展和應(yīng)用階段。地理信息系統(tǒng)的地理數(shù)據(jù)包括位置、可能的拓?fù)潢P(guān)系、地物的特征等，而地理位置特征在配網(wǎng)中是最基本的要素。所以把地理信息系統(tǒng)作為配網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是非常適宜的。

    實(shí)際上，在配電網(wǎng)的設(shè)計規(guī)劃[1, 2]中，僅靠人工或借助于簡單的CAD制圖工具，不僅費(fèi)時、費(fèi)力，而且想兼顧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備材料、居民便利及故障物等各方面的因素，很難進(jìn)行方案的優(yōu)選。但是若利用地理信息系統(tǒng)(GIS)強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)分析的拓?fù)涔δ軄硖幚砼潆娤到y(tǒng)大部分與空間有關(guān)的信息，不僅能夠極大地方便規(guī)劃數(shù)據(jù)的管理，提高規(guī)劃人員的效率，同時規(guī)劃過程也更直觀、更具有交互性。

2  配電網(wǎng)規(guī)劃

2.1  配電網(wǎng)規(guī)劃的主要內(nèi)容

    配電網(wǎng)規(guī)劃[3]主要包括以下內(nèi)容：負(fù)荷預(yù)測、變電站優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)劃、短路容量分析、無功規(guī)劃等。

    負(fù)荷預(yù)測包含兩個方面的含義，對未來需求量（功率）的預(yù)測和對未來用電量的預(yù)測。 對未來需求功率的預(yù)測，用來決定發(fā)電設(shè)備的容量，以及相應(yīng)的輸電與配電的容量；而對未來用電量的預(yù)測決定了應(yīng)當(dāng)安裝何種類型的發(fā)電設(shè)備。

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

    網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化規(guī)劃，是根據(jù)系統(tǒng)未來的電源及負(fù)荷水平，確定一個可行的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案，滿足投資限額和運(yùn)行要求的約束條件，并且使投資及運(yùn)行等費(fèi)用最少。

    短路容量分析：從網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、電壓等級、變壓器的容量、阻抗的選擇、運(yùn)行方式等方面進(jìn)行控制，使各等級電壓斷路器的開斷電流以及設(shè)備的動穩(wěn)定電流得到配合。

    無功規(guī)劃是確定新增無功補(bǔ)償設(shè)備的最佳位置、容量、類型及投入時間。

2.2  配電網(wǎng)規(guī)劃的基本要求

    配電網(wǎng)規(guī)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(wǎng)規(guī)劃的基本要求是：保證供電質(zhì)量；滿足負(fù)荷增長的需要；經(jīng)濟(jì)性；同環(huán)境協(xié)調(diào)一致。

3  基于GIS的配電網(wǎng)規(guī)劃智能決策支持系統(tǒng)

    人們把配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息存儲于地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，構(gòu)成配電網(wǎng)規(guī)劃智能決策支持系統(tǒng)，不僅可加速配電網(wǎng)設(shè)計過程，而且可使最終得到的設(shè)計方案達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效、低耗的目的。

(1)  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

    基于GIS的配電網(wǎng)規(guī)劃智能決策系統(tǒng)[4, 5]的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。專家決策模塊式智能決策支持系統(tǒng)的核心部分，它通過利用與配電網(wǎng)規(guī)劃相關(guān)的各種信息進(jìn)行綜合分析決策后的相互配電網(wǎng)規(guī)劃的最佳方案；知識庫中存儲有與配電網(wǎng)規(guī)劃相關(guān)的一些難以用數(shù)學(xué)方法描述的人的知識和經(jīng)驗；專家決策模塊利用知識庫里的知識進(jìn)行推理判斷；模型庫中有以標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)規(guī)劃問題所需的數(shù)學(xué)和運(yùn)籌學(xué)方法，能對各種模型的求解分析提供必要的算法；GIS系統(tǒng)平臺為配電網(wǎng)規(guī)劃提供了強(qiáng)大的空間分析和顯示功能，配電網(wǎng)規(guī)劃中的空間負(fù)荷預(yù)測、變電站選址、饋線的合理布局等功能都離不開GIS系統(tǒng)的支持；配電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)庫上集中存儲有地理、經(jīng)濟(jì)、負(fù)荷、網(wǎng)絡(luò)、費(fèi)用和可靠性等配電網(wǎng)規(guī)劃所需的數(shù)據(jù)，并與MIS（管理信息系統(tǒng)）、SCADA系統(tǒng)（CIS）等系統(tǒng)相連，從SCADA系統(tǒng)可獲得負(fù)荷測量數(shù)據(jù)，從CIS系統(tǒng)獲得用戶的用電量和用電特性等信息用于負(fù)荷分析，從GIS系統(tǒng)中可自動提取配電網(wǎng)規(guī)劃所需的空間數(shù)據(jù)。

(2)  負(fù)荷分析子系統(tǒng)

    負(fù)荷分析子系統(tǒng)需要充分利用電網(wǎng)中的大量用電量數(shù)據(jù)和用戶信息，來分析出配電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷分布及未來發(fā)展的趨勢。

(3)  饋線分析子系統(tǒng)

    饋線分析子系統(tǒng)是借助配電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計必要的輔助工具。規(guī)劃人員既可以用它對當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行潮流、可靠性和電動機(jī)起動等方面的分析，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，以便確定規(guī)劃目標(biāo)，也可以用它對規(guī)劃出的方案進(jìn)行檢驗。

(4)  優(yōu)化規(guī)劃子系統(tǒng)

    配電網(wǎng)自動規(guī)劃系統(tǒng)包括空間負(fù)荷預(yù)測、變電站優(yōu)化規(guī)劃和饋線優(yōu)化規(guī)劃三個模塊。

    首先按負(fù)荷的性質(zhì)將負(fù)荷分為：居民負(fù)荷、工業(yè)負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷、農(nóng)業(yè)負(fù)荷和其他等幾類，利用地理信息系統(tǒng)的功能，將規(guī)劃區(qū)域化為若干小區(qū)，收集各小區(qū)的未來負(fù)荷分布數(shù)據(jù)及每一小區(qū)各類負(fù)荷和相關(guān)因素的歷史值。

    實(shí)際上同一類負(fù)荷也存在很多不同情況，若取相同的負(fù)荷密度值則會引起較大誤差。因此，在確定負(fù)荷密度值時，先用第一步中得到的各類負(fù)荷及相關(guān)因素的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，然后按小區(qū)用地規(guī)劃提取小區(qū)待測數(shù)據(jù)與分類數(shù)據(jù)的隸屬度（即隸屬度分析），通過修正量計算求得小區(qū)負(fù)荷密度，就可以得到相應(yīng)的負(fù)荷值。

    小區(qū)面積構(gòu)成分析是根據(jù)城市規(guī)劃部門提供的城市用地規(guī)劃，利用GIS的相關(guān)功能通過實(shí)測來完成的。

4.2  變電站的選址及站容優(yōu)化規(guī)劃

    在各負(fù)荷容量和位置已知的基礎(chǔ)上，自動地確定出目標(biāo)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(fù)荷發(fā)展的需要，同時所需投資及運(yùn)行費(fèi)用最小。

    根據(jù)電壓等級的不同，變電站優(yōu)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(yōu)化模型，另一類為高壓配電變電站位置及容量的優(yōu)化模型。在第一類中，二次（380kV/220V）配電線的投資和運(yùn)行費(fèi)用的影響很大，因而在優(yōu)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(yōu)化模型可以適當(dāng)簡化。

    對于每一個特定容量的組合，要尋求使目標(biāo)函數(shù)最小的待建變電站的位置，可以利用GIS系統(tǒng)和已得到的空間負(fù)荷預(yù)測信息，在規(guī)劃片區(qū)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(yōu)化問題的動態(tài)特性，則可先用最優(yōu)化技術(shù)算出滿足目標(biāo)年負(fù)荷情況的目標(biāo)年最優(yōu)變電站的位置和容量；然后把基礎(chǔ)年到目標(biāo)年分為若干階段，用目標(biāo)年優(yōu)化出的站址和站容作為候選站址和站容，并可以采用網(wǎng)絡(luò)流算法排列出既滿足中間各相應(yīng)階段的負(fù)荷情況又使總投資費(fèi)用和年運(yùn)行費(fèi)用最小的中間各階段建設(shè)方案。

    變電站規(guī)劃結(jié)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(guān)信息，包括變電站的位置、各規(guī)劃年份的容量、變電站內(nèi)變壓器的臺數(shù)和各變壓器的容量、變電站的供電范圍以及各規(guī)劃年份的投資等。

4.3  網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化規(guī)劃

    這部分規(guī)劃是在完成負(fù)荷預(yù)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(chǔ)上進(jìn)行的。

    網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部分規(guī)劃出各規(guī)劃年度高壓（110kV、35kV）和中壓（10kV）配電線路網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。優(yōu)化模型通常采用非線性混合整數(shù)規(guī)劃模型。其目標(biāo)函數(shù)取為規(guī)劃水平年配電網(wǎng)擴(kuò)展的投資費(fèi)用與年損耗費(fèi)用之和，以負(fù)荷需求、變壓器和線路的容量限制、功率平衡和配電網(wǎng)的放射狀條件為約束。系統(tǒng)采用基于最優(yōu)化算法和基于規(guī)則的專家規(guī)劃相結(jié)合的方法。
這一部分規(guī)劃結(jié)束后，可以在地圖上顯示各個規(guī)劃年度的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及相應(yīng)的線路信息包括線路型號、線路回數(shù)、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(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。

5  結(jié)論

    基于GIS的配電網(wǎng)規(guī)劃系統(tǒng)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(jù)配網(wǎng)的各種信息及地理信息[10]，進(jìn)行配網(wǎng)的規(guī)劃和工程設(shè)計，大大提高了設(shè)計的效率。

    將GIS平臺引入到配電網(wǎng)規(guī)劃系統(tǒng)中，能夠極大地方便規(guī)劃數(shù)據(jù)的管理。同時規(guī)劃過程也更直接、更具有交互性。其次，GIS可以方便地輔助規(guī)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(yōu)化規(guī)劃程序的搜索范圍，而且使得規(guī)劃的結(jié)果更加符合實(shí)際。最后，GIS平臺的引入可以使配電網(wǎng)規(guī)劃與城市規(guī)劃同步。