陳旭

摘要：為滿足各地區(qū)工業(yè)與農(nóng)業(yè)在用電方面的需求，電力工程建設(shè)數(shù)量在逐漸增加。以某變電站工程建設(shè)為例，文章分析了輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，主要以GIS系統(tǒng)、算法分析、設(shè)計(jì)要求和方案指標(biāo)為基礎(chǔ)，并運(yùn)用相關(guān)因數(shù)的權(quán)重值等參數(shù)模擬出二維與三維輸電線路圖，在對(duì)比總結(jié)后指出了最優(yōu)方案的實(shí)際應(yīng)用效益，從而保證優(yōu)化設(shè)計(jì)方向的正確性，以期為類似工程建設(shè)提供有效參考。

關(guān)鍵詞：輸電線路選擇；層次分析法；GIS系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP311.1? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

輸電線路是一種公共基礎(chǔ)設(shè)施，主要任務(wù)是傳輸電能，為民眾提供電力保障。在對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合空間性、層次性、政策性和綜合性等原則進(jìn)行全面考慮，保證設(shè)計(jì)的輸電路徑為最佳方案，同時(shí)能夠滿足區(qū)域的整體發(fā)展規(guī)劃，盡量降低造價(jià)成本，要求不得損害周圍的生態(tài)環(huán)境，并保證輸電工程建設(shè)的可行性。本文主要基于GIS地理信息系統(tǒng)完成對(duì)輸電線路的智能化設(shè)計(jì)。

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(guó)道、礦區(qū)、高速公路和內(nèi)湖，中間需要繞過自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、水源保護(hù)區(qū)、城鎮(zhèn)和居民區(qū)、地質(zhì)斷裂帶等區(qū)域，因此在設(shè)計(jì)輸電線路時(shí)應(yīng)沿著地勢(shì)緩沖區(qū)邊緣走線。以國(guó)內(nèi)500 kV單回路統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，工程建設(shè)的超高壓與特高壓電網(wǎng)總長(zhǎng)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(shí)，每多繞路1 km，所增加的成本大約為300萬(wàn)元，因此需盡量縮短輸電線路，在保證功能不受限的基礎(chǔ)上節(jié)約投入資金。本文主要應(yīng)用GIS系統(tǒng)來(lái)展開對(duì)該工程輸電線路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 GIS的應(yīng)用

2.1.1 基本要素

GIS是一種利用計(jì)算機(jī)處理并分析空間數(shù)據(jù)的地理信息系統(tǒng)，可以通過抽象的點(diǎn)線面數(shù)據(jù)描述地物空間的差異化特征，具體包括基本空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)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(zhuǎn)化為可供計(jì)算機(jī)識(shí)別的形式，然后利用功能模塊進(jìn)行分析、處理、組織和輸出，并將其存放在空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便于后續(xù)的查詢與分析決策。在輸電線路設(shè)計(jì)中應(yīng)用GIS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)空間檢索、網(wǎng)絡(luò)與緩沖區(qū)分析、疊置分析、重分類、重采樣和地圖代數(shù)等功能［1］。其中網(wǎng)絡(luò)分析是線路優(yōu)化的重要前提，可以對(duì)線路連通性、最佳路徑、資源分配進(jìn)行綜合分析，根據(jù)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證路徑的時(shí)間、距離、成本、利用效率、資源流動(dòng)性等參數(shù)達(dá)到最佳狀態(tài)。這種分析方式的運(yùn)行基礎(chǔ)為計(jì)算機(jī)圖論和運(yùn)籌學(xué)，利用記錄的各類拓?fù)鋵傩员ＷC計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2.1.2 開發(fā)工具

ArcGIS是融合了定制、開發(fā)、拓展等功能的開放平臺(tái)，囊括了GIS、數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件工程、人工智能等多項(xiàng)計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以快速調(diào)用所需數(shù)據(jù)，通過拖拽法來(lái)對(duì)比分析設(shè)計(jì)方案。該平臺(tái)的主要產(chǎn)品包括桌面GIS、嵌入式GIS、服務(wù)器GIS和移動(dòng)GIS，具有數(shù)據(jù)編輯、設(shè)計(jì)和管理等功能［2］。電力GIS網(wǎng)絡(luò)的最佳模式為Client/Server與Internet的混合應(yīng)用模式，以瀏覽器作為客戶端、Web服務(wù)器為服務(wù)端，基于TCP/IP通信協(xié)議完成信息的交換。ArcGIS Engine的主要組件包括基礎(chǔ)服務(wù)、數(shù)據(jù)接口、地圖編輯、擴(kuò)展應(yīng)用，其中擴(kuò)展應(yīng)用為三維與空間分析、智能標(biāo)注、數(shù)據(jù)互操作、邏輯示意圖、跟蹤與地理統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 算法分析

2.2.1 層次分析法

在進(jìn)行線路優(yōu)化時(shí)需要應(yīng)用層次分析法，建立環(huán)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(xiàn)系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化等特征。利用數(shù)學(xué)分析為復(fù)雜決策問題的求解提供簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)-形成判斷矩陣-校驗(yàn)判斷矩陣的一致性-求解判斷矩陣的權(quán)重向量-計(jì)算綜合權(quán)重［3］，利用GIS系統(tǒng)得到的輸電線路建設(shè)難度體系下各環(huán)境因素對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重值如表1所示。在實(shí)際應(yīng)用中，為了降低主觀判斷的不準(zhǔn)確性，需要在層次分析的基礎(chǔ)上使用間數(shù)來(lái)量化比較因素之間的重要性，并在區(qū)間綜合權(quán)重求解后進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，用于解決單源最短路徑問題。利用蟻群算法建立路徑規(guī)劃二維模型時(shí)包括解的表示、節(jié)點(diǎn)選擇、信息素更新等內(nèi)容，其中信息素更新是屬性節(jié)點(diǎn)的一種改變機(jī)制，在明確分類規(guī)則后，迭代節(jié)點(diǎn)時(shí)要根據(jù)分類規(guī)則進(jìn)行更新，具體可以參照式（1）進(jìn)行計(jì)算，處理好屬性間的相關(guān)作用。

τi.j=（1-p）τi.j+pΔτi.j（1）

其中，Δτi.j=1L*，L*為最佳路徑長(zhǎng)度，m；p為［0，1］區(qū)間的隨機(jī)數(shù)；τi.j為信息素?cái)?shù)值。

利用蟻群算法建立路徑規(guī)劃三維模型時(shí)，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(guī)劃的三維地圖的一個(gè)頂點(diǎn)作為三維空間的坐標(biāo)原點(diǎn)A，并以此為依據(jù)建立空間三維直角坐標(biāo)系［4］，具體如圖1所示。圖1中AB方向?qū)?yīng)坐標(biāo)系x軸，AA′方向?qū)?yīng)坐標(biāo)系y軸，AD方向?qū)?yīng)坐標(biāo)系z(mì)軸，利用等分法獲取網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)值，沿AB方向?qū)⒄麄€(gè)空間進(jìn)行等距離劃分，可以得到n+1個(gè)空間上連續(xù)的平面Π。再沿AD邊進(jìn)行m等分分割，最后沿邊AA′進(jìn)行等分分割。

圖1 三維路徑規(guī)劃空間

2.3 設(shè)計(jì)要求

確定輸電路徑要綜合考慮各項(xiàng)因素，一是要滿足電氣行業(yè)與所在地的總體發(fā)展規(guī)劃，實(shí)行有針對(duì)性的區(qū)域決策，保證線路開發(fā)的合理性與秩序性；二是盡量降低線路走廊保護(hù)區(qū)面積，選擇新型技術(shù)與材料；三是減少輸電線路的轉(zhuǎn)角次數(shù)和角度，控制線路曲折的頻率；四是控制好線路長(zhǎng)度，避開線路危險(xiǎn)系數(shù)高的運(yùn)行區(qū)域；五是遇到無(wú)法避開的重要位置時(shí)，選擇影響最小的地方設(shè)置線路，降低相關(guān)損失。由于線路設(shè)置范圍較廣，需要經(jīng)過部分特殊區(qū)域，應(yīng)當(dāng)采取合適的施工技術(shù)保證工程質(zhì)量。比如途經(jīng)海拔高、地形復(fù)雜的區(qū)域時(shí)要避開不穩(wěn)定斜坡或高差較大區(qū)域，跨越河流時(shí)選擇河道狹窄且河床穩(wěn)定區(qū)域，禁止設(shè)置在碼頭或河口區(qū)域，并做好河道的實(shí)時(shí)觀測(cè)工作。轉(zhuǎn)角點(diǎn)要安置在地質(zhì)情況較好的平坦地塊。

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

建設(shè)輸電線路會(huì)涉及環(huán)境敏感區(qū)問題，包括特殊保護(hù)區(qū)、生態(tài)脆弱區(qū)和人口稠密區(qū)。根據(jù)敏感區(qū)性質(zhì)、功能、保護(hù)對(duì)象和發(fā)展現(xiàn)狀的差異性，電網(wǎng)建設(shè)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響也有所不同，具體表現(xiàn)在土壤流失、土層板結(jié)、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(yùn)輸、覆冰條件、地震烈度等。避讓因子有居民區(qū)、飲用水源地、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)、自然保護(hù)區(qū)等。利用5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)量化各個(gè)指標(biāo)，為判斷對(duì)輸電線路的影響程度提供明確依據(jù)。該工程在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要避開重冰區(qū)域，并構(gòu)建相應(yīng)的緩沖區(qū)。最后的成本評(píng)價(jià)指標(biāo)可參考式（2）。

CR=P1X1+P2X2+P3X3+P4X4+P5X5+P6X6（2）

其中，CR為成本評(píng)價(jià)數(shù)值；Xn為各評(píng)價(jià)指標(biāo)，%；Pn為各指標(biāo)所占權(quán)重值，其中X1+X2+X3+X4+X5+X6=1。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 路徑模擬

3.1.1 評(píng)價(jià)權(quán)重

以國(guó)家測(cè)繪總局提供的等高線、高程點(diǎn)、行政區(qū)劃等基礎(chǔ)地理信息作為GIS系統(tǒng)的計(jì)算依據(jù)，在預(yù)處理時(shí)應(yīng)完成校正柵格數(shù)據(jù)、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(shù)，投影則采用Albers雙標(biāo)準(zhǔn)緯線等面積圓錐投影。然后根據(jù)層次分析法構(gòu)建評(píng)價(jià)模型和比較判斷矩陣，并比較同一層次的影響因素，確認(rèn)權(quán)重值，其指標(biāo)如表2所示，最后計(jì)算出各影響因子的權(quán)重值，其中地形地貌為0.245 9，土地利用為0.310 7，交通運(yùn)輸為0.171 6，地震烈度為0.071 8，污穢等級(jí)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(zhǎng)約為148 000 m，沿線建設(shè)325座桿塔，其中有18座大跨度檔距桿塔，96座500～1 000 m區(qū)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(qū)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(jié)果。綜合考慮x與y軸的兩點(diǎn)間路徑長(zhǎng)度，如果選擇點(diǎn)超過設(shè)置的預(yù)制，則要采用輪盤賭方法選擇其他位置。在實(shí)驗(yàn)區(qū)面積為21 km×21 km的方位內(nèi)，蟻群算法會(huì)將最低點(diǎn)海拔作為起算0點(diǎn)，再依次得到其他節(jié)點(diǎn)，三維路徑規(guī)劃的起點(diǎn)坐標(biāo)為（1，8，600），終點(diǎn)為（21，4，1 000），設(shè)置的總迭代次數(shù)為400次。通過上述方式對(duì)工程區(qū)域進(jìn)行二值化處理，最終得到二維化與三維化的模擬選線結(jié)果。

3.2 路徑分析

二維算法模擬選線結(jié)果有2個(gè)方案，長(zhǎng)度分別為125.814 km、126.352 km，三維算法模擬選線結(jié)果則分別為164.170 km、163.320 km。實(shí)際采集的真實(shí)長(zhǎng)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%?？梢钥闯鋈S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(qū)，但是沒有減少線路長(zhǎng)度。三維算法中有少量不合理走線區(qū)域，但與已建設(shè)線路相比有顯著改善，規(guī)劃路徑長(zhǎng)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(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考信息，實(shí)用性較強(qiáng)。上述的選線優(yōu)化設(shè)計(jì)方案能夠避讓敏感區(qū)，保證電力建設(shè)與生態(tài)環(huán)境和諧共存，減少了不確定因素的干擾，提高了路徑設(shè)計(jì)的可信度，可以應(yīng)用在施工招投標(biāo)環(huán)節(jié)中。設(shè)計(jì)后的線路基于最短原則縮短了線路長(zhǎng)度，有效減少了土地的占用面積，與城市用地規(guī)劃目標(biāo)達(dá)成一致，同時(shí)能夠節(jié)省工程成本，并提前投入使用，通過電網(wǎng)基建的建設(shè)為當(dāng)?shù)匕l(fā)展提供基本的電力資源，有效促進(jìn)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

基于GIS地理信息技術(shù)可以利用相關(guān)數(shù)據(jù)建立二維與三維的數(shù)字地面模型，直觀地展示輸電線路的方案圖，為規(guī)劃設(shè)計(jì)及選擇最佳路徑提供全方位技術(shù)支持。在處理線位整體情況時(shí)，克服了勘測(cè)過程中受到的一些條件限制。GIS系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)需遵照要求對(duì)線路方案進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，不僅要詳細(xì)分析其經(jīng)濟(jì)效應(yīng)與社會(huì)效應(yīng)，還要考慮到環(huán)境影響評(píng)價(jià)，保證在允許范圍內(nèi)提高生產(chǎn)力布局與資源配置的科學(xué)性。

參考文獻(xiàn)

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（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