基于GIS空间分析的变电站空间布局规划研究以北京为例

基于GIS 空间分析的变电站空间布局规划研究以北京为例 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途基于GIS空间分析的变电站空间布局规划研究以北京为例 魏保军 【摘要】城市电网规划既是电力系统发展规划的基本内容之一,也是城市规划的重要组成部分。其中，变电站空间布局是城市电网规划的主要内容之一.地理信息系统(GIS）强大的数据处理与分析功能为电力设施科学规划选址提供了可能。本文利用GIS空间分析技术，结合经改良的变电站选址模型，提出了一套较完整的变电站空间布局计算方法。采用该方法，在变电站建设时可以有效避免“站群”矛盾，避免规划与电力行业管理相脱节等问题。 【关键词】GIS;空间布局规划；用地约束；变电站 1 变电站布局的总体理念 11 研究思路 变电站的规划布局问题属多中心选址优化问题。 目前变电站选址问题一般以变电站投资(含二次网）和年运行费用最低建立数学模型进行计算，这种算法与实际建设情况往往出入较大.原因可能有两个方面：其一，算法求得的变电站往往位于小区、居住区的中心，基础设施完善，环境优越,地价（房价）也较高，如在这些地区建设变电站开发商不合得,居民意见也较大；第二，经这种算法计算确定的变电站供电范围没有明确的地理界限,没有考虑自然地形、管理界限等人为或非人为因素造成的偏差。 本文利用GIS技术，对变电站选址计算进行了尝试根据各区电力负荷的分布，计算各级变配电容量需求；根据已有变电站的规划容量及分布，结合本区土地使用规划，采用GIS空间分析技术，确定规划变电站的位置及容量。本文提出的计算方法能够有效避免以上问题，接近实际建设模式,符合城市规划管理人员决策思路,具有一定实用价值。 12 变电站规划布局一般原则 （1）有利于实施分区供电。变电站供电分区应经济、合理，满足负荷需求。 （2)线路安排便利。 (3)各级电压的变电总容量与用电负荷之间，输、变、配电设备容量之间、有功和无功容量之间比例协调，经济合理。 (4）按饱和负荷预留各类电力设施用地。 (5）缓解进入城市中心区的走廊及线路压力。 13 变电站选址一般原则 （1)符合总体规划及市中心区控制性详细规划用地布局要求。 (2）尽可能不占用或少占用基本农田、定桩绿地等. （3)500kV变电站应考虑供电区域的合理性,220kV及以下变电站除考虑区域合理外,还应尽可能在负荷中心区的工业用地内或产业用地内安排，以减少对居民生活的影响，消除居民心理障碍。 (4）500kV及220kV变电站应满足100年一遇防洪要求，110kV变电站应满足50年一遇防洪要求。 （5）应有良好的地质条件，避开地震断裂带、各类采空区、滑坡泥石流易发区等不良地质构造区。 （6）避开军事电台、通讯电台、机场导航台等设施以避免可能造成的强弱电干扰。 (7)避开危险品仓库、输油管道、高压输气管道等易燃易爆区. （8）尽可能远离住宅、医院、中小学校等对电磁环境要求较高区域或易引发社会矛盾的区域。 （9）尽可能减少拆迁。 （10)方便安排变电站进出线路。 2 GIS技术的简要分析 GIS是地理信息系统（geographic information system)的英文缩写，是采集、存储、管理、检索、分析和描述整个或部分地球表面与空间地理分布数据的空间信息系统。它是一个集计算机科学、地理学、信息学、管理科学等于一体的新兴多学科综合技术领域,它独具的空间地理信息、图形处理能力,为与空间地理信息有关的领域提供了一种崭新的应用技术手段。 GIS技术的特点是按一定的空间拓扑关系以数据库的形式来储存各种空间地理要素及属性数据，以图形方式来描述各种空间地理要素，并利用关系数据库管理系统的成熟技术，将地理属性数据管理和空间数据的拓扑关系相结合，使被描述的事物既直观又生动。另外，GIS在属性数据管理上，运用了关系数据库管理技术，使GIS可直接与外部关系数据库连接。 GIS具有强大的空间分析、处理、输出功能,是一个支持空间地理决策的系统，它通过对多因素的综合分析，可以迅速地获取满足应用需要的与地理相关的信息，并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果. 现有GIS软件的功能大致划分如下： (1）数据采集、输出:地图绘制;图形、属性数据的输入、编辑;图形、属性数据的输出；地图管理。 （2）系统分析、管理数据处理(如数据重构、数据抽取等);空间数据分析、计算（如空间量测、叠加分析、缓冲区分析、地形分析等)；数据变换(如不同投影、不同坐标系的变换)；网络功能(如优化路径）；空间统计分析(如空间插值）;扩展功能等。 目前,GIS已在测绘、制图、统计、资源和环境管理、城市规划、工程与交通设施规划与管理，以及军事、商业等领域得到广泛应用。 3 基于GIS空间分析技术的变电站选址决策模型与方法 3 1 模型分析 在城市电网规划过程中，变电站选址一般经历如下4步：(1)现有变电站评价；(2)负荷需求预测及负荷分布；（3)确定新建变电站个数;（4)确定新建变电站位置、容量及供电范围。 在这4步中，除第一步属定性分析外，其余3步均为定量分析与计算，涉及到数学模型的选择问题。下面结合笔者的工作经验，从实用方便的角度，对每步采用的数学模型进行分析。 311 负荷需求预测及负荷分布 城市电网规划一般可分为城市供电总体规划及城市供电控制性详细规划两个阶段。 总体规划阶段一般解决建设原则、建设规模、系统结构、设施布局、建设方式等问题：控制性详细规划阶段应在总体规划的基础上具体落实场站设施位置，进出线线路路由、实施策略等。不同规划阶段均应对负荷需求进行预测。但受城市用地规划深度的制约及规划要求的不同，不同阶段负荷需求预测的方法是不同的.总体规划阶段一般采用人均指标法，建设用地负荷密度法、外推法、弹性系数法等方法；详细规划阶段一般采用建筑负荷指标法，采取的建筑负荷指标一般是城市规划管理部门发布的指标。 两个阶段的计算结果可能不同.从局部来说，对每个地块，即便在电力系统实际运行中，电力负荷的计算值与实际测量值也肯定不同。原因是不同类型的负荷之间,或同类负荷的不同设备运行时间存在时差，使得某个区域最大负荷肯定不是该区域各分区域或备用地地块最大负荷的代数和。受房屋用途、房屋使用率、使用人生活习惯等因素影响,要准确算出一个地块的电力负荷是不可能的，只能平均计算。假定一个区域内同类负荷具有大体相似的使用属性,那么，用建筑负荷指标法计算出来的地块负荷乘以一个系数可以近似模拟最大负荷出现时该地块对最大负荷的贡献值。为便于计算，本文引入负荷调整因子及地块计算负荷两个概念。负荷调整因子即选用的系数，地块计算负荷即最大负荷时该地块对最大负荷的贡献值.计算方法如下： 式（1）（4)中：为第i地块的初始负荷;m2为第i地块不同性质用地的数目；为第i地块第j类性质用地总建筑面积；为第j类性质用地单位建筑面积负荷初始值，即建筑用电负荷指标,该指标为统计数值，不同城市或同一城市不同发展阶段该数值一般是不一样的；m1为研究区域内地块数目，计算模型中作为负荷点的数目；为研究区域各地块初始负荷之和；为第i地块的计算负荷；为负荷调整因子;为研究区域各地块计算负荷之和。 取值可采用迭代计算方法求得. 312 确定新建变电站个数 目前有不少关于变电站计算方面的文献,但这些文献中，普遍忽视了管理界限、自然地形等地理阻断因素对变电站个数及布局的影响。 电力系统的管理、电费的结算一般按行政区进行，因此,各级电力设施的规划设计应与电力的分区管理相适应，在本分区内实现管理权限内的电力设施的电力、电量平衡。比如，北京朝阳区的110kV变电站一般不会供应邻近的海淀区的负荷。为此在变电站的选址计算时，特别是对于大城市,应注意行政界限或管理权限对变电站规划布局的影响。 在负荷比较密集的城市中心区域，中压供电系统多采用10kV电缆,电缆穿越城市快速路、铁路、河流可能会使工程建设成本大幅度增加，也给中压系统的管理维护带来不便.为此，110kV及以下电压等级变电站选址计算时应考虑自然地形带来的干扰。 本文克服了这一问题。方法为采用分组团计算的方式.首先将规划范围根据管理界限、城市用地规划分区、自然地理条件等划分组团，变电站计算时按组团进行，将组团界限作为计算约束条件，电力设备的平衡应在组团内进行。这样，新建变电站个数计算模型修正如下: 式中:为新建变电站个数;为冗余因子，一般取0812；t为研究区域内组团个数；为第i组团总计算负荷；r为变电站容载比，110kV变电站一般取1820,220kV变电站一般取1618;为第i组团该电压等级现状变电站主变压器总容量；s为单座新建变电站主变压器总容量；为第i组团新建变电站个数。 313 确定新建变电站位置、容量及供电范围 变电站选址问题是一个多元连续选址的组合优化过程。对这类问题，国内外已有较多的研究成果,但这些成果大部分没能与城市用地属性结合起来，所确定位置在实际建设中遇到了较多的问题。 本文解决了这一问题:首先在计算中引入ji参量，表示变电站与用地块之间的供电关系，以模拟地理阻断因素约束条件;其次，通过建立计算模型及迭代计算，确定了变电站的供电范围以后，再采用GIS叠加分析技术，对新建变电站站址进行调整优化.以负荷矩计算模型为例，变电站计算的数学模型如下： 式(6)（9）中：M为负荷矩之和:n为研究范围内变电站总个数；m1为研究区域内地块数目，计算模型中作为负荷点的数目；ji为标志参量，当变电站j与地块i位于同一组团且存在供电关系时，令ji=1，当变电站j与地块i位于同一组团但不存在供电关系时，令ji=0，当变电站j与地块i不在一个组团时，令ji=+；为第i地块计算负荷；Dij为变电站j与地块i之间供电线路长度；s为单座新建变电站主变压器总容量;r为变电站容载比. 约束条件式(7)表示每个变电站至少供应一个地块（假定地块大小分得足够合理，每个地块计算负荷大小不超过一座变电站供电能力)；约束条件式(8）表示每个地块至少有一座变电站为其供电；约束条件式(9）表示每座变电站的供电 能力不超过约定数值。对于Dij，可以利用变电站j与地块i之间直线距离近似计算，计算公式为：从线路建设实际看，中压干线或高压配电线路一般沿城市道路敷设，北京市城市道路网一般为横平竖直的方格网，为计算更加准确，Dij也可以采用以下公式计算： 式（10)及式(11）中:(uj，vj）为变电站j的坐标；(xj，yj)为地块i的中心点或配电室坐标。式（6）为整数规划问题，这类问题可用线性规划方法求解,也可用启发式搜索方法比如遗传算法(GA法)等求解。文献中有较多实践资料，本文不再详述。 GIS叠加分析技术对变电站选址的优化不涉及数学模型在下文具体介绍。 32计算方法与流程总体来说，基于GIS的变电站选址共分5大步、14小步（图1)。 321 准备工作 具体而言需进行以下工作选定工作基础平台软件(本文以arcgis软件包arcinfo软件为例），输入GIS基础数据（含地图、城市规划图等），划定研究区域，按规范算法算出整个区域内目标年电力负荷总最大需求P1,输入待研究级别（比如220kV）所有变电站（共n1+n2个）坐标及其目标年主变压器安装容量。 522计算每个地块的计算负荷 该步利用GIS分布计算功能，可使计算过程简单化. 计算前,需输入以下现状资料：(1）用地控制性详细规划确定的各地块性质(分至建设用地小类类别)、用地面积、建筑面积；(2)城市规划管理部门发布的各类建筑物负荷指标（分至建设用地小类类别)；(3）目标年电力负荷最大需求P1. 该步计算负荷调整因子k1,k1可采用迭代计算的方法求出：首先赋予k1一个较大的值（最大值为1),迭代条件为P2与P1的差值，不断减k1取值,差值会不断减小,当差值满足一个较小数值时，计算结束。 计算的返回值为各地块计算负荷Pi2，并自动将该数值连同位置信息结合作为地块属性之一存储在数据库中，以在变电站选址计算中调用。 为便于计算,每个地块近似用一个数据点来表示。数据点位置为地块中心点坐标,数据点负荷即为整个地块负荷。由于城市供电是变电站配电室变压器为核心的供电模式，数据点的位置可模拟变电站配电室变压器位置,因此这种近似在供电系统中是具有实际意义的. 323划定组团,确定新建变电站个数n2 该步首先划定地理阻断因素作为约束条件，然后调用GIS空间数据库中各地块计算负荷，带入数学模型，得到各组团需新建变电站个数及研究区域需新建变电站总个数。 324 变电站站址及供电范围的确定 该步是基于GIS的变电站选址的重点，分两小步进行： 首先，通过模型计算，确定各变电站供电范围及变电站位置坐标。该计算需反复调用GIS属性数据库中关于地块计算负荷及负荷所在位置坐标等数据属性。 然后，利用GIS叠加分析功能，分析出适合建设变电站的区域，再对区域与变电站坐标进行 叠加，得到新建变电站的优化站址。具体实施方式如下： 根据变电站电压等级及布置形式确定变电站所需用地面积。(1)对用地属性进行搜索,去除基本农田、定桩绿地、现状永久建筑、道路用地；(2）对用地属性进行搜索，去除收发信电台、机场导航台、军用电台用地外围15km以内区域,去除综合医院、危险品仓库、燃气场站外围1.0km以内区域，去除输油管道、高压输气管道外围200m以内区域，去除居住区外围50m以内区域;(3)去除防洪标准不满足用地区域，110kV变电站防洪标准为50年一遇，220kV及以上变电站防洪标准为100年一遇；(4)去除用地面积不满足需求区域；（5）叠加以上(1)(4)项，得到可建设变电站区域；(6）叠加计算出来的变电站坐标及供电范围，在某站供电范围内，计算出来的变电站坐标附近选取变电站位置。在变电站迭代之前,需初始化新建变电站的位置。为准确反映变电站与用地属性之间的关系,新建变电站的初始化时，应以组团为基本地理单元，分别输入。 325输出计算结果 输出结果主要为选址优化后确定的变电站位置及供电范围。 4 应用实例北京市220kV变电站空间布局 据负荷预测，北京地区2020年供电负荷为2500026000MW。扣除电厂直供1020MW，220kV容载比取18,2020年变电容量总需求为44964MVA。 北京市城市空间结构为“两轴两带多中心”，在中心城市周围,分布有11座新城，北京拟实施中心城区与新城联合发展战略。为保障这个空间战略的实施,在考虑北京市220kV供电网络空间布局时，应以备新城及城市中心作为分组组团,分别进行考虑。为此，在利用GIS计算时，设定远郊区县新城界（不一定是行政边界）为地理阻断因子，将全市用地划分为12个组团。 经计算，2020年北京市220kV变电站布局如 41 四环路以内 2005年二环路以内有长椿街、王府井2座220kV变电站，规划增加天桥、桃园、内城3座220kV变电站。 2005年二环路至三环路有朝阳门、草桥、西直门、左安门4座220kV变电站，规划增加广渠门、南站2座220kV变电站. 2005年三环路至四环路有知春里、太阳宫、西大望、莲花池、八里庄5座220kV变电站，规划增加健翔桥、黄寺、CBD、三营门、玉泉营、远大、西苑7座220kV变电站. 这样，2005年四环路以内有11座220kV变电站,到2020年规划增加12座，四环路以内220kV变电站总数将达到23座. 4 2 四环路至五环路 2005年四环路至五环路有220kV变电站6座，即东北郊、王四营、老君堂、南苑、张仪、宝山。规划增加八家村、望京、酒仙桥、团结湖、垡头、久敬庄、花乡、张郭庄、乐各庄、西山、祁家村11座220kV变电站。至2020年,四环路至五环路220kV变电站总数为17座。 43 中心区五环路以外 2005年朝阳海淀、丰台、石景山4个城区五环路以外有220kV变电站8座(其中用户站2座）：聂各庄、上庄、清河、电科院（用户站）、孙河、白庙（用户站)，吕村,定福庄.规划增加12座：海淀山后、西北旺、东北旺、奥运村、红军营、东坝、东坝东、古城东、管庄、马各庄、石景山、王佐。至2020年，中心区五环路以外220kV变电站总数为20座。 44 11座新城 延庆新增2座：八达岭、延庆。 怀柔现有1座:怀柔：规划增加1座：怀柔北. 密云规划增加2座：密云、密云北. 平谷现有1座；规划新增1座：马坊。 顺义现有2座：高丽营、李遂；规划增加5座顺义新城北、顺义新城南、仁和、空港城、李桥南。 昌平现有2座：下庄、西沙屯;规划增加7座：昌平东、沙坨、流村、亭子庄、沙河大学城、霍营、回龙观。 通州现有3座：北寺、老通州、台湖；规划增加6座：通州东、通州东南、通州西北、梨园、草厂、永乐店。 亦庄现有1座:荣华；规划增加3座:亦庄东、亦庄南、京东方。 大兴现有2座：大兴、卢城；规划增加6座：青云店、团河、旧宫，陈留庄、黄村、李家务。 门头沟规划新增2座：门城一、门城二。 房山现有4座(其中用户站2座):良乡、韩村河、燕化(用户站)、东风（用户站）；规划增加3座：阎村北、良乡南、周口店。 综合以上，2005年全市拥有220kV变电站41 座，至2020年规划新增73座，共计114座，变电站主变压器总装机容量为56650MVA。220kV变电站布局见图2。 5 小结变电站的规划问题属多中心选址优化问题.北京市电网变电站众多,占用城市建设用地较多，与各类建设用地关系复杂，在空间布局上将变电站用地落到实处很难。本文采用GIS技术构建了基于GIS的变电站选址的计算流程与方法。该方法在远期总体负荷规模确定的情况下，根据各地块用地面积、用地属性、建筑面积等属性，自动实现规划期末地块电力负荷的分布计算。以此为基础,输入现状变电站有关参数，即可计算出规划变电站个数、每座规划变电站的供电范围和中心点坐标等，然后利用GIS空间叠加分析功能，输入新建变电站约束条件,即可自动识别每座变电站最适合的站址。基于GIS空间分析技术的变电站选址决策模型与方法结构清晰，逻辑严密,接近行政管理者决策过程，具有一定实用价值。【作者简介】 魏保军 硕士，中国城市规划设计研究院城市能源规划研究中心副主任，高级工程师。 参考文献（References） 1 王成山,刘涛，谢莹华基于混合遗传算法的变电站选址定容J电力系统自动化,2006，30(6）：30-54，47 2 杨丽徙，朱向前，陈根永，等基于Voronoi图的变电站优化规划方法J电力系统及其自动化学报，200618(5）:1013 3 余贻鑫，张永伍，严雪飞高压配电变电站的优化规划J天津大学学报,2006，39(8):889-894 4 冯涛，顾洁基于粒子群算法的变电所优化布点研究J供用电，2006，25（5)：1619 5 北京市发展与改革委员会北京“十一五”时期电力发展规划z2006 6 何晓阳，康庆平，肖贵申基于可靠性成本）效益分析的电网规划J继电器，2005，33（10)：8-11,40 7 Albuywh FJames J SA Transmission Network Planning Method for Comparative StudiesJIEEE Trans on PAS，1982，101(11):1679-1684 8 Knut S HOve S GBjorn H BMain Grid Development Planning in a Deregulated Market RegimeC Singapore：Proceedings of 2000 IEEE PES Winter Meeting， 2000-02:845-849 （注：本栏目文章由中国城市规划学会工程规划学术委员会推荐）