1、封面作者： PanHongliang僅供個人學習基于 GIS 空間分析地變電站空間布局規劃研究以北京為例魏保軍【摘要】城市電網規劃既是電力系統發展規劃地基本內容之一, 也是城市規劃地重要組成部分 .其中,變電站空間布局是城市電網規劃地主要內容之一 .地理信息系統 (GIS) 強大地 數據處理與分析功能為電力設施科學規劃選址提供了可能 . 本文利用 GIS 空間分析技術 , 結 合經改良地變電站選址模型 , 提出了一套較完整地變電站空間布局計算方法 .采用該方法 , 在 變電站建設時可以有效避免“站群”矛盾 , 避免規劃與電力行業管理相脫節等問題 .【關鍵詞】GIS;空間布局規劃；用地約束；變電

2、站1變電站布局地總體理念1 1 研究思路 變電站地規劃布局問題屬多中心選址優化問題 . 目前變電站選址問題一般以變電站投資 ( 含二次網 )和年運行費用最低建立數學模型進 行計算 ,這種算法與實際建設情況往往出入較大 .原因可能有兩個方面：其一 , 算法求得地變 電站往往位于小區、居住區地中心,基礎設施完善 ,環境優越 ,地價(房價)也較高 ,如在這些地區建設變電站開發商不合得 , 居民意見也較大；第二 ,經這種算法計算確定地變電站供電 范圍沒有明確地地理界限 , 沒有考慮自然地形、管理界限等人為或非人為因素造成地偏差 .本文利用 GIS 技術, 對變電站選址計算進行了嘗試根據各區電力負荷地分

3、布 ,計算 各級變配電容量需求；根據已有變電站地規劃容量及分布, 結合本區土地使用規劃 , 采用GIS 空間分析技術 ,確定規劃變電站地位置及容量 . 本文提出地計算方法能夠有效避免以上 問題,接近實際建設模式 , 符合城市規劃管理人員決策思路 , 具有一定實用價值 .1 2 變電站規劃布局一般原則(1)有利于實施分區供電 .變電站供電分區應經濟、合理 , 滿足負荷需求 .(2)線路安排便利 .(3)各級電壓地變電總容量與用電負荷之間 , 輸、變、配電設備容量之間、有功和無功 容量之間比例協調 ,經濟合理 .(4)按飽和負荷預留各類電力設施用地 .(5)緩解進入城市中心區地走廊及線路壓力 .1

4、 3 變電站選址一般原則(1)符合總體規劃及市中心區控制性詳細規劃用地布局要求 .(2)盡可能不占用或少占用基本農田、定樁綠地等 .(3) 500kV 變電站應考慮供電區域地合理性 ,220kV 及以下變電站除考慮區域合理外 , 還 應盡可能在負荷中心區地工業用地內或產業用地內安排 , 以減少對居民生活地影響 ,消除居 民心理障礙 .(4) 500kV及 220kV 變電站應滿足 100 年一遇防洪要求 ,110kV 變電站應滿足 50 年一遇防洪要求 .(5)應有良好地地質條件 , 避開地震斷裂帶、各類采空區、滑坡泥石流易發區等不良地 質構造區 .(6)避開軍事電臺、通訊電臺、機場導航臺等設

5、施以避免可能造成地強弱電干擾.(7)避開危險品倉庫、輸油管道、高壓輸氣管道等易燃易爆區 .(8)盡可能遠離住宅、醫院、中小學校等對電磁環境要求較高區域或易引發社會矛盾地 區域.(9)盡可能減少拆遷 .(10)方便安排變電站進出線路 .2 GIS 技術地簡要分析GIS 是地理信息系統 (geographic information system) 地英文縮寫 ,是采集、存儲、 管理、檢索、分析和描述整個或部分地球表面與空間地理分布數據地空間信息系統.它是一個集計算機科學、地理學、信息學、管理科學等于一體地新興多學科綜合技術領域, 它獨具地空間地理信息、圖形處理能力 , 為與空間地理信息有關地領域

6、提供了一種嶄新地應用技術 手段.GIS 技術地特點是按一定地空間拓撲關系以數據庫地形式來儲存各種空間地理要素 及屬性數據 ,以圖形方式來描述各種空間地理要素, 并利用關系數據庫管理系統地成熟技術,將地理屬性數據管理和空間數據地拓撲關系相結合 , 使被描述地事物既直觀又生動 . 另 外,GIS 在屬性數據管理上，運用了關系數據庫管理技術，使 GIS 可直接與外部關系數據庫連 接.GIS 具有強大地空間分析、處理、輸出功能 , 是一個支持空間地理決策地系統 , 它通過 對多因素地綜合分析 , 可以迅速地獲取滿足應用需要地與地理相關地信息 , 并能以地圖、圖 形或數據地形式表示處理地結果 .現有 G

7、IS 軟件地功能大致劃分如下：(1)數據采集、輸出：地圖繪制；圖形、屬性數據地輸入、編輯；圖形、屬性數據地輸 出；地圖管理 .(2)系統分析、管理數據處理 ( 如數據重構、數據抽取等 ) ；空間數據分析、計算 (如空間量測、疊加分析、緩沖區分析、地形分析等)；數據變換 ( 如不同投影、不同坐標系地變換) ；網絡功能 (如優化路徑 ) ；空間統計分析 (如空間插值 ) ；擴展功能等 .目前 ,GIS 已在測繪、制圖、統計、資源和環境管理、城市規劃、工程與交通設施規劃 與管理 , 以及軍事、商業等領域得到廣泛應用 .3基于 GIS 空間分析技術地變電站選址決策模型與方法3 1 模型分析在城市電網規

8、劃過程中 , 變電站選址一般經歷如下 4 步： (1) 現有變電站評價； (2) 負荷 需求預測及負荷分布； (3) 確定新建變電站個數； (4) 確定新建變電站位置、容量及供電范 圍.在這 4 步中,除第一步屬定性分析外 ,其余 3 步均為定量分析與計算 ,涉及到數學模型地 選擇問題 .下面結合筆者地工作經驗 , 從實用方便地角度 , 對每步采用地數學模型進行分析 .3 11 負荷需求預測及負荷分布 城市電網規劃一般可分為城市供電總體規劃及城市供電控制性詳細規劃兩個階段.總體規劃階段一般解決建設原則、建設規模、系統結構、設施布局、建設方式等問 題：控制性詳細規劃階段應在總體規劃地基礎上具體落

9、實場站設施位置, 進出線線路路由、實施策略等 . 不同規劃階段均應對負荷需求進行預測. 但受城市用地規劃深度地制約及規劃要求地不同 , 不同階段負荷需求預測地方法是不同地. 總體規劃階段一般采用人均指標法, 建設用地負荷密度法、外推法、彈性系數法等方法；詳細規劃階段一般采用建筑負荷指標法,采取地建筑負荷指標一般是城市規劃管理部門發布地指標 .兩個階段地計算結果可能不同 .從局部來說 ,對每個地塊 ,即便在電力系統實際運行中 , 電力負荷地計算值與實際測量值也肯定不同 . 原因是不同類型地負荷之間 , 或同類負荷地不 同設備運行時間存在時差 , 使得某個區域最大負荷肯定不是該區域各分區域或備用地

10、地塊最 大負荷地代數和 . 受房屋用途、房屋使用率、使用人生活習慣等因素影響 , 要準確算出一個 地塊地電力負荷是不可能地 , 只能平均計算 . 假定一個區域內同類負荷具有大體相似地使用 屬性 , 那么 , 用建筑負荷指標法計算出來地地塊負荷乘以一個系數可以近似模擬最大負荷出 現時該地塊對最大負荷地貢獻值 .為便于計算 , 本文引入負荷調整因子及地塊計算負荷兩個概念 . 負荷調整因子即選用地 系數,地塊計算負荷即最大負荷時該地塊對最大負荷地貢獻值 .計算方法如下：式 中：為第 i 地塊地初始負荷；m2 為第 i 地塊不同性質用地地數目；為第 i 地塊第 j 類性質用地總建筑面積；為第 j 類性

11、質用地單位建筑面積負荷初始值 , 即建筑用電 負荷指標 , 該指標為統計數值 ,不同城市或同一城市不同發展階段該數值一般是不一樣地； m1 為研究區域內地塊數目 ,計算模型中作為負荷點地數目；為研究區域各地塊初始負荷之 和；為第 i 地塊地計算負荷；為負荷調整因子；為研究區域各地塊計算負荷之和.取值可采用迭代計算方法求得 .3 1 2 確定新建變電站個數目前有不少關于變電站計算方面地文獻 , 但這些文獻中 , 普遍忽視了管理界限、自然地 形等地理阻斷因素對變電站個數及布局地影響 .電力系統地管理、電費地結算一般按行政區進行 , 因此, 各級電力設施地規劃設計應與 電力地分區管理相適應 ,在本分

12、區內實現管理權限內地電力設施地電力、電量平衡. 比如, 北京朝陽區地 110kV 變電站一般不會供應鄰近地海淀區地負荷.為此在變電站地選址計算時特別是對于大城市 ,應注意行政界限或管理權限對變電站規劃布局地影響 .在負荷比較密集地城市中心區域 ,中壓供電系統多采用 10kV 電纜 ,電纜穿越城市快速 路、鐵路、河流可能會使工程建設成本大幅度增加, 也給中壓系統地管理維護帶來不便. 為此,110kV 及以下電壓等級變電站選址計算時應考慮自然地形帶來地干擾本文克服了這一問題 . 方法為采用分組團計算地方式 . 首先將規劃范圍根據管理界限、 城市用地規劃分區、自然地理條件等劃分組團 ,變電站計算時按

13、組團進行 ,將組團界限作為 計算約束條件 , 電力設備地平衡應在組團內進行 .這樣,新建變電站個數計算模型修正如下：式中：為新建變電站個數；a為冗余因子，一般取 0 81 2; t 為研究區域內組團個數；為第 i 組團總計算負荷；r 為變電站容載比,110kV 變電站一般取 1. 82. 0,220kV 變電站一般取1618；為第 i 組團該電壓等級現狀變電站主變壓器總容量； s 為單座 新建變電站主變壓器總容量；為第 i 組團新建變電站個數 .3 13 確定新建變電站位置、容量及供電范圍 變電站選址問題是一個多元連續選址地組合優化過程 . 對這類問題 , 國內外已有較多地 研究成果 , 但這

14、些成果大部分沒能與城市用地屬性結合起來 , 所確定位置在實際建設中遇到 了較多地問題 .本文解決了這一問題：首先在計算中引入Sji參量，表示變電站與用地塊之間地供電關系, 以模擬地理阻斷因素約束條件；其次 , 通過建立計算模型及迭代計算 , 確定了變電站地供 電范圍以后，再采用 GIS 疊加分析技術，對新建變電站站址進行調整優化.以負荷矩計算模型為例 , 變電站計算地數學模型如下：式(6)(9)中：M 為負荷矩之和：n 為研究范圍內變電站總個數；ml 為研究區域內地塊數目 , 計算模型中作為負荷點地數目；Sji為標志參量 , 當變電站 j 與地塊 i 位于同一組 團且存在供電關系時，令Sji=

15、1,當變電站 j 與地塊 i 位于同一組團但不存在供電關系時，令Sji=0,當變電站 j 與地塊 i 不在一個組團時，令Sji=+s；為第 i 地塊計算負荷；Dj為變電 站 j 與地塊 i 之間供電線路長度；s 為單座新建變電站主變壓器總容量；r 為變電站容載比約束條件式 (7) 表示每個變電站至少供應一個地塊 (假定地塊大小分得足夠合理，每個地 塊計算負荷大小不超過一座變電站供電能力 ) ；約束條件式 (8) 表示每個地塊至少有一座變 電站為其供電；約束條件式(9)表示每座變電站地供電能力不超過約定數值.對于 Dij，可以利用變電站 j 與地塊 i 之間直線距離近似計算，計算公式為：從線路建

16、設實際看 , 中壓干線或高壓配電線路一般沿城市道路敷設 , 北京市城市道路網 般為橫平豎直地方格網 , 為計算更加準確 ,Dij也可以采用以下公式計算：式（10）及式（11）中：（Uj,Vj）為變電站 j 地坐標。（Xj,yj）為地塊 i 地中心點或配電室坐 標式 （6） 為整數規劃問題 , 這類問題可用線性規劃方法求解 , 也可用啟發式搜索方法比如遺 傳算法（GA 法）等求解文獻中有較多實踐資料，本文不再詳述GIS 疊加分析技術對變電站選址地優化不涉及數學模型在下文具體介紹3 2 計算方法與流程 總體來說,基于 GIS 地變電站選址共分 5 大步、14 小步（圖 1）.3 21 準備工作 具

17、體而言需進行以下工作選定工作基礎平臺軟件 （ 本文以 arcgis 軟件包 arcinfo軟件 為例）, 輸入 GIS 基礎數據 （含地圖、城市規劃圖等 ）, 劃定研究區域 ,按規范算法算出整個區 域內目標年電力負荷總最大需求P1,輸入待研究級別（比如 220kV）所有變電站（共 m+n2個）坐標及其目標年主變壓器安裝容量 522 計算每個地塊地計算負荷該步利用 GIS 分布計算功能 , 可使計算過程簡單化 計算前 , 需輸入以下現狀資料： （1） 用地控制性詳細規劃確定地各地塊性質 （分至建設用 地小類類別 ）、用地面積、建筑面積； （2） 城市規劃管理部門發布地各類建筑物負荷指標 （分 至

18、建設用地小類類別）；（3）目標年電力負荷最大需求P1.該步計算負荷調整因子 k1,k1可采用迭代計算地方法求出：首先賦予k1一個較大地值（最大值為 1）,迭代條件為 P2與 P1地差值，不斷減 k1取值，差值會不斷減小，當差值滿足一個 較小數值&時,計算結束計算地返回值為各地塊計算負荷Pi2, 并自動將該數值連同位置信息結合作為地塊屬性之一存儲在數據庫中 , 以在變電站選址計算中調用 為便于計算 ,每個地塊近似用一個數據點來表示 數據點位置為地塊中心點坐標 ,數據點 負荷即為整個地塊負荷 由于城市供電是變電站配電室變壓器為核心地供電模式, 數據點地位置可模擬變電站配電室變壓器位置 ,

19、因此這種近似在供電系統中是具有實際意義 地323 劃定組團 , 確定新建變電站個數 n2該步首先劃定地理阻斷因素作為約束條件，然后調用 GIS 空間數據庫中各地塊計算負荷帶入數學模型 , 得到各組團需新建變電站個數及研究區域需新建變電站總個數 324 變電站站址及供電范圍地確定該步是基于 GIS 地變電站選址地重點，分兩小步進行：首先 , 通過模型計算 , 確定各變電站供電范圍及變電站位置坐標 該計算需反復調用 GIS 屬性數據庫中關于地塊計算負荷及負荷所在位置坐標等數據屬性然后,利用 GIS 疊加分析功能，分析出適合建設變電站地區域，再對區域與變電站坐標進行疊加 , 得到新建變電站地優化站址

20、 具體實施方式如下：根據變電站電壓等級及布置形式確定變電站所需用地面積 （1） 對用地屬性進行搜索 , 去除基本農田、定樁綠地、現狀永久建筑、道路用地；（2） 對用地屬性進行搜索 , 去除收發信電臺、機場導航臺、軍用電臺用地外圍 15km 以內區域 , 去除綜合醫院、危險品倉庫、燃 氣場站外圍 1.0km 以內區域，去除輸油管道、高壓輸氣管道外圍200m 以內區域，去除居住區外圍 50m 以內區域； （3） 去除防洪標準不滿足用地區域 ,110kV 變電站防洪標準為 50 年一遇,220kV 及以上變電站防洪標準為 100 年一遇；（4）去除用地面積不滿足需求區域；（5） 疊加以上（1）（4）

21、項,得到可建設變電站區域；（6）疊加計算出來地變電站坐標及供電范圍，在 某站供電范圍內 , 計算出來地變電站坐標附近選取變電站位置 .在變電站迭代之前 , 需初始化新建變電站地位置 . 為準確反映變電站與用地屬性之間地 關系,新建變電站地初始化時 ,應以組團為基本地理單元 ,分別輸入 .325 輸出計算結果輸出結果主要為選址優化后確定地變電站位置及供電范圍 .4應用實例一一北京市 220kV 變電站空間布局據負荷預測，北京地區 2020 年供電負荷為 2500026000MW扣除電廠直供 1020MW,220kV 容載比取 1. 8,2020 年變電容量總需求為 44964MVA.北京市城市空

22、間結構為“兩軸兩帶多中心” , 在中心城市周圍 , 分布有 11 座新城 ,北京 擬實施中心城區與新城聯合發展戰略 為保障這個空間戰略地實施 , 在考慮北京市 220kV 供 電網絡空間布局時 , 應以備新城及城市中心作為分組組團 , 分別進行考慮 為此 , 在利用 GIS 計算時 ,設定遠郊區縣新城界 （不一定是行政邊界 ）為地理阻斷因子 ,將全市用地劃分為 12 個 組團經計算,2020 年北京市 220kV 變電站布局如4. 1 四環路以內2005 年二環路以內有長椿街、王府井 2 座 220kV 變電站，規劃增加天橋、桃園、內城3座 220kV 變電站 2005 年二環路至三環路有朝陽

23、門、草橋、西直門、左安門 4 座 220kV 變電站 ,規劃增 加廣渠門、南站 2 座 220kV 變電站 2005 年三環路至四環路有知春里、太陽宮、西大望、蓮花池、八里莊5 座 220kV 變電站,規劃增加健翔橋、黃寺、 CBD 三營門、玉泉營、遠大、西苑7 座 220kV 變電站.這樣,2005 年四環路以內有 11 座 220kV 變電站，到 2020 年規劃增加 12 座，四環路以內 220kV變電站總數將達到 23 座4 2 四環路至五環路2005 年四環路至五環路有 220kV 變電站 6 座,即東北郊、王四營、老君堂、南苑、張 儀、寶山 規劃增加八家村、望京、酒仙橋、團結湖、垡

24、頭、久敬莊、花鄉、張郭莊、樂各 莊、西山、祁家村 11 座220kV 變電站至 2020 年,四環路至五環路 220kV 變電站總數為 17 座4. 3 中心區五環路以外2005 年朝陽.海淀、豐臺、石景山 4 個城區五環路以外有 220kV 變電站 8 座（其中用 戶站 2 座） ：聶各莊、上莊、清河、電科院 （ 用戶站 ） 、孫河、白廟 （ 用戶站 ）, 呂村 , 定福莊 規劃增加 12座：海淀山后、西北旺、東北旺、奧運村、紅軍營、東壩、東壩東、古城東、 管莊、馬各莊、石景山、王佐至 2020 年，中心區五環路以外 220kV 變電站總數為 20 座4. 4 11 座新城延慶新增 2 座：

25、八達嶺、延慶 懷柔現有 1 座：懷柔：規劃增加 1 座：懷柔北 密云規劃增加 2 座：密云、密云北 平谷現有 1 座；規劃新增 1 座：馬坊 順義現有 2 座：高麗營、李遂；規劃增加5 座順義新城北、順義新城南、仁和、空港城、李橋南 昌平現有 2 座：下莊、西沙屯；規劃增加7 座：昌平東、沙坨、流村、亭子莊、沙河大學城、霍營、回龍觀通州現有 3 座：北寺、老通州、臺湖；規劃增加6 座：通州東、通州東南、通州西北、梨園、草廠、永樂店亦莊現有 1 座：榮華；規劃增加 3 座：亦莊東、亦莊南、京東方 .大興現有 2 座：大興、盧城；規劃增加 6 座：青云店、團河、舊宮，陳留莊、黃村、李 家務門頭溝規

26、劃新增 2 座：門城一、門城二房山現有 4 座(其中用戶站 2 座):良鄉、韓村河、燕化(用戶站)、東風(用戶站)；規 劃增加 3 座：閻村北、良鄉南、周口店 綜合以上，2005 年全市擁有 220kV 變電站 41 座,至 2020 年規劃新增 73 座,共計 114 座,變電站主變壓器總裝機容量為56650MVA.220kV 變電站布局見圖 2.5小結變電站地規劃問題屬多中心選址優化問題北京市電網變電站眾多，占用城市建設用地較多,與各類建設用地關系復雜，在空間布局上將變電站用地落到實處很難本文采用 GIS 技術構建了基于 GIS 地變電站選址地計算流程與方法該方法在遠期總體負荷規模確定地情

27、況下，根據各地塊用地面積、用地屬性、建筑面積等屬性，自動實現規劃期末地塊電力負荷地分布計算以此為基礎，輸入現狀變電站有關參數，即可計算出規劃變電站個數、每座規劃 變電站地供電范圍和中心點坐標等，然后利用 GIS 空間疊加分析功能，輸入新建變電站約束條件，即可自動識別每座變電站最適合地站址基于 GIS 空間分析技術地變電站選址決策模型與方法結構清晰，邏輯嚴密，接近行政管理者決策過程，具有一定實用價值【作者簡介】魏保軍 碩士，中國城市規劃設計研究院城市能源規劃研究中心副主任，高級工程師參考文獻(References)1王成山，劉濤，謝瑩華基于混合遺傳算法地變電站選址定容J.電力系統自動化,2006

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