（电工理论与新技术专业论文）基于gis的配电网网架规划的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于g i s 的配电网网架规划的研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：么。室) 日 期：五! ! 厶2 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 熬：幺 五! 。，z 翮繇雄 日期：旦鲤：l 皇 华匕电力人学硕士学位论文 第一章绪论 电力工业是国民经济的重要部门之一。随着现代工业和农业的不断发展及人民 生活水平的日益提高，社会对电力的需求量越来越大。为了满足目益增大的电力需 求，必须不断扩大电力系统的规模，电力系统面临着日益繁重的规划任务。由于电 力工业的发展水平不仅对国民经济的其它部门会产生巨大的影响，而且一次能源消 耗和投资的数量也是相当巨大，所以合理地进行电力系统规划不仅可以获得巨大的 社会效益，也可以获得巨大的经济效益。 在电力系统中，配电网是从输电网接受电能再分配给各电能用户的电力网。配 电网直接与供电用户相联系，是电力系统的重要组成部分。在现代电力系统中，大 型的发电厂往往远离负荷中心，发电厂发出的电能，一般要通过高压或超高压输电 网络输送到负荷中心，然后在负荷中心由电压等级较低的网络把电能分配到不同电 压等级的用户。这种在电力网络中主要起分配电能作用的网络就成为配电网络。 配电网按电压等级来分类，可以分为高压配电网( 3 5 一儿o k v ) 、中压配电网 ( 6 - i o kv ) 、低压配电网( 2 2 0 3 8 0 v ) ：按供电区的功能来分，可以分为城市配电网、 农村配电网和工厂配电网等。 1 1 课题研究的目自, - j s n 意义 1 1 1 配电网的发展现状 早期中国的配电网零乱而复杂，规模也小，随着我国配电网的发展，配电网规 模取得了相当大的发展。2 0 0 0 年据对2 8 6 个城市的统计0 1 ，目前城市中压配电网已 建成运行的架空线路总长1 6 2 6 万k m ；地下电缆线路总长3 1 4 万k m ；接入中压配 电网的变压器共有6 8 9 万台。其中属供电企业资产的公用变压器共有2 1 5 7 万台； 配电变压器的总容量达到2 17 亿k v a ，其中公用变压器容量为0 6 4 6 亿k v a ；线路 的断路器共3 3 2 9 万台；建有i 0k v 开闭所1 6 7 9 l 座。如果把用电客户独资集资建 设的具有公用性质的网络资产包括在内，实际城市中压配电网规模远大于以上所 述。 与世界其它发达国家相比，我国的配电系统发展起步较晚，发展水平较低，建 设相对落后。城市配电网，特别是老城网，己或多或少滞后于城市的经济发展，成 为制约城市发展的瓶颈。“。配电网结构不合理，电力设备数量多但性能落后、免 维护水平低且不适合自动化要求等，导致停电事故频繁发生，可靠性较低，严重影 响了人民的生活水平和经济建设的发展。 近年来，国家电力公司已经加快和推进配电网的建设与改造，把重点放到中低 华北电力大学硕士学位论文 压配电网。从1 9 9 8 年以来近4 年的城市电网建设改造中，电力系统累计完成投资 1 0 7 0 亿元，新增变电容量7 1 0 0 万千伏安，农村电网建设改造累计完成投资1 4 8 8 亿 元。目前，各地区纷纷从现有配电网的状况进行分析，根据需要和可能进行改造， 提高供电质量、可靠性和安全性，降低损耗，以适应电力体制改革的要求和城乡发 展建设的需要。 1 1 2 配电网网架规划的目的和意义 配电网规划特别是城市配电网规划既是城市总体规划的一部分，也是整个电力 系统规划的重要组成部分。随着国民经济的不断发展，城市建设也进入一个日新月 异的新阶段，因此，进行合理而有效的城市配电网规划较之高压输电系统而言，其 问题更为复杂多变。其结果通过规划把有限的电能进行合理的分配，以达到最高的 经济效益，使单位电能创造出更多的物质财富。好的配电网规划不仅能够为电力公 司节省大量的投资和运行费用，而且能够提高用户的供电满意度。在竞争机制不断 引入电力市场的今天，配电网规划方法的研究格外受到重视。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始的城市电网规划工作到近几年来力度较大的城乡电 网改造，人们己经逐步认识到通过电网规划，寻求最佳电网投资决策和网络新建改 造方案的重要意义。用电网规划来指导电网的建设发展，可以保证资金的有效利用 和网络的长期最优发展；可以为电网的安全稳定运行及经营管理奠定基础：可以为 建立统一、开放的电力市场服务；也可以保证电网及电力工业的发展与国民经济的 发展及城乡建设协调一致。同时，人们还认识到应该对电网规划问题进行研究，以 期最大限度的提高规划质量，具有较大的现实意义和历史意义。 全面的规划和改造配电网络，能够有效地缩小容量要求、降低网络损耗、减少 施工投入，提高电力公司人力物力资源的利用率，有效降低建设投资和维护费用， 为国家和电力公司带来客观的经济效益。 1 2 配电网网架规划研究概况 对一个地区来说，根据负荷预测的结果，确定了变电站容量、个数和所址以后， 就已解决了高压配电网规划的“布点”问题，余下的问题就是变电所之间及其与电 源之间如何“连线”的问题，即网架结构优化问题。 1 2 1 网架规划的特点 网架规划问题具有下列特点“3 ： ( 1 ) 离散性：线路都是按整数的回路架设的，所以规划决策的取值必须是离散的、 或整数的。 ( 2 ) 动态性：网架规划不仅要满足规划年限内的经济、技术等性能指标要求，而且 2 华北电力人学硕士学位论文 要考虑到网络的今后发展以及今后网络性能指标的实现问题。 ( 3 ) 非线性：线路电气参数与线路功率及网损等费用的关系是非线性的。 ( 4 ) 多目标性：规划方案不仅要满足经济、技术上的要求，还必须考虑社会、政治 及环境的因素，这些因素常常是相互冲突和矛盾的。 ( 5 ) 不确定性：负荷预计、设备有效度及水力条件等均存在显著的不确定性。因此， 从数学上讲，网架规划是一个动态多目标不确定性非线性整数规划问题。 1 2 2 网架规划研究现状 目前网架优化规划方法分为数学优化方法和启发式方法两类”“。 数学优化方法就是将电网规划问题用数学优化模型进行描述，然后通过一定的 算法求解，从而获得满足系统要求的最优规划方案。这种方法由于考虑了电网的决 策变量与运行变量等之间的相互关系，并将实际规划问题采用优化方法求解，因而 在理论上更严格些并保证了方案的最优性。但由于电网规划问题属于大规模的组合 数学问题，计算时间长、占用计算机内存大，对于实际的大规模系统求解困难很大。 因此。优化方法在建立模型时不得不对具体问题作大量简化。此外有些规划决策 因素难以用数学模型表达，所以由优化方法求出的数学意义上的最优解未必是符合 实际的最优方案。优化方法可分为确定性优化方法及不确定性优化方法。确定性优 化方法有线性规划法、非线性规划法、 动态规划法、整数规划法、图论及网流法等：不确定性优化方法有随机规划法、 模糊规划法等。相对来讲，确定性方法出现比较早，解法也比较成熟，但难以精确 考虑规划问题的不确定性及多目标性。不确定性方法出现比较晚，但它可较为有效 地处理随机因素、模糊因素及多目标多重性。 启发式方法是以直观分析为依据的算法，通常基于系统某一性能指标对可行路 径上一些线路参数的灵敏度，根据一定的原则，逐步迭代直到得到满足要求的方案 为止。这种方法直观、灵活、计算时间短，便于人工参与决策且能给出符合工程实 际的较优解。缺点是难以选择既容易计算又能真正反映规划问题实质的性能指标， 并且当网络规模大时，指标对于一组方案都差别不大，难以优化选择。 常用的启发式方法可分为基于线路性能指标( 如线路过负荷) 的启发式方法及 基于系统性能指标( 如系统年缺电量) 的启发式方法两种。此外，还有模拟规划人员 的经验进行规划决策的专家系统方法专家系统方法可以看作启发式方法的发展。 近年来常用的一些启发式网架规划算法如下： ( 1 ) 遗传算法 遗传算法( g e n e t i ca 1 9 0 r i t h m ，g a ) 是建立在自然选择和自然遗传学机理基础 上的迭代自适应概率性搜索算法。它是在2 0 世纪7 0 年代初期由美国密歇根大学的 h o l l a n d 教授根据进化论中“适者生存”的观点发展而成的。遗传算法的主要思想 3 华北电力大学硕士学位论文 是，通过列出或随机产生一组待选规划方案作为祖先，编码成一个个“染色体”， 评价其中各方案的好坏，并通过杂交、变异等多次作用，产生出具有更好品质的子 代、孙代，直到取得最优的结果。 与传统方法相比，遗传算法具有多路径搜索、隐并行性、随机操作等特点，同 时它对数据的要求低，基本上不要搜索空间的知识或其他辅助信息；它采用概率变 迁规则来指导搜索方向，使其具有明确的搜索方向，提高了算法的鲁棒性。但是遗 传算法存在计算速度慢、容易收敛到局部最优点等缺陷和不足，目前，对此算法也 进行了一些改进和研究。 文献”1 将遗传算法和地理信息系统应用于配电网优化规划，目标函数中考虑了 停电损失。文献。1 将遗传算法应用于配电网网架规划中，借鉴支路交换的思想对遗 传算法中的杂交算子和变异算子进行改进，保证经过杂交及变异后的网架仍为辐射 型。文献”1 将遗传算法应用于大规模配电网络规划，编码方式采用整数编码。 ( 2 ) 进化规划 进化规划不需要对变量进行编码和解码，与遗传算法相比，更适合连续优化问 题。采用进化规划进行网架规划时，在所要考虑的电网中列出所有的待选线路，计 算出最为合理的潮流分布，去掉潮流小于某一域值的支路后得到的网络方案即为所 求的最优方案，其处理的是支路潮流这一连续变量。进化规划与遗传算法的主要区 别是，进化规划采用控制参数而不是它们的编码；进化规划每代的选择过程是变异 和竞争，而遗传算法是复制、变异和杂交。缺点是计算量大，计算时间较长。 文献“”将进化规划应用于配电网网架规划中，优化模型中考虑了可靠性费用。 ( 3 ) 蚁群算法 蚁群最优( a n tc o l o n yo p t i m i z a t i o n ，a c o ) 算法来自于对蚁群群体行为的研究， 最初由d o r i g o 等人于2 0 世纪9 0 年代提出3 。它是一种求解组合最优问题的通用启 发式方法。a c o 本质上是一多代理算法，通过单个代理之间的低级交互形成整个蚁 群的复杂行为。这种方法的主要特征是正反馈、分布式计算以及运用贪婪启发式搜 索。正反馈有助于快速发现问题较好的解；分布式计算可避免在迭代过程中出现早 熟现象i 而运用贪婪启发式搜索则可使搜索过程中较早地发现可接受解。 文献“2 1 将蚁群算法应用于配电网规划，同时考虑到配电网络扩展的固定费用和 与电能损失相关的可变费用的配电网络规划的非线性混合整数规划模型，取得了令 人满意的结果。 ( 4 ) t a b u 搜索 t a b u 搜索方法是一种高效的用于解决组合优化问题的启发式搜索算法，其基本 思想是通过记录搜索历史，从中获得知识并利用其来指导后续的搜索方向以避开局 部最优解。其最大的特点是状态的转移具有“上山”性。虽然在数学上还不能严格 证明t a b u 搜索方法一定能够达到最优解，但是通过在电力系统的诸多领域的应用， 4 华北电力大学硕士学位论文 均取得了令人满意的效果。目前t a b u 搜索方法在电网规划中的应用才刚刚起步，仍 有大量的研究工作需要去做。 文献”3 1 将t a b u 搜索应用于配电网络规划，变量设计采用了一种被称为向上节点 的表达方法。虽然采用这种方法并不能保证试验解所对应的网络一定是放射性网 络，但却使试验解对应的网络有较高的概率成为放射性网络。 5 ) 模拟退火算法 模拟退火算法是1 9 5 3 年n m e t r o p o l i s 等人在研究二维变相时提出的，该方法将 组合优化问题与统计力学中的热平衡问题相类比，通过模拟退火过程对优化问题进 行求解。由于该算法在理论上可保证找到问题的全局最优解或全局近似最优解，故 其具有相当广泛的应用前景。 文献将模拟退火算法应用于配电网网架规划中，并将模拟退火算法与支路交 换法相结合，充分利用两者的优点，得到一种既有较高效率又能以较大几率找到全 局最优解，而且最终解与初始解无关的配电网静态规划算法。 1 3 本文主要研究工作 本文主要在g i s 的平台上，对基于粒子群算法的配电网网架优化规划算法及网 架规划软件的开发进行了研究。通过本课题的研究，本文所作的主要工作如下： 第一章绪论，介绍配电网的发展现状，配电网网架规划的目的和意义，然后阐 述网架规划的特点和研究现状。 第二章地理信息系统及其在配电系统规划中的应用，介绍地理信息系统的定 义、构成，地理信息系统中的空问数据的获取与处理以及空间数据结构，并且介绍 了地理信息系统在配电系统规划中的应用。 第三章空间负荷预测，首先介绍了空间负荷预测的定义、特点和主要的预测方 法，然后详细阐述了基于用地仿真法的空间负荷预测方法。 第四章粒子群算法，首先介绍了基本粒子群算法及其发展，然后介绍了本文对 粒子群算法做出的改进，并对改进后的混合粒子群算法进行了测试及分析。 第五章基于g i s 和粒子群算法的配电网网架规划，主要内容包括配电网网架规 划的数学模型，基于改进的混合粒子群算法的网架规划的方法，然后介绍了基于g i s 的配电网网架规划软件的开发，如开发平台及开发工具，规划所需信息的录入及提 取的方法，以及具体的步骤。 第六章为结论和有待进一步解决的问题。 华北电力大学硕士学位论文 第二章地理信息系统及其在配电系统规划中的应用 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 ) 是在计算机硬件、软 件系统支持下，对整个或部分地球表面( 包括大气层) 空间中与地理分布有关的数据 进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的综合技术系统。它是集计算机 科学、地理学、测绘学、环境科学、经济学、城市学、空间科学、信息和管理科学 于一体的一门跨学科的新兴边缘学科，它是以地理空间数据库为基础，在计算机硬、 软件环境的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示， 适时提供空间和动态的地理信息，并为决策服务的一类信息系统。g i s 系统以其混 合数据结构和独特的地理空间分析功能独树一帜。 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。 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 地理信息系统概述 2 1 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“。 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。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、 华北电力大学硕士学位论文 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 $ 平台上结合专业的特点二次开发而成。作为g i 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 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l o 年有了令人 瞩目的长进“。近年来我国自主开发的g i s 平台也纷纷推出，女h m a p g i s ( 中国地质大 学) ，( a m f 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f 在缩小，有些软件在某些方 面已经与它们的水平相当。 2 1 2 地理信息系统的构成 一个典型的g i s 系统通常包括三个基本部分：计算机系统( 硬件、软件) 、地理 数据库系统、应用人员与组织机构( 图2 - i ) 。 幽2 一i 地理信息系统的构成 ( 1 ) 计算机系统 g i s 系统的计算机系统可分为硬件系统和软件系统。硬件系统包括执行程序的 中央处理器，保存数据和程序的存储设备，用于数据输入、显示和输出的外围设备 等。其中大多数硬件是计算机技术的通用设备，如数字化仪、扫描仪等。软件系统 由核心软件和应用软件组成，其中核心软件包括数据处理、管理、地图模拟和空间 分析等部分：特殊的应用软件包与核心模块紧紧相连，面向的是一些特殊的应用问 题，如网络分析、数字地形模型分析等。 ( 2 ) 地理数据库系统 g i s 系统的地理数据分为几何数据和属性数据。几何数据由点、线、面组成， 华北电力大学硕士学位论文 表现了地理空间实体的位置、大小、形状、方向以及拓扑几何关系。地理数据库系 统由数据库实体和地理数据库管理系统组成，地理数据库管理系统主要用于维护、 操作和促进查询检索。地理数据库是g i s 系统应用项目重要的资源与基础“”。 2 1 3 地理信息系统中的数据 地理信息系统中最重要部分就是空间数据。空间数据能够有效地表达空间位置 信息和属性数据，而g i s 空间数据库是对空间数据合理存放的一个集合，在此基础 上开发的空间数据库管理系统能有效地提供空间查询和分析，为配电网络的规划工 作提供有力的辅助手段，可以使规划结果更具实际意义。 2 1 3 1 空间数据获取与处理 空间数据获取是地理信息系统建设首先要进行的任务，它可以有多种实现方 式，包括数据转换、遥感数据处理以及数字测量等等，其中已有地图的数字化录入， 是目前被广泛采用的手段，也是最耗费人力资源的工作。在地理信息系统中，现实 世界被表达成一系列的地理要素和地理现象，这些地理特征至少由空间位置参考信 息和非位置信息两个部分组成“，因此录入的内容主要包括空间信息和非空间信 息，前者是录入的主体。在图形数据录入完毕后，需要进行各种处理，包括坐标变 换、拼接等等，其中最重要的是建立拓扑关系。 g i s 中的地图数据是指将地理信息实体输入到计算机系统中并进行处理后的数 字集合，可以分为： ( 1 ) 空间数据( 图形数据) 空间数据是构成地图内容要素的几何图形，例如配电网络规划时需要用到的街 道、配电站和负荷点的位置等。地图要素图形大致可以分为点、线、面三种基本类 型。 点一一用一对坐标系中的坐标来确定： 线一可离散化成为点的集合； 面一一可由环绕它们的线表示，也可以由其区域内的点表示。 ( 2 ) 语义数据( 属性数据) 语义数据又称为非几何数据，包括定性数据和定量数据。定性数据用来描述要 素的分类或对要素进行标名，定量数据是说明要素的性质、特性或强度的，例如导 线的型号及其电力参数等。对于语义数据，是一个地理编码问题，编码的一些基本 要求包括： 要素类别一一如地名、实体类型及等级等； 要素特征( 属性) 一一每要素可具有与它有联系的大量的属性值，它承载关 于要素特征的信息； r 华北电力人学硕士学位论文 作用范围的描述一一如配电站的供电区域等： 地理定义在某些情况下编码可以是一个实体集合的间接参考，而集合中的 每一个实体也会被它自身的地理代码所说明。 对普通的二维属性数据当然可以采用关系数据库来维护，但在地理信息系统 中，属性数据并不独立，而是与视图中的几何图形一一对应的。为此，可以先将几 何图形数据库建立一个或几个文件，并且对每一个目标设置唯一的标识号，然后属 性数据建立一个表结构文件，通过标识号i d 将两者连接起来，如图2 2 所示。 属性数据 i d 空间数据 图2 2 属性数据与空间数据的关联 2 1 3 2 空间数据结构 描述地理信息实体的数据本身的组织方法，称为空间数据结构，可分为两大类： 矢量结构和栅格结构( 也可以称为矢量模型和栅格模型) ，两类结构都可用来描述地 理信息实体的点、线、面三种基本类型“。 在矢量模型中，现实世界的要素位置和范围可以采用点、线或面表达，与它们 在地图上表示很相似，每一个实体的位置是用它们在坐标参考系中的空间位置，即 唯一的坐标值来定义。点、线和面用于表达不规则的地理实体在现实世界的状态( 面 是由若干直线围成的封闭区域的边界) 。一个点可以表示一个负荷点或一个配电站， 一条线可以表达一条街道或一条线路，一个面可以表达一块负荷小区，等等。可见， 矢量模型中的空间实体与要表达的现实世界中的空间实体具有一定的对应关系。 采用栅格结构，主要是因为来自遥感、数字摄影测量和扫描的数据等是栅格形 式的。另外，结构简单、空间叠置、易于进行空间分析也是得以应用的原因。但对 于比例尺变换、投影变换等则显得力不从心。 2 2 地理信息系统在配电系统规划中的应用 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 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。g i $ 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 华北电力大学硕士学位论文 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下述的几个步骤“。 2 2 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像来建立参 照，也可以将通过扫描或其它方法获得的未配准的栅格图像进行配准后作为参照。 要将矢量数据覆盖在栅格图像上必须首先配准图像一一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，并将其与栅格图像上的对应点相匹配。 这一坐标信息使得g i s 能够确定图像的位置、比例和旋转，从而可以将矢量数据覆 盖在图像上。在配准图像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。 2 2 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 栅格图像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，需要在己配准的栅格图像基础上进行数 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 格图像来建立矢量对象( 如街道、电力线路、水气管道等) 和标注文本。屏幕数字 化不需要数字化仪或数字化板。 2 2 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，为了能在图层中显示用户数据，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。在配电系统规划中可以利用重新 华北电力人学硕士学位论文 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合分解数据、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，可以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，这样就可以得到街道的交叉点。如图2 3 所示，是在g i s 平台上得到的 某市城区地图的街道交叉点。 2 3 本章小结 图2 3g i s 平台上得到的街道交叉点 本章首先介绍了地理信息系统的形成、发展及其构成以及g i s 中空间数据的获 取与处理及其数据结构，然后介绍了地理信息系统在配电系统规划中的应用，重点 是创建规划区域的电子地图，然后将各种数据引入g i s 图层的方法。本章开发了配 电网g i s 空间数据库管理系统，为配电网络规划提供了必要的空间查询和可靠的数据仓 库功能，可以使规划结果更具实际意义。 华北电力大学硕士学位论文 第三章空间负荷预测 配电网规划要求负荷预测不仅能预测负荷的量，而且要预测未来负荷增长的位 置。近年来，负荷发展和变化的情况比较复杂，用传统的负荷预测方法得到的结果， 在负荷的大小和地理分布上都存在着偏差。为了适应实际的需要，8 0 年代初h lw 儿1 i s ”提出了空间负荷预测理论( s p a t i a ll o a df o r e c a s t i n gt h e o r y ) 。其定 义为在未来电力部门的供电范围内，根据规划城市的电网电压水平不同将城市用地 按照一定的原则划分为相应大小的规则的( 网格) 或不规则的小区( 可小到0 叭 k m 2 ) ，通过分析、预测规划年城市小区土地利用的特征和发展规律，来进一步预测 相应小区中电力用户和负荷分布的位置、数量和产生的时间。 3 1 空间负荷预测简介 空间负荷预n ( z 称负荷分布预测) 是配电网发展规划和配网自动化规划的基础”“。 只有确定了配电网供电区域内各小区的未来负荷，才能对变电站的位置、容量，线 路的路径、型号，丌关设备的装设及其投入时间等决策变量进行规划。由于空间负 荷预测涉及大量的空间信息，引入地理信息系统，可以为空间负荷预测的数据收集、 处理和预测结果的表示提供一个良好的平台，而且可以极大地减少数据收集难度， 是空间负荷预测方法实用化的必要步骤。 空间负荷预测实际上是将总量负荷分配给各个小区的过程。为此，必须将供电 区域细分成若干单元小区，小区划分可采用非规则分区。2 3 或规则的网格分区川两种 方法。这样，空间负荷预测即可归结为单元小区内负荷的预测。在传统的小区负荷 预测中，小区一般为非规则形状，如以变电站的供电范围为边界，以自然地理形状 或行政区划为边界等，而且小区面积也较大。尽管这种划分方法存在统计数据易于 获得等优点，但是会影响程序的通用性。因此，现在多采用规则划分法，即正方形 网格划分法，且小区面积可依需要灵活调整。 空间负荷预测方法主要有两类”“：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 f 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。趋势法简单方便，数据需求量小，但是存在以下弊端“”“： 第一、小区负荷通常只是几年内增长到饱和，即呈s 形增长，负荷增长的连续 性都比较差。 第二、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。 第三、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， 1 2 华北电力大学硕士学位论文 不能正确反映小区负荷的增长。 第四、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时期 的负荷时，它的误差只有最好的趋势法的i 7 8 “。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合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土地使用类型、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”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 系统收集的信息进行模糊化、推理和清晰化， 从而得到每个小区的得分。 3 2 基于用地仿真法的空间负荷预测 目前应用最广的空间负荷预测方法是用地仿真法“”。用地仿真法是一种自上而 下的预测方法，它通过建立用地仿真模型来模拟小区的未来发展情况，最终将总量 负荷预测结果分配到每个小区。用地仿真法具有较高的精度，尤其适用于长期预测， 但它需要大量的空间数据，这也是以前仿真法没有得到很好利用的原因。 由于o i s 系统可以为空间负荷预测的数据收集、处理和预测结果的表示提供一 个良好的平台，将g i s 应用于空间负荷预测，可以极大减少数据收集量。 3 2 1 用地仿真原理 由于电力系统总量负荷预测的方法很多，精度也比较好，因此空间负荷预测应 该直接利用总量预测结果，在此基础上将总量负荷预测分配到各供电小区，从而预 测出未来配电网的负荷空间分布o “。 用户可以按照用地特性和用电特性分成若干类，称为用地类型。不同用地类型 的用电特性由负荷密度曲线给出。因此，空间负荷预测可以转化为土地分布预测， 只要预测出了各用地类型的空间分布，简单的负荷叠加运算就可以求出负荷的空间 1 1 华北电力大学硕士学位论文 分布。这个求解用地空间分布的过程就称为用地仿真过程。 按照经济学的观点，一个小区将来会发展成什么样的用地类型，取决于小区本 身的属性，如其自身条件，距离市中心、学校、公路等的距离，环境因素等。建立 小区的属性库，采用模糊规则知识库来模拟每个用地类型的用地要求，将属性库与 知识库对比就可以评价出小区适于各用地类型发展的程度。这个过程称为小区评 分。 按照评分高的小区优先发展的原则，采用经典的运输模型就能得到用地空间分 布，最后经过土地一一负荷转化，就得到了负荷空间分稚。 3 2 2 具体预测步骤 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 束描述的。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。空问负荷预测的这些基本特征非常适 于采用模糊逻辑技术。具体的步骤如下： 1 ) 准备负荷历史数据，环境历史数据和城市规划方案。这些数据可以从g i s 中 提取。 2 ) 进行总量负荷预测。在很多情况下，待规划区域的总量负荷预测结果是已知 的，可以直接作为输入值。 3 ) 根据不同的用电特性和用地特性将电力用户分成若干类型。如：工业 ( i n d u s t r i a ) ，商业( c o m m e r c i a l ) ，居民( r e s id e n t i a l ) ，市政( g o v e r n m e n t ) 等。 4 ) 将待预测区域划分成若干小区，一般是大小一致的方格。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。 5 ) 进行终端用电预测，目的是预测各类用户未来用电特性，特别是典型负荷曲 线的变化。方法是采用负荷曲线叠加：对用地类型进一步细分，从下至上进行叠加， 就可以求出未来各用地类型的典型负荷密度曲线。 6 ) 进行分类土地预测。目的是确定未来年份内各用地类型的土地增长量。利用 社会各行业间固有的比例关系，从总量负荷预测中推导出分类预测负荷，然后利用 典型负荷密度曲线计算出各用地类型的预测面积。 7 ) 用地仿真过程 4 华北电力大学硕士学位论文 小区空间属性提取。对数字地图分层，如交通层，居民层等。对划分的每个 小区计算离公路，学校，商业中心等的最小距离。对每个小区各土地使用类计算现 有的土地使用面积以及未来可用于发展的空地面积。 建立模糊规则库。对步骤2 划分的n 个土地使用类，建立n 个模糊规则库。 距离隶属函数模糊推理采用m a m d a n i 的最小运算法。 利用模糊规则库采用模糊推理对小区适应各类土地使用类的程度进行评分。 考虑到城市改造因素( 市政规划因素和市场行为) ，根据小区改造准则判断 哪些小区的哪些用地类型需要改造，并确定其改造面积。 采用运输模型对土地进行最优分配。分配的目标实施函数是分配给所有小区 的所有类型负荷的土地使用面积与评分的乘积之和最大，并满足两个约束条件：a 对每个小区，所有用地类型的用地面积不能超过该小区的可发展面积与改造面积之 和；b 对某一个用地类型，所有小区的用地面积应该等于其分类预测用地面积与改 造面积之和。其中小区可发展面积从步骤7 或得，分类预测用地面积从步骤6 获得。 8 ) 将用地分配预测转换成负荷分配预测。方法是对每个小区，将所有用地类的 负荷密度曲线乘以相应的土地面积后进行叠加，得到该小区2 4 h 负荷曲线，取其最 大值就是要预测的负荷。 其中，建立模糊规则库时通常设计三个论域：“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 r a 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 ir l 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3 一i ，图3 2 。 图3 1 距离隶属函数 1 5 v c c f 华北电力大学硕士学位论文 图3 2 评分隶属函数 一s a 制 每刊t 一m p q p 8 对步骤2 划分的n 个土地使用类，建立n 个模糊规则库。如在居民类规则库中有 一条规则：i fc l o s e t o h i g h w a ya n d c l o s e t o u r b a n a n dv e r y c l o s e t o s c h o o lt h e n s 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 x3 x3 = 2 7 条规则。其余类推。 3 3 本章小结 本章首先介绍了空间负荷预测的原理和主要的预测方法，然后采用精度较高的 用地仿真法进行空间负荷预测。该方法首先利用g i s 平台进行待预测区域的小区划 分，收集空间信息并进行分类和模糊化；然后利用模糊规则库进行模糊推理，对各 个小区适合发展的用地类型进行评分；根据各行业间的固有比例关系将总量负荷预 测推导出分类土地预测；采用运输模型进行最优土地分配，然后利用终端负荷密度 模型预测出该区域的负荷增长情况。 华北电力大学硕士学位论文 第四章粒子群算法 粒子群优化算法( p a t t i e l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，p s o ) 是由e b e r h a r t 博士和 k e n n e d y 博士提出的种基于群智能方法的演化计算技术，是演化计算领域中的一 个新的分支，起源于鸟群和鱼群群体运动行为的研究。 与基于达尔文“适者生存，优胜劣汰”进化思想的遗传算法不同的是，粒子群 优化算法是通过个体之间的协作来寻找最优解的。文献”引用了生物社会学家e 0 w i l s o n 关于生物群体的一段话，“至少在理论上，一个生物群体中的一员可以从这 个群体中所有其它成员以往在寻找食物过程中积累的经验和发现中获得好处。只要 食物源不可预知地分布于不同地方，这种协作带来的优势可能变成决定性的，超过 群体中个体之间对食物竞争所带来的劣势”。这段话的意思是说生物群体中信息 共享会产生进化优势，这也正是粒子群优化算法的基本思想。 4 1 基本粒子群算法 4 1 1 算法的数学模型 粒子群算法中，每个优化问题的解都是粒子在搜索空间中的位置，所有的粒子 都有一个被优化的目标函数所决定的适应值，粒子还有一个速度值决定它们飞翔的 方向和距离，然后粒子群就追随当前的最优粒子在解空间中搜索。 p s o 算法首先在给定的解空问中随机初始化粒子群，待优化问题的变量数决定 了解空间的维数。设每粒子的位置向量有一评价标准，记为函数f ，其输入是粒子 的位置坐标。先随机初始化粒子的位置向量和速度向量。根据评价函数f 找出最优 粒子( 适值最小或最大) 。记录下每个粒子的历史最优解b ( 即单个粒子本身在迭代 过程中找到的最优解，称为个体极值) 和群体的最优解p 。( 即种群所有粒子在迭 代过程中所找到的最优解，称为全局极值) 。在每一步迭代中更新粒子的速度和位 置，并再次用函数施加以评价。若某一粒子在迭代过程中出现了的位置的适值较历 史状态优，则更新个体极值b 。将b 和粒子当前的位置，的差值乘上一个随机系 数，添加到当前粒子的速度之中，从而使粒子的轨迹在其最优点附近震荡。另外， 若在迭代过程中出现了一新位置较群体的所有粒子及其历史位置优，则更新全局极 值p 。p 。和粒子当前的位置x 。的差值也乘上一个随机系数，添加到当前粒子的 速度之中。经过这样调整后，粒子将方面沿着其历史最优值运动，另一方面将沿 着群体的全局最优值运动。数学描述如下”： 设搜索空间为d 维，总粒子数为胛。 第i 个粒子位置表示为向量x ，= b 儿，x 。，x ；。j ； 华北电力大学硕士学位论文 第i 个粒子迄今为止搜索到的最优位置为j p 。= 0 。p 。，p 。) ； 整个粒子群迄今为止搜索到的最优位置为p 。= ( p 。，p 。：，p 妒) ： 第i 个粒子的位置变化率( 速度) 为向量v ，= ( v 川v ，：，v 。) 。 每个粒子根据如下公式更新自己的速度和空间位置： v 讨o + 1 ) = v 耐o ) + c , 5 p 耐o ) - - x i d e ) 】+ c ：r 2 p o ) 一x 耐o ) j x d ( f + 1 ) = x 。o ) + v o + 1 ) 1 i 门1 d d ( 4 一1 ) ( 4 2 ) 其中，c l ，c2 为正常数，称为加速因子：r i ，r 2 为 0 ，1 之间的随机数：第 d( 1 d d ) 维的位置变化范围为 一枷别k ，舸删0 ，速度变化范围为 一v m , 饼d ，阳么忻d ( 即在迭代中若v 。和工“超出了边界值，则将其设为边界值) 。 v m a x d 是一个很重要的参量，它决定了粒子的搜索空间。若v m a x 。太大，则 粒子可能很快就飞出最优点，若其太小，则粒子很可能无法越过局部最优点，从而 陷入局部最优。 加速因子c l ，c2 是使粒子向最优位置p b e s t 和g b e s t 飞行的权重因子。它是系 统的张力因子。较小的c l ，c ：会使粒子以较小速率向目标区域游动，较大则可能 会使粒子很快飞越目标。 图4 1 显示了粒子在解空间的寻优过程。 j r _ 一一一嗍。j 7 + 。