基于GIS 空間分析的變電站空間布局規(guī)劃研究——以北京為例

1、基于GIS 空間分析的變電站空間布局規(guī)劃研究以北京為例 作者： 日期：2 個人收集整理 勿做商業(yè)用途基于GIS空間分析的變電站空間布局規(guī)劃研究以北京為例 魏保軍 【摘要】城市電網(wǎng)規(guī)劃既是電力系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃的基本內容之一,也是城市規(guī)劃的重要組成部分。其中，變電站空間布局是城市電網(wǎng)規(guī)劃的主要內容之一.地理信息系統(tǒng)(GIS）強大的數(shù)據(jù)處理與分析功能為電力設施科學規(guī)劃選址提供了可能。本文利用GIS空間分析技術，結合經(jīng)改良的變電站選址模型，提出了一套較完整的變電站空間布局計算方法。采用該方法，在變電站建設時可以有效避免“站群”矛盾，避免規(guī)劃與電力行業(yè)管理相脫節(jié)等問題。 【關鍵詞】GIS;空間布局規(guī)劃；用地

2、約束；變電站 1 變電站布局的總體理念 11 研究思路 變電站的規(guī)劃布局問題屬多中心選址優(yōu)化問題。 目前變電站選址問題一般以變電站投資(含二次網(wǎng)）和年運行費用最低建立數(shù)學模型進行計算，這種算法與實際建設情況往往出入較大.原因可能有兩個方面：其一，算法求得的變電站往往位于小區(qū)、居住區(qū)的中心，基礎設施完善，環(huán)境優(yōu)越,地價（房價）也較高，如在這些地區(qū)建設變電站開發(fā)商不合得,居民意見也較大；第二，經(jīng)這種算法計算確定的變電站供電范圍沒有明確的地理界限,沒有考慮自然地形、管理界限等人為或非人為因素造成的偏差。 本文利用GIS技術，對變電站選址計算進行了嘗試根據(jù)各區(qū)電力負荷的分布，計算各級變配電容量需求；根

3、據(jù)已有變電站的規(guī)劃容量及分布，結合本區(qū)土地使用規(guī)劃，采用GIS空間分析技術，確定規(guī)劃變電站的位置及容量。本文提出的計算方法能夠有效避免以上問題，接近實際建設模式,符合城市規(guī)劃管理人員決策思路,具有一定實用價值。 12 變電站規(guī)劃布局一般原則 （1）有利于實施分區(qū)供電。變電站供電分區(qū)應經(jīng)濟、合理，滿足負荷需求。 （2)線路安排便利。 (3)各級電壓的變電總容量與用電負荷之間，輸、變、配電設備容量之間、有功和無功容量之間比例協(xié)調，經(jīng)濟合理。 (4）按飽和負荷預留各類電力設施用地。 (5）緩解進入城市中心區(qū)的走廊及線路壓力。 13 變電站選址一般原則 （1)符合總體規(guī)劃及市中心區(qū)控制性詳細規(guī)劃用地布

4、局要求。 (2）盡可能不占用或少占用基本農(nóng)田、定樁綠地等. （3)500kV變電站應考慮供電區(qū)域的合理性,220kV及以下變電站除考慮區(qū)域合理外,還應盡可能在負荷中心區(qū)的工業(yè)用地內或產(chǎn)業(yè)用地內安排，以減少對居民生活的影響，消除居民心理障礙。 (4）500kV及220kV變電站應滿足100年一遇防洪要求，110kV變電站應滿足50年一遇防洪要求。 （5）應有良好的地質條件，避開地震斷裂帶、各類采空區(qū)、滑坡泥石流易發(fā)區(qū)等不良地質構造區(qū)。 （6）避開軍事電臺、通訊電臺、機場導航臺等設施以避免可能造成的強弱電干擾。 (7)避開危險品倉庫、輸油管道、高壓輸氣管道等易燃易爆區(qū). （8）盡可能遠離住宅、醫(yī)院

5、、中小學校等對電磁環(huán)境要求較高區(qū)域或易引發(fā)社會矛盾的區(qū)域。 （9）盡可能減少拆遷。 （10)方便安排變電站進出線路。 2 GIS技術的簡要分析 GIS是地理信息系統(tǒng)（geographic information system)的英文縮寫，是采集、存儲、管理、檢索、分析和描述整個或部分地球表面與空間地理分布數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng)。它是一個集計算機科學、地理學、信息學、管理科學等于一體的新興多學科綜合技術領域,它獨具的空間地理信息、圖形處理能力,為與空間地理信息有關的領域提供了一種嶄新的應用技術手段。 GIS技術的特點是按一定的空間拓撲關系以數(shù)據(jù)庫的形式來儲存各種空間地理要素及屬性數(shù)據(jù)，以圖形方式來描

6、述各種空間地理要素，并利用關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的成熟技術，將地理屬性數(shù)據(jù)管理和空間數(shù)據(jù)的拓撲關系相結合，使被描述的事物既直觀又生動。另外，GIS在屬性數(shù)據(jù)管理上，運用了關系數(shù)據(jù)庫管理技術，使GIS可直接與外部關系數(shù)據(jù)庫連接。 GIS具有強大的空間分析、處理、輸出功能,是一個支持空間地理決策的系統(tǒng)，它通過對多因素的綜合分析，可以迅速地獲取滿足應用需要的與地理相關的信息，并能以地圖、圖形或數(shù)據(jù)的形式表示處理的結果. 現(xiàn)有GIS軟件的功能大致劃分如下： (1）數(shù)據(jù)采集、輸出:地圖繪制;圖形、屬性數(shù)據(jù)的輸入、編輯;圖形、屬性數(shù)據(jù)的輸出；地圖管理。 （2）系統(tǒng)分析、管理數(shù)據(jù)處理(如數(shù)據(jù)重構、數(shù)據(jù)抽取等);

7、空間數(shù)據(jù)分析、計算（如空間量測、疊加分析、緩沖區(qū)分析、地形分析等)；數(shù)據(jù)變換(如不同投影、不同坐標系的變換)；網(wǎng)絡功能(如優(yōu)化路徑）；空間統(tǒng)計分析(如空間插值）;擴展功能等。 目前,GIS已在測繪、制圖、統(tǒng)計、資源和環(huán)境管理、城市規(guī)劃、工程與交通設施規(guī)劃與管理，以及軍事、商業(yè)等領域得到廣泛應用。 3 基于GIS空間分析技術的變電站選址決策模型與方法 3 1 模型分析 在城市電網(wǎng)規(guī)劃過程中，變電站選址一般經(jīng)歷如下4步：(1)現(xiàn)有變電站評價；(2)負荷需求預測及負荷分布；（3)確定新建變電站個數(shù);（4)確定新建變電站位置、容量及供電范圍。 在這4步中，除第一步屬定性分析外，其余3步均為定量分析與計

8、算，涉及到數(shù)學模型的選擇問題。下面結合筆者的工作經(jīng)驗，從實用方便的角度，對每步采用的數(shù)學模型進行分析。 311 負荷需求預測及負荷分布 城市電網(wǎng)規(guī)劃一般可分為城市供電總體規(guī)劃及城市供電控制性詳細規(guī)劃兩個階段。 總體規(guī)劃階段一般解決建設原則、建設規(guī)模、系統(tǒng)結構、設施布局、建設方式等問題：控制性詳細規(guī)劃階段應在總體規(guī)劃的基礎上具體落實場站設施位置，進出線線路路由、實施策略等。不同規(guī)劃階段均應對負荷需求進行預測。但受城市用地規(guī)劃深度的制約及規(guī)劃要求的不同，不同階段負荷需求預測的方法是不同的.總體規(guī)劃階段一般采用人均指標法，建設用地負荷密度法、外推法、彈性系數(shù)法等方法；詳細規(guī)劃階段一般采用建筑負荷指標

9、法，采取的建筑負荷指標一般是城市規(guī)劃管理部門發(fā)布的指標。 兩個階段的計算結果可能不同.從局部來說，對每個地塊，即便在電力系統(tǒng)實際運行中，電力負荷的計算值與實際測量值也肯定不同。原因是不同類型的負荷之間,或同類負荷的不同設備運行時間存在時差，使得某個區(qū)域最大負荷肯定不是該區(qū)域各分區(qū)域或備用地地塊最大負荷的代數(shù)和。受房屋用途、房屋使用率、使用人生活習慣等因素影響,要準確算出一個地塊的電力負荷是不可能的，只能平均計算。假定一個區(qū)域內同類負荷具有大體相似的使用屬性,那么，用建筑負荷指標法計算出來的地塊負荷乘以一個系數(shù)可以近似模擬最大負荷出現(xiàn)時該地塊對最大負荷的貢獻值。為便于計算，本文引入負荷調整因子及

10、地塊計算負荷兩個概念。負荷調整因子即選用的系數(shù)，地塊計算負荷即最大負荷時該地塊對最大負荷的貢獻值.計算方法如下： 式（1）（4)中：為第i地塊的初始負荷;m2為第i地塊不同性質用地的數(shù)目；為第i地塊第j類性質用地總建筑面積；為第j類性質用地單位建筑面積負荷初始值，即建筑用電負荷指標,該指標為統(tǒng)計數(shù)值，不同城市或同一城市不同發(fā)展階段該數(shù)值一般是不一樣的；m1為研究區(qū)域內地塊數(shù)目，計算模型中作為負荷點的數(shù)目；為研究區(qū)域各地塊初始負荷之和；為第i地塊的計算負荷；為負荷調整因子;為研究區(qū)域各地塊計算負荷之和。 取值可采用迭代計算方法求得. 312 確定新建變電站個數(shù) 目前有不少關于變電站計算方面的文獻

11、,但這些文獻中，普遍忽視了管理界限、自然地形等地理阻斷因素對變電站個數(shù)及布局的影響。 電力系統(tǒng)的管理、電費的結算一般按行政區(qū)進行，因此,各級電力設施的規(guī)劃設計應與電力的分區(qū)管理相適應，在本分區(qū)內實現(xiàn)管理權限內的電力設施的電力、電量平衡。比如，北京朝陽區(qū)的110kV變電站一般不會供應鄰近的海淀區(qū)的負荷。為此在變電站的選址計算時，特別是對于大城市,應注意行政界限或管理權限對變電站規(guī)劃布局的影響。 在負荷比較密集的城市中心區(qū)域，中壓供電系統(tǒng)多采用10kV電纜,電纜穿越城市快速路、鐵路、河流可能會使工程建設成本大幅度增加，也給中壓系統(tǒng)的管理維護帶來不便.為此，110kV及以下電壓等級變電站選址計算時應

12、考慮自然地形帶來的干擾。 本文克服了這一問題。方法為采用分組團計算的方式.首先將規(guī)劃范圍根據(jù)管理界限、城市用地規(guī)劃分區(qū)、自然地理條件等劃分組團，變電站計算時按組團進行，將組團界限作為計算約束條件，電力設備的平衡應在組團內進行。這樣，新建變電站個數(shù)計算模型修正如下: 式中:為新建變電站個數(shù);為冗余因子，一般取0812；t為研究區(qū)域內組團個數(shù)；為第i組團總計算負荷；r為變電站容載比，110kV變電站一般取1820,220kV變電站一般取1618;為第i組團該電壓等級現(xiàn)狀變電站主變壓器總容量；s為單座新建變電站主變壓器總容量；為第i組團新建變電站個數(shù)。 313 確定新建變電站位置、容量及供電范圍 變

13、電站選址問題是一個多元連續(xù)選址的組合優(yōu)化過程。對這類問題，國內外已有較多的研究成果,但這些成果大部分沒能與城市用地屬性結合起來，所確定位置在實際建設中遇到了較多的問題。 本文解決了這一問題:首先在計算中引入ji參量，表示變電站與用地塊之間的供電關系，以模擬地理阻斷因素約束條件;其次，通過建立計算模型及迭代計算，確定了變電站的供電范圍以后，再采用GIS疊加分析技術，對新建變電站站址進行調整優(yōu)化.以負荷矩計算模型為例，變電站計算的數(shù)學模型如下： 式(6)（9）中：M為負荷矩之和:n為研究范圍內變電站總個數(shù)；m1為研究區(qū)域內地塊數(shù)目，計算模型中作為負荷點的數(shù)目；ji為標志參量，當變電站j與地塊i位于

14、同一組團且存在供電關系時，令ji=1，當變電站j與地塊i位于同一組團但不存在供電關系時，令ji=0，當變電站j與地塊i不在一個組團時，令ji=+；為第i地塊計算負荷；Dij為變電站j與地塊i之間供電線路長度；s為單座新建變電站主變壓器總容量;r為變電站容載比. 約束條件式(7)表示每個變電站至少供應一個地塊（假定地塊大小分得足夠合理，每個地塊計算負荷大小不超過一座變電站供電能力)；約束條件式(8）表示每個地塊至少有一座變電站為其供電；約束條件式(9）表示每座變電站的供電 能力不超過約定數(shù)值。對于Dij，可以利用變電站j與地塊i之間直線距離近似計算，計算公式為：從線路建設實際看，中壓干線或高壓配

15、電線路一般沿城市道路敷設，北京市城市道路網(wǎng)一般為橫平豎直的方格網(wǎng)，為計算更加準確，Dij也可以采用以下公式計算： 式（10)及式(11）中:(uj，vj）為變電站j的坐標；(xj，yj)為地塊i的中心點或配電室坐標。式（6）為整數(shù)規(guī)劃問題，這類問題可用線性規(guī)劃方法求解,也可用啟發(fā)式搜索方法比如遺傳算法(GA法)等求解。文獻中有較多實踐資料，本文不再詳述。 GIS疊加分析技術對變電站選址的優(yōu)化不涉及數(shù)學模型在下文具體介紹。 32計算方法與流程總體來說，基于GIS的變電站選址共分5大步、14小步（圖1)。 321 準備工作 具體而言需進行以下工作選定工作基礎平臺軟件(本文以arcgis軟件包arc

16、info軟件為例），輸入GIS基礎數(shù)據(jù)（含地圖、城市規(guī)劃圖等），劃定研究區(qū)域，按規(guī)范算法算出整個區(qū)域內目標年電力負荷總最大需求P1,輸入待研究級別（比如220kV）所有變電站（共n1+n2個）坐標及其目標年主變壓器安裝容量。 522計算每個地塊的計算負荷 該步利用GIS分布計算功能，可使計算過程簡單化. 計算前,需輸入以下現(xiàn)狀資料：(1）用地控制性詳細規(guī)劃確定的各地塊性質(分至建設用地小類類別)、用地面積、建筑面積；(2)城市規(guī)劃管理部門發(fā)布的各類建筑物負荷指標（分至建設用地小類類別)；(3）目標年電力負荷最大需求P1. 該步計算負荷調整因子k1,k1可采用迭代計算的方法求出：首先賦予k1一個

17、較大的值（最大值為1),迭代條件為P2與P1的差值，不斷減k1取值,差值會不斷減小,當差值滿足一個較小數(shù)值時，計算結束。 計算的返回值為各地塊計算負荷Pi2，并自動將該數(shù)值連同位置信息結合作為地塊屬性之一存儲在數(shù)據(jù)庫中，以在變電站選址計算中調用。 為便于計算,每個地塊近似用一個數(shù)據(jù)點來表示。數(shù)據(jù)點位置為地塊中心點坐標,數(shù)據(jù)點負荷即為整個地塊負荷。由于城市供電是變電站配電室變壓器為核心的供電模式，數(shù)據(jù)點的位置可模擬變電站配電室變壓器位置,因此這種近似在供電系統(tǒng)中是具有實際意義的. 323劃定組團,確定新建變電站個數(shù)n2 該步首先劃定地理阻斷因素作為約束條件，然后調用GIS空間數(shù)據(jù)庫中各地塊計算負

18、荷，帶入數(shù)學模型，得到各組團需新建變電站個數(shù)及研究區(qū)域需新建變電站總個數(shù)。 324 變電站站址及供電范圍的確定 該步是基于GIS的變電站選址的重點，分兩小步進行： 首先，通過模型計算，確定各變電站供電范圍及變電站位置坐標。該計算需反復調用GIS屬性數(shù)據(jù)庫中關于地塊計算負荷及負荷所在位置坐標等數(shù)據(jù)屬性。 然后，利用GIS疊加分析功能，分析出適合建設變電站的區(qū)域，再對區(qū)域與變電站坐標進行 疊加，得到新建變電站的優(yōu)化站址。具體實施方式如下： 根據(jù)變電站電壓等級及布置形式確定變電站所需用地面積。(1)對用地屬性進行搜索,去除基本農(nóng)田、定樁綠地、現(xiàn)狀永久建筑、道路用地；(2）對用地屬性進行搜索，去除收發(fā)

19、信電臺、機場導航臺、軍用電臺用地外圍15km以內區(qū)域,去除綜合醫(yī)院、危險品倉庫、燃氣場站外圍1.0km以內區(qū)域，去除輸油管道、高壓輸氣管道外圍200m以內區(qū)域，去除居住區(qū)外圍50m以內區(qū)域;(3)去除防洪標準不滿足用地區(qū)域，110kV變電站防洪標準為50年一遇，220kV及以上變電站防洪標準為100年一遇；(4)去除用地面積不滿足需求區(qū)域；（5）疊加以上(1)(4)項，得到可建設變電站區(qū)域；(6）疊加計算出來的變電站坐標及供電范圍，在某站供電范圍內，計算出來的變電站坐標附近選取變電站位置。在變電站迭代之前,需初始化新建變電站的位置。為準確反映變電站與用地屬性之間的關系,新建變電站的初始化時，應

20、以組團為基本地理單元，分別輸入。 325輸出計算結果 輸出結果主要為選址優(yōu)化后確定的變電站位置及供電范圍。 4 應用實例北京市220kV變電站空間布局 據(jù)負荷預測，北京地區(qū)2020年供電負荷為2500026000MW?？鄢姀S直供1020MW，220kV容載比取18,2020年變電容量總需求為44964MVA。 北京市城市空間結構為“兩軸兩帶多中心”，在中心城市周圍,分布有11座新城，北京擬實施中心城區(qū)與新城聯(lián)合發(fā)展戰(zhàn)略。為保障這個空間戰(zhàn)略的實施,在考慮北京市220kV供電網(wǎng)絡空間布局時，應以備新城及城市中心作為分組組團,分別進行考慮。為此，在利用GIS計算時，設定遠郊區(qū)縣新城界（不一定是行政

21、邊界）為地理阻斷因子，將全市用地劃分為12個組團。 經(jīng)計算，2020年北京市220kV變電站布局如 41 四環(huán)路以內 2005年二環(huán)路以內有長椿街、王府井2座220kV變電站，規(guī)劃增加天橋、桃園、內城3座220kV變電站。 2005年二環(huán)路至三環(huán)路有朝陽門、草橋、西直門、左安門4座220kV變電站，規(guī)劃增加廣渠門、南站2座220kV變電站. 2005年三環(huán)路至四環(huán)路有知春里、太陽宮、西大望、蓮花池、八里莊5座220kV變電站，規(guī)劃增加健翔橋、黃寺、CBD、三營門、玉泉營、遠大、西苑7座220kV變電站. 這樣，2005年四環(huán)路以內有11座220kV變電站,到2020年規(guī)劃增加12座，四環(huán)路以內

22、220kV變電站總數(shù)將達到23座. 4 2 四環(huán)路至五環(huán)路 2005年四環(huán)路至五環(huán)路有220kV變電站6座，即東北郊、王四營、老君堂、南苑、張儀、寶山。規(guī)劃增加八家村、望京、酒仙橋、團結湖、垡頭、久敬莊、花鄉(xiāng)、張郭莊、樂各莊、西山、祁家村11座220kV變電站。至2020年,四環(huán)路至五環(huán)路220kV變電站總數(shù)為17座。 43 中心區(qū)五環(huán)路以外 2005年朝陽海淀、豐臺、石景山4個城區(qū)五環(huán)路以外有220kV變電站8座(其中用戶站2座）：聶各莊、上莊、清河、電科院（用戶站）、孫河、白廟（用戶站)，呂村,定福莊.規(guī)劃增加12座：海淀山后、西北旺、東北旺、奧運村、紅軍營、東壩、東壩東、古城東、管莊、馬

23、各莊、石景山、王佐。至2020年，中心區(qū)五環(huán)路以外220kV變電站總數(shù)為20座。 44 11座新城 延慶新增2座：八達嶺、延慶。 懷柔現(xiàn)有1座:懷柔：規(guī)劃增加1座：懷柔北. 密云規(guī)劃增加2座：密云、密云北. 平谷現(xiàn)有1座；規(guī)劃新增1座：馬坊。 順義現(xiàn)有2座：高麗營、李遂；規(guī)劃增加5座順義新城北、順義新城南、仁和、空港城、李橋南。 昌平現(xiàn)有2座：下莊、西沙屯;規(guī)劃增加7座：昌平東、沙坨、流村、亭子莊、沙河大學城、霍營、回龍觀。 通州現(xiàn)有3座：北寺、老通州、臺湖；規(guī)劃增加6座：通州東、通州東南、通州西北、梨園、草廠、永樂店。 亦莊現(xiàn)有1座:榮華；規(guī)劃增加3座:亦莊東、亦莊南、京東方。 大興現(xiàn)有2座

24、：大興、盧城；規(guī)劃增加6座：青云店、團河、舊宮，陳留莊、黃村、李家務。 門頭溝規(guī)劃新增2座：門城一、門城二。 房山現(xiàn)有4座(其中用戶站2座):良鄉(xiāng)、韓村河、燕化(用戶站)、東風（用戶站）；規(guī)劃增加3座：閻村北、良鄉(xiāng)南、周口店。 綜合以上，2005年全市擁有220kV變電站41 座，至2020年規(guī)劃新增73座，共計114座，變電站主變壓器總裝機容量為56650MVA。220kV變電站布局見圖2。 5 小結變電站的規(guī)劃問題屬多中心選址優(yōu)化問題.北京市電網(wǎng)變電站眾多,占用城市建設用地較多，與各類建設用地關系復雜，在空間布局上將變電站用地落到實處很難。本文采用GIS技術構建了基于GIS的變電站選址的計算流程與方法。該方法在遠期總體負荷規(guī)模確定的情況下，根據(jù)各地塊用地面積、用地屬性、建筑面積等屬性，自動實現(xiàn)規(guī)劃期末地塊電力負荷的分布計算。以此為基礎,輸入現(xiàn)狀變電站有關參數(shù)，即可計算出規(guī)