（上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 200120）

0 引 言

電力行業(yè)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活密切相關(guān)，合理的電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)是電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證。隨著智能電網(wǎng)和城市建設(shè)步伐的推進(jìn)，我國(guó)電網(wǎng)規(guī)劃過(guò)程開(kāi)始引進(jìn)地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System, GIS）[1]。

GIS技術(shù)與電網(wǎng)規(guī)劃工作有機(jī)結(jié)合可以有效提高原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、規(guī)劃過(guò)程的高效性和結(jié)果顯示的實(shí)用性。目前GIS在電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用主要集中在空間負(fù)荷預(yù)測(cè)、變電站的選址定容和輸電線路的路徑優(yōu)化與選擇等方面；負(fù)荷預(yù)測(cè)是電網(wǎng)規(guī)劃工作的基礎(chǔ)，由于大量移動(dòng)充電的電動(dòng)汽車(chē)和分布式電源的接入，使得電網(wǎng)負(fù)荷變化的隨機(jī)性越來(lái)越大，依托GIS中的電網(wǎng)信息和地理空間屬性信息進(jìn)行空間負(fù)荷預(yù)，是提高空間負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的有力手段[2]。在空間負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)各區(qū)域的負(fù)荷信息及空間地理信息，GIS系統(tǒng)可以對(duì)變電站的位置進(jìn)行優(yōu)化；同時(shí)依托GIS平臺(tái)結(jié)合各類(lèi)優(yōu)化算法為電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和輸電線路的路徑優(yōu)化選擇提供了可視化表達(dá)平臺(tái)。

本文針對(duì)GIS技術(shù)在電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用進(jìn)行研究，從GIS在電網(wǎng)空間負(fù)荷預(yù)測(cè)、變電站定容選址和輸電線路的路徑選擇與優(yōu)化三個(gè)方面進(jìn)行梳理歸納，并在文末提出未來(lái)研究方向的展望。

1 GIS技術(shù)在電網(wǎng)規(guī)劃中的優(yōu)勢(shì)

GIS技術(shù)以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，以具備地理屬性的空間數(shù)據(jù)為研究核心，將對(duì)象的屬性與空間位置相結(jié)合，為空間決策提供支持。GIS擁有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理查詢與空間分析功能，可以有機(jī)結(jié)合多個(gè)學(xué)科，是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化、空間化的平臺(tái)[3]。

地理信息系統(tǒng)與電網(wǎng)規(guī)劃的有機(jī)結(jié)合，為電網(wǎng)規(guī)劃的空間決策提供技術(shù)支持和可視化表達(dá)。GIS技術(shù)作為近年來(lái)迅速發(fā)展的一門(mén)新型信息技術(shù)，在電網(wǎng)規(guī)劃中具有以下特點(diǎn)：

（1）GIS技術(shù)具有數(shù)據(jù)采集管理與存儲(chǔ)功能，可結(jié)合地理、電力、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域?yàn)殡娋W(wǎng)規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)規(guī)劃與城市規(guī)劃及地理環(huán)境變化協(xié)調(diào)一致，特別是面對(duì)復(fù)雜的氣象災(zāi)害時(shí)，可以實(shí)時(shí)掌握氣象與電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，有助于管理人員實(shí)時(shí)掌握電網(wǎng)運(yùn)行情況，做出判斷。

（2）GIS技術(shù)擁有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)查詢與空間分析能力，面對(duì)復(fù)雜的電網(wǎng)架構(gòu)，可完成電網(wǎng)的空間定位及動(dòng)態(tài)分析，為前期電網(wǎng)規(guī)劃提供決策支持，有利于科學(xué)管理空間能量分布，提高規(guī)劃效率。

（3）GIS技術(shù)可以為電網(wǎng)規(guī)劃工作提供友好的可視化界面并提供各種應(yīng)用，協(xié)助人工進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)劃工作，對(duì)具有空間屬性的電力設(shè)備空間分布圖進(jìn)行繪制，協(xié)助維修人員進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)，提供工作效率和質(zhì)量。

2 GIS技術(shù)在電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用

2.1 空間負(fù)荷預(yù)測(cè)

空間負(fù)荷預(yù)測(cè)是指對(duì)供電區(qū)域內(nèi)負(fù)荷大小及其位置分布的預(yù)測(cè)?？臻g負(fù)荷預(yù)測(cè)不僅可以預(yù)測(cè)負(fù)荷大小，還可以較為精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)負(fù)荷空間位置。因此空間負(fù)荷預(yù)測(cè)需要大量的空間數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)的空間負(fù)荷預(yù)測(cè)離不開(kāi)GIS技術(shù)的支持[4]。

GIS系統(tǒng)不僅可以為空間負(fù)荷預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)和平臺(tái)支持，其自身具備的強(qiáng)大運(yùn)算和可視化圖文對(duì)照功能，可以有效提高工作效率減輕工作量?；贕IS的空間負(fù)荷預(yù)測(cè)的基本原理如圖1所示。

圖1 基于GIS的空間負(fù)荷預(yù)測(cè)示意圖

數(shù)據(jù)的整合主要涉及相關(guān)空間信息的收集整合，涉及到區(qū)域內(nèi)的地理空間信息和電網(wǎng)信息，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。不同的待預(yù)測(cè)區(qū)對(duì)空間負(fù)荷預(yù)測(cè)的相關(guān)信息收集有所不同。如待預(yù)測(cè)區(qū)域?yàn)闊o(wú)歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)的新建小區(qū)或歷史區(qū)域嚴(yán)重匱乏區(qū)域時(shí)，考慮計(jì)及城市發(fā)展程度，整合待預(yù)測(cè)區(qū)域的市政規(guī)劃方案、業(yè)擴(kuò)報(bào)裝計(jì)劃及同類(lèi)型負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)[5]；對(duì)于有大量移動(dòng)充電的電動(dòng)汽車(chē)的接入的區(qū)域，可以通過(guò)收集電動(dòng)汽車(chē)的時(shí)空分布信息評(píng)估移動(dòng)充電設(shè)施對(duì)空間負(fù)荷可能造成的強(qiáng)烈空間變化影響[6]。

圖2 基于GIS的電力數(shù)據(jù)信息劃分

現(xiàn)有的空間負(fù)荷預(yù)測(cè)方法按照預(yù)測(cè)原理來(lái)分類(lèi)，大致可分為多變量法、用地仿真法、趨勢(shì)外推法和負(fù)荷密度法[7]。多變量法對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量要求高、空間分辨率低，對(duì)于發(fā)展程度低、無(wú)法獲得原始數(shù)據(jù)的區(qū)域，很難使用此方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其研究較少。用地仿真法通過(guò)分析土地利用的空間信息及發(fā)展規(guī)律，對(duì)用地類(lèi)型的發(fā)展程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，此方法適用于用地規(guī)劃尚未確定的地區(qū)，對(duì)于城市規(guī)劃成熟，用地性質(zhì)成熟的區(qū)域并不適用[8]。趨勢(shì)外推法是一系列基于負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)外推負(fù)荷發(fā)展趨勢(shì)的方法的總稱。趨勢(shì)外推法因受負(fù)荷轉(zhuǎn)移、非平穩(wěn)增長(zhǎng)等不利情況的影響，在實(shí)際情況中應(yīng)用較少。負(fù)荷密度法通過(guò)將對(duì)待測(cè)區(qū)域元胞的負(fù)荷進(jìn)行分類(lèi)，通過(guò)預(yù)測(cè)分類(lèi)負(fù)荷密度及用地信息進(jìn)行空間負(fù)荷預(yù)測(cè)，因我國(guó)政府用地使用性質(zhì)明確，用地決策不再是突出問(wèn)題，分類(lèi)負(fù)荷密度受到廣泛關(guān)注，因此近年來(lái)基于負(fù)荷密度法的空間負(fù)荷預(yù)測(cè)相關(guān)研究得到廣泛應(yīng)用。肖白提出了一種基于秩次集對(duì)分析理論的空間負(fù)荷預(yù)測(cè)方法[9]，通過(guò)秩次原理預(yù)測(cè)Ⅰ類(lèi)元胞負(fù)荷預(yù)測(cè)值及分類(lèi)負(fù)荷密度，并結(jié)合用地信息進(jìn)行Ⅱ類(lèi)元胞負(fù)荷預(yù)測(cè)，進(jìn)而得到空間負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果。上述文獻(xiàn)采用秩次集對(duì)原理避免了主觀分類(lèi)帶來(lái)的不利影響。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于城市發(fā)展程度和分類(lèi)負(fù)荷密度飽和值的多階段空間負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，根據(jù)分類(lèi)負(fù)荷密度飽和值、近期空間負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果及城市建設(shè)信息進(jìn)行中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)，此方法對(duì)于發(fā)展程度低及新開(kāi)發(fā)區(qū)域提供了新的解決方案。

基于GIS系統(tǒng)的空間負(fù)荷預(yù)測(cè)可以協(xié)助空間負(fù)荷預(yù)測(cè)收集整理各類(lèi)資料、數(shù)據(jù)和信息，有效減少數(shù)據(jù)收集及分析處理任務(wù)量，且利用GIS功能可以將待預(yù)測(cè)區(qū)域按照功能劃分小區(qū)，有利于進(jìn)行分區(qū)分區(qū)負(fù)荷預(yù)測(cè)，提高空間負(fù)荷預(yù)測(cè)的工作質(zhì)量和效率。

2.2 選址定容

根據(jù)空間負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，在各區(qū)域負(fù)荷合理分配的基礎(chǔ)上，GIS系統(tǒng)可以對(duì)變電站的地理位置和電容量進(jìn)行優(yōu)化[10]。變電站作為電力輸送的中心環(huán)節(jié)，其選址選擇效果將在很大程度上決定輸電過(guò)程中的電能損耗及最終變電站投資運(yùn)營(yíng)的實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益。變電站選址涉及電力負(fù)荷、電網(wǎng)現(xiàn)狀、城市規(guī)劃、地形地質(zhì)條件等一系列影響因素。文獻(xiàn)[11]三維地理信息技術(shù)應(yīng)用于變電站選址工作中，通過(guò)構(gòu)建復(fù)雜真實(shí)的三維現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，使得復(fù)雜的變電站選址過(guò)程實(shí)現(xiàn)可視化，從而提高數(shù)據(jù)和資源的利用效率。文獻(xiàn)[12]提出了以GIS為可視化分析平臺(tái)，引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，建立變電站選址評(píng)估指標(biāo)模型，通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練得到合理的變電站地址。已有的關(guān)于變電站定容選址文獻(xiàn)鮮少考慮計(jì)及城市未來(lái)發(fā)展程度飽和度，城市未來(lái)發(fā)展程度飽和度對(duì)未來(lái)區(qū)域內(nèi)的電力負(fù)荷與潮流分布有顯著影響，進(jìn)而影響變電站電能損耗與經(jīng)濟(jì)效益，未來(lái)學(xué)者可以考慮將城市未來(lái)發(fā)展程度飽和度作為變電站選址的影響因素，特別是對(duì)于發(fā)展程度較低的區(qū)域。

在污染嚴(yán)重、能源緊缺的大背景下，風(fēng)力發(fā)電迅速發(fā)展。它們的接入將改變配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量、潮流和網(wǎng)損，因此確定合理的準(zhǔn)入容量和位置顯得尤為重要。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者將GIS技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址、風(fēng)能資源評(píng)估、及海上風(fēng)電選址[13]等風(fēng)電行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。隨著三維GIS的不斷發(fā)展，三維GIS被越來(lái)越多的應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)景可視化，文獻(xiàn)[14]將三維GIS與模糊層次分析法結(jié)合，作者根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)景，充分利用三維GIS的數(shù)據(jù)管理和空間分析能力并加入模糊層次分析模型對(duì)各站址進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電三維可視化選址。文獻(xiàn)[15-16]利用GIS空間分析方法，考慮生態(tài)人文氣象等多種限制因素利用層次分析法評(píng)估地區(qū)的風(fēng)能資源潛力。上述文獻(xiàn)關(guān)于GIS技術(shù)與升壓站選址結(jié)合的研究主要集中在宏觀選址，缺乏針對(duì)升壓站內(nèi)部結(jié)構(gòu)與設(shè)施對(duì)微觀選址的研究，GIS技術(shù)關(guān)于升壓站宏觀與微觀選址相結(jié)合的研究將是未來(lái)GIS在升壓站選址中的主要研究方向。

2.3 輸電線路路徑選擇與優(yōu)化

輸電線路的路徑規(guī)劃是一個(gè)涉及經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、工程等諸多因素的多目標(biāo)決策問(wèn)題[17]。面對(duì)電網(wǎng)龐大冗雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，GIS技術(shù)憑借其突出的數(shù)據(jù)管理和空間分析能力在路徑優(yōu)化問(wèn)題中應(yīng)用成果顯著?；贕IS的輸電線路路徑優(yōu)化流程如圖3所示。

圖3 基于GIS平臺(tái)的輸電線路路徑選擇示意圖

早期關(guān)于GIS技術(shù)在輸電線路的路徑規(guī)劃工作，主要集中在利用GIS的數(shù)據(jù)管理和可視化功能輔助人工設(shè)計(jì)，或優(yōu)化已有備選路徑[18]；近年來(lái)越來(lái)越多學(xué)者利用GIS與優(yōu)化算法結(jié)合實(shí)現(xiàn)基于GIS的自動(dòng)選線模型，實(shí)現(xiàn)輸電線路路徑的自動(dòng)選線與優(yōu)化。輸電線路穿越的地理環(huán)境復(fù)雜多樣，涉及優(yōu)化的影響因素眾多。文獻(xiàn)[19-20]結(jié)合GIS技術(shù)采集各類(lèi)地理影響因素，并采用層次分析法對(duì)各因素進(jìn)行定量分析，但層次分析法在量化各因素權(quán)值時(shí)需要專家評(píng)級(jí)具有一定主觀性。蘇海鋒等學(xué)者將人工智能算法與GIS結(jié)合，并不斷改進(jìn)算法搜索模型，實(shí)現(xiàn)輸電線路路徑的避障和跨越式搜索功能，但自動(dòng)選線模型均未實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能，需要量化各地理影響因素[21-23]。文獻(xiàn)[24]在地理環(huán)境因素基礎(chǔ)上，提出規(guī)劃雙層優(yōu)化模型，考慮線路最優(yōu)潮流計(jì)算，配合輸電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)，以直觀的表現(xiàn)形式提高規(guī)劃工作的準(zhǔn)確率和效率。上述文獻(xiàn)在輸電線路路徑規(guī)劃方面的研究均未考慮加入桿塔位置的選擇，而桿塔位置將直接影響后續(xù)輸電線路占地協(xié)調(diào)及安全距離，以及輸電線路拐角和耐張力水平[25]。因此在輸電線路路徑優(yōu)化過(guò)程中，可以考慮結(jié)合桿塔位置選擇，為輸電線路規(guī)劃提供更好的借鑒作用。

3 展 望

GIS技術(shù)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理查詢及空間分析功能，為電網(wǎng)規(guī)劃海量的數(shù)據(jù)管理和空間分析決策問(wèn)題提供了科學(xué)依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。本文就現(xiàn)有GIS技術(shù)的發(fā)展，提出以下幾點(diǎn)GIS技術(shù)在電網(wǎng)規(guī)劃中的發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 4D-GIS

不僅具有數(shù)據(jù)管理和空間分析功能，還可以顯示空間對(duì)象隨時(shí)間變化的信息，反應(yīng)對(duì)象隨時(shí)間演變的過(guò)程。將4D-GIS應(yīng)用于電網(wǎng)規(guī)劃工作中，可以存儲(chǔ)電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)工程的全生命周期信息，模擬空間負(fù)荷的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，有助于電網(wǎng)規(guī)劃工作的協(xié)同設(shè)計(jì)。

3.2 互聯(lián)網(wǎng)+WebGIS

將動(dòng)態(tài)、交互式的WebGIS與“互聯(lián)網(wǎng)+”相結(jié)合，應(yīng)用于電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的廣泛訪問(wèn)性和打造全自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作平臺(tái)[26]，以達(dá)到數(shù)據(jù)共享服務(wù)的目的，真正實(shí)現(xiàn)集數(shù)據(jù)收集處理、空間分析到服務(wù)的電網(wǎng)規(guī)劃一體化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

3.3 BIM+GIS

BIM在建筑和土木工程等專業(yè)已得到廣泛的應(yīng)用，其主要通過(guò)數(shù)字信息仿真技術(shù)來(lái)模擬建筑物的真實(shí)信息[27]。將GIS與BIM相結(jié)合應(yīng)用于電網(wǎng)規(guī)劃工作，可以實(shí)現(xiàn)全方位立體化的電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，提高工作效率和精度，推動(dòng)電網(wǎng)規(guī)劃工作現(xiàn)代信息化的實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

電網(wǎng)規(guī)劃工作與GIS技術(shù)的結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)規(guī)劃工作高效性、科學(xué)性和實(shí)用性的重要手段，并且可以在電網(wǎng)規(guī)劃階段充分考慮不同的氣象災(zāi)害的時(shí)空分布，從而提升電網(wǎng)針對(duì)氣象災(zāi)害的遠(yuǎn)期防御水平。

本文針對(duì)GIS在電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用，從空間負(fù)荷預(yù)測(cè)、變電站選址定容、線路路徑的選擇與優(yōu)化三個(gè)方面進(jìn)行梳理，并對(duì)未來(lái)GIS技術(shù)在電網(wǎng)規(guī)劃工作中的應(yīng)用進(jìn)行了展望，以期對(duì)今后關(guān)于GIS電網(wǎng)規(guī)劃工作給予一定參考。