基于GIS農村電網規(guī)劃方法范文

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摘要本文針對目前農村電網（以下間稱農網）規(guī)劃難以滿足規(guī)劃人員實用要求的現狀，提出應用地理信息系統(tǒng)（Geo－graphicalInformationSystem，簡稱GIS）技術改進農網規(guī)劃的設想。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，將配網規(guī)劃這一NP－h(huán)ard問題轉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。研究結果表明借助GIS無需復雜的算法便可實現規(guī)劃過程更具交互性、規(guī)劃結果更具直觀性、方案調整更具靈活性。基于GIS的農網規(guī)劃可作為農網規(guī)劃人員的得力工具。

關鍵詞GIS農網規(guī)劃變電站選址路徑優(yōu)化

1引言

配電網規(guī)劃問題在數學上是一個NP—hard問題，近幾年，雖然采用現代啟發(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，并考慮到農網規(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技術改進農網規(guī)劃的設想，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)模的農網規(guī)劃問題。

2基于GIS的農網規(guī)劃應用系統(tǒng)的總體結構設計

2．1在農網規(guī)劃中引入GIS的優(yōu)越性

從農網規(guī)劃本身來看，利用GIS有如下幾點優(yōu)越性：

（1）GIS是結合CAD技術和數據庫技術的空間數據庫系統(tǒng)，在進行農網規(guī)劃時，能夠通過數據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）；圖形數據和屬性數據的雙向檢索。（4）方案調整靈活。（5）可視、交互。

2．2基于GIS的農網規(guī)劃應用系統(tǒng)的總體結構設計

2．2．1總體設計思想

基于GIS的農網規(guī)劃應用系統(tǒng)的總體設計思想是：主功能界面基于通用GIS軟件（如GeoMediaPro3．0、ARC／INFO、MapInfo等），研究與GIS相結合的農網規(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。

2．2．2總體結構

本文設計的“基于GIS的農網規(guī)劃應用系統(tǒng)”由如下幾個模塊構成：農網規(guī)劃GIS數據庫、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)的總體結構如圖1所示。

3基于GIS的農網子系統(tǒng)規(guī)劃模型及算法

3．1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］。

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），（j＝1，2Λn）

（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)化數目m，

（2）各變電所的最優(yōu)區(qū)位（ui，vi），（i＝1，2Λm）

（3）確定各變電所的優(yōu)化供電區(qū)域，為此，設置決策變量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上，建立了變電所布局的空間優(yōu)化模型。用NF表示農網的年費用，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1．8－2．1。

式中β——農網單位距離、單位負荷的年費用系數；

Pj——負荷點j的規(guī)劃年負荷（MW）。

其中β＝NF／PlLjj（2）

式中NF——經濟供電半徑下的農網年費用，其計算式詳見文獻［3］；

Pl——10kV線路的傳輸功率。

Ljj——經濟供電半徑（km），對文獻［4］的計算結果進行處理而得。

ml——10kV線路出線條數（ml＝6）。

ms——平均負荷密度下優(yōu)化變電站數量。

上述模型在GIS軟件系統(tǒng)的支持下，求解起來要方便得多。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。而且計算結果也可在屏幕上顯示出來。這也是GIS對農網規(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，實現步驟如下：

（1）令變電所的個數為m＝ms－2，ms－1，ms，ms＋1，ms＋2；

（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）（i＝ms－2，ms－1，ms，ms＋1，ms＋2）；

（4）計算每個負荷點由各變電所供電的年費用βPjdij，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?。创_定出）。檢查是否與一致，若一致，則選址結束，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：

3．2基于GIS的10kV線路優(yōu)化規(guī)劃

變電所優(yōu)化布局結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)劃模型以農村電網年費用最小為目標函數。其數學模型表示如下：

（1）目標函數

式中δk——待選線路k被選中與否的0－1決策變量；

λ——投資回收系數；

γ——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——待選線路數目，這里將部分已有的線路也作為待選線路參與優(yōu)化；

ΔP——某輻射線路的有功功率損失；

mf——輻射線路（路徑）的數目，也是根支路的數目；

τmax——10kV線路的最大損耗時間；d——綜合電價，取0．5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（％）

ΔUmax％——允許最大電壓損耗百分數（％），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)，0－1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網2005年變電站的優(yōu)化數量為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果如圖2所示。10kV線路規(guī)劃結果略。

文獻［5］提出用遺傳算法解決配網規(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，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，模型中農網單位距離、單位負荷的年費用系數考慮了農網三個電壓等級電力設施的費用，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)模農網規(guī)劃問題以及城市配電網規(guī)劃問題。

5結論

通過研究，本文得出如下結論：

（1）本文首次用中心地理論中的“空間位置－配置”模型來解決農網規(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的農網子系統(tǒng)規(guī)劃方法為解決大規(guī)模農網規(guī)劃問題提供了新的方法。

（2）本文提出的基于GIS的農網規(guī)劃方法的應用，將改變農網規(guī)劃模式，為農網規(guī)劃實現可視化、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，2000

2王橋，閻守邑，趙?。乩硇畔⑾到y(tǒng)中的區(qū)域規(guī)劃模型及其管理．北京：宇航出版社．1998

3湯紅衛(wèi)．基于GIS的農村電網規(guī)劃方法的研究．［博士學位論文］．北京，中國農業(yè)大學，2001

4湯紅衛(wèi)．農村電網電壓質量綜合優(yōu)化．中國農村電氣化學術論文集，1978～1998

5VMiranda，JVRanito．Geneticalgorithmsinoptimalmulti－stagedistributionnetworkplanning．IEEETransPowerSystem，1994，9（4）：1927～1933．