1  引言

    电网规划是一个具有多目标性、不确定性、非线性和多阶段性等特点的复杂系统优化问题，属于NP难问题（至今没有找到多项式时间算法解的一类问题）。完全依靠规划工作者的经验规划未来的电力系统，已经远远不能满足现代电力系统的要求。以计算机作为工具，采用新技术、新方法对城市电网进行优化规划己在电力系统界达成了共识。

    地理信息系统是介于信息科学、空间科学与地球科学之间的交叉学科和技术，它将地学空间数据处理与计算机技术相结合，通过系统建立、操作与模型分析，产生对区域规划及管理决策等方面的有用信息。随着计算机软、硬件技术的发展与普及，地理信息系统进入了全面发展和应用阶段。地理信息系统的地理数据包括位置、可能的拓扑关系、地物的特征等，而地理位置特征在配网中是最基本的要素。所以把地理信息系统作为配网规划设计的数据基础是非常适宜的。

    实际上，在配电网的设计规划[1, 2]中，仅靠人工或借助于简单的CAD制图工具，不仅费时、费力，而且想兼顾网络结构、设备材料、居民便利及故障物等各方面的因素，很难进行方案的优选。但是若利用地理信息系统(GIS)强大的空间数据处理和网络分析的拓扑功能来处理配电系统大部分与空间有关的信息，不仅能够极大地方便规划数据的管理，提高规划人员的效率，同时规划过程也更直观、更具有交互性。

2  配电网规划

2.1  配电网规划的主要内容

    配电网规划[3]主要包括以下内容：负荷预测、变电站优化、网络结构规划、短路容量分析、无功规划等。

    负荷预测包含两个方面的含义，对未来需求量（功率）的预测和对未来用电量的预测。 对未来需求功率的预测，用来决定发电设备的容量，以及相应的输电与配电的容量；而对未来用电量的预测决定了应当安装何种类型的发电设备。

    变电站优化也是变电站站址及站容规划，在满足诸如负荷需求、线路容量、变电站容量等约束条件的情况下，寻优新建变电站的位置和容量。

    网络结构的优化规划，是根据系统未来的电源及负荷水平，确定一个可行的网络建设方案，满足投资限额和运行要求的约束条件，并且使投资及运行等费用最少。

    短路容量分析：从网络的设计、电压等级、变压器的容量、阻抗的选择、运行方式等方面进行控制，使各等级电压断路器的开断电流以及设备的动稳定电流得到配合。

    无功规划是确定新增无功补偿设备的最佳位置、容量、类型及投入时间。

2.2  配电网规划的基本要求

    配电网规划的目的是以最好的方法找到最佳的投资决策方案，因此对配电网规划的基本要求是：保证供电质量；满足负荷增长的需要；经济性；同环境协调一致。

3  基于GIS的配电网规划智能决策支持系统

    人们把配电网拓扑结构信息存储于地理信息系统数据库中，构成配电网规划智能决策支持系统，不仅可加速配电网设计过程，而且可使最终得到的设计方案达到经济、高效、低耗的目的。

(1)  系统总体结构

    基于GIS的配电网规划智能决策系统[4, 5]的结构图，如图1所示。专家决策模块式智能决策支持系统的核心部分，它通过利用与配电网规划相关的各种信息进行综合分析决策后的相互配电网规划的最佳方案；知识库中存储有与配电网规划相关的一些难以用数学方法描述的人的知识和经验；专家决策模块利用知识库里的知识进行推理判断；模型库中有以标准形式存储的通用模型、专用模型和用户模型等各种模型。可为决策者提供推理、比较、选择、分析整个问题的模型；方法库存储有解决配电网规划问题所需的数学和运筹学方法，能对各种模型的求解分析提供必要的算法；GIS系统平台为配电网规划提供了强大的空间分析和显示功能，配电网规划中的空间负荷预测、变电站选址、馈线的合理布局等功能都离不开GIS系统的支持；配电网规划数据库上集中存储有地理、经济、负荷、网络、费用和可靠性等配电网规划所需的数据，并与MIS（管理信息系统）、SCADA系统（CIS）等系统相连，从SCADA系统可获得负荷测量数据，从CIS系统获得用户的用电量和用电特性等信息用于负荷分析，从GIS系统中可自动提取配电网规划所需的空间数据。

(2)  负荷分析子系统

    负荷分析子系统需要充分利用电网中的大量用电量数据和用户信息，来分析出配电网系统的负荷分布及未来发展的趋势。

(3)  馈线分析子系统

    馈线分析子系统是借助配电网规划和设计必要的辅助工具。规划人员既可以用它对当前系统进行潮流、可靠性和电动机起动等方面的分析，找出系统的薄弱环节，以便确定规划目标，也可以用它对规划出的方案进行检验。

(4)  优化规划子系统

    配电网自动规划系统包括空间负荷预测、变电站优化规划和馈线优化规划三个模块。

    首先按负荷的性质将负荷分为：居民负荷、工业负荷、商业负荷、农业负荷和其他等几类，利用地理信息系统的功能，将规划区域化为若干小区，收集各小区的未来负荷分布数据及每一小区各类负荷和相关因素的历史值。

    实际上同一类负荷也存在很多不同情况，若取相同的负荷密度值则会引起较大误差。因此，在确定负荷密度值时，先用第一步中得到的各类负荷及相关因素的历史数据进行聚类分析，然后按小区用地规划提取小区待测数据与分类数据的隶属度（即隶属度分析），通过修正量计算求得小区负荷密度，就可以得到相应的负荷值。

    小区面积构成分析是根据城市规划部门提供的城市用地规划，利用GIS的相关功能通过实测来完成的。

4.2  变电站的选址及站容优化规划

    在各负荷容量和位置已知的基础上，自动地确定出目标年及中间年待建变（配）电所的地理位置及容量，以满足未来负荷发展的需要，同时所需投资及运行费用最小。

    根据电压等级的不同，变电站优化模型可以分为两类。一类为中压配电变电站位置及容量的优化模型，另一类为高压配电变电站位置及容量的优化模型。在第一类中，二次（380kV/220V）配电线的投资和运行费用的影响很大，因而在优化模型中必须较精确的加以计算，而第二类中这部分投资同变电站投资相比较小，优化模型可以适当简化。

    对于每一个特定容量的组合，要寻求使目标函数最小的待建变电站的位置，可以利用GIS系统和已得到的空间负荷预测信息，在规划片区的电子地图上大范围地自动搜索所有可能的站址，从而确定出待建的候选变电站的地理位置。考虑到变电站优化问题的动态特性，则可先用最优化技术算出满足目标年负荷情况的目标年最优变电站的位置和容量；然后把基础年到目标年分为若干阶段，用目标年优化出的站址和站容作为候选站址和站容，并可以采用网络流算法排列出既满足中间各相应阶段的负荷情况又使总投资费用和年运行费用最小的中间各阶段建设方案。

    变电站规划结束后，可以在地图上按不同电压等级分层显示变电站的位置。用户还可以通过界面上的窗体得到每个变电站的相关信息，包括变电站的位置、各规划年份的容量、变电站内变压器的台数和各变压器的容量、变电站的供电范围以及各规划年份的投资等。

4.3  网络结构优化规划

    这部分规划是在完成负荷预测，并确定了所需投建或增容的变压器的地理位置和容量的基础上进行的。

    网络优化部分规划出各规划年度高压（110kV、35kV）和中压（10kV）配电线路网架结构。优化模型通常采用非线性混合整数规划模型。其目标函数取为规划水平年配电网扩展的投资费用与年损耗费用之和，以负荷需求、变压器和线路的容量限制、功率平衡和配电网的放射状条件为约束。系统采用基于最优化算法和基于规则的专家规划相结合的方法。
这一部分规划结束后，可以在地图上显示各个规划年度的网络结构，以及相应的线路信息包括线路型号、线路回数、线路长度、所属供电变电站、投建（改建）年份等，并可以在地图上直观地看到网络的扩展。

5  结论

    基于GIS的配电网规划系统提供了完善的图文查询功能，配电工作者可以在配电图上，根据配网的各种信息及地理信息[10]，进行配网的规划和工程设计，大大提高了设计的效率。

    将GIS平台引入到配电网规划系统中，能够极大地方便规划数据的管理。同时规划过程也更直接、更具有交互性。其次，GIS可以方便地辅助规划人员确定被选的变电站站址和架空线路走廊或电缆通道，这不仅可以缩小优化规划程序的搜索范围，而且使得规划的结果更加符合实际。最后，GIS平台的引入可以使配电网规划与城市规划同步。