基于GIS的電力最優(yōu)線網模型研究

以成都市中心城區(qū)110 kV和220 kV綜合輸電線網設計為例，構建基于GIS的多因子綜合最優(yōu)路徑模型。首先，對影響城市輸電線路路徑選擇的各項影響因素進行數(shù)據(jù)圖層化，然后采用專家評分、層次分析法，量化和整合各類因素的路徑通過成本權重，利用GIS反復迭代優(yōu)化得到最適合該規(guī)劃區(qū)域的電力最優(yōu)線網模型，該模型是綜合電力最優(yōu)線網生成的核心基礎。

電力線網; GIS模型; 網絡分析; 最優(yōu)路徑

TU994A

市政工程市政工程

［定稿日期］2022-12-02

［作者簡介］吳長江（1991—），男，碩士，工程師， 研究方向為城鄉(xiāng)規(guī)劃信息化應用。

0" 引言

高壓電力輸送通道是城市重要的基礎設施，在保障城市生產、生活能源供應中處于重要地位。城市高壓電力線路的路徑選擇，要結合規(guī)劃區(qū)域的用地布局、道路分布、投資成本、建設施工等影響因素來綜合判斷，越來越復雜的城市地理環(huán)境給設計工作帶來極大的不確定性［1-2］。近年來，隨著城市規(guī)劃過程更加科學，輸電線路選擇的要求也在不斷提高，不僅要考慮建設費用和投資成本，還要顧及施工難度和線網與周邊環(huán)境的協(xié)調［3］。傳統(tǒng)的輸電線路路徑規(guī)劃工作主要憑借設計人員的豐富經驗，這種設計方式無法滿足像成都這種超大體量城市的科學用電供需平衡，而且人工設計難以兼顧大量各種類型的約束要素，也就很難保證整體線網的經濟性和科學性［4］。因此，通過信息技術手段實現(xiàn)輸電線網的綜合選線，是城市輸電線路設計的必然選擇。本文以成都市中心城區(qū)電力線網規(guī)劃為例，探索利用GIS技術搭建城市綜合電力線網最優(yōu)路徑模型，提高規(guī)劃編制的科學性。

1" 模型原理及技術路線

1.1" 最短路徑原理

成本距離工具用于計算各像元到成本面上指定的源位置處的最小累積成本，該算法應用在圖論中使用的結點/連接線像元制圖表達［5］。在結點/連接線制圖表達中，各像元的中心被視為結點，并且各結點通過多條連接線與其相鄰結點連接，每條連接線都帶有關聯(lián)的阻抗。阻抗是根據(jù)與連接線各端點上的像元相關聯(lián)的成本（從成本表面），和在像元中的移動方向確定的，分配給各像元的成本表示在像元中移動每單位距離所需的成本［6］。每個像元的最終值由像元大小乘以成本值求得，為每個像元計算與最近源之間的最小累積成本距離，同時考慮表面距離以及水平和垂直成本因素［7］。

1.2" 技術路線

本文研究的電力線網最短路徑模型以潮流模擬構建的網架為基礎，同時將站址和通道的優(yōu)選順序納入考慮，構建選址模型，模擬綜合效應最佳的站址和電力通道布局。通過梳理現(xiàn)狀通道存量、提取既有規(guī)劃通道、確定新增通道可選用地、明確優(yōu)選通道順序等方面評估，確定優(yōu)選通道分布。

首先，將城市內不同空間要素賦值不同成本，作為選擇最優(yōu)路徑的基礎數(shù)據(jù)；其次，基于ArcGIS網絡分析模型采用python構建可視化模型，在兼顧用地優(yōu)先級、通道優(yōu)先級的前提下迭代生成變電站之間的最短路徑；最后，檢查生成結果，計算每段通道的利用情況，抽樣校驗調整部分電力通道，使規(guī)劃后的每條電力通道得到較均等、合理的利用，并根據(jù)選取的電力通道，選擇與之匹配的站址，從而確定最優(yōu)布局。

電力最優(yōu)路徑構建原則包括經濟節(jié)約性、實施可行性和調整難度等，綜合確定優(yōu)選通道?；谏鲜鲈瓌t可初步確定選線順序：現(xiàn)狀可利用電力通道——在建電力通道——已規(guī)劃電力通道——綜合管廊——防護綠地——生態(tài)用地，來綜合確定電力線網走向。在構建柵格成本時，如何確定不同類型的成本權重是需要解決的難題之一，如果各因子成本權重差距過大，會導致最優(yōu)路徑過于繞路，一方面會增加線路經濟成本，另一方面也會增加實際運營管理難度。為了使模型達到預期的最優(yōu)路徑，采用迭代更新參數(shù)模型，擬定模型流程如圖1所示。該模型主要包括幾點關鍵技術：

（1） 構建線網起點-終點OD點對。

（2）確定各因子的成本權重，構建成本柵格。

（3） 初步搭建以GIS成本距離分析為基礎的電力線網最優(yōu)路徑模型。

（4） 通過局部尺度優(yōu)化技術提升迭代計算效率。

（5） 對輸出的線網進行通道效率計算及線網超容量分析，對局部線網進行迭代優(yōu)化，直至整體線網均滿足預設約束要求。

1.3" 核心優(yōu)化技術

在初版模型中，由于最優(yōu)路徑計算量較大，運行效率較低，通過路徑算法尺度優(yōu)化技術將單次運行效率從10 h縮短至2 h內，且不受局部的優(yōu)化路徑長短限制；該技術通過在每次迭代中裁剪出該OD點對的潛在路徑區(qū)域，縮小計算區(qū)域大小，減少無用數(shù)據(jù)參與運算，進而大幅提高計算效率［8，9］。具體原理如圖2所示（裁剪對應的OD點對的潛在區(qū)域（a）; 對應的路徑成本方向分布（b）；對應的累計路徑成本分布（c）；對應的OD最優(yōu)路徑（d））。

2" 模型實現(xiàn)

2.1" 構建綜合路徑成本柵格

首先，收集現(xiàn)狀可利用電力通道、在建電力通道、已規(guī)劃電力通道、綜合管廊、防護綠地、生態(tài)用地等矢量地理數(shù)據(jù)，根據(jù)電力線網走向規(guī)則，給予這些地理要素不同的成本權重賦值（表1）；然后，利用ArcGIS建模對其柵格化并疊加處理成綜合成本柵格 （圖3）。

2.2" 線網模型實現(xiàn)

根據(jù)預定的技術路線和關鍵設計方法，通過ArcGIS構建模型，通過將該模型應用于成都市電力線網優(yōu)化中，自動生成區(qū)域整體最優(yōu)線網（圖4）。通過對該線網初步核查，除了邊緣地區(qū)、零星的節(jié)點等區(qū)域出現(xiàn)線網容量超限、繞路等問題，線網整體分布合理，達到預計設計效果。

市政工程吳長江， 張誠， 崔銘： 基于GIS的電力最優(yōu)線網模型研究

2.3" 結果驗證及優(yōu)化

為了驗證模型及修正優(yōu)化，針對線網較密、走向復雜的區(qū)域，通過設立抽樣檢測點位進行人工輔助驗證。在實際規(guī)劃中，為了保證高壓線網的安全運行，每個通道都設置了最大容納線網數(shù)。利用線路超限容量檢測可視化分析每條線網的線路容量數(shù)見圖5（a），并檢測出需要整體優(yōu)化調整的電力通道區(qū)域見圖5（b）；利用上述分析結果輔助調整局部的柵格成本權重，對路徑結果進行迭代優(yōu)化，直到所有的線網均滿足預設要求。最后，可視化顯示綜合最優(yōu)電力線網的電力通道容量分布情況見圖5（c），在一些共用主要電力通道方向，其容量飽和度較高，不僅節(jié)約用地，還可以減少對周邊居民的影響，降低后期電力線網集中運營維護費用。

3" 展望

本研究依托成都市電力線網規(guī)劃項目，通過GIS構建了一套具有普適性的最優(yōu)線網模型，該模型不僅考慮了選線的局部影響因素，并從區(qū)域全局出發(fā)，以線網整體的投資成本和全域的建設施工影響為約束條件，綜合考慮線網的合理性和可行性，并為以后的規(guī)劃設計預留了容量通道，在后續(xù)類似規(guī)劃研究中，可以結合更多的影響因素，改進、優(yōu)化該模型。

參考文獻

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