（电力系统及其自动化专业论文）基于gis的变电所选址及馈线优化.pdf

基于地理信息系统( g 】s ) 的变电所选址及馈线优化 本文建立了基于地理信息系统( g i s ) 的变电所选址模型，采用离散型方法求解。 该算法以变电所及馈线投资最小为目标，算法简单、有效。模型包含了用地限制 和街道可达性、可用性等约束，而且在求解模型时用基于动态规划的最短路算法 确定负荷点到变电所的计及障碍因素的欧几里得距离( 简称广义距离) 。由于采用 离散型选址方法，可以考虑选址过程中电力规划专家的选择和判断所起的决定性 作用即在长期规划的指导进行选址工作，做到电力系统长期最优。 本文在g i s 平台上将规划区域细分为若干个功能小区。以每一小区的电力负 荷预测值作为需求量，将数据绑定到每一小区的左上节点( 小区四周每一个十字 路口都可以看作一个节点) ，可将每一个节点，或根据土地规划约束将其中的部 分节点将明显不可行的源位置排除掉后的节点，作为可能建变电所的位置。可由 图形图获得负荷点的坐标，节点间的距离等基础数据。 变电所选址除了要做到变电所、馈线投资省、运行费用低，还要满足负荷、 用地、地形地质、线路走廊、交通、气象、防洪、防污、与城乡建设发展规划相 一致等各方面的要求。由于涉及因素较多，优化选址过程难以全部包含；所以。 优化得到的所址是不是最优还要进一步评价。以前有学者采用多目标决策等方法 研究选址决策。本文在选址评价部分用模糊综合评判方法通过全面的技术经济比 较和经济效益分析，确定整体最佳方案；在评判过程中各因素权重的分配对评判 结果有重要的影响，本文用层次分析法确定与所址密切相关的各个因素相对总体 目标而言的权重，使得权重的确定更科学；采用多个综合评价函数对四个备选所 址进行了评价，兼顾多种与所址相关的因素，使所址评价结果更合理。 在馈线优化部分，本文在最小生成树方法的基础上提出了基于g i s 的广义最 小生成树馈线优化算法，确定最佳的馈线走径。附带介绍了在变电所选址、馈线 优化计算时采用的动态规划方法。 关键词：电力系统，地理信息系统，变电所选址馈线优化 i l 兰：! 查兰三兰鎏圭堡兰 a b s t r a c t s u b s t a t i o nl o c a t i o na n df e e d e rp l a n n i n gi sa ni m p o r t a n t p a r to f e l e c t r i cp o w e r s y s t e m p l a n n i n g s u b s t a t i o nl o c a t i o n i n f l u e n c en e t w o r kc o n f i g u r a t i o n ，p o w e rs u p p l yq u a l i t y a n dr u n n i n gc o s to ff u t u r ee l e c t r i c p o w e rs y s t e m g o o d f e e d e rc o n f i g u r a t i o nc a n i m p r o v eo np o w e rs u p p l yq u a l i t ya n dd e c r e a s er u n n i n gc o s to f e l e c t r i cp o w e rs y s t e m s oi t ss i g n i f i c a n tf o re l e c t r i ce n t e r p r i s et om a k eag o o df i s ta ts u b s t a t i o nl o c a t i o na n d f e e d e r p l a n n i n g t os o l v es u b s t a t i o nl o c a t i o np r o b l e mw eo f t e na b s t r a c ti ta n df o u n dam a t h e m a t i c m o d e la tf i r s t t h e nw ec a nu s et h ea l g o r i t h m si ne x i s t e n c eo rp r e s e n tan e wa l g o r i t h m t os l o v et h em a t h e m a t i cm o d e l m a n ym a t h e m a t i cm o d e l so fs u b s t a t i o nl o c a t i o nh a v e b e e nf o u n d ，a n dm a n ya l g o r i t h mh a v eb e e np r e s e n t e dt os o l v et h e m c l a s s i c a ls i n g l e a n d m u l t i p l ec o n t i n u u m l o c a t i o no p t i m a lm o d e l sa r em o s t l y u s e d t h e ya b s t r a c tl o a d s a s p o i n t s ，a n ds i m p l i f yt h ei s s u et of i n dt h ep o i n tw h i c hm a k e sr u n n i n gc o s to fe l e c t r i c p o w e rs y s t e mm i n i m u ma so p t i m a ls u b s t a t i o nl o c a t i o n t h es i n g l el o c a t i o no p t i m a l m o d e li ss o l v e db yt h em e t h o do fi t e r a t i o nw h i c hi so f t e nu s e dt os o l v ee x m e m u m p r o b l e m t h em u l t i f i l el o c a t i o no p t i m a lm o d e l i ss o l v e db yt h em e t h o dw h i c hi sc a l l e d l o c a t i o n ，d i s t r i b u t i o nb yt n r n s m e t h o d ss u c h 硒b r a n c ha n db o u n da l g o r i t h m ，m i x e d i n t e g e rp r o g r a m m i n g ，t r a n s p o r t a t i o nm o d e la n ds e p a r a b l el i n e a rp r o g r a m m i n gm e t h o d h a v eb e e nu s e di nr e c e n t l yy e a r s o t h e r sa r eh e u r i s t i cm e t h o d sl i k eg e n e t i ca l g o r i t h m t h e s em e t h o d ss i m p l i f yt h ei s s u e ，s ot h e i rp u r p o s e sa r ev e r yc l e a r h o w e v e r ，a f o r e m e n t i o n e dm e t h o d sh a v es h o r t c o m i n g a tf i r s t ，s u b s t a t i o nl o c a t i o n m o d e l sa r eg e t t i n gm o r ea n dm o r ec o m p l e x ，a n dt h e i rd i m e n s i o n sb e e o m em o r e t o s o l v et h ep r o b l e mt h e yn e e d p r e d i g e s ti t ，s ot h er e s u l tw i l lb ea f f e c t e d s e c o n d l y ，t h e i r a i m sa r cm a d et h ei n v e s t m e n to f s u b s t a t i o n s ，f e e d e r so rr u n n i n gc o s to f e l e c t r i cp o w e r s y s t e m m i n i m u m b u t t h e y d o n tt a k ei n t oa c c o u n to fl a n d u t i l i z a t i o n , s t r e e t a c c e s s i b i l i t yo fr i g h to fw a y , e t c ，b u td e m a n d s o fe l e c t r i cp o w e r s y s t e m g e n e r a l l y , a 删g h tl i n ed i s t a n c e ，n a m e l y , e u c l i dd i s t a n c e ，w 鲢u s e df o rc a l c u l a t i n gt h ed i s t a n c e b e t w e e nal o a d p o i n ta n d as u b s t a t i o n ，w h i c hi sa s t r a i g h tf o r w a r db u tn o n - p r a c t i c a lw a y f o rm o s tp l a n n i n gt e c h n i q u e s s ot h e yc a n h a r d l yg i v et h eo p t i m u m s o l u t i o ni nr e a ll i f e f i n a l l y ，s o m e m e t h o d s a u t o m a t i c a l l y s e l e c tt h e o p t i m a l l o c a t i o no fd i s t r i b u t i o n s u b s t a t i o n sw i t h o u tc a n d i d a t es u b s t a t i o nl o c a t i o n a n dt h e ym a yb eo p t i m a li nas h o r t i i i 基于地理信息系统( g t s ) 的变电所选址及馈线优化 t e r m b u tt h es u b s t a t i o nl o c a t i o nc a r l tb e o p t i m a li nal o n gr a n g e u n l e s si ti sd i r e c t e db y t h e l o n gt e r m d i s t r i b u t i o n p l a n n i n g w es e l e c t s u b s t a t i o nl o c a t i o n sf r o mp o t e n t i a l p o s i t i o n t om a k et h ed i s t r i b u t i o ns y s t e mo p t i m a li na l o n gt e r m w i t ha 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 ) ，im l 毗e ta 1 ，i nap a p e rp r e s e n ta n e f f e c t i v em e t h o d ，w i t ht h eu s eo f a c t u a ls t r e e tr o u t e si nf e e d e rp l a n n i n g ，t od e t e r m i n et h e o p t i m a ls u b s t a t i o nl o c a t i o na n d f e e d e r c o n f i g u r a t i o n b a s e do nt h es h o r t e s tp a t h i nt h i sp a p e r , w e p r e s e n tam o d e lb a s e do ng i s ，a n ds o l v ei tb y ad i s p e r s em e t h o d t h em e t h o d sa i mi sm a d et h ei n v e s t m e n to fs u b s t a t i o n sa n df e e d e rm i n i m u m i tc a n m o d e lp h y s i c a lc o n s t r a i n t sw i t hl a n du t i l i z a t i o na n ds t r e e ta c c e s s i b i l i t ya n du s e da c t u a l s t r e e tr o u t e si nt h es u b s t a t i o nl o c a t i o na n df e e d e r p l a n n i n g ，w h i c h i s i m p o r t a n t e s p e c i a l l yi nas u b u r b a no rc i t ya r e a w ec a nt a k ei n t oa c c o u n tt h eo p i n i o no f e l e c t r i c e x p e r t sw h i c hg r e a t l ya f f e c t e dt h er e s u l t w i t hg i s w ec a l lo b t a i ne l e m e n td a t as u c ha s c o o r d i n a t eo fl o a d d i s t a n c ef r o mo n el o a dt oa n o t h e rl o a d as h o r t e s t - p a t ha l g o r i t h m b a s e du p o nd y n a m i cp r o g r a m m i n gi su s e di n t h i s p a p e rt o d e t e r m i n et h ed i s t a n c e b e t w e e nal o a dp o i n ta n das u b s t a t i o na l o n gt h ec i t ys t r e e t sw h i c hw ec a l l e dg e n e r a l i z e d e u c l i dd i s t a n c e a c c o r d i n gt ot h ep h y s i c a ld i s t a n c e ，o p t i r e a ls u b s t a t i o n sl o c a t i o nc a l lb e s e l e c t e d ，a n di ns e q u e n tal o a dp o i n ti sa s s i g n e dt oas p e c i f i cs e r v i c ea r e a t h u st h e o p t i m a lf e e d e rp l a n n i n g c a l lb ed e t e r m i n e d s u b s t a t i o nl o c a t i o nr e q u i r e sn o to n l ym a k i n gt h ei n v e s t m e n to fs u b s t a t i o n sa n d f e e d e r sm i n i m u mb u ta l s om e e t i n gt h ed e m a n d ss u c ha sl o a d ，l a n du t i l i z a t i o n , w i d t ho f l i n e c o r r i d o r ，t r a n s p o r tc a p a b i l i t y , w e a t h e r , f l o o dp r e v e n t i o n , a c c o r d i n g t ot o w n p l a n n i n g , e t c i ti sv e r y d i f f i c u l tt oi n c l u d ea l lf a c t o r si ns u b s t a t i o nl o c a t i o nm o d e l ，s oi t i sn e c e s s a r yt oe v a l u a t et h er e s u l tg o tb y o p t i m a lm o d e l m u l t i - o b j e c td e c i s i o n - m a k i n g a n df u z z ya n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( f u z z ya 耻) c a ns o l v et h ei s s u eb u tn o ti d e a l e n o u 曲t h et w om e t h o d s ，f u z z yi n t e g r a t i o ne v a l u a t i o nm e t h o da n df u z z yp a t t e r n r e c o g n i t i o nt h e o r y , a r eu s e di nt h ei n t e g r a t e dc o m p a r i s o no f s u b s t a t i o nl o c a t i n gt h r o u g h t e c h n i c a la n de c o n o m i c a l t h u sa c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s o n ，t h eo p t i m a ls u b s t a t i o n l o c a t i o nw i l lb es e l e c t e d k e yw o r d s ： e l e c t r i c p o w e rs y s t e m ，g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m ，s u b s t a t i o n ， l o c a t i o n ，f e e d e rp l a n n i n g 量王兰兰互呈至釜1 2 坚2 望茎皇翌垄苎墨堡些垡竺 第1 章绪论 电力工业是国民经济的重要部门之一。电力系统要满足日益增长的电力需求 必须不断扩大其规模，合理地进行电力系统规划可以使电力企业获得巨大的经济 利益。随着电力企业改革的逐步深入，提高规划质量对电力企业具有重大的意义。 变电所选址及馈线优化是电力系统规划工作中的重要环节，变电所的位置直 接影响着未来电力系统的网络结构、供电质量和运行经济性；好的馈线网络结构 也可提高供电质量、运行经济性；因此，做好变电所选址及馈线优化工作对电力 企业有重要的意义。 随着计算机软硬件的飞速发展，电力系统规划的工具也有了很大的变化。以 往电力系统规划基础数据存储在数据库中；作图采用计算机辅助制图，图件以 a u t o c a d 等格式保存在图形库中：虽然较最初的手工作业效率有所提高，但图形库 与数据库之间仍容易出现脱节，导致规划工作连续性差。而且电力系统规划要求 规划人员不仅要掌握本部门的历史和现状，还需要了解城市各个领域现在的数据 和发展的趋势，对这些数据的管理和对相关图形的分析占用了大量的时间和人力 资源。 现在，以a r e i n f o 、m a p i n f o 为代表的地理信息系统被应用到电力系统规划中， 它们可有机统一地管理以数字、文字为主的电网属性信息和以图形为主的电网地 理空间信息，数据库里的电网属性与图形数据同步更新，极大的提高了工作效率， 节省了费用，也确保了规划工作的连续性。地理信息系统与调度自动化等软件紧 密结合，能自动完成电力规划中最大负荷等基础数据的采集、整理和保存，有助 于电力规划人员积累相关的数据，便于不断地对电力规划实施滚动修正，使电力 规划更具科学性、指导性。 1 1 研究变电所选址、馈线优化的目的和意义 变电所选址是电力系统规划工作中的一个重要环节，在电网规划中起承上启 下的作用。它是在负荷预测的基础上进行的，其结果又直接影响着未来电力系统 的网络结构、供电质量和运行经济性。 竺型查兰三兰2 圭丝兰 1 1 1 变电所选址的目的和意义f 1 捌 1 1 1 1 目的 变电所的选址工作应根据电力系统设计的网络结构、负荷分布、城建规划、 土地征用、出线走廊、交通运输、水文地质、环境影响、地震烈度和职工生活方 便等因素综合考虑。通过全面的技术经济比较和经济效益分析，选择最佳方案。 1 1 1 2 变电所选址的意义 变电所的位置对电力系统网络结构起决定性作用。变电所位置选得好，电 力系统网架就强健，系统就不容易受到小干扰的影响，系统就可以经济、稳定的 运行：反之，变电所位置如果选得不好，那么，系统中的小扰动就有可能逐渐放 大，造成灾难性的后果，很难保证系统的经济、稳定运行。 变电所的位置对电力企业服务电力用户的质量有重要影响。规程规定所址 尽可能靠近负荷中心，如变电所位置偏离负荷中心，则有些负荷到变电所的距离 就更远，相应的馈线长度更长，电压质量就难以满足这些用户要求。又如规程规 定所址标高宜高出频率为1 的高水位之上，否则应有可靠的防洪措施。在内涝地 区建所时，防涝围堤堤顶标高宜高出频率为1 的内涝水位0 5 m 。但某1 1 0 k v 变 电所选址时忽视了这一点，选的所址地势偏低，下暴雨时所区积水严重导致变 电所不能正常运行，不能保证对用户正常供电，给用户带来了很多不便。最终， 变电所被迫迁往城郊个地势较高的地方，造成了电力部门经济上不必要的损失。 变电所的位置对自身及下级输电系统有较大的影响。建设变电所投资很大， 且变电所是馈线系统( 或下级输电系统) 的电源点，变动变电所位置对馈线系统 ( 或下级输电系统) 的费用都有较大的影响。如果变电所位置选的不合适，出线走 廊选择也会随之出现问题，结果导致输电线和馈线更长，费用更高，而且这种决策错 误即使可以修正，费用往往也很高。只要当变电所位置决策正确的条件下，才能保证 电力系统从长远来看也是经济的。 1 1 2 馈线优化的目的和意义 馈线优化的目的是找到能保证供电质量的、同环境协调一致的、投资费用最 小的方案。其意义是好的网络结构是健壮的、适应性强的、经济的，不仅能保证 为用户提供优质的、经济的服务，而且能节约电力部门的投资；反之，如网络结 构不合理，不仅会造成经济上的浪费，而且达不到用户的要求。 基于地理信息系统( g i s ) 的变电所选址及馈线优化 1 1 3 课题研究的目的和意义 从1 1 1 条和1 1 2 条可看出变电所选址和馈线优化的意义重大，有必要对其 进行深入细致的研究。 l _ 1 3 1 课题研究的目的 当前对变电所及馈线规划的研究倾向于模型复杂化，而效果并不很理想。从 课题研究的角度，本文的目的是用简单的方法有效地解决变电所选址及馈线优化 问题。 1 1 3 2 意义 本研究的意义是使变电所选址和馈线优化更合理，为电网规划人员提供较好 的参考方案，提高电网规划的效率和质量。 1 2 变电所选址及馈线优化研究概况 研究选址问题时大多是把实际问题抽象和简化，建立一个数学模型，然后用 已有的( 或提出新的) 数学方法求解这些模型。国内外己建立了较多的选址模型， 提出了较多的选址方法 3 “。用得最多的模型是经典的单、多源连续选址模型，它 将负荷抽象为几何意义上的点，将求最佳所址简化为求使网络运行费最小的点的 坐标，单源连续选址采用数学优化方法中求极值的迭代求解，多源连续选址通常 采用交替选址一分配法求解。近年来求解选址模型用得较多的数学优化方法有分 支定界法【4 】、混合整数规划法【5 】、运输模型法嘲、可分离线性规划法 饥。也有采用 启发式方法求解选址模型的，如遗传算法【8 】。以往的选址方法可以概括为：分析、 简化问题一建立数学模型一用数学方法求解，这样做的优点是分析问题容易、目 的性强。 这些方法也有不足之处，首先目前建立的数学模型越来越复杂，规模也越来 越大，求解时经常出现“维数灾”问题，因而求解时要进行简化处理，计算效果 要打些折扣。其次受研究工具的限制，这些模型以工程投资、运行费用等最小为 目标，仅能考虑导线载流量、电压降等电力系统技术约束条件，简化略去了用地 限制、街道可达性等重要的自然约束条件且求解这些模型的前奏是计算负荷点 到变电所的欧几里得距离( 直线距离) ，简便但不切合实际( 这一点在城市电网规 划中尤其重要) ，因此较难给出技术上可行的最优解。最后，在变电所选址过程中， 虽然有些算法 1 1 】不需要候选所址，进行随机搜索确定变电所位置，但它们未考虑 选址过程中电力规划专家的选择和判断所起的决定性作用，很难实现电力系统的 长期最优。 3 郑州大学工学硬士论文 馈线优化方法除上面提到的分支定界法、混合整数规划法、遗传算法，还有 这几年新兴的模拟退火算法、t a b u 搜索等方法。 1 9 9 5 年台湾学者w m l i n 等人在电力及能源系统杂志上发表了地理信 息系统在变电所及馈线规划中的应用一文。在文中他们做了非常有益的探索， 尝试着跳出建立越来越复杂的数学模型这个泥潭。他们另辟蹊径，针对变电所及 馈线优化时的实际情况，结合地理信息系统( g i s ) ，提出了一个简单有效的方法， 采用基于最短路的方法确定最佳的变电所位置及馈线路径。 变电所选址除了要做到变电所、馈线投资省、运行费用低，满足各项技术要 求外【2 5 - 2 7 ，还要满足负荷、用地、地形地质、线路走廊、交通、气象、防洪、防 污、与城乡建设发展规划相一致等各方面的要求。由于涉及因素较多优化选址 过程难以全部包含；所以，优化得到的所址是不是最优还要进一步评价。以前有 学者采用多目标决策等方法研究选址决荆2 8 4 0 】。 1 3 地理信息系统( g i s ) 在变电所选址及馈线优化中的应用3 1 g i s 能较好的解决与地理空间位置密切相关的问题，已在物流、固体有害物质 填埋场等的选址工作中得到应用 3 2 - 3 3 】。变电所选址除考虑电网结构等电气因素外， 还必须考虑所址的地形地貌、水文条件、地质条件、出线走廊等因素。这些因素 大多属于地理空间信息的范畴；馈线走径的选择也与许多地理空间信息密切有关； 因此将g i s 应用到变电所选址及馈线优化中有其独到的优势。以下仅以g i s 在变 电所选址中的应用为例说明g i s 应用到变电所选址及馈线优化中的优势。 在常规的变电所选址工作中，野外调查、勘探和各种试验获得的第一手资料， 其参数往往是成点状或线状分布，而对所址进行综合分析需要更多的邻域信息。 将g i s 应用于变电所选址，充分利用航拍照片、卫星图像、遥感资料等科学技术， 就可以获得所址附近区域的空间信息参数，使得变电所选址的整个过程更直观、 全面。 1 3 1 变电所选址信息的存储管理 作为对地理空间数据进行采集、存储、检索、建模、分析和表示的g i s 技术， 不仅可以管理以数字、文字为主的属性信息，而且可以管理以图形图像为主的地 理空间信息。将搜集到的各种基础性图件( 如城市发展规划图、交通图、地质图、 构造地质图、水文地质图、工程地质分区图) 、专业图件( 规划区域电网地理图) 、 文字描述信息、数字数据等信息通过合理、有效的空间数据库进行管理可大大提 高变电所选址的效率。 4 苎三些翌生皇至苎5 2 望2 塑茎皇要兰苎墨竺些竺些 i 3 2 地理空间信息的可视化分析 g 1 s 提供的空间分析f 叠加、包含、相邻关系、缓冲区、地形分析) 及空间信息 计算f 面积、周长，距离等) 等功能，实现了传统方法难以进行的对各种地质体的多 种空间关系的定量分析，这种空间分析对提取与变电所选址有关信息较为有效。 g i s 的叠置分析功能可形象地理解为计算机化的透图台，是变电所选址用得最 多的空间分析功能之一，不同比例地图信息的叠置可方便的对所址区域进行宏观 分析和微观分析。缓冲区分析是通过计算在点、线、面实体周围自动形成满足一 定距离要求的区域，通常用于确定影响范围是变电所选址应用比较多的另一个 空间分析功能。如对大的河流进行缓冲区分析在缓冲区范围内一般不考虑建变 电所，否则要特别校验是否能满足防洪排涝方面的要求。 1 ，3 3 地理空闯信息的现势性 g i s 为遥感数据的空间可视化创造了条件。为变电所选址提供了大量及时、准 确、综合和大范围的各种环境信息，包括地形坡度、地质构造、土地利用状况、 土壤类型、植被覆盖率、河流分布等大量自然地理和地质的环境背景资料，可使 所址选择、评价更直观。 1 4 本文的主要内容 在近三年的时间里，本人在学习了电网规划的基本理论和方法的基础上，在 杨丽徙老师的悉心指导下，对基于g i s 的变电所选址及馈线优化问题进行了研究。 论文中涉及的主要内容包括：第一章绪论，对研究工作做一个概述，简要介 绍了变电所选址及馈线优化研究的目的意义、国内外在这方面研究的概况及g i s 在课题研究中的重要作用；第二章地理信息系统概述，介绍了g i s 的组成、功能、 通用g i s 与专业g i s 系统，以及g i s 与计算机辅助制图系统的差别等；第三章基 于g i s 的交电所选址及所址评价，介绍了建立的基于g i s 的变电所选址模型及算 法，并介绍了模糊综合评判方法在所址评价中的应用；第四章基于g i s 的馈线优 化，介绍了最小生成树方法，并在该方法的基础上提出了馈线优化的广义最小生 成树方法，附带介绍了在变电所选址、馈线优化计算时采用的动态规划方法；第 五章程序实现，介绍了专业g i s 平台的开发方法，以及在g i s 平台上变电所及馈 线优化程序的实现过程；第六章结论与展望，总结了前面所做的工作、对以后的 工作做些展望。 e 郑州大学工学硕士论文 第2 章地理信息系统( g i s ) 概述 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 ) 是采集、测量、分析、 存储、管理、显示与地理空间位置有关的数据的一种计算机系统。通俗讲，地理 信息系统就是整个地球或部分区域的资源、环境在计算机中的缩影。 地理信息系统应用最早的领域主要集中在城镇规划、公用事业管理、环境、 资源管理。由于地理信息系统具有突出的数据可视化的特点，使得其在电力系统 中的应用前景光明。 2 1g i s 的组成 g i s 的应用系统主要有五部分组成，即硬件、软件、数据、人员和方法。 2 1 1 硬件 硬件是指操作g i s 所需的一切计算机资源。目前的g i s 软件可以在很多类型 的硬件上运行。从中央计算机服务器到桌面计算机，从单机到网络环境。一个典 型的g i s 硬件系统除计算机外，还包括数字化仪、扫描仪、绘图仪、磁带机等外 部设备。根据硬件配置规模的不同可分为简单型、基本型、网络型。 2 1 2 软件 软件是指g i s 运行所必须的各种程序。主要包括计算机系统软件和地理信息 系统软件两部分。地理信息系统软件提供存储、分析和显示地理信息的功能和工 具。主要的软件部件有：输入和处理地理信息的工具；数据库管理系统工具；支 持地理查询、分析和可视化显示的工具；使这些工具容易使用的图形用户界面 ( g r a p h i c s u s e r i n t e r f a c e ，g u i ) 。 2 1 3 数据 数据是一个g i s 应用系统的最基础的组成部分。空间数据是g i s 的操作对象， - 6 基于地理信息系统( g i s ) 的变电所选址及馈线优化 一个g i s 应用系统必须建立在准确合理的地理数据基础上。数据主要来源于室内 数字化和野外采集，以及从其他数据的转换。数据包括空间数据和属性数据，空 间数据的表达可以采用栅格和矢量两种形式。空间数据表现了地理空间实体的位 置、大小、形状、方向以及几何拓扑关系。 2 1 4 人员 人是地理信息系统中重要的构成要素，g i s 不同于一幅地图，它是一个动态 的地理模型，仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统，需要人进 行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善以及应用程序开发，并采用 空间分析模型提取有用的信息。因此，g i s 应用的关键是掌握实施g i s 来解决现 实问题的人。这些人员既包括从事设计、开发和维护g i s 系统的技术专家，也包 括那些使用该系统并解决专业领域任务的领域专家。 2 1 5 方法 这里的方法主要是指空间信息的综合分析方法，即常说的应用模型。它是在 对专业领域的具体对象与过程进行大量研究的基础上总结出的规律的表示。g i s 应用就是利用这些模型对大量空间数据进行分析综合来解决实际问题的。 2 2g i s 的主要功能 一个g i s 软件系统应具备五项基本功能，即数据输入、数据编辑、数据存贮 与管理、空间查询与空间分析、可视化表达与输出。 2 2 1 数据输入 数据输入是建立地理数据库必须的过程。数据输入功能指将地图数据、遥感 数据、统计数据和文字报告等输入、转换成计算机可处理的数字形式的各种功能。 对多种形式、多种来源的信息，可实现多种方式的数据输入，如图形数据输入、 栅格数据输入、g p s 测量数据输入、属性数据输入等。 郑州大学工学硕士论文 2 2 2 数据编辑与处理 数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。属性编辑主要与数据库管理结合在 一起完成，图形编辑主要包括拓扑关系建立、图形编辑、图形整饰、图幅拼接、 图形变换、投影变换、误差校正等功能。 2 2 3 数据的存储与管理 数据的有效组织与管理，是g i s 系统应用成功与否的关键。它主要提供空间 与非空间数据的存储、查询检索、修改和更新的能力。矢量数据结构、光栅数据 结构、矢栅一体化数据结构是存储g i s 的主要数据结构。数据结构的选择在相当 程度上决定了系统所能执行的功能。数据结构确定后在空间数据的存储与管理 中关键是确定应用系统空间与属性数据库的结构以及与空间属性数据的连接。 目前广泛使用的g i s 软件大多数采用空间分区、专题分层的数据组织方法，用g i s 管理空间数据，用关系数据库管理属性数据。 2 2 4 空间查询与分析 空间查询与分析是g 1 s 的核心是g 1 s 最重要的和最具有魅力的功能，也是 g i s 有别于其他信息系统的本质特征。地理信息系统的空间分析可分为三个层次的 内容： 空间检索：包括从空间位置检索空间物体及其属性、从属性条件检索空间物 体： 空间拓扑叠加分析：实现空间特征( 点、线、面或图像) 的相交、相减、合 并等，以及特征属性在空间上的连接； 空间模型分析：如数字地形高程分析、b u f f e r 分析、网络分析、图像分析、 三维模型分析、多要素综合分析及面向专业应用的各种特殊模型分析等。 2 2 5 可视化表达与输出 中间处理过程和最终结果的可视化表达是g i s 的重要功能之一。通常以人机 交互方式来选择显示的对象与形式，对于图形数据，根据要素的信息密集程度， 可选择放大或缩小显示。g i s 不仅可以输出全要素地图，也可以根据用户需要，分 层输出各种专题图、各类统计图、图表及数据等。 除上述五大功能外还有用户接口模块，用于接收用户的指令、程序或数据， 8 基于地理信息系统( g i s ) 的变电所选址及馈线优化 是用户和系统交互的工具，主要包括用户界面、程序接口与数据接口。由于地理 信息系统功能复杂，且用户又往往为非计算机专业人员，用户界面是地理信息系 统应用的重要组成部分，使地理信息系统成为入机交互的开放式系统。 2 3 通用g i s 与专用g i s 2 3 1 通用g i s 通用地理信息系统软件是指具有数据输入、编辑、结构化存储、处理、查询 分析、输出、二次开发、数据交换等全套功能的g i s 通用软件，是开发各种专用 系统的基础与工具，又称通用g i s 开发平台。国外的a r c i n f o 、a t l a s g i s 、 蹦t e r g r a p h ，t i t a n 、g e n 舢讧a p 、g r a s s 、e r d a s 、e i u 讧a p p e r 等，国产 的m a p g i s 、c i t y s t a r 、g e o s t a r 等都属这类软件； 通用型地理信息系统平台通常均提供强大的二次开发功能，有的提供专用的 编程环境，如a r c v i e w 的a v e n u e 、m a p i n f o 的m a p b a s i c 、a r c 唧的 x m l 语言；目前更多的是提供更通用的d l l 、a c t i v e x 、j a v a 等动态连接库或控 件产品，如t i t a n 、m a p g i s 、m a p o b j e c t s 、m a p x 等。利用计算机系统开发工 具( 各种高级程序设计语言) 调用这些二次开发函数或控件可进行用户化开发的g i s 产品，特别是用来开发各种专业型的地理信息系统。 2 3 2 专用g i s 专用地理信息系统是利用g i s 系统开发工具集，针对某一专业领域和业务部 门的工作流程而开发的独立的g i s 运行系统，旨在利用g i s 工具有针对性地解决 具体的问题【3 4 35 1 。它符合专业领域或业务部门的工作流程，针对性强。 2 4 g i s 与计算机辅助制图系统的区别 g i s 是在地学学科与数据库管理系统( d b m s ) 、计算机图形学、计算机辅助设 计( c a d ) 、计算机辅助制图( c a m ) 等与计算机技术相关学科相结台的基础上发展起 来的。 c a m 是使用计算机技术进行几何图形的编辑和绘制的计算机系统。c a m 的 使用使众多行业和部门中的设计人员从制图板上和手工劳动中解放出来，因而受 到广大设计人员、制图人员的青睐。c a m 技术的发展对g i s 的产生起了有力的促 进作用，g l s 的出现进一步为c a m 提供了现代化的先进技术手段，引起地图制图 q 郑州大学3 2 学碗士论文 过程的深刻变化，成为现代地图制图的主要手段。虽然g i s 的发展与计算机辅助 制图有着密切的关系，但二者之间存在许多根本性的不同： 目的不同 c a m 的目的是制图，主要考虑信息的显示和表达，是传统地图的数字化再现。 除正确的表达专业内容外，强调线条的圆滑、色彩的协调、图面的美观。而g i s 的目的是空间数据的管理与分析，制图只是g i s 的功能之一。 采用的技术不同 g i s 通过严格的空间拓扑关系、空间及属性数据库的建立实现信息的管理、查 询与分析，建立描述地质实体空间特征的图形元素之间的拓扑关系、建立与图形 元素相连接的描述地质实体非空间特征的属性数据库是g i s 与单纯的c a m 系统的 最本质的差别。 功能不同 g i s 具有强大的空间查询和深层次的空间分析功能，提供对规划、管理和决策 有用的信息。而c a m 不具有空间分析功能。 基于地理信息系统( g i s ) 的变电所选址及馈线优化 第3 章基于g i s 的变电所选址 在负荷预测的基础上，进行系统电力电量平衡后，根据系统变电容量的缺额 就要确定新建( 扩建) 的变电所个数，然后确定其规模及位置。本文重点研究变 电所选址问题。变电所选址分为两部分：优化选址、所址评价。 国内外已提出了许多变电所选址方法口- 2 4 。这些方法大多是建立一个数学模型 把实际问题抽象和简化。这些方法的优点是分析问题容易、目的性强。但当前数 学模型越来越复杂，规模也越来越大，经常出现“维数灾”问题。而且这些模型仅能 以工程投资、运行费用等最小为目标，考虑导线载流量、电压降等电力系统技术 约束条件，简化略去了用地限制、街道可达性等重要的自然约束条件。 台湾w ，m l i n 等人做了非常有益的探索，尝试着跳出建立越来越复杂的数学 模型这个泥潭。他们另辟蹊径，针对变电所及馈线优化时的实际情况，结合g i s ， 提出了一个简单有效的方法，采用基于最短路的方法确定最佳的变电所位置及馈 线路径。 本文建立了基于地理信息系统( g i s ) 自q 变电所选址模型，采用离散型方法求解。 该算法以变电所及馈线投资最小为目标，算法简单、有效。模型包含了用地限制 和街道可达性、可用性等约束，而且在求解模型时用基于动态规划的最短路算法 确定负荷点到变电所的计及障碍因素的欧几里得距离( 简称广义距离) 。由于采用 离散型选址方法，可以