基于地理信息系統的農村電網規劃方法的研究

摘要　本文針對目前農村電網（以下間稱農網）規劃難以滿足規劃人員實用要求之現狀，提出應用地理信息系統（Geo－graphicalInformation System，簡稱GIS）技術改進農網規劃之設想[陽光電子學校維修專家友情提示]。基于中心地理論之應用模型，提出基于GIS之子系統模型及算法，將配網規劃這一NP－hard問題轉化為無約束之線性凸規劃問題，并使問題規模大為減小[陽光電子學校維修專家友情提示]。研究結果表明借助GIS無需復雜之算法便可實現規劃過程更具交互性、規劃結果更具直觀性、方案調整更具靈活性[陽光電子學校維修專家友情提示]。基于GIS之農網規劃可作為農網規劃人員之得力工具[陽光電子學校維修專家友情提示]。
    關鍵詞　GIS　農網規劃　變電站選址　路徑優化

1　引言

　　配電網規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，在解決配電網規劃之全局優問題上也取得了一些突出之成果[陽光電子學校維修專家友情提示]。但是還存在如下不足：1）求解規模和變電站位置優化之局限[陽光電子學校維修專家友情提示]。2）由于規劃模型及尋優過程中難以考慮地理因素，致使規劃之結果不適宜[陽光電子學校維修專家友情提示]。3）規劃不直觀、不可視[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　鑒于上述不足，并考慮到農網規劃有其自身特點，因其變電站位置和10 kV路徑選擇有更多之任意性，致使問題規模更大，求解更難，本文提出利用GIS技術改進農網規劃之設想，并提出基于GIS之子系統模型及算法，使問題規模大為縮小，實例驗證該方法能夠解決大規模之農網規劃問題[陽光電子學校維修專家友情提示]。

2　基于GIS之農網規劃應用系統之總體結構設計

2．1　在農網規劃中引入GIS之優越性
　　從農網規劃本身來看，利用GIS有如下幾點優越性：
　　（1）GIS是結合CAD技術和數據庫技術之空間數據庫系統，在進行農網規劃時，能夠通過數據訪問方便地獲得變電所、負荷點之位置坐標[陽光電子學校維修專家友情提示]。GIS還具有空間分析之功能，在變電站選址尋優過程中，能夠利用其避開障礙物[陽光電子學校維修專家友情提示]。（2）借助GIS，避免了煩瑣之節點編號、支路編號[陽光電子學校維修專家友情提示]。（3）利用GIS便于規劃人員進行前期分析：提供地理背景便于確定待選變電站、待選線路之長度和路徑（不需再作測量）；圖形數據和屬性數據之雙向檢索[陽光電子學校維修專家友情提示]。（4）方案調整靈活[陽光電子學校維修專家友情提示]。（5）可視、交互[陽光電子學校維修專家友情提示]。
2．2　基于GIS之農網規劃應用系統之總體結構設計
2．2．1　總體設計思想
　　基于GIS之農網規劃應用系統之總體設計思想是：主功能界面基于通用GIS軟件（如GeoMediaPro 3．0、ARC／INFO、MapInfo等），研究與GIS相結合之農網規劃模型及算法，針對研究提出之模型和算法，編制相應之程序模塊[陽光電子學校維修專家友情提示]。將各模塊與GIS集成[陽光電子學校維修專家友情提示]。
2．2．2　總體結構
　　本文設計之“基于GIS之農網規劃應用系統”由如下幾個模塊構成：農網規劃GIS數據庫、變電所優化布局模塊、10 kV線路優化規劃模塊等[陽光電子學校維修專家友情提示]。系統之總體結構如圖1所示[陽光電子學校維修專家友情提示]。

3　基于GIS之農網子系統規劃模型及算法

3．1　基于GIS之變電站優化布局模型和算法
　　在中心地理論之應用模型中，有離散型多場址選擇模型、離散型單場址選擇模型、連續型多場址選擇模型和聯系型單場址選擇模型［1，2］[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　解決變電站優化布局問題可采用離散型多場址選擇模型和連續型多場址選擇模型[陽光電子學校維修專家友情提示]。本文采用連續型多場址選擇模型[陽光電子學校維修專家友情提示]。具體到每一個變電站之位置選擇又需要用單場址選擇模型[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　本文中，先把變電所合理布點問題看作是一個連續性問題，借助GIS之空間分析功能，優化出之變電所位置若是居民區或林地、水域等不適宜之位置，則重新進行負荷分配，進而重新確立變電所之位置[陽光電子學校維修專家友情提示]。
    基于此，本文將變電所合理布點問題描述為：
    已知：（1）n個負荷點之位置（xj，yj），（j＝1，2Λn）
　　（2）各負荷點之負荷為Pj
    求負荷非均勻分布條件下：
    （1）變電所之優化數目m，
    （2）各變電所之 優區位（ui，vi），（i＝1，2Λm）
　　（3）確定各變電所之優化供電區域，為此，設置決策變量Xij

　　為解決這一問題，本文在連續型多場址選擇模型之基礎上，建立了變電所布局之空間優化模型[陽光電子學校維修專家友情提示]。用NF表示農網之年費用，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[陽光電子學校維修專家友情提示]。
式中β——農網單位距離、單位負荷之年費用系數；
　　Pj——負荷點j之規劃年負荷（MW）[陽光電子學校維修專家友情提示]。
其中β＝NF／PlLjj                        （2）

式中NF——經濟供電半徑下之農網年費用，其計算式詳見文獻［3］；
    Pl——10 kV線路之傳輸功率[陽光電子學校維修專家友情提示]。
    Ljj——經濟供電半徑（km），對文獻［4］之計算結果進行處理而得[陽光電子學校維修專家友情提示]。
    ml——10 kV線路出線條數（ml＝6）[陽光電子學校維修專家友情提示]。
    ms——平均負荷密度下優化變電站數量[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　上述模型在GIS軟件系統

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