（电力系统及其自动化专业论文）基于gis的配电网多目标智能优化规划的研究.pdf

第一章绪论 第一章绪论 目前，我国许多配电网损失较高夏季高峰负荷时设备故障频繁有些地 方有电送不到用户，配电系统的网架结构薄弱是一个重要原因。配电系统的改 造追在眉睫，配电规划正受到越来越多的重视，电力公司对配电规划系统的需 求非常强烈。 中压配电网由高压变电所的i o k v 配电装置、开关所、配电所和架空或电 缆线路等部分组成，将电力安全、可靠、经济、合理地输送到用户。中压配电 网按高压变电所的布局、参照行政区管辖划分成若干相对独立的分区配电网， 各分区配电网有明确的供电范围，习惯做法是不交叉供电。配电网规划人员必 须对增加新的配电变压器、架设新的配电线路或新建配电变电站等进行认真权 衡以保证在规划期内有足够的变电容量和线路容量以满足未来的负荷要求。 1 1 研究课题的目的与意义 配电网规划是一个相当复杂的优化问题，配电网的投资占整个电力系统的 投资的比重相当太，只有运用系统的方法对配电网进行规划和设计，才能减少 投资，而同时又保证配电网安全、可靠、和优质运行。随着配电网节点及电力 设备日渐增多，网络结构日趋复杂，特别是随着人民物质和文化生活水平的提 高及其对电力商品质量的要求，传统的规划方法难以胜任。当前我国正斥巨资 进行大规模配电网改造，采用现代计算机技术和智能优化理论，研究有效的配 电网优化规划模型和算法，对很好地解决长期以来我国配电网结构薄弱、供电 瓶颈和可靠性等问题意义重大。 分析和建立更有效的配电网规划的优化模型，并结合传统和现代智能优化 算法，研究配电网优化规划问题的有效解法，对于充分利用建设资金，改造好 我国广大的配电网络，抓住机遇，迎接电力市场的挑战，具有重大的理论和现 实意义。 第一章绪论 1 2 配电网规划模型概述 通常配电系统规划涉及子输电系统、中压变电站和馈线这三个系统费用的 协调和平衡，以寻求一种总费用最小的方案。为了达到这个目的配电网规划 的一般过程为：( 1 ) 配电网负荷预测，( 2 ) 配电网长期规划，( 3 ) 配电网短期 规划。 一般而言，在进行配电网规划时需进行如下决策： ( 1 ) 配电变电站优化布局； ( 2 ) 馈线优化布局； ( 3 ) 单条馈线优化布线； ( 4 ) 负荷的优化分布； ( 5 ) 变电容量的优化分配： 以往的配电网规划模型大体上可归为两类： ( 1 ) 基于正常情况的规划模型 该类模型，主要基于正常状况，忽略了或只是隐含地考虑了变电站或馈线 故障产生的影响。此类规划模型主要是一些数学优化模型( o 砸m i z a t i o n m o d e l ) ：线性规划、o - l 线性规划以及非线陛规划等。随着实际问题的维数逐 渐增大，利用这些模型在合理的时间内求得规划结果变得越来越不现实，所以 后来出现了基于启发式原理( h e u r i s t i c ) 和基于人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 及专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 的规划方法。 ( 2 ) 考虑故障情况的配电网规划模型 在( 1 ) 中的规划模型未考虑设备故障的影响，通常电力设备发生故障的 概率是很小的，但一旦出现故障，造成的损失往往是巨大的，同时配电网的结 构又较为复杂，仅仅靠一定的备用容量来考虑设各故障的影响是不充分的。所 以后来出现了显式考虑配电网可靠性因素的规划模型。 几十年来，所有可能的优化方法都在配电网规划问题上得到了应用( 如线 性规划、混合整数规划、网络规划、非线性规划、运输模型、支路交换算法等) ， 取得了丰硕的研究成果。 第一章绪论 现在国内外的研究人员正着重于运用遗传算法( g a ) 、模拟退火( s a ) 、 人工智能( a i ) 、专家系统等现代优化理论与算法来求解日益复杂的电网规划 模扎因为这些方法处理约束条件和目标函数中的非线性和离散的决策变量非 常仃设。同时配电网舰划对负荷预测的要求越来越高，不仅要预测规划区内的 负荷总量而且还要预测未来负荷增长的位置，并且对负荷预测的精度要求也 越来越高了。此外，随着对配电网可靠性要求的提高，规划模型中不仅要考虑 电力部门的投资和运行费用，还要考虑用户的停电损失。 由此可见，研究有效的配电网空间负荷预测方法、建立考虑配电网可靠性 要求的规划模型、寻求有效解决规划方案组合爆炸问题的方法，是当前配电网 规划研究的最新方向。 13 本文的主要研究工作 针对泼课题的研究现状和要求，本文的主要研究工作有： ( 1 ) 探讨了g i s 的数据结构和描述方法，基于g i s 技术和模糊逻辑技术， 提 j 了配电网空间负荷预测方法： ( 2 ) 结合供电可靠性提出了配电网规划的多目标模型。为达到最优的社会 效麻，规划模型的目标函数中不仅要考虑电力部门的投资和运行费用，还要考 虑电力用户因配电网故障造成的损失即电力网络的可靠性； ( 3 ) 编写、调试了适用于放射网络的配电网潮流程序； ( 4 ) 基于遗传算法的原理提出了多目标配电网规划的具体求解方法和实现 过程： ( 5 ) 编写、调试了用遗传算法求解配电网优化规划问题的软件，用实例证 明将遗传算法应用于配电网规划问题可以有效处理各种可能方案的组合爆炸问 题，加- | 夹求解速度，减少计算时间和对计算机资源的占用量。 第二章地理信息系统与空闻负荷预测 第二章地理信息系统与空间负荷预测 从远古时代起，地理信息就已深受人类的重视，从而出现了地图。地图不 仅能描述山川、河流和海洋等自然物貌，还能将诸如行政区、人口数据、矿藏 分布、兵力步置和经济统计数据等信息表现出来。地图的出现，使它超出了纯 地理信息的范畴，成为人们了解和认知世界的一个重要信息载体。 地理信息系统的产生是计算机技术和信息系统发展的共同产物。地理信 息系统使地图的信息化特征得到了更好的发展和拓展：使二维的纸张信息向多 维的空间信息发展；使孤立的地理信息能与其它社会信息相关联。 国内对配电网规划自动化系统的研究和开发正在起步，有的系统已经在 电力部门为规划人员服务。目前，许多专家和学者都感到配电规划系统应建立 在地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m , g i s ) 平台和先进的数据库管 理系统上。这主要是因为配电规划需要处理和决策的信息大部分是与空间有关 的，如负荷的分布、布点、布线等。 空间负荷预测、配电网规划都涉及大量的空间信息。配电规划必须有一个 符合配电规划特点的开发平台，即地理信息系统( g i s 平台) 。g i s 平台不仅为 规划人员提供了更为直观的人机接口，而且能使配电规划更符合实际情况。另 外，配电规划涉及大量不同类型的数据，g i s 系统可以对其进行分层显示和操 作，使得系统具有很好的柔韧性和可扩展性。 2 1 地理信息系统的形成和发展 g i s 是介于信息科学、空间科学和地球科学之间的交叉学科和技术。它将 地学空间数据处理与计算机技术相结合，通过系统建立、操作与模型分析，产 生对于资源环境、区域规划、管理决策和灾害防治等方面的有用信息。地理信 息技术的创立和发展是与地理空间信息的表示、处理、分析和应用手段的发展 分不开的吼 4 第二章地理信息系统与空间负荷预测 6 0 年代初计算机辅助制图和空间数据分析导致数据自动采集、数据分 析和表示技术在几个领域得到发展，这些领域都倾向于发展有效的手段从现实 世界中采集、存储、检索、分析，传输和显示空间数据，1 9 6 5 年g a r r i s o nwl 第一个提出“地理信息系统”这一术语。 最初的地理信息系统主要是关于城市和土地利用的，1 9 7 1 年投入运行的 加拿大地理信息系统( c g i s ) 被认为是国际上最早建立的较为完善的实用的地 理信息系统。7 0 年代，不同专题、不同规模和不同类型的各具特色的地理信息 系统在世界各地纷纷研制。美国、加拿大、英国、德国、瑞典和日本等国都投 入大量人力、物力和财力。1 9 7 8 年在西德达姆斯特工业大学召开了第一次地理 信息系统研讨会。这一时期，美国森林局发展了全国统一使用的资源信息显示 系统r i d s ：美国地质调查局发展了5 0 多个地理信息系统用于获取和处理地质、 地理、地形和水资源信息；日本国土地理院开始建立数字国土信息系统，为国 家和地区土地规划服务；瑞典在中央、区域和市三级建立了许多信息系统，比 较典型的有区域统计数据库、道路数据库、土地测量信息系统和城市规划信息 系统。 到了8 0 年代，随着计算机软、硬件技术的发展和普及，地理信息系统进 入了全面发展和应用阶段，它的应用领域从初期的土地资源环境、地质、农林 业、气象推广到城市规划管理，甚至到投资、旅游和竞选等经济和政治方面。 有人对地理信息系统作了个广义的定义，把凡是与地理位置有关的信息系统都 称为地理信息系统。 城市公共设施的运行和管理是g i s 推广应用的一个重要领域，它包括城市 配电、自来水、煤气和通信等行业。美国和日本等发达国家配电网络的g i s 近 年来的应用已较为普遍，目前正在研究如何利用g i s 来实现配电自动化的某些 功能。 专业应用的g i s 一般是在g i s 平台上结合专业的特点二次开发而成。作为 o l s 平台，在国内外使用最多的、最有代表性的应是美国环境系统研究所( e s r i ) 开发的a r c i n f o 软件。此外还有如g e n a m a p ，i n t e r g r a p h 和m a p l n f o 第二章地理信息系统与空间负荷预测 等比较著名的g i s 平台软件。 ， 国内发展g i s 是从8 0 年代开始的，比起国际上晚了2 0 年，但在近1 0 年 有了令人瞩目的长进口l 。近年来我国自主开发的g i s 平台也纷纷推出，如m a p g i s ( 中国地质大学) ，( 黼m ) g i s 专用软件g r o w ( 深圳雅都图形软件有限 公司) 以及m a p e n g i n e ，c i t y s t a r 等。总的看来，与国外优秀g i s 产品的差距 正在缩小，有些软件在某些方面已经与它们的水平相当。 2 2 地理信息的表示方法 2 2 1 概述 地理信息系统中的地理信息表示方法主要有两种：基于矢量的数据结构和 基于栅格的数据结构川。 采用栅格结构主要因为来自遥感、数字摄影测量和扫描的数据以及格网 数字地面模型是栅格结构的。另外，结构简单、空间叠置和空间分析易于进行 也是其得以采用的一个原因。栅格数据的表示有栅格矩阵、行程编码、四叉树 编码等。 然而使用最为广泛的是基于多边形方法的矢量数据结构。 地理信息的多边形图形特征表现在下列几个方面d l ： 1 多边形是一封闭图形( 如图2 1 ) ，由一个或一个以上的弧段组成，其 内部标识点只允许一个，伴随唯一的表示码。 2 除了边界弧段外，其余弧段均被其两边的两个多边形共享。 3 弧段由两个端点和内部弧段上的特征点构成，它们决定了弧段的几何 位置和长度。 4 弧段端点称为节点，被两个以上弧段共享，弧段通过节点联结相邻弧 段。 第二章地理信息系统与空间负荷预测 5 只有一个弧段的多边形称为岛状多边形其外围多边形可能包含多个 岛状多边形，这种现象成为多边形方法中的一个特例，并要采取特殊的处理方 法。 o 多边形边界线段端点( 节点) i 一线段特征点 a o 多边形特征码 - 卜岛状多边形 铲抛形 图2 - 1地理信息的多边形表示方法 上述表达了多边形图形的拓扑关系，提供了多边形方法的基本依据。在多 边形方法中，表达地理属性是通过内部标识点及其标识码实现的。对应于每一 个多边形的内部标识点及其标识码可以连接多种地理属眭，从而实现了地理 信息的多边形表示方法。 2 2 2 多边形的数据结构 早期的多边形数据结构采用完整多边形坐标串及其标识码组成，这种结构 要求坐标串的首尾坐标相同。其记录一般格式为： a i ，x y ，x 2 y 2 ，) ( t y n ， 其中x y 与k y 。相同，a i 表示多边形标识码。这种方法对于组织多边形坐标 是较为方便的，但是存在严重的缺点，即每段边界( 除了图框) 均被重复数字 化，增加了一倍的的数据量，而且二次数字化的结果不一致，带来了匹配处理 的困难。为了克服这种缺点，后来产生了一种新的多边形数据结构，引入了圈 7 第二章地理信息系统与空间负荷预测 论中关于节点、路径和图的概念，咀弧段为基本记录单元，每个弧段除了记录 本身的标识码外，并使用弧段两边相邻多边形标识码描述。在数字化弧段过程 中，将节点分离建立节点文件，还需要数字化多边形内部标识点建立标识点文 件。在这种新的数据结构中，包括三个原始数字化文件，并依靠它们的拓扑关 系和专门的软件产生多边形索引文件。 经过上面的讨论和研究，可以采用如下的数据结构来表示多边形其中 ( x 。，y 。) ，( x 。，y 。) 分别表示刚好包围图形实体的矩形区域左下角，右上角 坐标。 表2 - i特殊点的数据结构 i内部码点标识三维坐标左下角右上角 l i dp o n q ti dxyz x ly lx ry r 表2 - 2 节点数据结构 l 内部码节点标识三维坐标左下角右上角 i d n o d ei dxyz x ly lx ry 表2 - 3一般线段的数据结构 内部码线段标识数据点数特殊点左下角右上角 l i dl i n ei dp o 【n tn os p o i n t x ly lx ry r 表2 - 4弧段的数据结构 内部码弧段标识起节点终节点左多边形右多边形 i da r ci db n o d ee n o d el p o lr p o l 中间点数中间点坐标左下角右上角 【pn o 墨y ，z ，- 一x ly lx ry r _ 8 第二章地理信息系统与空间负荷预测 表2 - 5多边形的数据结构 内部码多边形标识 总弧数弧段标识 i dp o li d 1 a r cn oa r ci d 外多边形标识内多边形标识左下角 右上角 o p o li di p o li d x ly z x ry e 地理信息系统中的点、线、面均代表一定几何形状的空间实体，而无论哪 一类有意义的空间实体都含有相应的表示其某些特性的属性值。以变压器为 例，用户所关心的是其安装地点、名称、容量等信息。因此，属性数据的管理 非常重要。对普通的二维属性数据当然可以采用关系数据库管理系统来维护， 但在地理信息系统中，属性数据并不独立，而与视图中的几何图形数据一一对 应( 这也是其数据库部分优于一般关系数据库的地方) 。属性数据可以通过图 形实体的标识点相互联结起来，如图2 2 ： 卜 属性数据 几何图形数据 么冀i i7 么：一 i - ! 。 彳二：扣1 少 一j 么 l j ! ： i ”1 7 地ij ffr 遗耳 坼2 l ：ijr 嚣1 舢：i i l 世i i 挪4 僖轴 砧，j 世川揣) i 州。【地n m ：j 图2 - 2g i s 中几何数据图2 - 3多层次的数字化地图 和属性数据的联结 一幅地图可以利用扫描仪输入计算机进行数字化，或直接利用数字化仪将 其输入。如图2 3 ，区域的配电网络图由街区、配电开关、重要用户、馈线、 9 第二章地理信息系统与空间负荷预测 配变及其标注共6 层叠加而成。图中以点、线和多边形表示客观世界某一实体。 点是数字化地图中最基本的单元，它包括有不依比例尺的独立符号，如配电网 中的开关、变压器和杆塔等，可用人们习惯的符号分别表示。线用来表示街道、 河流、围墙、配电网络中的架空线及电缆等。多边形用来表示面状物体，如城 市街区、房屋和配电系统供电区域等。 2 3 地理信息系统软件 地理信息系统软件应该实现各种地理资料( 包括图形、图象、统计资料、 观测数据等) 的输入、编辑、存储、管理、分析和显示，这些目标可划分为两 太类，一是用于建立地理数据库，以实现空间型数据库技术的管理方式；二是 使用数据库执行各种应用目的所需要的操作及其结果显示。因此，在完成软件 系统的概念设计中，空间数据的存储单元设计是一系列功能设计基础。在目前 的科学技术水平下，采用模拟传统作业的思想来设计基本操作较为现实，但要 充分利用计算机技术的最新成果，包括数据库系统的应用以及人工智能领域的 专家系统方法的应用。 i 空间数据存储单元的设计 使用计算机技术来管理地理数据，首先要解决的问题就是如何设计地理数 据文件的基本存储单元。显然，我们不能将整个研究区域的全部要素组织在一 个文件中，甚至一幅地图的全部数据也不可能放在一个文件中。实践证明，全 要素的存储给使用带来许多不便之处，大区域的数据总量( 若在一个文件中) 已超出了目前计算机的处理能力尤其是图形编辑工作难以进行。为此，我们 必须寻找一种新的方法用于设计最佳的空间数据存储单元。 显然问题的关键是如何分割研究区域和分解地理要素，在反复实践中， 人们总结了传统制图工艺中的覆盖制图方法。覆盖制图的中心思想是地图覆盖 层的设计和如何利用覆盖层。一幅地图就是根据总体设计而选取若干地理要素 的叠置结果。但是，传统作业中的一个要素层往往具有多种图形特征( 点、线、 面) ，为了便于计算机操作，不同的图形特征很有必要继续分解为只具有一种 1 0 第二章地理信息系统与空问负荷预测 图形特征的状态。例如水系要素层通常包括线形特征( 河流、运河) 、面状特 征( 湖泊、水库、海、洋) 和点状特征( 水井、泉) ，只有这种单一图形特征 层才是不可分解的基本单元，只有将这种单一图形特征层作为基本存储单元， 实现计算机操作较为方便。若面i 临着大区域的研究范围，为了便于计算机处理 可将每一种单一图形特征层分割为若干个小区，其分区原则可采用地形图分 幅、矩形网格、行政区等方式。因此基本存储单元应当是分区后的单一图形特 征层。 2 基本操作设计和软件模块 空间数据存储单元的设计方案为文件组织奠定了基础，也为基本操作的设 计和软件模块的划分提供了具体的目标和任务。我们同样可以将全部操作划分 为二大部分： ( 1 ) 实现点、线、面图形特征层的输入、编辑、几何纠正和坐标系转换以 及产生拓扑信息的操作 从广泛的意义上来看，图形特征层具有与地图同样的一些特点，或者说它 只是地图的一个简单层次，因此对图形特征层执行的输入、编辑等操作，就可 以模仿传统作业过程中的各种操作方式，例如选择、增、删、改、移位等。因 此，具有图形特征层这样的具体模型，为设计基本操作带来了极大的方便。 ( 2 ) 实现对数据库中数据的各种需要的操作 包括地图投影转换、图形覆盖、通道分析、网络分析、地形分析、地图接 边和连接、地图设计、报告设计、输出多色地图和报表等模块。 3 现代数据库技术的应用 关系型数据库管理系统适用于管理地理属性数据和各种表格数据，具有非 常强有力的数据处理和管理能力，提供了相当方便的数据维护、更新手段。地 理信息系统软件提供连接多种数据库管理系统的接口已成为8 0 年代以来一切 先进的地理信息系统的重要标志。选择关系型数据库管理系统的优越性表现 在：可以随机地连接若干个属性表，可以动态地修改、维护数据，可以有多种 选择数据的方式和数理逻辑运算方法，以及编程能力等等。 第二章地理信息系统与空间负荷预测 4 地理信息系统软件的结构和功能 地理信息系统软件模块的划分是在一系列基本操作设计的基础上完成的。 根据模块化结构的设计原则，应保持模块之间的相对独立性，既能完成某一方 面的任务，又保持和相邻模块的联系( 图2 - 4 ) 。 图2 - 4 地理信息系统软件模块构成 ( 1 ) 属性数据库系统 由于属性数据的表格式决定了采用关系数据库来管理这些表格式数据，例 如f o x p r o 、o 鼬姬l e 等等，它们都具有极强的表格数据管理和处理能力，包 括数据的增、删、改能力，查询能力，运算能力，自编程能力。允许同时操作 若干个文件，并支持各种数据类型。 ( 2 ) 空间数据库系统 第二章地理信息系统与空同负荷预测 由于空间数据具有网络特征的拓扑关系，空间数据库系统具有产生拓扑关 系和管理、维护、修改拓扑关系的能力，通常包括空间数据和属性数据的连接 以及属性数据的增、删、分割和合并操作，其最重要的功能表现在通过空间数 据查询对应的属性数据和通过选择属性数据来查询空间数据，从而确保了空间 数据库系统和属性数据库系统之间的紧密联系，极大地增强了整个地理数据库 系统的能力。 ( 3 ) 输入，编辑模块 这个模块标志着地理信息系统是否具有接收各种地理资料及其输入速度较 快的能力。最近几年开发的扫描数字化方式具有快速和自动化程度高的显著优 点，扫描数字化方式采用黑白扫描、灰度扫描和彩色扫描。虽然通过扫描仪输 入的信息量大，但是系统提供了自动去除、快速细化、自动连接跟踪、数字字 符自动识别等功能，因而数字化的自动化程度有了很大提高。 任何输入方式都会产生各类错误，所以编辑修改功能是必不可少的。这种 编辑应当包括自动地识别各类拓扑关系上的错误，例如丢失弧段、数字化越界 或不足，疙瘩、丢失标识点和多余标识点等等，并能使用不同的错误标志。在 发现错误的基础上，系统需要提供选择、修改命令，包括增、删、改、移位、 开窗放大、局部替换等等功能实现各类编辑，以保证产生正确无误的空间数据 文件。 ( 4 ) 外部系统接口 为保证地理信息系统与其它外部系统之间实现数据交换和共享，开发一组 接口软件是十分重要的，以提供必要的数据格式转换实现数据传输。 ( 5 ) 空间数据处理模块 空间数据的处理能力是地理信息系统功能的集中体现，或者说是地理信息 系统具有强大功能的标志。为了实现地理信息的分析与制图，对空间数据的操 作与处理是必不可少的。其中几何纠正能够确保地理数据统一于一个坐标系统 中，并能克服原始地图的纸张变形等误差。地图投影变换实现了任何两个现有 的地图投影之间的数据变换。保证使用不同地图投影资料变换为一种地图投 第二章地理信息系统与空间负荷预测 影，从而解决了传统制图工艺中被认为是难于解决的难题。图幅按边能在屏幕 上自动搜索相邻图幅边缘的不一致现象并能在给定的移位范围内自动地实现接 边，以保证地图分幅后在连接起来的正确性。图形叠置和分解是两个极其重要 的功能，前者能快速实现二层以上的图形特征文件叠置成一个文件，并为相应 地完成综合地图提供了新的方法，后者能从一个多要素文件自动地产生一个单 要素文件，与此同时完成了类型界线的合并处理，从而为开展系列制图提供了 新的技术路线。缓冲区分析是叠置处理的一种特例，它首先按指定图形特征 ( 点、线) 产生指定宽度的缓冲区多边形，而后采用缓冲区多边形叠置到你想 要求的专题地图文件上，提取缓冲区内的各种专业要素，以实现通道分析，为 选线或选址工作提供分析结果。 ( 6 ) 应用模块 地理信息系统的应用模块是在利用其它软件功能的基础上结合具体的应用 需求而开发。最常用的应用需求包括地形分析、网络分析、评价和预测，以及 数据查询和输出结果。地形分析子模块具有广泛的功能，一般包括离散点数据 网格化，在网格数据或三角网数据基础上计算地形坡度、坡向、输出等值线、 透视立体图和剖面图。网络分析常应用于交通( 街道) 网和输水网络的分析， 前者还可以用来寻找最短路径服务于救火，围捕罪犯和交通管理。评价和预测 是地理信息系统服务于区域开发战略研究的重要内容，它提供了快速叠置分析 的能力和发展趋势预测的分析能力。上述分析结果可通过系统的输出部分产生 多种需要的结果形式。一般的数据查询能力已包括在两个数据库系统中，包含 于应用模块中的数据查询主要是提供某些特殊的复杂的查询过程的流程，例如 跨越多个文件中的关系检索和必要的计算，以产生新的数据用于制图或制表。 这在编制统计地图时会经常发生，在开展地理分析时也要用到这种功能。 ( 7 ) 结果输出模块 地理信息系统中的输出模块具有十分重要的意义，高质量的输出形式和多 种输出介质是系统功能的重要标志，在地理信息系统的发展过程中，每一时期 都充分吸收了当时可能获得的计算机制图成果。输出地图成为全部输出中的核 1 4 第二章地理信息系统与空间负荷预测 心部分和水平标志。地理信息系统力图和所有输出设备建立联结。目前输出地 图的方式包括笔式绘图仪或栅格式彩色绘图仪输出纸质彩色地图，高分辨率彩 色屏幕输出电子地图以及影象暴光仪输出分色加网胶片。 2 4 基于o l e 的嵌入式g is 技术 将若干部件集成在一起，象搭积木似地构造软件系统，是计算机软件行 业长期以来一直期盼的事情。这种方法可以节约时间和资金，提高工作效率， 更重要的是可以产生更加统一、可靠的应用程序。目前，m i c r o s o f t 的构件软件 技术几乎成为一种工业标准，从它的o l e l 0 到今天的a c f i v e x ( o c x ) 控件技 术，已相当成熟。 同样，g i s 厂商顺应技术潮流，相继推出了基于o l e 技术的嵌入式g i s 组件。嵌入式g i s 组件为开发人员提供了一个快速、易用、功能强大的地图化 组件。用户可以在常用的可视化开发环境中，如v i s u a lc + + 、d e l p h i 、c + + b u i l d e r 、 p o w e r b u i l d e r 等，在设计阶段将g i s 组件嵌入到用户的应用程序中，就可以实 现地图制图和g i s 功能m 。 嵌入式g i s 组件的代表作首推m a p o b j e c t s l 2 和m a p x 3 0 等。其中 m a p o b j e c t s 由全球最大的g i s 厂商e s r i ( 美国环境研究所) 推出：m a p x 由 著名的桌面g i s 厂商美国m a p i n f o 公司推出。图2 5 是嵌入式g i s 的模型。 图2 _ 5嵌入式的g i s 技术解决方案 表2 - 6 是对m a p o b j e c t s 和m a p ) ( 主要功能的对比。 第二章地理信息系统与空间负荷顶测 表2 - 6m a p o b j e c t s 和m a p x 功能的对比 功能 m a p o b j e c t sm 印x a r c v i e w 的s h p 、a r c i n f o 的 地图数据格式 m a p i n f o 的数据格式 c o v e r a g e 、s d e 图屡 叠加栅格图象有有 对地图的常用操作放大、缩小、漫游等放大、缩小、漫游等 图层控制增加、移走、设置当前层增加、移走、设置当前层 属性数据绑定有有 1 通过鼠标选取特征1 通过鼠标选取特征 2 通过表达式( s q l ) 查找2 通过表达式( s q l ) 查找特 地图信息查询方式 特征征 3 通过空间操作选取特征3 通过空间操作选取特征 专题地图较弱有 实时事件跟踪有 有 用户绘图图层无有 生成和编辑地图对象较弱较弱 地图标注有有 地图符号化较弱较强 分析功能无无 地理编码( 地址匹配)有有 v c 、v b 、d c l p h i 、l o t u s n o t e s 可使用的开发语言 v c 、v b 、d e l p h i 等 等 2 5g l s 在电力系统规划中的应用 目前，许多专家和学者都感到配电规划系统应建立在g i s ( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m , g i s ) 平台和先进的数据库管理系统上。这主要是因为配电 规划需要处理和决策的信息大部分是与空间有关的，如负荷的分布、布点、布 线等。 空间负荷预测、配电网规划都涉及大量的空间信息。配电规划必须有一个 1 6 第二章地理信息系统与空间负荷预测 符合配电规划特点的开发平台，即地理信息系统( g i s 平台) 。g i s 平台不仅为 规划人员提供了更为直观的人机接口，而且能使配电规划更符合实际情况。另 外，配电规划涉及大量不同类型的数据，g i s 系统可以对其进行分层显示和操 作，使得系统具有很好的柔韧性和可扩展性。 要在电力系统规划中应用g i s ，首先必须创建规划区域的电子地图，然后 将各种数据引入图层。基本过程可以归结为以下几个步骤【7 】。 2 5 1 创建规划区的电子地图 创建规划区的电子地图，也就是根据电网规划的需求建立新图层或地理信 息数据库的过程。可以通过直接购买正式出版的电子地图或已配准的栅格图象 来建立参照，也可以将通过扫描或其它方法获得的未配准的栅格图象进行配准 后作为参照。 要将矢量数据覆盖在栅格图象上必须首先配准图象用一幅矢量地图做 参考，在矢量地图上标识出控制点的地理坐标，并将其与栅格图象上的对应点 相匹配。这一坐标信息使得g i s 能够确定图象的位置、比例和旋转，从而可以 将矢量数据覆盖在图象上。在配准图象过程中至少需要三个控制点，控制点应 选择具有明显特征的点，如道路交汇点、标志性建筑物等。配准过程中还要注 意的是设定地图的投影，投影是减少曲面地球特性在平面纸张地图或计算机屏 幕上的变形方法，使用不同的投影可以展示地图的不同特征，我们通常使用的 投影是世界投影即经纬度投影( l o n g i r u d e l a t i t u d e ) 。 2 5 2 创建新图层 在g i s 中，图层形成了地图的构筑块，每一个图层包含整个地图的不同方 面。一旦创建好地图图层，就可以为图层加入诸如区域、点、线和文本等地图 对象，并对它们进行编辑。当创建好多个不同形式的地图图层时( 如标注图层、 街道图层、边界图层、点图层等) ，就可以对它们进行各种操作。 创建图层，就是从配准过的栅格图象上剥取地图的某一方面特征。如果购 买的电子地图己能满足需求，这步将可以大大简化。对于需要用户生成的图层， 1 7 第二章地理信息系统与空间负荷预测 需要在己配准的栅格图象基础上进行数字化。屏幕数字化是数字化的一种方 法，用户可以通过手工跟踪显示在屏幕上的栅格图象来建立矢量对象( 如街道、 电力线路、水气管道等) 和标注文本。屏幕数字化可不需要数字化仪或数字化 板。 2 5 3 将数据引入图层 当在图层上建好地图对象后，如，已经在新图层上分段创建了城区主交通 干道的矢量对象。就该为它引入数据( 如街道编号、街道名称、街道长度等) 实现图层上的地图对象与数据库表相关联。换句话说，为了能在圈层中显示用 户数据，要使数据包含地理坐标，以使g i s 知道把数据放在地图的何处。 2 5 4 编辑和分析数据 完成前面的步骤后，仅仅是达到了直观的信息管理，然而g i s 具备有很多 深层次的先进功能，如重新分区、地理分析等。因为使用g i s 的主要原因就是 为了看数据是怎样在地理上分布的，从而为决策提供依据。 在电力系统规划中可以利用重新分区建立小区负荷分布图，为空间负荷预 测奠定基础。使用g i s 在很大程度上是因为要对数据进行地理分析，g i s 提供 的地理分析功能包括聚厶分解数据、合并对象、分割对象、擦除对象、叠压节 点和缓冲区分析等。例如，在所增加街道与地图上原有街道有交叉时，可咀使 用叠压功能在新街道上增加一个节点，它恰好覆盖原有街道的节点，这样就可 以得到所有街道的交叉点。 2 6 配电网空间负荷预测 2 6 1 负荷预测方法简介 目前能用于工程的预测方法很多，按其参考体系而言，大体上可以分为两 类：一类是确定性预测方法，把电量和电力负荷预测用一个或一组方程来描述， 它与变量之间有明确的一一对应关系，如经济量预测的时间序列法、相关法和 第二章地理信息系统与空间负荷预测 最小二乘法等等，多达几十种；另一类称为非确定性预测法，这种方法基于这 样的认识：认为电力负荷的变化受多种因素影响，不可能用简单的显式数学方 程来描述它的变化规律，而应把尽可能多的相关因素反映在预测模型中i b l 。同 时环境因素也可能是变化的。 配电网规划要求负荷预测不仅能预测负荷总量，而且要预测未来负荷增长 的位置。只有在确定负荷空间分布的基础上，才能进行配电网的布点和布线规 划。空间负荷预测正是针对配电规划这一要求产生的，它又称为小区负荷预测， 它的工作过程是：首先将供电区域分成若干小区，再预测每个小区的负荷。只 有预测出所有小区负荷后，才能进行配电网规划。小区负荷预测方法主要有两 类【“1 ：趋势法( t r e n d i n gm e t h o d ) 和仿真法( l a n d u s es i m u l a t i o n ) 。 趋势法是根据每个小区的历史数据进行外推。这种方法需要每个小区的历 史负荷数据。例如：可以利用某条馈线过去1 0 年间的年最大负荷数据经多项 式拟合来预测未来的年最大负荷。当然，还有许多其它算法，但不论采用哪种 具体算法，趋势法都具有如下特征母“0 】： 第一、相对而言，趋势法简单、经济、易于应用。通常只需要馈线的电量 记录和用户的缴费记录，而这些数据都是易于收集的。 第二、计算量很小，很多算法可以用计算器手工完成。 上面是趋势法的优点，同时，趋势法存在如下不足： 第三、小区负荷通常只是几年内增长到饱和，即呈s 形增长，负荷增长的 平滑性和连续性都比较差。 第四、要估计未来负荷增长的小区可能还没有历史数据，可能还是一片空 地。 第五、小区的负荷数据常常包含有倒供产生的馈线或变电站间的负荷转移 量不能正确反映小区负荷的增长。 第六、已经证明，不论具体采用那种算法，趋势法只在2 4 年这样的较短 时期内结果较为准确，一旦超出这个范围，其结果便不准确了。 相反，人们发现仿真法相对来说其结果更为精确，尤其是预测五年及以上 1 9 第二章地理信息系统与空间负荷预测 时期的负荷时，它的误差只有最好的趋势法的1 7 t “1 。然而它需要更多的数据和 更大的计算量。一类仿真法直接采用总量负荷预测结果，并将其分配到各小区。 首先，将供电区划分为大小一致的小区，将负荷分为若干类( 如工业、商业、 居民等) 。根据小区内地理、环境、交通、社会经济等信息对小区适台发展某 类负荷的程度进行评分。然后，根据评分将总负荷分配给每个小区。另一类仿 真法基于各种负荷的单位土地面积所需的负荷量来预测小区负荷。 空间负荷预测可以分为三个阶段：空间信息收集土地使用决策负 荷增长预测。其中土地使用决策是空间负荷预测的核心。在传统的空间负荷预 测中土地使用决策主要依靠专家对每个小区适于每个土地使用类发展程度进 行评估或评分，按照得分高低来决定未来小区的发展情况。近年来，随着地理 信息系统( g i s ) 在配电系统的应用，空间信息的收集和处理越来越方便，使 得直接利用小区在地理、交通、社区、学校、市政和城市规划方面的信息成为 可能。文献0 2 提出了将模糊逻辑应用于空间负荷预测的方法，它采用模糊逻 辑技术对g i s 系统收集的信息迸行模糊化、推理和清晰化，从而得到每个小区 的得分。 2 6 2 空间负荷预测步骤 空间负荷预测的基本特征非常适于采用模糊逻辑技术。在空间负荷预测 中，土地使用决策是一个核心过程，依据是各小区的地理、交通、环境、社会 经济等信息。这些信息经常是采用启发式的专家知识、经验和语言来描述的。 如工业区要离高速公路很近，居民区要离高速公路近但不能太近。所有这些描 述近、很近的语言在本质上是模糊的。 ( 一) 小区和土地使用类的划分及总量预测 小区划分是空间负荷预测的必要步骤，其目的是预测负荷增长的位置，为 配电网规划提供空间信息。小区划分得越细，负荷预测的空间分辨率越高，配 电网规划会更细致。目前，大多数空间负荷预测都是将供电区域划分为大小一 致的方格。这种划分方法有利于空间负荷预测方法的实现，有利于预测方法的 通用性和标准化。 第二章地理信息系统与空闻负荷预测 预测方法的步骤见图2 - 6 。 图p 6 空间负荷预测流程图 土地使用类的划分主要是根据不同类型的用户对土地使用的不同要求以及 用电特性来确定的。可以简单地划分为工业( i n d u s t r i a l ) 、商业( c o m m e r c i a l ) 、 居民( r e s i d e n t i a l ) 、市政( g o v e r n m e n t ) 等四类，有时又进一步将工业分为大 型工业( l a r g ei n d u s t r i a l ) s a d , 型工业( s m a l li n d u s t r i a l ) 。每类负荷都给定一个 合成负荷密度。未来的负荷密度可采用终端使用法( e n d - u s e ) 预测。 配电网总量负荷和分类负荷预测作为输入值，有许多精度较高的方法可以 用来预测总量负荷和分类负荷。根据每个土地使用类的负荷密度将分类负荷转 换为分类土地使用预测。 ( 二) 空间信息提取 空间信息提取是在g i s 平台上进行的。首先将数字化后的城市地图分成若 干层，如交通和公路层、居民住宅层、学校层、商业中心层、工业区层等。对 ( 一) 中划分的每个小区计算离高速公路、居民住宅、学校、商业中心和工业 区等的最小距离。对每个小区，分析各土地使用类现有的土地使用面积，以及 未来可用于发展的空地面积。 ( 三) 采用模糊逻辑对小区评分 第二章地理信息系统与空间负荷预测 模糊逻辑应用于空间负荷预测的土地使用决策遵循如下三步：确定模糊集 设计模糊规则库确定推理和清晰化方法。 在土地使用决策中，通常设计三个论域：“离高速公路的距离”、“离市中 心的距离”和“离学校的距离”。定义三个模糊集v e r y c l o s e ( v c ) ，c l o s e ( c ) 和f a r f ) 来定义距离的远近。另外，采用五个模糊集s t r o n g l y p r e f e r ( s p ) ， m o d e r a t e l y p r e f e r ( m p ) ，n t ，m o d e m t e l y a g a i n s t ( m a ) ，s t r o n g e s t a g a i n s t ( s a ) 来描 述小区适于某土地使用类的发展的程度，如图2 7 ，2 8 。 图2 7 距离隶属函数 _ 一s a m - 刊t 一m p - - s p 8 图2 - 8 评分隶属函数 对( ) 中划分的m 个土地使用类，建立肌个模糊规则库。如在居民类 规则库中有一条规则：i f c l o s e t o h i g h w a y a n dc l o s e t o u r b a na n d v c r y c l o s e t o s c h o o l t h e ns t r o n g l y p r e f e r 。该规则表示离高速公路近、离市中心近、 离学校很近则该小区非常适于居住。对于三个前件的模糊规则，每个前件有 三个模糊集的情况，规则库中最多有3 3 3 = 2 7 条规则。其余类推。 ( 四) 小区负荷预测 空间负荷预测的最后一步是计算各小区的负荷，按前面得到的土地使用决 策，将每小区分配的土地使用面积乘以预测负荷密度，再适当考虑同时率。 第三章配电罔规划的数学模型 第三章配电网规划的数学模型 3 1 传统规划模型简析 很多学者对电网规划方法和数学模型作过研究，并应用于实际，如灵敏度 分析法、线性规划法、水平年电网规划数学模型等。下面给出了在配电网规划 中常用的几种模型。 在传统电网规划模型中，通常以电网建设的总投资和电能损失、维修费用 为目标函数。在电网规划对会受到各种限制，如自然条件、状态参数( 电压损 失、过负荷) 等约束条件的制约。显然，目标函数与约束条件、状态参数( 变 量) 有关，三者之间进行协调处理即为“优化”。 3 1 1 最小运输费用模型 在做配电网规划时，供电范围内各负荷点的负荷分配给各变电所，要求变 电所对每块负荷实现最经济又不使变压器过负荷。可采用最小运输费用模型进 行计算，因为电能在电网中的传送和货物在交通网络中的运输情况类似。 ( 1 ) 目标函数运输费用z 最小可描述为： n gn d r n i n ( z ) = d ，0 ( 3 一1 ) j = 1 j = l 式中：似- _ 一电源点个数i 他l 一一负荷点个数； 毋1 - 从电源j 到负荷的可能最小距离( i c i ) ： 只从电源j 到负荷的有功负荷( m w ) 。 ( 2 ) 约束条件 n o 弓= 气，= l 2 ，n d 9 1 ( 3 - 2 ) n d 、 只= 如，f = 1 2 ，尬 第三章配电阿规划的数学模型 式中：斤_ 负荷的负荷功率( m 1 v ) ； 只广电源的输出功率( m w ) 。 ( 3 ) 求解步骤 1 ) 输入负荷及电源参数： 2 ) 确定所有负荷的位置及可通的架线途径； 3 ) 用最短路径子程序确定电源到负荷变压器的最短距离； 4 ) 确定初始网架： 5 ) 根据统计特征修正并形成可行的初始网架。 用最小运输费用模型确定的是一个电网投资和运行费用均可行的初始网 架，但还不是最合理的最终网架，因为在模型中未考虑可靠性因素。 3 1 2 网络模型 数学上把图看作节点和弧的集合，弧是连接两节点之间的有方向的线段。 在电网中，节点就是接受或发送功率的发电厂、变电所或负荷点，弧就是线路。 根据图的结构来建立方程。 ( 1 ) 目标函数 使分配功率时费用z 最省的目标函数为 m i n ( z ) = q z 。 ( 3 3 ) t e j 式中： k 弧段上输送单位功率( 或电流) 需要的费用( 元m 1 】r ) 包括建造线 路的投资费和运行费： 卜待建线路的集合； 氍k 弧段上的输送功率( m w ) 。 ( 2 ) 约束条件 以一置= 已，= 1 , 2 3 ，n - e i n sk e o n ，( 3 - 4 ) 0 s x s u j ，七a 第三章配电网规划的数学模型 式中：卜网络节点的集合： 只_ 节点的负荷( 删) ； 五v _ 指向节点方向的弧段集合； 国v _ 一离开节点方向的弧段集合； k 弧段的允许传输功率上限( 1 w ) 。 式( 3 - 4 ) 是节点功率平衡约束和过负荷约束。 3 1 3