基于GIS的輸電線路優化設計研究

陳旭

摘要：為滿足各地區工業與農業在用電方面的需求，電力工程建設數量在逐漸增加。以某變電站工程建設為例，文章分析了輸電線路優化設計的方法，主要以GIS系統、算法分析、設計要求和方案指標為基礎，并運用相關因數的權重值等參數模擬出二維與三維輸電線路圖，在對比總結后指出了最優方案的實際應用效益，從而保證優化設計方向的正確性，以期為類似工程建設提供有效參考。

關鍵詞：輸電線路選擇；層次分析法；GIS系統；設計

中圖分類號：TP311.1? 文獻標志碼：A

0 引言

輸電線路是一種公共基礎設施，主要任務是傳輸電能，為民眾提供電力保障。在對其進行優化設計時需要結合空間性、層次性、政策性和綜合性等原則進行全面考慮，保證設計的輸電路徑為最佳方案，同時能夠滿足區域的整體發展規劃，盡量降低造價成本，要求不得損害周圍的生態環境，并保證輸電工程建設的可行性。本文主要基于GIS地理信息系統完成對輸電線路的智能化設計。

1 工程概況

以某變電站工程為例，該變電站呈東南-西北方向分布，跨越國道、礦區、高速公路和內湖，中間需要繞過自然保護區、風景名勝區、水源保護區、城鎮和居民區、地質斷裂帶等區域，因此在設計輸電線路時應沿著地勢緩沖區邊緣走線。以國內500 kV單回路統計數據為標準，工程建設的超高壓與特高壓電網總長為2 198 km，占用的稀缺土地資源總面積為7 623.80 km2，砍伐的樹木約為133 400 km2，投入資金在66億元以上。由于在輸電線路施工時，每多繞路1 km，所增加的成本大約為300萬元，因此需盡量縮短輸電線路，在保證功能不受限的基礎上節約投入資金。本文主要應用GIS系統來展開對該工程輸電線路的優化設計。

2 設計方法

2.1 GIS的應用

2.1.1 基本要素

GIS是一種利用計算機處理并分析空間數據的地理信息系統，可以通過抽象的點線面數據描述地物空間的差異化特征，具體包括基本空間數據、屬性數據等。GIS主要是將收集的地形圖、地圖、專題圖和遙感影像等圖像轉化為可供計算機識別的形式，然后利用功能模塊進行分析、處理、組織和輸出，并將其存放在空間數據庫中，以便于后續的查詢與分析決策。在輸電線路設計中應用GIS系統可以實現空間檢索、網絡與緩沖區分析、疊置分析、重分類、重采樣和地圖代數等功能［1］。其中網絡分析是線路優化的重要前提，可以對線路連通性、最佳路徑、資源分配進行綜合分析，根據設定的標準進行調節，保證路徑的時間、距離、成本、利用效率、資源流動性等參數達到最佳狀態。這種分析方式的運行基礎為計算機圖論和運籌學，利用記錄的各類拓撲屬性保證計算的準確性。

2.1.2 開發工具

ArcGIS是融合了定制、開發、拓展等功能的開放平臺，囊括了GIS、數據庫、軟件工程、人工智能等多項計算機技術，可以快速調用所需數據，通過拖拽法來對比分析設計方案。該平臺的主要產品包括桌面GIS、嵌入式GIS、服務器GIS和移動GIS，具有數據編輯、設計和管理等功能［2］。電力GIS網絡的最佳模式為Client/Server與Internet的混合應用模式，以瀏覽器作為客戶端、Web服務器為服務端，基于TCP/IP通信協議完成信息的交換。ArcGIS Engine的主要組件包括基礎服務、數據接口、地圖編輯、擴展應用，其中擴展應用為三維與空間分析、智能標注、數據互操作、邏輯示意圖、跟蹤與地理統計分析。

2.2 算法分析

2.2.1 層次分析法

在進行線路優化時需要應用層次分析法，建立環境因素的遞階層次模型，以便于量化各影響因子的具體影響程度，呈現系統化、結構化等特征。利用數學分析為復雜決策問題的求解提供簡便途徑，適用于兼具定性與定量分析的決策情況。層次分析的整體流程為建立影響因素的層次結構-形成判斷矩陣-校驗判斷矩陣的一致性-求解判斷矩陣的權重向量-計算綜合權重［3］，利用GIS系統得到的輸電線路建設難度體系下各環境因素對目標層的權重值如表1所示。在實際應用中，為了降低主觀判斷的不準確性，需要在層次分析的基礎上使用間數來量化比較因素之間的重要性，并在區間綜合權重求解后進行歸一化處理。

2.2.2 蟻群算法

蟻群算法以自然界中螞蟻覓食的過程作為判斷線路的選擇標準，用于解決單源最短路徑問題。利用蟻群算法建立路徑規劃二維模型時包括解的表示、節點選擇、信息素更新等內容，其中信息素更新是屬性節點的一種改變機制，在明確分類規則后，迭代節點時要根據分類規則進行更新，具體可以參照式（1）進行計算，處理好屬性間的相關作用。

τi.j=（1-p）τi.j+pΔτi.j（1）

其中，Δτi.j=1L*，L*為最佳路徑長度，m；p為［0，1］區間的隨機數；τi.j為信息素數值。

利用蟻群算法建立路徑規劃三維模型時，模型信息囊括了三維空間的抽象建模、算法流程圖、信息素更新、可視搜索空間、蟻群搜索策略等。將待規劃的三維地圖的一個頂點作為三維空間的坐標原點A，并以此為依據建立空間三維直角坐標系［4］，具體如圖1所示。圖1中AB方向對應坐標系x軸，AA′方向對應坐標系y軸，AD方向對應坐標系z軸，利用等分法獲取網格節點值，沿AB方向將整個空間進行等距離劃分，可以得到n+1個空間上連續的平面Π。再沿AD邊進行m等分分割，最后沿邊AA′進行等分分割。

圖1 三維路徑規劃空間

2.3 設計要求

確定輸電路徑要綜合考慮各項因素，一是要滿足電氣行業與所在地的總體發展規劃，實行有針對性的區域決策，保證線路開發的合理性與秩序性；二是盡量降低線路走廊保護區面積，選擇新型技術與材料；三是減少輸電線路的轉角次數和角度，控制線路曲折的頻率；四是控制好線路長度，避開線路危險系數高的運行區域；五是遇到無法避開的重要位置時，選擇影響最小的地方設置線路，降低相關損失。由于線路設置范圍較廣，需要經過部分特殊區域，應當采取合適的施工技術保證工程質量。比如途經海拔高、地形復雜的區域時要避開不穩定斜坡或高差較大區域，跨越河流時選擇河道狹窄且河床穩定區域，禁止設置在碼頭或河口區域，并做好河道的實時觀測工作。轉角點要安置在地質情況較好的平坦地塊。

2.4 評價指標

建設輸電線路會涉及環境敏感區問題，包括特殊保護區、生態脆弱區和人口稠密區。根據敏感區性質、功能、保護對象和發展現狀的差異性，電網建設對周圍環境產生的負面影響也有所不同，具體表現在土壤流失、土層板結、降低生物量等方面。該工程的影響因子主要包括成本因子與避讓因子，成本因子有土地利用、地形地貌、交通運輸、覆冰條件、地震烈度等。避讓因子有居民區、飲用水源地、地質災害點、自然保護區等。利用5級標準量化各個指標，為判斷對輸電線路的影響程度提供明確依據。該工程在優化設計時需要避開重冰區域，并構建相應的緩沖區。最后的成本評價指標可參考式（2）。

CR=P1X1+P2X2+P3X3+P4X4+P5X5+P6X6（2）

其中，CR為成本評價數值；Xn為各評價指標，%；Pn為各指標所占權重值，其中X1+X2+X3+X4+X5+X6=1。

3 設計方案

3.1 路徑模擬

3.1.1 評價權重

以國家測繪總局提供的等高線、高程點、行政區劃等基礎地理信息作為GIS系統的計算依據，在預處理時應完成校正柵格數據、圖紙矢量化、檢查屬性和空間位置等工作，按要求采用“西安80”橢球參數，投影則采用Albers雙標準緯線等面積圓錐投影。然后根據層次分析法構建評價模型和比較判斷矩陣，并比較同一層次的影響因素，確認權重值，其指標如表2所示，最后計算出各影響因子的權重值，其中地形地貌為0.245 9，土地利用為0.310 7，交通運輸為0.171 6，地震烈度為0.071 8，污穢等級為0.086 9，覆冰條件為0.113 0。

3.1.2 模型單元

該工程的線路總長約為148 000 m，沿線建設325座桿塔，其中有18座大跨度檔距桿塔，96座500～1 000 m區間檔距桿塔，檔距平均值為455.12 m。通過ArcGIS空間分析重采樣工具將綜合成本柵格敏感區避讓圖重采樣成500 m×500 m、1 000 m×1 000 m分辨率的成本柵格，利用蟻群算法模擬選線結果。綜合考慮x與y軸的兩點間路徑長度，如果選擇點超過設置的預制，則要采用輪盤賭方法選擇其他位置。在實驗區面積為21 km×21 km的方位內，蟻群算法會將最低點海拔作為起算0點，再依次得到其他節點，三維路徑規劃的起點坐標為（1，8，600），終點為（21，4，1 000），設置的總迭代次數為400次。通過上述方式對工程區域進行二值化處理，最終得到二維化與三維化的模擬選線結果。

3.2 路徑分析

二維算法模擬選線結果有2個方案，長度分別為125.814 km、126.352 km，三維算法模擬選線結果則分別為164.170 km、163.320 km。實際采集的真實長度為147.904 km，二維算法的誤差率為14.94%和14.57%，三維算法的誤差率為10.99%、10.42%。可以看出三維算法的誤差率更低，原因是二維算法在模擬過程中跨越了敏感區，但是沒有減少線路長度。三維算法中有少量不合理走線區域，但與已建設線路相比有顯著改善，規劃路徑長度的變化幅度也較為明顯。2種算法都可以為輸電線路的優化設計提供參考信息，實用性較強。上述的選線優化設計方案能夠避讓敏感區，保證電力建設與生態環境和諧共存，減少了不確定因素的干擾，提高了路徑設計的可信度，可以應用在施工招投標環節中。設計后的線路基于最短原則縮短了線路長度，有效減少了土地的占用面積，與城市用地規劃目標達成一致，同時能夠節省工程成本，并提前投入使用，通過電網基建的建設為當地發展提供基本的電力資源，有效促進當地的經濟發展。

4 結語

基于GIS地理信息技術可以利用相關數據建立二維與三維的數字地面模型，直觀地展示輸電線路的方案圖，為規劃設計及選擇最佳路徑提供全方位技術支持。在處理線位整體情況時，克服了勘測過程中受到的一些條件限制。GIS系統在應用時需遵照要求對線路方案進行合理評價，不僅要詳細分析其經濟效應與社會效應，還要考慮到環境影響評價，保證在允許范圍內提高生產力布局與資源配置的科學性。

參考文獻

［1］周慧明，張曉春，章洪良，等.基于微服務的二三維一體化電力GIS平臺設計［J］.制造業自動化，2022（7）：131-134.

［2］盛金馬，劉軍，謝楓，等.基于雙向動態規劃的輸電線路智能選線方法［J］.控制工程，2022（3）：515-521.

［3］齊霞，王綿斌，葉慧男，等.GIS技術在電網技改工程造價管控分析中的應用［J］.能源與環保，2021（11）：206-214.

［4］馮衛剛.基于GIS的測繪信息管理系統設計［J］.粘接，2021（7）：145-148，175.

（編輯 王雪芬編輯）

Study on the optimal design of the transmission line based on GIS

Chen? Xu

（Fujian Bodian Engineering Design Co.， Ltd.， Fuzhou 350003， China）

Abstract：? In order to meet the demand of industry and agriculture in various regions， the number of electric power projects is gradually increasing. Taking a substation project as an example， this paper analyzes the method of transmission line optimization design， mainly based on GIS application， algorithm analysis， design requirements and program indicators， and simulates two-dimensional and three-dimensional transmission line diagrams by using parameters such as the weight value of correlation factors. After comparison and summary， the practical application benefits of the optimal scheme are pointed out， so as to ensure the correctness of the optimization design direction， in order to provide effective reference for similar projects.

Key words： transmission line selection; hierarchical analysis; GIS system; design