GIS和变权权重模型在变电站选址研究中的应用

许立凯，丁连荣，刘朔铭

(国网天津市电力公司检修公司，天津 300230)

变电站的建址对电网结构起到决定性的作用[1-5]。变电站位置选择合适，电力系统网架就越坚固，系统受到小干扰的影响也越小，电网就能够经济、稳定运行；
变电站位置选择不当，则系统中的小扰动就有可能逐渐放大，造成灾难性的后果，很难保证系统的经济、稳定运行。此外，变电站的位置对电能质量也有重要影响。《城市电力网设计规划导则》中指出，变电站的选址应当尽可能靠近负荷中心，否则电压质量难以满足一些重要用户的要求。同时，还要求变电站的站址标高宜高出幅度为1%的高水位之上，否则应有可靠的防洪措施。

变电站的位置对自身及配电网输电系统都有着较大的影响。变电站建设投资巨大，且变电站是配电输电系统的电源点，变动变电站位置对配电系统吸负荷功率的能力都有较大的影响。如果变电站位置选盾不合适，低压侧出线路径的选择也会随之出现问题，结果导致输电线和馈线更长，费用更高。

文献[6]提出一种基于直流偏磁风险指标的变电站选址模型，较好地解决了直流偏磁风险对变电站的影响；
文献[7]将云理论运用在配电网络变电站选址定容模型中，大量数据分析让变电站的选址更加合理；
文献[8]将人工智能搜索算法应用到变电站选址研究中；
文献[9]在变电站的选址模型中考虑了分布式电源对其影响程度；
文献[10]将GIS系统运用到变电站选址模型中。上述模型都仅从单方面建立变电站选址模型的边界条件，缺乏选址模型的全面性。本文利用GIS系统对城市地理信息掌握的全面性特点，将其运用在变电站的选址模型中，同时构建变电站选址综合评价模型，较好地解决了选址模型出现多解的情况，从而在基于GIS的变电站选址模型基础上，找出最佳的变电站建址。

1.1 变电站选址原则

由上述分析可知，变电站的建址对电网结构、电能质量以及下级输电系统都有重要的影响，因此变电站的选址因满足以下基本原则。

(1)靠近负荷中心。变电站站址的选择必须适应电力系统发展规划和布局的要求，尽可能地接近主要用户，靠近负荷中心，这样必然会减少线路投资和电能损耗，既经济又节省能源。因此，变电站靠近负荷中心是站址选择的基本原则之一。这一原则既符合技术经济合理的建设目的，又可避免由于站址远离负荷中心而带来的一些其他问题[11]。

(2)节约用地。变电站选址时，应尽量避免拆迁各种建筑物。拆迁不仅要补偿大量费用，而且变电站选址应该放在区域的负荷中心，这样负荷到变电站的距离最小，中压线路投资费用最少，线路的损耗也最小。因此，利用GIS能够将某供电范围内的负荷等效为一个点负荷，通过找出包含负荷中心点的地理区域图层，就是变电站选址的地理位置可行域。

(3)地形地貌。良好的地形、地质条件是直接影响变电站能否顺利建设和安全生产的重要关键。对于地形条件，站址地形的条件应有利于变电站的建设和运行。选择良好的地形甚为重要，它往往决定整个变电站的布置形式。

(4)线路走廊。变电站站址的选择，应便于各级电压线路的引进和引出。变电站进出线所占的范围和行径的通道称为线路走廊，其宽度称为走廊宽度。进出线走廊应根据电力系统规划，做出统一安排，并应留有扩建发展余地，防止因站址选择不当造成进出线困难，影响扩建或增大送电线路建设费用。

(5)交通运输。变电站站址应尽可能选择在己有或规划的铁路、公路、河流交通线附近，以减少交通运输的投资，加快建设和降低运输成本。选择站址时应考虑施工时设备材料的运输，特别应考虑大型超限设备，主变压器、调相机等大件的过河过桥运输方案，以及运行时抢修、维护的道路。

(6)适应城市规划。选择变电站站址必须考虑城市规划的要求。变电站规划和建设与城市规划建设有密切关系，它是城市建设的一个重要组成部分。站址选择的正确与否，不仅对城市生活及其发展有重大影响，同时对变电站本身的运行和修建条件影响也很大[12]。

此外，还有供水条件、避开污秽路段、防洪排水、环境保护、利于施工和未来发展等方面的基本原则要求。

由上述基本要求可知，变电站的选址模型涉及到城市环境的要求要素较多，而GIS系统能够很好地为变电站的选址模型提供相应的边界已知条件，可将GIS系统应用到变电站的选址研究中。

1.2 负荷半径和经济成本模型

对于城市供电网中的负荷容量，能够将其等效成单个负荷节点，而变电站的建址中心，应当选在负荷包络圆的圆心处。基于以上原则，本文构建变电站的供电负荷半径模型，具体公式如下：

(1)

式中，RL为变电站的供电负荷半径；
Sr为变电站主变总容量，对于配电网而言，变电站的主变总容量相对固定，通常为2×120 MVA或者2×80 MVA；
λ为负荷平均功率因数；
ο为面负荷密度。

通过上述计算，能够得到变电站的供电范围，这是变电站选址所考虑的最基本要素；
另一个要素就是变电站建设的经济成本，主要包括以下方面。

(1)建设成本。

CB=(1+η)(k0+k1ST+k2Ln)

(2)

式中，CB为变电站的建设成本；
ST为变电站主变总容量；
Ln为低压线路出线回路数量，对于配电网，低压出线是供给用电负荷的主要输电线路；
k0、k1、k2为各自成本系数；
η为设备设备折旧维护费用比例系数，因为变电站的设备折旧维护费用和建设成本呈正比，因此本文用来表示该项成本费用。

(2)电能损耗费用。

(3)

式中，Closs为变电站的电能损耗费用；
Pk为站内变压器的短路损耗；
P0为变压器空载损耗；
Sl为变压器负载功率；
SN为变压器额定功率；
T为变压器年投入运行小时数；
τ为年最大负荷小时数；
ΔPlow为低压线路总有功损耗；
C0为单位电能损耗成本电费。

1.3 基于GIS的变电站选址模型

变电站选址原则，就是要满足电网运行的可靠性以及电网建设和电网运行的经济性。从1.2节可以看出，变电站供电范围与电力负荷密度密切相关，电力负荷密度唯一确定了变电站的供电范围。而利用GIS系统能够全方位地掌握待建区域内的负荷节点分布，地形地貌特征以及输电线路的架线路径。因此，基于GIS的变电站选址模型的基本思想为：在变电站建设的经济成本不超过预定的变电站建设预算范围内，利用GIS系统分析负荷节点分布和地形地貌特征，找出供电负荷半径最大的变电站建址。

2.1 评价指标体系构建

利用GIS系统构建的变电站选址模型，可以找出适合的变电站建址位置，但往往所得结果并不止1个，这就意味着需要在多个待选建址位置中找出最适合的位置。因此，本文还构建了变电站选址综合评价模型，用于在多个选址位置中选出最佳的变电站位置。

基于以上分析可知，变电站综合评价模型的关键之一在于构建合理的评价指标体系。本文在变电站选址基本原则分析基础上，构建出变电站选址综合评价双层指标体系，一级指标分别为：经济性、技术性和社会性指标，不同一级指标分别下设多个二级评价指标，如图1所示。

图1 变电站选址综合评价指标体系Fig.1 Comprehensive evaluation index system of substation location

2.2 评价指标的数据标准化

本文评价指标的赋值及标准化仅针对二级指标，最终的评价模型也是利用二级指标进行评价分析。

由变电站选址综合评价指标体系可以看出，有些指标为定量指标，例如变电站的建设成本，在1.2节中已有具体计算方法，但也存在定性指标，例如地形地貌条件等，对于二级指标中的定性指标赋值，本文采用三角模糊数方法对其赋值。

定义三角模糊数的清晰值为：

N′=(x+2y+z)/40

(4)

三角模糊数的三标度法如图2所示[13]，将定性指标量化为三角模糊数，然后再根据式(4)，进行数据计算。

对于图2中的三标度，一级表示指标性能最优，七级表示指标性能最低，一级至七级表示指标性能依次降低。

图2 三角模糊数的三标度法Fig.2 Three scale method of triangular fuzzy numbers

在得到不同指标的赋值后，还需要将不同量纲的指标进行标准化，才能运用到统一的评价模型中，指标的标准化公式如下所示：

(5)

相比于传统指标标准化方法存在严重的逆序缺陷，本文中的指标标准化方法则很好地避开了逆序结果的产生。

3.1 变权权重划分

本文采用变权权重模型对变电站选址综合评价指标进行权重划分。首先，利用熵权法得到常权权重。熵权法主要用来计算客观权值，具体步骤如下。

把评价指标值大小Ri转化为比重形式：

(6)

综合评价模型中的熵Hi的计算公式为：

(7)

权重计算公式为：

(8)

在实际应用中发现，评价过程中，某些指标对最终的评价结果不是一成不变的，这些指标的指标值在“量变”超过一定标准后，会对最终的评价结果产生“质变”的影响。当这些指标值下降到一定程度后，即使评价指标中的其他指标值均很高，最终的评价结果也会急剧变差，采用权重固定的模型则难以反映上述的“量变引起质变”的定的现象。因此，本文引入变权修正系数，来对评估指标的权重进行修正。

本文引入状态变权因子，来对常权权重进行调整。具体计算方法如下：

(9)

式中，δ(Ri)为各指标的状态变权因子；
max(Ri)、min(Ri)分别为指标合理取值的最大值和最小值；
t为惩罚水平，t>0，t越大，惩罚力度越大。

引入状态变权因子后，各评价指标的权重大小为：

ωi=ωi′δ(Ri)

(10)

3.2 变电站选址评价模型

本文采用Topsis模型来对变电站选址进行综合评价，具体方法如下。

首先，计算不同评价指标到正负理想解的欧氏距离。各评价指标到正理想解之间的欧氏距离为：

(11)

各评价指标到负理想解之间的欧氏距离为：

(12)

然后，计算综合评价贴近度Ci。Ci值愈大，变电站的选址越理想；
反之，则越不理想。

(13)

以广州南沙经济技术开发区某新建变电站为例，通过变电站选址模型找出适合的待建地址，验证本文中模型的有效性。

利用第1章中的模型，结合式(1)—式(3)，通过GIS系统找出满足变电站建设预算总成本的待建位置，且供电负荷半径为最大，通过建模计算得到3个待建地址，其对应的经济成本和供电负荷半径见表1。

表1 待建地址经济成本和负荷半径参数Tab.1 Economic cost and load radius parameters of site to be built

注：变电站的总预算为5 000 万元。

从表1可以看出，若单从建设成本角度考虑，变电站的选址优先级为：T2>T1>T3；
若单从供电负荷半径监督考虑，变电站的选址优先级为：T1>T2>T3。因此，从不同角度考虑，最后得到的变电站选址位置不同。

利用第变电站选址综合评价模型，在3个待选位置中选出最佳的变电站建址位置。

首先是评价指标的赋值和标准化，利用式(4)、式(5)可以得到不同位置下的变电站选址综合评价指标信息见表2。

表2 变电站选址综合评价指标信息Tab.2 Comprehensive evaluation index information of substation location

再利用式(6)—式(10)，能够得到不同指标的变权权重大小为：ω=(0.151，0.132，0.111，0.121，0.101，0.081，0.101，0.100，0.102)。

利用式(11)—式(13)，可以得到不同待选变电站待选地址的正负欧式距离和评价贴近度，具体见表3。

表3 变电站选址综合评价结果Tab.3 Comprehensive evaluation results of substation site selection

由表3可知，变电站的建址优先级为：T1>T2>T3，因此，最后的变电站选址最佳位置为T2，T2位置的供电负荷半径虽然较T1小，但其各项综合评价指标较T1优，所以其最终的综合评价结果也为最优，因此上述评价模型符合实际情况。实际变电站的建址位置也为T1位置，仿真与实际结果一致。

变电站的选址合理性将直接关于到电网的架构坚强性和供电可靠性，对于变电站的选址问题研究一直是电力系统的重点之一。本文将变电站的选址模型和GIS系统相结合，利用GIS系统能够全方位掌握到待建区域的所有影响因素，合理利用GIS系统，能够为变电站的选址模型带来较大的改进。本文解决了选址模型出现多解的情况，在GIS系统应用的基础上，提出变电站选址综合评价模型，能够在多待选地址的基础上，找出最佳的变电站选择地址，实际仿真算例也验证了本文模型的有效性。