基于地理信息系統(tǒng)的農(nóng)村電網(wǎng)規(guī)劃方法的研究

1、基于地理信息系統(tǒng)的農(nóng)村電網(wǎng)規(guī)劃方法的研究摘要本文針對目前農(nóng)村電網(wǎng)（以下間稱農(nóng)網(wǎng)）規(guī)劃難以滿足規(guī)劃人員實用要求的現(xiàn)狀，提出應用地理信息系統(tǒng)（GeographicalInformationSystem，簡稱GIS）技術(shù)改進農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃的設(shè)想。基于中心地理論的應用模型，提出基于GIS的子系統(tǒng)模型及算法，將配網(wǎng)規(guī)劃這一NPhard問題轉(zhuǎn)化為無約束的線性凸規(guī)劃問題，并使問題規(guī)模大為減小。研究結(jié)果表明借助GIS無需復雜的算法便可實現(xiàn)規(guī)劃過程更具交互性、規(guī)劃結(jié)果更具直觀性、方案調(diào)整更具靈活性?；贕IS的農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃可作為農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃人員的得力工具。關(guān)鍵詞GIS農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃變電站選址路徑優(yōu)化1引言配電網(wǎng)規(guī)劃問題在數(shù)學上是一

2、個NPhard問題，近幾年，雖然采用現(xiàn)代啟發(fā)式算法，如遺傳算法、模擬褪火算法、Tabu搜索等，在解決配電網(wǎng)規(guī)劃的全局優(yōu)問題上也取得了一些突出的成果。但是還存在如下不足：1）求解規(guī)模和變電站位置優(yōu)化的局限。2）由于規(guī)劃模型及尋優(yōu)過程中難以考慮地理因素，致使規(guī)劃的結(jié)果不適宜。3）規(guī)劃不直觀、不可視。鑒于上述不足，并考慮到農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃有其自身特點，因其變電站位置和10kV路徑選擇有更多的任意性，致使問題規(guī)模更大，求解更難，本文提出利用GIS技術(shù)改進農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃的設(shè)想，并提出基于GIS的子系統(tǒng)模型及算法，使問題規(guī)模大為縮小，實例驗證該方法能夠解決大規(guī)模的農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃問題。2基于GIS的農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃應用系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)

3、計21在農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃中引入GIS的優(yōu)越性從農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃本身來看，利用GIS有如下幾點優(yōu)越性：（1）GIS是結(jié)合CAD技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在進行農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃時，能夠通過數(shù)據(jù)訪問方便地獲得變電所、負荷點的位置坐標。GIS還具有空間分析的功能，在變電站選址尋優(yōu)過程中，能夠利用其避開障礙物。（2）借助GIS，避免了煩瑣的節(jié)點編號、支路編號。（3）利用GIS便于規(guī)劃人員進行前期分析：提供地理背景便于確定待選變電站、待選線路的長度和路徑（不需再作測量）；圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的雙向檢索。（4）方案調(diào)整靈活。（5）可視、交互。22基于GIS的農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃應用系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計221總體設(shè)計思想基于GIS的農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃

4、應用系統(tǒng)的總體設(shè)計思想是：主功能界面基于通用GIS軟件（如GeoMediaPro30、ARCINFO、MapInfo等），研究與GIS相結(jié)合的農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃模型及算法，針對研究提出的模型和算法，編制相應的程序模塊。將各模塊與GIS集成。222總體結(jié)構(gòu)本文設(shè)計的“基于GIS的農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃應用系統(tǒng)”由如下幾個模塊構(gòu)成：農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃GIS數(shù)據(jù)庫、變電所優(yōu)化布局模塊、10kV線路優(yōu)化規(guī)劃模塊等。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。3基于GIS的農(nóng)網(wǎng)子系統(tǒng)規(guī)劃模型及算法31基于GIS的變電站優(yōu)化布局模型和算法在中心地理論的應用模型中，有離散型多場址選擇模型、離散型單場址選擇模型、連續(xù)型多場址選擇模型和聯(lián)系型單場址選擇模型1，2

5、。解決變電站優(yōu)化布局問題可采用離散型多場址選擇模型和連續(xù)型多場址選擇模型。本文采用連續(xù)型多場址選擇模型。具體到每一個變電站的位置選擇又需要用單場址選擇模型。本文中，先把變電所合理布點問題看作是一個連續(xù)性問題，借助GIS的空間分析功能，優(yōu)化出的變電所位置若是居民區(qū)或林地、水域等不適宜的位置，則重新進行負荷分配，進而重新確立變電所的位置。基于此，本文將變電所合理布點問題描述為：已知：（1）n個負荷點的位置（xj，yj），（j1，2n）（2）各負荷點的負荷為Pj求負荷非均勻分布條件下：（1）變電所的優(yōu)化數(shù)目m，（2）各變電所的最優(yōu)區(qū)位（ui，vi），（i1，2m）（3）確定各變電所的優(yōu)化供電區(qū)域，為

6、此，設(shè)置決策變量Xij為解決這一問題，本文在連續(xù)型多場址選擇模型的基礎(chǔ)上，建立了變電所布局的空間優(yōu)化模型。用NF表示農(nóng)網(wǎng)的年費用，則有約束條件：1）保證對所有負荷點供電，一個負荷點只能由一個變電站供電；2）滿足變電所容量約束：容載比不低于1821。式中農(nóng)網(wǎng)單位距離、單位負荷的年費用系數(shù)；Pj負荷點j的規(guī)劃年負荷（MW）。其中NFPlLjj（2）式中NF經(jīng)濟供電半徑下的農(nóng)網(wǎng)年費用，其計算式詳見文獻3；Pl10kV線路的傳輸功率。Ljj經(jīng)濟供電半徑（km），對文獻4的計算結(jié)果進行處理而得。ml10kV線路出線條數(shù)（ml6）。ms平均負荷密度下優(yōu)化變電站數(shù)量。上述模型在GIS軟件系統(tǒng)的支持下，求解起

7、來要方便得多。因為在GIS環(huán)境下，能方便獲取各負荷點的坐標、各變電所的坐標。而且計算結(jié)果也可在屏幕上顯示出來。這也是GIS對農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃的變電所優(yōu)化布局的重要貢獻。本文基于分組交替選址法的思想1，求解上述模型，實現(xiàn)步驟如下：（1）令變電所的個數(shù)為mms2，ms1，ms，ms1，ms2；（2）將n個負荷點劃分到m個子集中去，確定初始；（3）對m個子集中的每一個，采用單場址選擇模型，并用迭代法求出各子集中變電所的初始位置（ui，vi）（ims2，ms1，ms，ms1，ms2）；（4）計算每個負荷點由各變電所供電的年費用Pjdij，年費用最小的X為1，其余為0，確定出負荷點j由哪一變電所供電年費用最?。?/p>

8、即確定出）。檢查是否與一致，若一致，則選址結(jié)束，否則，按重新確定負荷劃分方案，再繼續(xù)步驟（3）的變電所位置選擇。步驟（3）采用平面上單重心問題1的迭代解法來求解。其迭代步驟為：32基于GIS的10kV線路優(yōu)化規(guī)劃變電所優(yōu)化布局結(jié)果實際已確定出各變電所的優(yōu)化供電區(qū)域。10kV線路的優(yōu)化規(guī)劃實際是分區(qū)進行優(yōu)化計算的。本文建立10kV線路優(yōu)化規(guī)劃模型以農(nóng)村電網(wǎng)年費用最小為目標函數(shù)。其數(shù)學模型表示如下：（1）目標函數(shù)式中k待選線路k被選中與否的01決策變量；投資回收系數(shù)；維護率；lk待選線路的長度（公里）；C單位長度10kV線路的綜合造價（萬元公里）；mb待選線路數(shù)目，這里將部分已有的線路也作為待選線

9、路參與優(yōu)化；P某輻射線路的有功功率損失；mf輻射線路（路徑）的數(shù)目，也是根支路的數(shù)目；max10kV線路的最大損耗時間；d綜合電價，取05元kWh。（2）約束條件：1）保證對所有負荷點供電2）滿足輻射型約束3）滿足線路電壓損耗約束，即：式中第k條10kV線路上的最大電壓損耗百分數(shù)（）Umax允許最大電壓損耗百分數(shù)（），取5。由于本文的10kV線路的優(yōu)化是分區(qū)進行的，對于每個區(qū)，01變量相對要少得多。為此，本文采用隱枚舉法，方法簡便，計算準確。4應用實例某電網(wǎng)原有35kV變電站3座，110kV變電站7座，負荷點366個，10kV線路304條，2005負荷預測值為290MW。利用本應用程序得出該電

10、網(wǎng)2005年變電站的優(yōu)化數(shù)量為11座，利用本文提出的方法得到該縣2005年變電站合理布局結(jié)果如圖2所示。10kV線路規(guī)劃結(jié)果略。文獻5提出用遺傳算法解決配網(wǎng)規(guī)劃問題，該算法用于有2個變電站、50個負荷點、60條10kV線路的配電網(wǎng)，計算時間為30多分鐘。當問題規(guī)模增大時，計算時間成指數(shù)增長。本文提出的模型及算法不存在問題規(guī)模與計算時間問題。而且，模型中農(nóng)網(wǎng)單位距離、單位負荷的年費用系數(shù)考慮了農(nóng)網(wǎng)三個電壓等級電力設(shè)施的費用，以保證全局優(yōu)。實例證明本文提出的方法能夠解決大規(guī)模農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃問題以及城市配電網(wǎng)規(guī)劃問題。5結(jié)論通過研究，本文得出如下結(jié)論：（1）本文首次用中心地理論中的“空間位置配置”模型來解決農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃中的變電站合理布局問題。建立了相應的模型，使問題規(guī)模大為縮小。所提出的基于GIS的農(nóng)網(wǎng)子系統(tǒng)規(guī)劃方法為解決大規(guī)模農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃問題提供了新的方法。（2）本文提出的基于GIS的農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃方法的應用，將改變農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃模式，為農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃實現(xiàn)可視化、交互式規(guī)劃和自動化規(guī)劃提供科學的手段和方法6參考文獻1陳述彭，魯學軍等地理信息系統(tǒng)導論北京：科學出版社，20002王橋，閻守邑，趙健地理信息系統(tǒng)中的區(qū)域規(guī)劃模型及其管理北京：宇航出版社19983湯紅衛(wèi)基于GIS的農(nóng)村電網(wǎng)規(guī)劃方法的研究博士學位論文北