孫黎爽 國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司哈爾濱供電公司

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輸電網(wǎng)線路規(guī)劃的可視化實(shí)驗(yàn)

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【文章摘要】

【關(guān)鍵詞】

輸電網(wǎng)；線路規(guī)劃；可視化實(shí)驗(yàn)

1.輸電網(wǎng)線路規(guī)劃的可視化試驗(yàn)原理

1.1表面活性劑溶液

輸電網(wǎng)線路規(guī)劃可視化試驗(yàn)所使用的裝置靈感來源于日常所見的肥皂泡。肥皂液是典型的表面活性劑溶液，只要條件允許就會(huì)就會(huì)形成泡沫，而泡沫只是球形，而不是其他形狀，這一問題一直廣受關(guān)注。這是因?yàn)橐后w或液體膜在表面張力的影響下，處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，表面積基本上最小，而與其他形狀相比，球形的表面積最小，這是液體基本的物理特性。此次所進(jìn)行的可視化試驗(yàn)利用的正式這一原理。

1.2普拉圖通則

有關(guān)于泡泡幾何形狀的問題，早期100多年前，科學(xué)家普拉圖就提出了自己的看法，并將看法總結(jié)成了幾點(diǎn)通則：第一，若泡泡附著在鐵絲框上或者是其他種類的密閉性比較強(qiáng)的封閉結(jié)構(gòu)中，這所產(chǎn)生的泡膜則非常平滑；第二，泡膜彼此之間連接方式只有2種，如是3個(gè)平面就其連接方式就是沿著平滑曲線，而若是6個(gè)平面則其連接方式就是頂點(diǎn)連接；第三，若泡膜彼此之間是同一曲線相接或者是連接處為頂點(diǎn)，則兩個(gè)連接泡膜之間的面面夾角相同，若是3個(gè)面相接，則夾角就是120°，而6個(gè)面相接夾角則是109°左右。上述三點(diǎn)認(rèn)知所遵循的共同的原理就是泡膜表面積最小，正是因?yàn)槿绱耍壳敖^大多數(shù)與肥皂膜幾何有關(guān)的問題，專家學(xué)者都會(huì)采用普拉圖通則。

1.3最小Steiner樹

最小Steiner樹具備如下方面的特點(diǎn)：第一，最小Steiner樹上無論是哪兩條鄰接邊夾角都會(huì)超過120°；最小Steiner樹上任何一個(gè)頂點(diǎn)的關(guān)聯(lián)邊不多于3條；和Steiner虛設(shè)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的邊必定為3條，且3條邊所成夾角均為120°；最小Steiner樹G的m個(gè)Steiner虛設(shè)點(diǎn)與n個(gè)固定點(diǎn)滿足關(guān)系式m≤n-2；若由N點(diǎn)系統(tǒng)圍成凸包區(qū)域，則Steiner虛設(shè)點(diǎn)必定都包含在凸包之內(nèi)；當(dāng)某邊的權(quán)較大時(shí)，Steiner虛設(shè)點(diǎn)向權(quán)值較大的邊偏移。

由費(fèi)馬點(diǎn)演變而得到的Steiner樹問題是組合優(yōu)化數(shù)學(xué)中的一個(gè)非線性規(guī)劃難題。若能求解出連通給定節(jié)點(diǎn)的最小Steiner樹，即可得到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的最優(yōu)方案。但如何確定Steiner虛設(shè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)與位置，在連通給定節(jié)點(diǎn)和Steiner虛設(shè)點(diǎn)的若干方案中，如何確定哪條是最短的，卻是求解的難題。我們所設(shè)計(jì)的可視化實(shí)驗(yàn)裝置，利用液體泡膜的普拉圖幾何規(guī)則和最小Steiner樹的性質(zhì)相符合的原理，給出一個(gè)直觀可視的最小Steiner樹的求解過程。

2.輸電網(wǎng)線路規(guī)劃的可視化試驗(yàn)步驟

依據(jù)上述原理，筆者設(shè)計(jì)了此次實(shí)驗(yàn)的裝置，而后再結(jié)合物理性質(zhì)對(duì)可視化方案進(jìn)行優(yōu)化，以此保證方案路徑最短。這對(duì)解決電網(wǎng)規(guī)劃問題有著積極的作用。裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1　裝置結(jié)構(gòu)示意圖

利用該裝置進(jìn)行試驗(yàn)，具體步驟如下。

第一，配制實(shí)驗(yàn)過程中需要的溶液，而后調(diào)整水平儀，保證準(zhǔn)確，不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重誤差；第二，實(shí)驗(yàn)人員將輸電網(wǎng)插入到水槽下存在的空隙中，按照預(yù)先選定的節(jié)點(diǎn)，將磁鋼柱依照相應(yīng)的位置都排放在活動(dòng)蓋板上，所選位置與圖紙上既定的節(jié)點(diǎn)要相一致，而后抽出蓋板；第三，將第一步已經(jīng)配制好的溶液放置到水槽中，這期間會(huì)產(chǎn)生泡沫，實(shí)驗(yàn)人員要盡可能的清理干凈，必須保證磁鋼柱與預(yù)先選定的節(jié)點(diǎn)完全吻合，同時(shí)注意溶液需要超過蓋板；第四，實(shí)驗(yàn)人員將排水開關(guān)完全打開，使溶液能夠順利的排出，溶液排出期間，在封閉地帶就會(huì)形成液體膜，而這一液體膜所形成的軌跡就是最小Steiner樹，待到液體膜處于穩(wěn)定狀態(tài)后，將給定點(diǎn)坐標(biāo)讀取出來，并找到Steiner虛設(shè)點(diǎn)坐標(biāo)，為保證準(zhǔn)確、方便，實(shí)驗(yàn)人員可以使用數(shù)碼相機(jī)將坐標(biāo)結(jié)果拍下來，注意將圖片整理出來；第五，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，清理所有物品；第六，整理資料，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄下來，明確Steiner的具體坐標(biāo)以及Steiner樹的長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度就是最短路徑。

3.輸電網(wǎng)線路規(guī)劃的可視化試驗(yàn)應(yīng)用實(shí)例

3.1實(shí)例

某電網(wǎng)雙線都是500kV線路，這些線路還沒有整體連通。此次所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)主要目標(biāo)是優(yōu)化原本已經(jīng)開通的局部主干網(wǎng)，優(yōu)化之后再與原線路進(jìn)行比較分析。

3.2整體優(yōu)化案例

某電網(wǎng)為滿足北電南送的要求，按照電網(wǎng)建設(shè)需求，設(shè)計(jì)人員建議將4條線路節(jié)點(diǎn)連通使用，同時(shí)選擇兩個(gè)電廠融入到網(wǎng)絡(luò)中變成為整一條500kV線路，由此改造成為更高層次的線路。工作人員使用最短路徑可視化儀來進(jìn)行試驗(yàn)。完成優(yōu)化的方案中，最終生成了3個(gè)Steiner虛設(shè)點(diǎn)，分別將其稱之為S1、 S2、S3。結(jié)果標(biāo)明原有的線路長(zhǎng)度為697.87km，而優(yōu)化之后的線路是687.07km，總長(zhǎng)度縮短了10.8km，同樣節(jié)約了投資。

4.結(jié)語

綜上所述，可知運(yùn)用求解最短路徑的方法來進(jìn)行輸電網(wǎng)線路規(guī)劃，能夠改善原本的線路架設(shè)方案的缺陷問題。此次所進(jìn)行的研究，筆者采用了最短路徑可視化儀，并且將其運(yùn)用到了實(shí)際案例中，理論上講效果比較好，特別是某些局限線路，能夠大大縮短其長(zhǎng)度。輸電網(wǎng)線路縮短，能夠可以在很大程度上節(jié)約投資成本，縮短施工時(shí)間，同時(shí)還能夠降低損耗。而此次研究中所使用的方法，恰好能夠?qū)崿F(xiàn)上述目標(biāo)，若能夠?qū)⒋朔椒ㄍ茝V使用，相信對(duì)我國未來的輸電網(wǎng)線路規(guī)劃事業(yè)的發(fā)展定會(huì)有很大幫助。

【參考文獻(xiàn)】

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輸電網(wǎng)線路規(guī)劃的要點(diǎn)內(nèi)容就是保證線路長(zhǎng)度最短，由此節(jié)約投資。本文主要對(duì)輸電網(wǎng)線路規(guī)劃的可視化試驗(yàn)原理進(jìn)行了介紹，而后對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行探究，最終以某供電線路電網(wǎng)為例，對(duì)其進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)，希望能夠?yàn)橥袠I(yè)人士提供借鑒。